JP6522152B2 - Carbon nanotube-cement composite compositions for catalysts on the counter electrode of dye-sensitized solar cells - Google Patents
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Description
本開示の態様は、色素増感太陽電池(DSSC,dye‐sensitized solar cell)の光電変換材又は素子として機能するカーボン‐セメント系触媒層を対象としている。 An aspect of the present disclosure is directed to a carbon-cement-based catalyst layer that functions as a photoelectric conversion material or element of a dye-sensitized solar cell (DSSC).
非特許文献1に記載のように、色素増感太陽電池(DSSC)は1991年から存在している。DSSCの効率は少なくとも7%に達している。DSSCの典型的な構成は、作用電極(光電極とも呼ばれる)と、電解液と、対向電極(対極)から成る。作用電極は、アノードとして機能し、典型的には、メソポーラス二酸化チタンナノ粒子でコーティングされ、電磁スペクトルの可視領域(400〜700nm)内のエネルギーハーベスティングを行うことができる増感分子が固定された透明導電性酸化物(TCO,transparent conductive oxide)ガラス基板から形成される。 As described in Non-Patent Document 1, a dye-sensitized solar cell (DSSC) has been in existence since 1991. The efficiency of DSSC has reached at least 7%. A typical configuration of the DSSC consists of a working electrode (also called a photoelectrode), an electrolyte and a counter electrode (counter electrode). The working electrode functions as an anode and is typically coated with mesoporous titanium dioxide nanoparticles and transparent with immobilized sensitizing molecules capable of performing energy harvesting within the visible region (400-700 nm) of the electromagnetic spectrum It is formed from a conductive conductive oxide (TCO, transparent conductive oxide) glass substrate.
電極間の中間に位置する電解液は、酸化還元対として、三ヨウ化物/ヨウ化物を含む。 The electrolyte positioned intermediate between the electrodes contains triiodide / iodide as a redox couple.
対向電極は、カソードとして機能し、透明導電性酸化物ガラス上にコーティングされた触媒層(白金、カーボン、導電性ポリマー、酸化金属、硫化金属、炭化金属等)から成る。触媒は、電解液中で三ヨウ化物イオン(I3 −)をヨウ化物イオン(I−)に還元するのに用いられる。つまり、触媒物質は、外部負荷から電解液まで電子を伝える。 The counter electrode functions as a cathode and consists of a catalyst layer (platinum, carbon, conductive polymer, metal oxide, metal sulfide, metal carbide, etc.) coated on a transparent conductive oxide glass. The catalyst is used to reduce triiodide ion (I 3 − ) to iodide ion (I − ) in the electrolyte. That is, the catalytic substance conducts electrons from the external load to the electrolyte.
電池が太陽光で照射されると、基底状態の色素分子が、可視スペクトル領域中の光子を吸収して、励起状態になる一方で、二酸化チタンは可視スペクトル領域外(つまり、紫外領域)のより高エネルギーの光子を吸収する。励起色素は、TCO上にコーティングされた二酸化チタンの伝導バンド(CB,conduction band)中に電子を注入する結果として、酸化色素になる。電子は作用電極を介して外部開路に伝わり、対向電極を介して電池に戻る。三ヨウ化物分子は、対向電極から電子を受け取ることによって還元される結果として、ヨウ化物になる。一方、酸化色素は、酸化還元反応を介してヨウ化物分子から電子を受け取って、元々の状態に戻る。この段階において機構は閉じていて、電池が上記光照射条件にある限りは作用したままである。 When the cell is illuminated with sunlight, dye molecules in the ground state absorb photons in the visible spectral region and become excited, while titanium dioxide is out of the visible spectral region (i.e., the ultraviolet region). Absorbs high energy photons. Excitation dyes become oxidation dyes as a result of injecting electrons into the conduction band (CB, conduction band) of titanium dioxide coated on TCO. The electrons are transmitted to the external open circuit through the working electrode and return to the battery through the counter electrode. The triiodide molecules become iodide as a result of being reduced by receiving electrons from the counter electrode. On the other hand, the oxidation dye receives an electron from the iodide molecule through the redox reaction and returns to the original state. At this stage the mechanism is closed and remains active as long as the cell is under the above light irradiation conditions.
現在、DSSCの性能を改善するため、DSSCの三つの主要構成要素、つまり、作用電極、電解液、対向電極が積極的に開発されている。基板上にコーティングされた触媒物質から成る対向電極は重要な一構成要素である。対向電極の性能を改善することは、DSSCの性能を向上させ、DSSCの製造コストを削減するための効果的な方法である。DSSCは、高価な希土類元素である白金を、その高い電気化学的活性及び低い抵抗性のため、触媒として有する対向電極を必要とする。他の効率的であるが安価な物質に白金を置き換えることによって、この高価な元素の必要性の問題を解決しようとする多くの試みが提案されている。カーボンは、高い表面積、低いコスト、高い導電性、簡単な合成等の多様な特徴のため有力な候補となっている。カーボンナノチューブ、ナノ粒子、グラフェンシート等のいくつかの形態のカーボン物質が利用可能である。 At present, in order to improve the performance of the DSSC, three main components of the DSSC, namely, a working electrode, an electrolyte and a counter electrode, are actively developed. A counter electrode consisting of a catalytic material coated on a substrate is an important component. Improving the performance of the counter electrode is an effective way to improve DSSC performance and reduce DSSC manufacturing costs. DSSC requires a counter electrode which has platinum, which is an expensive rare earth element, as a catalyst because of its high electrochemical activity and low resistance. Many attempts have been proposed to solve the problem of the need for this expensive element by replacing platinum with other efficient but inexpensive materials. Carbon is a strong candidate because of various features such as high surface area, low cost, high conductivity, simple synthesis. Several forms of carbon materials are available, such as carbon nanotubes, nanoparticles, graphene sheets and the like.
非特許文献2では、多層カーボンナノチューブ(MWCNT,multi−walled carbon nanotube)を触媒として有するDSSCが製造された。MWCNTがバインダーと混合され、次いでスクリーン印刷法を用いて透明導電性酸化物ガラス基板上にコーティングされた。MWCNTでコーティングされた基板が、50℃で10時間にわたって焼成された。次いで、サンプルが、DSSCの対向電極として適用された。性能試験によって、MWCNT触媒を有するDSSCが、Pt触媒の効率(7.85%)に匹敵する7.67%の効率を与えることが分かった。 In Non-Patent Document 2, a DSSC having multi-walled carbon nanotubes (MWCNT, multi-walled carbon nanotubes) as a catalyst was produced. MWCNTs were mixed with a binder and then coated on a transparent conductive oxide glass substrate using screen printing. The MWCNT coated substrate was calcined at 50 ° C. for 10 hours. The sample was then applied as the counter electrode of DSSC. Performance tests showed that DSSC with MWCNT catalyst gave an efficiency of 7.67% comparable to that of Pt catalyst (7.85%).
