JP6670430B2 - Photovoltaic element and method of manufacturing photovoltaic element - Google Patents
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Description
本発明は、光発電素子に関する。 The present invention relates to a photovoltaic element.
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光発電素子には、いわゆる太陽電池をはじめとして様々な種類の素子や装置が考案されている。これらの光発電素子は、光発電効果を有する物質として、シリコン系の材料を用いるものと、化合物系の材料を用いるものに大別される。 Various types of devices and devices have been devised as photovoltaic devices that convert light energy into electric energy, including so-called solar cells. These photovoltaic elements are roughly classified into those using a silicon-based material and those using a compound-based material as a substance having a photovoltaic effect.
シリコン系の材料を用いたものには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、ヘテロ接合型、アモルファスシリコン、薄膜多結晶シリコンを用いたものが代表的である。一方、化合物系の材料を用いたものとしては、III−V族系の化合物、CIS(主成分に銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)を用いたもの)、CIGS(主成分に銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga),セレン(Se)を用いたもの)、CdTe、有機薄膜、色素増感型のものなどがある。 Typical examples using silicon-based materials include those using single crystal silicon, polycrystalline silicon, heterojunction type, amorphous silicon, and thin film polycrystalline silicon. On the other hand, as a compound using a compound material, a group III-V compound, CIS (using copper (Cu), indium (In), selenium (Se) as a main component), CIGS (main component) (Cu), indium (In), gallium (Ga), selenium (Se), CdTe, organic thin film, dye-sensitized type, and the like.
図3は、本願発明の従来例である。基板1及び基板2のうち、少なくとも光入射側となる基板1は透明材料で構成されており、好ましくは、双方とも透明材料で構成されている。基板1、基板2上には、透明な導電膜3形成されている。導電膜3は、好ましくはFTO(フッ素ドープ酸化錫)である。
FIG. 3 shows a conventional example of the present invention. Of the
基板1の導電膜3の上には、第一の光発電層6が形成されている。第一の光発電層6としては、酸化物半導体層が代表的であり、具体的には、TiO2、SnO、ZnO、WO3、Nb2O5、In2O3、ZrO2、Ta2O5、TiSrO3などの酸化物半導体が好ましい。焼結により固化された多孔質の二酸化チタン層が更に望ましい。
また、これらの第一の光発電層6には、増感色素が担持されている。
A first
In addition, these first
また、基板2の導電膜3の上面には、電荷交換層4として白金(Pt)膜が形成されている。
そして、基板2の電荷交換層4と基板1の第一の光発電層6との間には、四方を封止材7によって囲まれた中に電解質8が封入されている。
On the upper surface of the
The
そして、以上のような構成による色素増感型光発電素子においては、1000lux程度の照度下では、ローム社の発表によれば、これまでの最大出力は、48μW/cm2程度であった。 In the dye-sensitized photovoltaic device having the above-described configuration, the maximum output has been about 48 μW / cm 2 under an illumination of about 1000 lux according to the announcement by ROHM.
そこで、本発明では、安価に入手できる材料を用いて、より効率的に光発電を行う光発電素子を提供する。 Therefore, the present invention provides a photovoltaic element that performs photovoltaic power generation more efficiently by using a material that can be obtained at low cost.
上記課題を解決するための代表的な光発電素子の一つは、正極側の電荷交換層4の上面にコロイダルシリカ層を用いるものである。 One of the typical photovoltaic elements for solving the above-mentioned problem uses a colloidal silica layer on the upper surface of the charge exchange layer 4 on the positive electrode side.
また、他の代表的な光発電素子の一つは、正極側の電荷交換層4にコロイダルシリカを含有させたものである。 Another typical photovoltaic element is one in which the positive electrode-side charge exchange layer 4 contains colloidal silica.
本発明によれば、従来の光発電素子に比較して、低廉な製造コストで、単位面積当たりの発電出力を大幅に改善することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power generation output per unit area can be improved significantly at low manufacturing cost compared with the conventional photovoltaic element.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following embodiments.
(実施例1及び実施例2の共通的事項)
以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。まず、実施例1、実施例2、に共通の事項から説明する。
図1は、正極側の電荷交換層4の上面にコロイダルシリカ層5担持させた、実施例1における光発電素子の断面図である。また、図2は正極側の電荷交換層にコロイダルシリカを含有させた、実施例2における光発電素子の断面図である。
以下の点は、図1及び2において共通の事項であるので、代表的に図1を用いて説明する。
(Common items of Example 1 and Example 2)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, items common to the first and second embodiments will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the photovoltaic device in Example 1 in which a
The following points are common to FIGS. 1 and 2 and will be described with reference to FIG.