非特許文献3では、多様な形態のカーボン、つまり、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)、二層カーボンナノチューブ(DWCNT,double−walled carbon nanotube)、単層カーボンナノチューブ(SWCNT,single−walled carbon nanotube)を触媒として有するDSSCの効率が研究された。DWCNTを触媒として有するDSSCの効率は8.03%である一方、SWCNT、MWCNTを有する電池はそれぞれ7.61%、7.06%の効率を示し、非特許文献3の著者等がPt触媒について測定した効率(8.49%)に匹敵している。 In Non-Patent Document 3, various forms of carbon, ie, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), double-walled carbon nanotubes (DWCNTs), single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), are catalyzed. The efficiency of DSSC as has been studied. While the efficiency of DSSC with DWCNT as a catalyst is 8.03%, the battery with SWCNT and MWCNT shows an efficiency of 7.61% and 7.06%, respectively, It is comparable to the measured efficiency (8.49%).
上述のように、カーボンナノチューブは、DSSC用の効率的な触媒として使用可能であり、カーボンナノチューブを触媒として用いるDSSCの性能は、プラチナ触媒を用いるものに匹敵している。しかしながら、カーボンナノチューブ同士の接着、また、カーボンナノチューブとTCOガラス基板との間の接着性を改善するため、カーボン触媒層の作製にはバインダーが必要とされる。最も一般的なバインダーは導電性ポリマーであるが、これは残念ながら高温において安定ではなく、また、不当に高価である。 As mentioned above, carbon nanotubes can be used as efficient catalysts for DSSCs, and the performance of DSSCs using carbon nanotubes as a catalyst is comparable to those using platinum catalysts. However, in order to improve the adhesion between carbon nanotubes and also the adhesion between the carbon nanotubes and the TCO glass substrate, a binder is required for the preparation of the carbon catalyst layer. The most common binders are conductive polymers, which unfortunately are not stable at high temperatures and are unduly expensive.
本開示の態様によると、セメント質物質、セメント系物質、セメント物質、又はセメントのうち少なくとも一種(以下、簡単のため、セメント)は優れた機械的特性及び高い多孔質性を有し、典型的には焼成石灰石及び粘土物質を含み得て、及び/又は、窯で共に焼成されて次いで粉砕されたアルミナ、石灰石、酸化鉄、酸化マグネシウム等の多様な化合物を含む粉末として形成又は提供可能なものであり、DSSCのカーボン系対向電極用のバインダー物質又はバインダーとして利用される。セメントは、従来のタイプのポルトランドセメント等の物的インフラ設備材(例えば建材)としての使用に適した従来のセメンであるか又はそれを含むものであり得る。本開示に係る多様な実施形態は、従来の導電性ポリマーバインダーを用いる代わりに、セメントをDSSC対向電極バインダーとして用いる。より具体的には、本開示に係る多様な実施形態は、DSSC応用のためのカーボン系物質‐セメント対向電極構造体又は対向電極(以下、カーボン‐セメント対向電極構造体又はカーボン‐セメント対向電極と称する)を提供する。カーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCは、対向電極バインダーとしてのセメントと組み合わせられ又は混合されたカーボン系触媒を含み、また、導電性ポリマーバインダーを排除すること又は含まないことができる。本開示の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極は、後述のように、安価に製造可能であり、高いパワー変換効率を達成することができる。 According to aspects of the present disclosure, at least one of cementitious material, cementitious material, cement material, or cement (hereinafter, for simplicity, cement) has excellent mechanical properties and high porosity, and is typically May contain calcined limestone and clay material, and / or may be formed or provided as a powder comprising various compounds such as alumina, limestone, iron oxide, magnesium oxide, etc. which have been co-fired and then crushed in a kiln. It is used as a binder material or binder for a carbon-based counter electrode of DSSC. The cement may be or include conventional cement suitable for use as a physical infrastructure material (eg, building material), such as a conventional type of Portland cement. Various embodiments according to the present disclosure use cement as a DSSC counter electrode binder instead of using a conventional conductive polymer binder. More specifically, various embodiments according to the present disclosure include a carbon-based material-cement counter electrode structure or a counter electrode (hereinafter referred to as a carbon-cement counter electrode structure or a carbon-cement counter electrode) for DSSC application Provided). DSSCs using a carbon-cement counter electrode include a carbon-based catalyst combined or mixed with cement as a counter electrode binder, and may or may not exclude a conductive polymer binder. The carbon-cement counter electrode according to the embodiment of the present disclosure can be manufactured inexpensively as described later, and can achieve high power conversion efficiency.
一般的に、本開示の多様な実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極は三層、具体的には、(i)触媒層としてセメントと混合された炭素系物質又は炭素物質、(ii)TCO層、及び(iii)透明基板(例えば、ガラス基板)を含む。カーボン物質は、カーボンナノ物質、ナノ構造、又はナノ粒子(カーボンナノチューブ等)を含むか又はその形態であり得て、従来の白金触媒と同様に、高い触媒活性及び低い抵抗を示す一方、セメントを用いて、基板が有するTCO層とカーボンナノチューブとの間の接着性を改善し、更に、カーボンナノチューブと基板自体との間の接着性も促進することができる。 Generally, a carbon-cement counter electrode according to various embodiments of the present disclosure comprises three layers, specifically (i) a carbon-based material or material mixed with cement as a catalyst layer, (ii) a TCO layer And (iii) a transparent substrate (for example, a glass substrate). The carbon material may comprise or be in the form of carbon nanomaterials, nanostructures, or nanoparticles (such as carbon nanotubes) and, like conventional platinum catalysts, exhibit high catalytic activity and low resistance while cement It can be used to improve the adhesion between the TCO layer of the substrate and the carbon nanotubes, and also to promote the adhesion between the carbon nanotubes and the substrate itself.
本開示に係る特定の実施形態の目的は、DSSC対向電極触媒物質としてのカーボンナノチューブの使用、及び対向電極バインダーとしてのセメントの使用である。触媒層としてセメントと混合されたカーボン物質を有するDSSCは、白金触媒を用いる従来のDSSC用のものに略匹敵する又は匹敵する高いパワー変換効率を達成することができる。更に、バインダーとしてのセメントの使用は、従来の導電性ポリマーバインダーに対する適切で、単純で、信頼性があり、簡単に製造可能であり、安価な置換を提供する。 The purpose of certain embodiments of the present disclosure is the use of carbon nanotubes as a DSSC counter electrode catalyst material and the use of cement as a counter electrode binder. A DSSC having a carbon material mixed with cement as a catalyst layer can achieve high power conversion efficiencies substantially comparable or comparable to those for conventional DSSCs using a platinum catalyst. Furthermore, the use of cement as a binder provides a suitable, simple, reliable, easily manufacturable, inexpensive replacement for conventional conductive polymer binders.
本開示の一態様によると、色素増感太陽電池(DSSC)用の対向電極構造体は、(i)焼成石灰石及び粘土物質を備えるセメントと、セメントと混合されたカーボンナノチューブとを含むカーボン‐セメント触媒層と、(ii)触媒層と接触している透明導電性酸化物(TCO)層と、(iii)TCO層及び触媒層を有する基板とを含み、セメントが、TCO層に対するカーボンナノチューブの接着性を促進するバインダー物質として機能する。このようなDSSC対向電極構造体は、導電性ポリマーを含む必要がなく排除することができる。カーボン‐セメント触媒層は、電解液系の三ヨウ化物及びヨウ化物の酸化還元対用の触媒として機能し、TCO層は、負荷からカーボン‐セメント触媒層までの電子キャリアとして機能する。カーボン‐セメント触媒層は典型的に10.0〜100.0マイクロメートルの厚さを有する。 According to one aspect of the present disclosure, a counter electrode assembly for a dye-sensitized solar cell (DSSC) comprises (i) a carbon-cement comprising cement comprising calcined limestone and a clay material and carbon nanotubes mixed with cement. A cement layer comprising: a catalyst layer; (ii) a transparent conductive oxide (TCO) layer in contact with the catalyst layer; and (iii) a substrate having the TCO layer and the catalyst layer, wherein the cement adheres carbon nanotubes to the TCO layer. It acts as a binder substance that promotes Such DSSC counter electrode structures can be eliminated without the need to include conductive polymers. The carbon-cement catalyst layer functions as a catalyst for the electrolyte-based triiodide and iodide redox couple, and the TCO layer functions as an electron carrier from the load to the carbon-cement catalyst layer. The carbon-cement catalyst layer typically has a thickness of 10.0 to 100.0 micrometers.
セメントは、典型的に、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、三酸化硫黄、酸化マグネシウム、及び酸化鉄を含む。例えば、セメントは、合計100体積%の量に対して、10.0〜20.0体積%の炭素、2.0〜10.0体積%のケイ素、30.0〜60.0体積%の酸素、1.0〜5.0体積%のアルミニウム、0.2〜5.0体積%の鉄、0.5〜5.0体積%の硫黄、10.0〜40.0体積%のカルシウム、及び0.1〜1.0体積%のマグネシウムを含むことができる。カーボン‐セメント触媒層は、炭素、酸素、ケイ素、アルミニウム、鉄、硫黄、マグネシウム、及びカルシウムを含む。カーボンナノチューブは、典型的に、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)、及び多層カーボンナノチューブ(MWCNT)のうち少なくとも一種を含む。 The cement typically comprises silicon dioxide, aluminum oxide, calcium oxide, sulfur trioxide, magnesium oxide and iron oxide. For example, cement is 10.0 to 20.0% by volume of carbon, 2.0 to 10.0% by volume of silicon, 30.0 to 60.0% by volume of oxygen, based on a total of 100% by volume. 1.0 to 5.0% by volume of aluminum, 0.2 to 5.0% by volume of iron, 0.5 to 5.0% by volume of sulfur, 10.0 to 40.0% by volume of calcium, and It can contain 0.1 to 1.0% by volume of magnesium. The carbon-cement catalyst layer comprises carbon, oxygen, silicon, aluminum, iron, sulfur, magnesium and calcium. The carbon nanotubes typically include at least one of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), double-walled carbon nanotubes (DWCNTs), and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs).
多様な実施形態において、カーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージ比は27:73から37:63の範囲内になるように選択される。カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比は、特定の、ターゲットの、又は最小のパワー変換効率(略9.3%以上のパワー変換効率等)を提供するように選択可能である。一部実施形態では、カーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ比は29.0:71.0である。 In various embodiments, the relative weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement is selected to be within the range of 27:73 to 37:63. The weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement can be selected to provide a specific, target, or minimal power conversion efficiency (such as a power conversion efficiency of about 9.3% or more). In some embodiments, the weight percentage ratio of carbon nanotubes to cement is 29.0: 71.0.
TCO層は、フッ素ドープ酸化錫、インジウムドープ二酸化錫、アルミニウムドープ酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛、ゲルマニウムドープ酸化インジウム、金属チタン、及びステンレス鋼金属のうち一種を含み得る。 The TCO layer may include one of fluorine-doped tin oxide, indium-doped tin dioxide, aluminum-doped zinc oxide, gallium-doped zinc oxide, germanium-doped indium oxide, metallic titanium, and stainless steel metal.
本開示の一態様によると、色素増感太陽電池(DSSC)用のカーボン‐セメント対向電極構造体を製造するための方法は、(i)セメント粉末と共にカーボンナノチューブをすりつぶして、均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物を得るステップと、(ii)均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に脱イオン(DI)水を加えて、ペーストを形成するステップと、(iii)ペーストをすりつぶして、均一なペーストを形成するステップと、(iv)透明導電性酸化物(TCO)層をその上に有する基板を提供するステップと、(v)基板上に均一なペーストをコーティングするステップと、(vi)基板上にコーティングされたペーストを乾燥させるステップとを含む。 According to one aspect of the present disclosure, a method for producing a carbon-cement counter electrode assembly for dye-sensitized solar cells (DSSC) comprises (i) grinding carbon nanotubes with cement powder to obtain uniform carbon nanotubes The steps of obtaining a cement powder mixture, (ii) adding deionized (DI) water to the uniform carbon nanotube-cement powder mixture to form a paste, and (iii) grinding the paste to form a uniform paste (Iv) providing a substrate having a transparent conductive oxide (TCO) layer thereon, (v) coating a uniform paste on the substrate, and (vi) coating on the substrate Drying the paste.
DI水を加えることは、1体積部の均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に対して8体積部のDI水を加えることを含み得る。ペーストを乾燥させることは、典型的に、ペーストを空気乾燥させることを含む。例えば、ペーストを乾燥させることは、17〜35℃の間の周囲温度においてペーストを空気乾燥させることによって行われ得る。 Adding DI water may include adding 8 parts by volume DI water to 1 part by volume homogeneous carbon nanotube-cement powder mixture. Drying the paste typically involves air drying the paste. For example, drying the paste may be performed by air drying the paste at an ambient temperature between 17-35 ° C.
[1.例示的なカーボン‐セメント対向電極構造体及び組成]
図1は、本開示に係る例示的な対向電極構造体又は対向電極5を示し、これは、以下で詳述するように、触媒層10と、透明導電性酸化物(TCO)層20と、透明基板30とを含む積層又はサンドイッチ型構造である。
[1. Exemplary Carbon-Cement Counter Electrode Structure and Composition]
FIG. 1 shows an exemplary counter electrode structure or counter electrode 5 according to the present disclosure, which comprises a catalyst layer 10 and a transparent conductive oxide (TCO) layer 20, as described in detail below. It is a laminated or sandwich type structure including the transparent substrate 30.