図1において、基板1及び基板2のうち、少なくとも光入射側となる基板1は透明材料で構成されており、好ましくは、双方とも透明材料で構成されている。透明材料としては、ガラスが一般的であるが、ガラス以外にもプラスチック等の樹脂でもよい。また、基板2は、透明材料ではなく、例えば金属板やグラフェンなどの導電性剤を施した材料で構成されても良い。
基板1、基板2上には、透明な導電膜3が形成されており、互いの導電膜が向き合う様に配置されている。導電膜3は、好ましくはFTO(フッ素ドープ酸化錫)であるが、FTO層以外にも、例えば、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)でもよい。
In FIG. 1, at least the
On the
基板1上に形成された導電膜3の上には、第一の光発電層6が形成されている。第一の光発電層6としては、酸化物半導体層が代表的であり、具体的には、TiO2、SnO、ZnO、WO3、Nb2O5、In2O3、ZrO2、Ta2O5、TiSrO3などの酸化物半導体が好ましい。焼結により固化された多孔質の二酸化チタン層が更に望ましい。
A first
また、CdS、ZnS、In2S、PbS、Mo2S、WS2、Sb2S3、Bi2S3、ZnCdS2、CuS2などの硫化物半導体でもよい。さらに、CdSe、In2Se2、WSe2、PbSe、CdTeなどの金属カルコゲナイドも適用可能である。
また、GaAs、Si、Se、InPなどの元素半導体などでもよい。
さらに、SnOとZnOとの複合体、TiO2とNb2O5の複合体などの、上述した物質の2種以上よりなる複合体を用いることもできる。
なお、半導体の種類はこれらに限定されるものでは無く、2種類以上混合して用いることもできる。
これらの第一の光発電層6の層厚は高さ方向で3〜30μmであることが好ましく、より好ましくは6〜20μmである。
Further, CdS, ZnS, In 2 S , PbS, Mo 2 S, WS2,
Further, an elemental semiconductor such as GaAs, Si, Se, and InP may be used.
Further, a composite of two or more of the above substances, such as a composite of SnO and ZnO, a composite of TiO 2 and Nb 2 O 5 , can also be used.
The type of semiconductor is not limited to these, and two or more types can be used in combination.
The thickness of the first
また、第一の光発電層6には、増感色素を担持させる。第一の光発電層6に担持させる色素は増感作用を示すものであれば様々な色素が適用可能であり、N3錯体、N719錯体(N719色素)、Ruターピリジン錯体(ブラックダイ)、Ruジケトナート錯体などのRu錯体、クマリン系色素、メロシアニン系色素、ポリエン系色素などの有機系色素、金属ポルフィリン系色素やフタロシアニン色素などが適用可能である。これらの中では、Ru錯体が好ましく、特に、可視光域に広い吸収スペクトルを有するため、N719色素およびブラックダイが特に好ましい。
また、これらの色素は単独で用いてもよいし、もしくは2種類以上を混合して用いることもできる。
The first
These dyes may be used alone or in combination of two or more.
基板2の上面には導電膜3が形成されている。この基板2の上面の導電膜は、好ましくはFTO(フッ素ドープ酸化錫)であるが、FTO層以外にも、例えば、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)でもよい。
A
正極側となる基板2の上面の導電膜3の上面には、電荷交換層(図1においては4。図2においては9)が形成されている。電荷交換層としては、白金(Pt)膜が好ましいが、白金(Pt)膜の代わりに、カーボン電極や導電性ポリマー等を用いることもできる。
A charge exchange layer (4 in FIG. 1 and 9 in FIG. 2) is formed on the upper surface of the
そして、コロイダルシリカ層5又はコロイダルシリカ含有電荷交換層9と、第一の光発電層6との間には、四方を封止材7によって囲まれた中に電解質8が封入されている。電解質8としては、従来の色素増感太陽電池で使用されるものであり、液体状、固体状、凝固体状、常温溶融塩状態のいずれのものであってもよい。
The
電解質としては、例えば、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウムなどの金属ヨウ化物とヨウ素の組み合わせや、テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなどの第4級アンモニウム化合物のヨウ素塩−ヨウ素の組み合わせ、あるいは前記ヨウ素、ヨウ素化合物のかわりに臭素化合物−臭素の組み合わせ、コバルト錯体の組み合わせ等でもよい。 Examples of the electrolyte include a combination of metal iodide and iodine such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, and cesium iodide; A combination of an iodine salt and an iodine of a quaternary ammonium compound, or a combination of a bromine compound and a bromine instead of the iodine and the iodine compound, a combination of a cobalt complex, and the like may be used.