[触媒層]:触媒層10は、対向電極5の頂部層として定めることができるものであり、三ヨウ化物‐ヨウ化物(I−/I3 −)酸化還元対用の触媒物質を含むか又はそれとして機能する。触媒層10は、TCO層20上にコーティングされ、少なくとも一種のカーボン系物質、カーボン物質又はカーボン(以下、簡単のためカーボンとする)を含み、そのカーボンは、カーボンナノチューブ等のカーボンナノ物質又はカーボンナノ構造(例えば、意図的に又は特別に設計されたカーボンナノ物質又はカーボンナノ構造)の形態を含むか又はその形態として提供され、セメントと組み合わせられ又は混合される。結果として、触媒層10を、カーボン‐セメント触媒層又は膜10と呼ぶことができる。実施形態の詳細に応じて、カーボンは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)と、二層カーボンナノチューブ(DWCNT)と、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)とのうち少なくとも一種を含むか又はそれで形成され得る。特定の実施形態では、カーボンは、バッキーボールと、カーボンナノバッドと、グラフェンとのうち一種以上を追加的に又は代替的に含むことができる。一般的には、バインダーとして機能するセメントの存在のため、触媒層10は、炭素、ケイ素、酸素、アルミニウム、鉄、硫黄、カルシウム、及びマグネシウムを含む複数元素を含有する。例えば、バインダーとして機能するセメントは、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウム(CaO)、三酸化硫黄(SO3)、酸化マグネシウム(MgO)、及び酸化鉄(Fe2O3)を含むことができるものであり、又は典型的に含むものである。例示的な実施形態では、セメント中のケイ素、酸素、アルミニウム、鉄、硫黄、カルシウム、マグネシウムの体積量は、合計100%となる量に対して、つまり、当業者には容易に理解されるように、100%のセメント組成物、物質、又は製品を形成するようにして、それぞれ、2.0〜10%、30.0〜60.0%、1.0〜5.0%、0.2〜5.0%、0.5〜5.0%、10.0〜40.0%、0.1〜1.0%の範囲内である。 [Catalyst layer]: catalyst layer 10, which may be defined as the top layer of the counter electrode 5, triiodide - iodide (I - / I 3 -) or containing catalytic material for the oxidation-reduction pair or It functions as it. The catalyst layer 10 is coated on the TCO layer 20 and contains at least one carbon-based material, carbon material or carbon (hereinafter referred to as carbon for simplicity), which is a carbon nanomaterial such as carbon nanotubes or carbon It is provided or provided in the form of nanostructures (e.g., intentionally or specially designed carbon nanomaterials or carbon nanostructures) and is combined or mixed with cement. As a result, catalyst layer 10 can be referred to as a carbon-cement catalyst layer or membrane 10. Depending on the details of the embodiment, the carbon may include or be formed of at least one of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), double-walled carbon nanotubes (DWCNTs), and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). In certain embodiments, the carbon can additionally or alternatively include one or more of buckyballs, carbon nanobuds, and graphene. In general, the catalyst layer 10 contains multiple elements, including carbon, silicon, oxygen, aluminum, iron, sulfur, calcium, and magnesium, due to the presence of cement that functions as a binder. For example, cements that function as binders include silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), calcium oxide (CaO), sulfur trioxide (SO 3 ), magnesium oxide (MgO), and iron oxide (Fe) 2 O 3 ) can be included or is typically included. In an exemplary embodiment, the volume amounts of silicon, oxygen, aluminum, iron, sulfur, calcium, magnesium in the cement, as opposed to being 100% total, would be readily understood by those skilled in the art. To form a 100% cement composition, substance or product, respectively, 2.0-10%, 30.0-60.0%, 1.0-5.0%, 0.2, respectively. It is in the range of -5.0%, 0.5-5.0%, 10.0-40.0%, 0.1-1.0%.
一般的に、カーボン対セメントの重量分率又はパーセンテージ比は、実施形態の詳細に応じて、5〜50:50〜95の範囲内となり得て、特定の例示的実施形態(例えば、カーボンがカーボンナノチューブを含むか又はその形態である場合)、良好な、高い、又は最高のDSSC効率を与える適切なカーボン対セメントの重量分率又はパーセンテージ比は、略27:73から31:69の範囲内であり、例えば特定の実施形態では略29:71である。多様な実施形態において、触媒層の厚さは10〜100マイクロメートルの範囲内である。 Generally, the weight fraction or percentage ratio of carbon to cement may be in the range of 5 to 50: 50 to 95, depending on the details of the embodiment, and certain exemplary embodiments (eg, carbon is carbon) The weight fraction or percentage ratio of carbon to cement that gives good, high, or maximum DSSC efficiency (if it contains or is in the form of nanotubes) is in the range of approximately 27: 73 to 31: 69 For example, in certain embodiments, approximately 29:71. In various embodiments, the thickness of the catalyst layer is in the range of 10 to 100 micrometers.
[TCO層]:触媒層10と透明基板30との間に位置するTCO層20は、電子を外部負荷から触媒層10に移す機能を果たす。TCO層20は、フッ素ドープ二酸化錫(FTO,fluorine‐doped tin dioxide)、インジウムドープ二酸化錫(ITO,indium‐doped tin dioxide)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO,aluminum−doped zinc oxide)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO,gallium−doped zinc oxide)、ゲルマニウムドープ酸化インジウム(GIO,germanium−doped indium oxide)、金属チタン、ステンレス鋼、又は他の適切な物質を含むか、又はそれで形成され得る。 [TCO Layer]: The TCO layer 20 located between the catalyst layer 10 and the transparent substrate 30 functions to transfer electrons from the external load to the catalyst layer 10. The TCO layer 20 is made of fluorine-doped tin dioxide (FTO), indium-doped tin dioxide (ITO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped oxide Zinc (GZO, gallium-doped zinc oxide), germanium-doped indium oxide (GIO, germanium-doped indium oxide), titanium metal, stainless steel, or other suitable material may be included or formed therewith.
[透明基板]:透明基板30は、対向電極5の底部層として定めることができるものである。 [Transparent Substrate]: The transparent substrate 30 can be defined as the bottom layer of the counter electrode 5.
[2.例示的なカーボン‐セメント対向電極の製造方法]
実施例1〜5
以下、本開示の特定の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極5を作製、提供又は製造するための方法について説明する。
[2. Exemplary Method of Manufacturing Carbon-Cement Counter Electrode]
Examples 1 to 5
Hereinafter, a method for producing, providing or manufacturing a carbon-cement counter electrode 5 according to a specific embodiment of the present disclosure will be described.
TCO層20を有する透明基板30を、アセトン、メタノール、脱イオン(DI,deionized)水を順に用いて、超音波洗浄機中で、アセトン、メタノール、脱イオン水の各々に対し30分間にわたって洗浄した。 The transparent substrate 30 having the TCO layer 20 was cleaned using acetone, methanol and deionized water in order in an ultrasonic cleaner for 30 minutes each of acetone, methanol and deionized water .
チエンマイ大学(CMU,Chiang Mai University)のナノ物質研究部門(Nanomaterials Research Unit)からのMWCNTのカーボンナノチューブ形態のカーボンを、均一な粉末が得られる又は形成されるまで、セメント(従来の等級を有する従来のポルトランドセメント)と共に多様な重量パーセンテージ(具体的には、17:83、29:71、38:62、44:56、50:50)ですりつぶした。脱イオン(DI)水を各混合粉末に、DI水対混合粉末の比を8:1として加えて、次いで均一になるまで更に混合して、対応するペーストを形成した。各ペーストを、従来の塗布方法を用いて、透明ガラス30上にコーティングされたTCO層20を含む支持構造又は部材上にコーティングして、24時間にわたって空気乾燥させて、上述のカーボンナノチューブ対セメントの多様な重量パーセンテージを有するカーボン‐セメント対向電極5を形成した。より具体的には、カーボン対セメントの重量パーセンテージが17:83、29:71、38:62、44:56、50:50であるカーボン‐セメント対向電極5をそれぞれ実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、実施例5と定めた。次いで、各サンプル、つまり、実施例1〜5に対応する各カーボン‐セメント対向電極5を、DSSC組み立てプロセス用に準備した。 Carbon in the form of carbon nanotubes in the form of MWCNT carbon nanotubes from the Nanomaterials Research Unit of Chiang Mai University (CMU, Chiang Mai University), cement (conventional with a conventional grade until a homogeneous powder is obtained or formed The cement was crushed with various weight percentages (specifically, 17: 83, 29: 71, 38: 62, 44: 56, 50: 50) together with the Portland cement. Deionized (DI) water was added to each mixed powder, with a ratio of DI water to mixed powder of 8: 1, and then further mixed until uniform to form the corresponding paste. Each paste is coated on a support structure or member comprising a TCO layer 20 coated on a transparent glass 30 using conventional coating methods and allowed to air dry for 24 hours to obtain the carbon nanotubes vs cement described above A carbon-cement counter electrode 5 was formed with various weight percentages. More specifically, the carbon-cement counter electrode 5 in which the weight ratio of carbon to cement is 17: 83, 29: 71, 38: 62, 44: 56, 50: 50 is taken as Example 1, Example 2, respectively It was defined as Example 3, Example 4, and Example 5. Each sample, ie, each carbon-cement counter electrode 5 corresponding to Examples 1-5, was then prepared for the DSSC assembly process.
比較例1
比較例1は、従来の白金触媒層を有する従来の対向電極構造であった。比較例1を作製するため、TOCガラス基板を提供した。20mMの塩化白金酸(つまり、H2PtCl6H2O)(シグマアルドリッチ)及び0.01gのエチルセルロース(シグマアルドリッチ)のエタノール溶液をスピンコーティングし、500℃において1時間にわたって周囲環境においてアニーリングすることによって、白金膜を基板上にコーティングした。
Comparative Example 1
Comparative Example 1 was a conventional counter electrode structure having a conventional platinum catalyst layer. In order to produce Comparative Example 1, a TOC glass substrate was provided. Spin coating an ethanol solution of 20 mM chloroplatinic acid (ie H 2 PtCl 6 H 2 O) (Sigma Aldrich) and 0.01 g ethylcellulose (Sigma Aldrich) and anneal at 500 ° C. for 1 hour in ambient environment The platinum film was coated on the substrate by
比較例2
比較例2は、セメント無しでTCOガラス基板上にコーティングしたカーボンナノチューブを有する対向電極であった。比較例2の作製においては、カーボンナノチューブを均一になるまですりつぶして、DI水を加えてペーストを形成した。次いで、ペーストを基板上にコーティングした。
Comparative example 2
Comparative Example 2 was a counter electrode with carbon nanotubes coated on a TCO glass substrate without cement. In the preparation of Comparative Example 2, carbon nanotubes were ground until uniform and DI water was added to form a paste. The paste was then coated on the substrate.
比較例3
比較例3は、カーボンナノチューブや他の導電性カーボン物質を意図的に加えずに、TCO基板上にコーティングされたセメントであった。比較例3の作製においては、セメントを均一になるまですりつぶして、DI水を加えてペーストを形成した。次いで、ペーストを基板上にコーティングした。
Comparative example 3
Comparative Example 3 was a cement coated on a TCO substrate without intentional addition of carbon nanotubes and other conductive carbon materials. In the preparation of Comparative Example 3, the cement was ground to uniformity and DI water was added to form a paste. The paste was then coated on the substrate.
[3.TiO2作用電極を形成するための例示的な製造方法]
TiO2作用電極を従来のスクリーン印刷法を用いて作製した。概要としては、透明及び散乱性のTiO2膜をTiO2ペーストを用いて作製した。まず、透明層を、厚さ10〜20マイクロメートルで粒径10〜30nmでTCO基板上にコーティングした。
[3. Exemplary Manufacturing Method for Forming TiO 2 Working Electrode]
TiO 2 working electrodes were prepared using conventional screen printing methods. In overview, transparent and scattering TiO 2 films were prepared using TiO 2 paste. First, the transparent layer was coated on a TCO substrate with a thickness of 10 to 20 micrometers and a particle size of 10 to 30 nm.
次いで、二酸化チタン粒子の接着性を改善するために、厚さ2〜5マイクロメートルの散乱層をコーティングした。 Then a 2-5 micrometer thick scattering layer was coated to improve the adhesion of the titanium dioxide particles.
TCO基板上にコーティングされたTiO2膜を400〜600℃で1時間にわたって焼成し、25〜80℃に冷却した。 The TiO 2 film coated on TCO substrate was calcined at 400-600 ° C. for 1 hour and cooled to 25-80 ° C.
次いで、TiO2膜を紫外線照射で10〜20分間にわたって処理した。 Then the TiO 2 film was treated for 10 to 20 minutes with UV radiation.
TiO2膜を、0.1〜0.5mMの[RuL2(NCS)2]:2TBA(L=2,2’‐ビピリジル‐4,4’‐ジカルボン酸; TBA=テトラ‐n‐ブチルアンモニウム)色素(スイス、ソラノニクス社のN719)の50:50体積パーセントのアセトニトリル・パー・tert‐ブタノール溶液(acetonitrile per tert‐ butanol solution)に24時間にわたって浸漬した。 A TiO 2 film was prepared by using 0.1 to 0.5 mM of [RuL 2 (NCS) 2 ]: 2TBA (L = 2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid; TBA = tetra-n-butylammonium) It was immersed for 24 hours in a 50: 50 volume percent acetonitrile per tert-butanol solution of dye (N719, Solanonics, Switzerland).
色素残留物をアセトニトリルで濯ぐことによって除去した。 The dye residue was removed by rinsing with acetonitrile.
[4.例示的な色素増感太陽電池の製造又は組み立て]
DSSCを組み立てるため、上記実施例1から5に対応する作製したままのカーボン‐セメント対向電極5を、TiO2作用電極及び絶縁膜と共に組み立て、電解質を、両電極間の中間に配置して、空間を形成した。0.05Mのヨウ素(I2)、0.10Mのヨウ化リチウム(LiI)、0.0025Mの炭酸リチウム(Li2CO3)、0.50Mの4‐tert‐ブチルピリジン(TBP)、及び0.60Mの1‐メチル‐3‐プロピルイミダゾリウムヨージド(MPI)のアセトニトリル溶液から成る電解液を両電極間の空間に注入して、各DSSCを完成させた。
[4. Production or Assembly of an Exemplary Dye-Sensitized Solar Cell]
In order to assemble the DSSC, the as-prepared carbon-cement counter electrode 5 corresponding to the above Examples 1 to 5 is assembled together with the TiO 2 working electrode and the insulating film, and the electrolyte is disposed in the middle between both electrodes. Formed. 0.05 M iodine (I 2 ), 0.10 M lithium iodide (Li I), 0.0025 M lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), 0.50 M 4-tert-butylpyridine (TBP), and 0 An electrolyte consisting of an acetonitrile solution of .60 M 1-methyl-3-propylimidazolium iodide (MPI) was injected into the space between the electrodes to complete each DSSC.