電解質がイオン性液体の場合は、特に溶媒を用いなくてもよい。電解質は、ゲル電解質、高分子電解質、固体電解質でもよく、また、電解質の代わりに有機電荷輸送物質を用いてもよい。 When the electrolyte is an ionic liquid, a solvent need not be particularly used. The electrolyte may be a gel electrolyte, a polymer electrolyte, or a solid electrolyte, or an organic charge transport material may be used instead of the electrolyte.
電解質8が溶液状のものである場合の溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリルのようなニトリル系溶媒や、エチレンカーボネートのようなカーボネート系溶媒、エーテル系溶媒、などが挙げられる。
Examples of the solvent in the case where the
実施例1及び2で用いられている電解質8は、具体的には、LiIを0.1mol、I2を0.05mol、4−テトラ−ブチルピリジンを0.5mol、テトラブチルアンモニウムヨージドを0.5mol、アセトニトリル溶媒に添加したものである。
The
なお、本明細書における、単位面積当たりの最高出力値の評価方法は、次の通りである。
LEDライト(株式会社コスモテクノ社製)を用いて、基板1側から光を入射させ、CEM社製照度計DT−1309で 1000luxの値となる光を測定対象となる光発電素子に照射した。デジタルマルチメーターを用いて、測定対象となる光発電素子のI−V特性を測定し、短絡電流、開放電圧、形状因子ffの値を得ると共に、単位面積当たりの最高出力値を導いた。
The method of evaluating the maximum output value per unit area in this specification is as follows.
Using an LED light (manufactured by Cosmo Techno Co., Ltd.), light was incident from the
以下、各実施例の特徴について図面を用いて説明する。なお、その他の部分については、上述した、実施例1及び2の共通事項に関する説明と同様である。 Hereinafter, features of each embodiment will be described with reference to the drawings. The other parts are the same as in the description of the common items of the first and second embodiments.
(実施例1)
図1は実施例1を説明する図である。図1においては、電荷交換層4の上には、コロイダルシリカを塗膜したコロイダルシリカ層5が形成されている。
(Example 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining the first embodiment. In FIG. 1, a
コロイダルシリカは、SiO2又はその水和物のコロイドであり、粒径が数nm〜300nmの粒子である。コロイダルシリカは、表面処理や研磨剤、食品、化粧品用途等に汎用的に市販されている。 Colloidal silica is a colloid of SiO 2 or a hydrate thereof, and has a particle size of several nm to 300 nm. Colloidal silica is generally marketed for surface treatment, abrasives, food, cosmetics, and the like.
実施例1においては、市販されている透明導電膜付きガラス基板(例えば、旭硝子社製、TCOガラス基板VU膜)の上面に電荷交換層4として、白金(Pt)膜を形成し、その上面に、コロイダルシリカを塗膜して形成したコロイダルシリカ層5が設けられている。コロイダルシリカとしては、その形状や粒径について様々のものが市販されている。それらの中で、本発明に適用するには、形状は、球形度が高く、真球に近いものが好ましく、粒経は5nm〜100nm、特に30nm〜60nmのものが好ましい。
一般的にコロイダルシリカは、5nm〜10nmにおいては電子の量子効果が高く、40nm〜70nmにおいては光の量子効果が高い。
本実施例においては粒径が30〜50nmのものであって、形状としては、真球に近いものを使用した。コロイダルシリカ層5の形成方法には、いくつかの方法があるが、本実施例においては、分散状態のコロイダルシリカを電荷交換層4上に塗布することによって、均一に分散された層を形成した。この方法によれば、シリカ自身が相互の分子間力によって、均質に白金(Pt)膜上に分散され、良質なコロイダルシリカ層5を得ることができる。また、コロイダルシリカ自体は、一般に市販されていることから、容易に入手が可能であり、簡便な方法で光発電素子を製造することができる。
他の要件等は、実施例1〜2の共通事項として説明した通りである。
In Example 1, a platinum (Pt) film is formed as the charge exchange layer 4 on the upper surface of a commercially available glass substrate with a transparent conductive film (for example, a TCO glass substrate VU film manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and And a
In general, colloidal silica has a high electron quantum effect at 5 nm to 10 nm and a high light quantum effect at 40 nm to 70 nm.