[5.カーボン‐セメント対向電極の例示的な形態特性評価]
カーボンをセメントと、それぞれ17:83、29:71、38:62、44:56、50:50の異なる重量比で混合したカーボン‐セメント触媒層10を含む実施例1から5に対応する触媒層の形態を、走査型電子顕微鏡(SEM,scanning electron microscope)を用いて観測し、比較例2(図2(a)のSEM像に示される)及び比較例3(図2(b)〜図2(f)のSEM像に示されず)にそれぞれ対応する純粋なカーボン触媒と純粋なセメント層のサンプルと比較した。図2(b)〜(f)のSEM像に示されるように、実施例1から5のカーボン‐セメント触媒層10の各々が多孔質構造を有することがわかったが、このような層の詳細な構造又はマイクロアーキテクチャについては多少不確定な点があった。図2(d)に対応するカーボン対セメントの重量パーセンテージ比が38:62でセメントと混合されたカーボンナノチューブの場合、ロッド状の結晶構造が観測されている。更に、カーボン‐セメントの混合重量パーセンテージ比を増やすとともに、つまり、図2(e)、図2(f)に対応する44:56、50:50の重量パーセントに増やすとともに、ロッド状構造のサイズが大きくなる傾向にある。このようなロッド状構造の形成は、弱点又は欠点となり得る。何故ならば、大きなロッド状構造は、より小さな又は小型のロッド状構造と比較して、一般的に表面積の減少及び三ヨウ化物還元用の活性サイトの減少を示すからである。これに応じて、DSSCの性能が制限を受けるか悪影響を受け得る。図2(g)は、例示的なカーボン‐セメント触媒層の厚さが45マイクロメートルであることを示す。
[5. Exemplary morphological characterization of carbon-cement counter electrode]
Catalyst layer corresponding to Examples 1 to 5 comprising carbon-cement catalyst layer 10 in which carbon is mixed with cement in different weight ratios of cement: 17: 83, 29: 71, 38: 62, 44: 56, 50: 50 respectively. The morphology of is observed using a scanning electron microscope (SEM, scanning electron microscope), and Comparative Example 2 (shown in the SEM image of FIG. 2 (a)) and Comparative Example 3 (FIG. 2 (b) to FIG. 2). (Not shown in the SEM image of (f)) were compared to the corresponding pure carbon catalyst and pure cement layer samples, respectively. Each of the carbon-cement catalyst layers 10 of Examples 1-5 was found to have a porous structure, as shown in the SEM images of FIGS. 2 (b)-(f), details of such layers There was some uncertainty about the structure or microarchitecture. In the case of carbon nanotubes mixed with cement at a weight ratio ratio of carbon to cement corresponding to FIG. 2 (d) of 38:62, a rod-like crystal structure is observed. Furthermore, as the carbon-cement mixed weight percentage ratio is increased, ie, to 44:56, 50:50 weight percent corresponding to FIG. 2 (e), FIG. 2 (f), the size of the rod-like structure It tends to grow. The formation of such rod-like structures can be a weakness or a disadvantage. This is because large rod-like structures generally exhibit a reduction in surface area and a reduction in active sites for triiodide reduction as compared to smaller or smaller rod-like structures. In response, DSSC performance may be limited or adversely affected. FIG. 2 (g) shows that the thickness of an exemplary carbon-cement catalyst layer is 45 micrometers.
[6.例示的な電気化学的インピーダンス分光法及び性能解析]
6.1 DSSCの電気化学的インピーダンス分光法
実施例1から5及び比較例1から3の対向電極を用いたDSSCのインピーダンスを、電気化学的インピーダンス分光法(EIS,Gamry REF 3000、米国)を用い、周波数を0.1Hzから100000Hzまでで変化させ、10mVのAC振幅を用いて、測定した。図3は、同一種の作用電極と異なる対向電極構造を有するこれらDSSCのナイキストプロットを示す。Y軸はリアクタンス(Zim)値を表し、X軸はレジスタンス(Zre)値を表す。当業者には容易に理解されるように、これら値はどちらも二種の物質間の界面を介して移動する電子の電荷移動抵抗(RCT)及びキャパシタンス(C)に比例する。
[6. Exemplary Electrochemical Impedance Spectroscopy and Performance Analysis]
6.1 Electrochemical impedance spectroscopy of DSSC The impedance of the DSSCs using the counter electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS, Gamry REF 3000, USA) The frequency was varied from 0.1 Hz to 100,000 Hz and measured using an AC amplitude of 10 mV. FIG. 3 shows Nyquist plots of these DSSCs with the same type of working electrode and different counter electrode structures. The Y-axis represents the reactance (Z im ) value and the X-axis represents the resistance (Z re ) value. As readily understood by those skilled in the art, these values are both proportional to the charge transfer resistance (R CT ) and the capacitance (C) of electrons moving through the interface between the two substances.
実施例1及び2の電極から得られたDSSCのナイキストプロットの半円の半径は、減少傾向を示すことがわかった。実施例2の電極から得られたDSSCのナイキストプロットの半円の半径は、比較例1の電極、つまり従来の白金触媒を有する電極のものに近い(最も近い)最小の半円を有する。これは、実施例2のカーボン‐セメント触媒層又は膜10が、三ヨウ化物及びヨウ化物の酸化還元対を含有する電解液に対して低い電気抵抗及び高い触媒活性を示すことを意味している。しかしながら、より高いカーボンナノチューブ含有量、つまり実施例3から5に対応する対向電極に対しては、半円のサイズが僅かに増大した。この結果は、図2(d)〜(f)に示されるように実施例3から5の対向電極に存在するロッド状構造のサイズの増大に対応し、全インピーダンスの増大をもたらすものと予測される。 The radius of the semicircle of the Nyquist plot of the DSSC obtained from the electrodes of Examples 1 and 2 was found to show a decreasing tendency. The radius of the semicircle of the Nyquist plot of the DSSC obtained from the electrode of Example 2 has the smallest semicircle closest to (closest to) that of the electrode of Comparative Example 1, i.e. the electrode with conventional platinum catalyst. This means that the carbon-cement catalyst layer or membrane 10 of Example 2 exhibits low electrical resistance and high catalytic activity for electrolytes containing triiodide and a redox couple of iodide. . However, for higher carbon nanotube content, ie counter electrodes corresponding to Examples 3 to 5, the size of the semicircle increased slightly. This result corresponds to an increase in the size of the rod-like structure present in the counter electrode of Examples 3 to 5 as shown in FIGS. 2 (d) to 2 (f), and is predicted to bring about an increase in the total impedance. Ru.
6.2 性能試験
以下の試験を用いて、実施例1〜5、また参照用の比較例1から3から得られた多様な対向電極を有するDSSCの性能を評価した。
6.2 Performance Tests The following tests were used to evaluate the performance of DSSCs with various counter electrodes obtained from Examples 1 to 5 and also Comparative Examples 1 to 3 for reference.
J‐V曲線測定を、100mW/cm2の強度を有するソーラーシミュレーターからの光源と、25℃の周囲環境温度を含む標準条件を用いて、行った。全効率(η)を以下の式に基づいて計算した。 J-V curve measurements were performed using a light source from a solar simulator with an intensity of 100 mW / cm 2 and standard conditions including an ambient temperature of 25 ° C. The total efficiency (η) was calculated based on the following equation:
ここで、
Pinは、ソーラーシミュレーターの入力パワー(W/m2)であり、
Pmaxは、最大出力パワー密度(W/m2)であり、
JSCは、短絡回路電流密度(A/m2)であり、
VOCは、開路電圧(V)であり、
Jmaxは、最大出力パワーにおける最大電流(A/m2)であり、
Vmaxは、最大出力パワーにおける最大電圧(V)であり、
FFは、最大値が1のフィルファクターであり、
ηは、パワー変換効率(%)である。
here,
P in is the input power (W / m 2 ) of the solar simulator,
P max is the maximum output power density (W / m 2 ),
J SC is the short circuit current density (A / m 2 ),
V OC is the open circuit voltage (V),
J max is the maximum current (A / m 2 ) at the maximum output power,
V max is the maximum voltage (V) at maximum output power,
FF is a fill factor with a maximum value of 1,
η is the power conversion efficiency (%).
上記式(1)によると、太陽電池(例えば、DSSC)のパワー変換効率は、JSC、VOC及びFFに比例する。これは、高いJSC、VOC及びFFから、高いパワー変換効率を得ることができることを意味する。 According to the above equation (1), the power conversion efficiency of the solar cell (eg, DSSC) is proportional to J SC , V OC and FF. This means that high power conversion efficiency can be obtained from high J SC , V OC and FF.
実施例1から5に対応するカーボン‐セメント対向電極(つまり、触媒として機能することができ、バインダーとしてのセメントと混合されたカーボン系物質)を用いたDSSCのパワー変換効率試験を行って、比較例1の白金対向電極、比較例2の純粋なカーボンナノチューブ対向電極、及び比較例3の純粋なセメント対向電極の性能と比較した。 Power conversion efficiency tests of DSSCs using carbon-cement counter electrodes corresponding to Examples 1 to 5 (ie carbon based materials that can function as a catalyst and are mixed with cement as a binder) are compared and compared The performance was compared with the performance of the platinum counter electrode of Example 1, the pure carbon nanotube counter electrode of Comparative Example 2, and the pure cement counter electrode of Comparative Example 3.
図4は、実施例1から5に対応するDSSCと、比較例1から3に対応するDSSCについてのJ‐V特性を示す。実施例1から5に対応するカーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCの太陽電池パラメータ、つまり、JSC、VOC、FF及び全効率が表1に与えられていて、他の文献からの結果と比較されている。 FIG. 4 shows the JV characteristics for DSSCs corresponding to Examples 1 to 5 and DSSCs corresponding to Comparative Examples 1 to 3. The solar cell parameters of DSSCs using carbon-cement counter electrodes corresponding to Examples 1 to 5, ie J SC , V OC , FF and total efficiency are given in Table 1 with results from other literature It is being compared.
図4及び表1に見て取れるように、実施例1から5のカーボン‐セメント対向電極を用いたDSSCのJSC及びηは、比較例2の純粋なカーボン対向電極のJSC及びηよりも顕著に高い。実施例1と比較して実施例2のDSSCの場合では、JSC及びηの値が増加していた。この結果は、図3に示されるように、内部抵抗の減少によるものであり得る。しかしながら、カーボン対セメントの重量比、分率又はパーセンテージが38:62、44:56、50:50に達していくと、JSC、FF及びηが減少傾向を有することがわかった。これは、ロッド状の結晶構造の存在及びロッドサイズの増大によるものであり得て、図3に示されるように、カーボン‐セメント触媒膜10の内部抵抗を増大させるもの、又は増大させると予測されるものである。 4 and as can be seen in Table 1, 5 carbon from Example 1 - is J SC and η of the DSSC using cement counter electrode, significantly than J SC and η of pure carbon counter electrode of Comparative Example 2 high. In the case of the DSSC of Example 2 compared to Example 1, the values of J SC and η were increased. This result may be due to the reduction in internal resistance, as shown in FIG. However, it was found that J SC , FF and 傾向 tended to decrease as the carbon to cement weight ratio, fraction or percentage reached 38:62, 44:56, 50:50. This may be due to the presence of rod-like crystal structures and an increase in rod size, which is expected to increase or increase the internal resistance of the carbon-cement catalyst membrane 10, as shown in FIG. It is
ここで、JSCは、短絡電流密度(mA/cm2)であり、
VOCは、開路電圧(ボルト)であり、
FFは、最大値が1のフィルファクターであり、
ηは、パワー変換効率(%)である。
Where J SC is the short circuit current density (mA / cm 2 ),
V OC is the open circuit voltage (volts),
FF is a fill factor with a maximum value of 1,
η is the power conversion efficiency (%).
表1に示されるように、非特許文献3の結果は、DSSCのパワー変換効率が、組み込んだカーボンナノチューブの種類に依存して変化し得ることを示している。より具体的には、非特許文献3では、SWCNT、DWCNT、MWCNTを用いたDSSCについて、それぞれ7.61%、8.30%、7.06%のパワー変換効率が得られた。SWCNT及びDWCNT製品はMWCNT製品よりも高価である点に留意されたい。本開示に係る例示的な実施例において用いられているMWCNTは、当業者には容易に理解されるように、多重成分酸化金属物質であるセメントとの混合に特に適している。また、当業者は、SWCNT、DWCNT、並びに、SWCNT、DWCNT及び/又はMWCNTの混合物も本開示に係る実施形態における使用に適していることを認識するものである。 As shown in Table 1, the results of Non-Patent Document 3 show that the power conversion efficiency of DSSC can vary depending on the type of carbon nanotube incorporated. More specifically, in Non-Patent Document 3, power conversion efficiencies of 7.61%, 8.30%, and 7.06% were obtained for DSSCs using SWCNTs, DWCNTs, and MWCNTs, respectively. Note that SWCNT and DWCNT products are more expensive than MWCNT products. The MWCNTs used in the exemplary embodiments according to the present disclosure are particularly suitable for mixing with cement, which is a multicomponent metal oxide material, as will be readily appreciated by those skilled in the art. One skilled in the art will also recognize that SWCNTs, DWCNTs, and mixtures of SWCNTs, DWCNTs and / or MWCNTs are also suitable for use in the embodiments according to the present disclosure.
[7.例示的なカーボン‐セメント対向電極の触媒酸化還元対活性]
図5は、従来のサイクリックボルタンメトリーを用いた実施例2のカーボン‐セメント対向電極のサイクリックボルタモグラムを、比較例1の白金対向電極及び比較例2の純粋なカーボン対向電極のものと比較して示す。全てのサンプルについて、スペクトルが二対の酸化還元ピークを示しているのが見て取れ、つまり、酸化還元反応1は酸化反応(Ox)1及び還元反応(Red)1に対応し、酸化還元反応2は酸化反応(Ox)2及び還元反応(Red)2に対応している。理論的には、酸化還元反応1は
FIG. 5 compares the cyclic voltammograms of the carbon-cement counter electrode of Example 2 with those of the platinum counter electrode of Comparative Example 1 and the pure carbon counter electrode of Comparative Example 2 using the conventional cyclic voltammetry. Show. It can be seen that the spectrum shows two pairs of redox peaks for all samples, that is, the redox reaction 1 corresponds to the oxidation reaction (Ox) 1 and the reduction reaction (Red) 1, and the redox reaction 2 It corresponds to the oxidation reaction (Ox) 2 and the reduction reaction (Red) 2. In theory, the redox reaction 1
図5から、実施例2の対向電極が実施例1、3、4及び5の対向電極と比較して、また、特に比較例1の白金対向電極と比較して、より高い電流を有することが見て取れる。これは、実施例2のカーボン‐セメント対向電極がDSSCでの使用に適している又は特に適していることを意味する。他方、以下の表2から、比較例1の白金対向電極が、200mVのΔEp1及び130mVのΔEp2を有することが見て取れる。これらの低いΔEpの値は、白金対向電極の
ここで、Red1は、第一酸化還元反応の還元反応であり、
Red2は、第二酸化還元反応の還元反応であり、
Ox1は、第一酸化還元反応の酸化反応であり、
Ox2は、第二酸化還元反応の酸化反応であり、
ΔEp1は、第一酸化還元反応の差であり、
ΔEp2は、第二酸化還元反応の差である。
Here, Red 1 is a reduction reaction of the first redox reaction,
Red 2 is a reduction reaction of the second redox reaction,
Ox1 is an oxidation reaction of the first redox reaction,
Ox2 is an oxidation reaction of the second redox reaction,
ΔE p1 is the difference of the first redox reaction,
ΔE p2 is the difference in the second reduction reaction.