In this example, the particle size was 30 to 50 nm, and the shape used was a shape close to a true sphere. There are several methods for forming the
Other requirements are the same as those described in the first and second embodiments.
この結果、表1に示すように、従来例と比較して、低廉な製造コストで、単位面積当たりの発電出力を大幅に改善することができた。
実施例1においては、従来例と比較して、正極側電荷交換層上面にコロイダルシリカ層5を配置したことで、コロイダルシリカ層5において光の乱反射を誘発し、加えて光や電子の量子効果が極めて高まり、光発電効率が上昇したものと考えられる。
In the first embodiment, the
(実施例2)
図2は実施例2を説明する図である。図2においては、電荷交換層として、コロイダルシリカを含有した白金膜を用いている。
(Example 2)
FIG. 2 is a diagram for explaining the second embodiment. In FIG. 2, a platinum film containing colloidal silica is used as the charge exchange layer.
実施例2において用いられている透明導電膜付きガラス基板及びコロイダルシリカは実施例1において用いたものと同様である。
コロイダルシリカ含有電荷交換層9を形成するにあたっては、様々な手法が考えられるが、本実施例においては、塩化白金酸や白金ペーストにコロイダルシリカを混合し、焼結させる方法を採用している。つまり、電荷交換層の材料成分にコロイダルシリカを混入し、焼結することによって、電荷交換層内にコロイダルシリカを含有した電荷交換層を形成している。
The glass substrate with a transparent conductive film and colloidal silica used in Example 2 are the same as those used in Example 1.
Various methods are conceivable for forming the
この結果、表2に示すように、実施例2においても、従来例に比較して、低廉な製造コストで、単位面積当たりの発電出力を大幅に改善することができた。
実施例2においては、正極側の電荷交換層である白金(Pt)層内にも光が進入する。このため、白金層にコロイダルシリカを含有させることによって、コロイダルシリカ含有電荷交換層9内においてもコロイダルシリカによる光の乱反射を誘発し、加えて光や電子の量子効果が極めて高まり、光発電効率が上昇したものと考えられる。
In the second embodiment, light also enters the platinum (Pt) layer, which is the charge exchange layer on the positive electrode side. For this reason, by containing colloidal silica in the platinum layer, irregular reflection of light by colloidal silica is induced even in the colloidal silica-containing
なお、本発明は、上記実施例1〜2に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、コロイダルシリカの粒子径、形状、膜厚は、適宜変更が可能である。
また、同様に、正極側電荷交換層の上面に配置したり、含有させるコロイダルシリカの量、密度、粒子径、形状等も適宜変更が可能である。
さらに、正極側に用いる透明導電膜付きガラス基板についても、実施例で用いているものに限定されるものではない。
この他、各実施例の一部について他の材料や構成の追加、削除、置換をすることも可能であることは言うまでもない。
The present invention is not limited to the first and second embodiments, and various modifications are possible. For example, the particle diameter, shape, and film thickness of colloidal silica can be appropriately changed.
Similarly, the amount, density, particle diameter, shape, and the like of the colloidal silica that is disposed on or contained in the positive electrode-side charge exchange layer can be appropriately changed.
Furthermore, the glass substrate with a transparent conductive film used on the positive electrode side is not limited to those used in the examples.
In addition, it goes without saying that it is also possible to add, delete, or substitute other materials and configurations for a part of each embodiment.
1・・・基板(光入射側)
2・・・基板
3・・・導電膜
4・・・電荷交換層
5・・・コロイダルシリカ層
6・・・第一の光発電層
7・・・封止材
8・・・電解質
9・・・コロイダルシリカ含有電荷交換層
1 ... Substrate (light incident side)
2 ...
Claims (3)
し、焼結することによって、電荷交換層内にコロイダルシリカを含有した電荷交換層を形
成する光発電素子の製造方法。 A photovoltaic element that forms a charge exchange layer containing colloidal silica in the charge exchange layer by mixing colloidal silica into the material component of the charge exchange layer and sintering when forming the charge exchange layer on the positive electrode side Manufacturing method.
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