以上のとおり、本開示の実施形態に係るカーボン‐セメント触媒層10はDSSCでの使用に適している又は特に適している。本開示の特定の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極5を有するDSSCは、白金触媒を用いた従来の対向電極を有するDSSCのソーラー性能にほぼ等しいソーラー性能を提供することができる。更に、本開示の実施形態に係るカーボン‐セメント対向電極5は、セメントが導電性ポリマーバインダーと比較して容易に入手可能で安価な物質であるため、導電性ポリマーバインダーを必要とせずに簡単でコスト効果的に製造可能である。 As mentioned above, the carbon-cement catalyst layer 10 according to an embodiment of the present disclosure is suitable or particularly suitable for use in DSSC. A DSSC with a carbon-cement counter electrode 5 according to a particular embodiment of the present disclosure can provide solar performance approximately equal to that of a DSSC with a conventional platinum electrode-based counter electrode. Furthermore, the carbon-cement counter electrode 5 according to an embodiment of the present disclosure is simple and does not require a conductive polymer binder, as cement is a readily available and inexpensive material compared to the conductive polymer binder. It can be manufactured cost effectively.
[8.例示的なカーボンナノチューブ対セメントの重量パーセンテージ範囲選択]
図6は、実施例1から5の対向電極を用いて製造されたDSSCに対応するカーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージに対して、予測線形パワー変換効率と、本開示の実施形態に係る特定の、ターゲットの、又は最小のパワー変換効率を提供するように特定又は選択可能な相対的重量パーセンテージの例示的な範囲とを示すグラフである。表1及び図6に示されるように、実施例1から5の対向電極を用いて製造されたDSSCのうち、実施例2の対向電極を用いたDSSCで、略9.6%の最高又はピークのパワー変換効率が得られた。このようなピークパワー変換率に関連する所定の、ターゲットの、若しくは許容可能なレベルのパワー変換効率、又はパワー変換効率の変動を有するDSSCを、カーボン‐セメント触媒層10中のカーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージを変更することによって、得ることができる。例えば、実施例2に対応する9.6%のピークパワー変換効率に対するパワー変換効率の0.3%の適切なターゲット変動は、少なくとも略9.3%(つまり、9.6%−0.3%=9.3%)のパワー変換効率を意味するものであり、カーボンナノチューブ対セメントの相対的重量パーセンテージが略27:73から37:63の間の範囲内となり得る。
[8. Weight percentage range selection of exemplary carbon nanotubes to cement]
FIG. 6 shows predicted linear power conversion efficiencies and identifications according to embodiments of the present disclosure for the relative weight percentages of carbon nanotubes to cement corresponding to DSSCs manufactured using the counter electrodes of Examples 1-5. An exemplary range of relative weight percentages that can be identified or selected to provide a target, or minimal power conversion efficiency. As shown in Table 1 and FIG. 6, among the DSSCs manufactured using the counter electrodes of Examples 1 to 5, the DSSC using the counter electrode of Example 2 had a maximum or peak of approximately 9.6%. Power conversion efficiency was obtained. A DSSC having a predetermined, target, or acceptable level of power conversion efficiency, or power conversion efficiency variation associated with such peak power conversion, may be used to compare carbon nanotubes versus cement in the carbon-cement catalyst layer 10. It can be obtained by changing the relative weight percentages. For example, an appropriate target variation of 0.3% of the power conversion efficiency to a peak power conversion efficiency of 9.6% corresponding to Example 2 is at least approximately 9.3% (ie, 9.6% -0.3). % Power conversion efficiency, and the relative weight percentage of carbon nanotubes to cement can be in the range between approximately 27:73 to 37:63.
本開示の特定の実施形態の態様は、従来のDSSC対向電極構造に関連する少なくとも一つの問題、制限及び/又は欠点に対処する。特定の実施形態に関連する特徴、態様及び/又は利点が本開示において説明されているが、他の実施形態もこのような特徴、態様及び/又は利点を示し得るものであり、また、全ての実施形態が、本開示の範囲内に存するために必ずしもこのような特徴、態様及び/又は利点を示すものではない。多様な修正、変更及び/又は改善を本願に開示されている実施形態に対して為し得ることを当業者は理解するものであり、そのような修正も本開示及び添付の特許請求の範囲の範囲内にある。 Aspects of certain embodiments of the present disclosure address at least one of the problems, limitations, and / or disadvantages associated with conventional DSSC counter electrode structures. While features, aspects and / or advantages related to particular embodiments are described in the present disclosure, other embodiments may exhibit such features, aspects and / or advantages, and all may The embodiments do not necessarily exhibit such features, aspects and / or advantages to fall within the scope of the present disclosure. Those skilled in the art will understand that various modifications, changes and / or improvements may be made to the embodiments disclosed herein, and such modifications are also within the scope of the present disclosure and the appended claims. It is in the range.
5 対向電極
10 触媒層
20 透明導電性酸化物層
30 透明基板
5 Counter electrode 10 Catalyst layer 20 Transparent conductive oxide layer 30 Transparent substrate
Claims (16)
カーボン‐セメント触媒層であって、
焼成石灰石及び粘土物質を備えるセメントと、
前記セメントと混合されたカーボンナノチューブとを備えるカーボン‐セメント触媒層と、
前記触媒層と接触している透明導電性酸化物層と、
前記透明導電性酸化物層及び前記触媒層を有する基板とを備え、
前記セメントが、前記透明導電性酸化物層に対する前記カーボンナノチューブの接着を促進するバインダー物質として機能する、対向電極構造体。 A counter electrode assembly for a dye-sensitized solar cell, comprising:
A carbon-cement catalyst layer,
Cement with calcined limestone and clay material,
A carbon-cement catalyst layer comprising carbon nanotubes mixed with the cement;
A transparent conductive oxide layer in contact with the catalyst layer;
And a substrate having the transparent conductive oxide layer and the catalyst layer,
A counter electrode structure, wherein the cement functions as a binder material that promotes the adhesion of the carbon nanotubes to the transparent conductive oxide layer.
カーボンナノチューブをセメント粉末と共にすりつぶして、均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物を得るステップと、
前記均一なカーボンナノチューブ‐セメント粉末混合物に脱イオン水を加えて、ペーストを形成するステップと、
前記ペーストをすりつぶして、均一なペーストを形成するステップと、
透明導電性酸化物層を有する基板を提供するステップと、
前記均一なペーストを前記基板の上にコーティングするステップと、
前記基板の上にコーティングされたペーストを乾燥させるステップとを備える方法。 A method for producing a carbon-cement counter electrode assembly for dye-sensitized solar cells, comprising
Grinding the carbon nanotubes with cement powder to obtain a uniform carbon nanotube-cement powder mixture;
Adding deionized water to the homogeneous carbon nanotube-cement powder mixture to form a paste;
Grinding the paste to form a uniform paste;
Providing a substrate having a transparent conductive oxide layer;
Coating the uniform paste onto the substrate;
Drying the paste coated on the substrate.
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