JP6821956B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
(1)高い揮発性を有するため、封止が非常に難しい。
(2)高い腐食性を有するため、電極材料が限られている。
(3)可視光領域に非常に大きな吸収度係数を示し、色素の光吸収が阻害されて性能低下が起こる。
(4)太陽電池の意匠性を強調する場合、ヨウ素の色が妨げとなり色素の鮮やかさを十分に生かすことができない。
(1)色素を含有する半導体電極と、対向電極と、前記電極間に保持された電解質層とを備え、前記半導体電極のパターンの異なる単位光電変換素子を複数、電解質の厚み方向に積層したことを特徴とする光電変換素子。
(2)前記単位光電変換素子の半導体電極のパターンが、電解質の厚み方向で重複しない部分を有することを特徴とする、上記(1)に記載の光電変換素子。
透明基材は、可視光を透過するものが使用でき、透明なガラスが好適に利用できる。また、透明導電膜2が形成される側の表面を加工して入射光を散乱させることで、高効率で入射光を利用することができる。また、ガラスに限らず、光を透過するものであればプラスチック板やプラスチックフィルム等も使用できる。
透明導電膜には、可視光を透過して、かつ導電性を有する材料が使用できる。このような材料としては、例えば金属酸化物が挙げられる。特に限定はされないが、例えばフッ素をドープした酸化スズ(以下、「FTO」と略記する。)や、酸化スズと酸化インジウムの混合体(以下、「ITO」と略記する。)、アンチモンをドープした酸化スズ、酸化亜鉛などが好適に用いることができる。
触媒層としては、後述する電解質層の電荷輸送剤に応じて、適宜選択される。例えば、塩化白金酸を塗布、熱処理したものや、白金を蒸着した白金触媒電極、活性炭やグラッシーカーボン、カーボンナノチューブのような炭素材料、塩化コバルト等の無機硫黄化合物、ポリチオフェンやポリピロール、ポリアニリン等の導電性高分子等を使用できるが、中でも白金触媒電極、導電性高分子が好ましい。
電荷輸送剤には制限は無く、臭素系、硫黄系、セレン系、鉄錯体系、コバルト錯体系、ベンゾキノン/ヒドロキノン系、(SCN)−/(SCN)2系、(SeCN)−/(SeCN)2系等挙げることができ、ヨウ素系電荷輸送剤を使用することもできる。中でも、増感色素の色彩を反映して意匠性を高める上でヒドロキノン誘導体/ベンゾキノン誘導体が好ましい。また、ヒドロキノン誘導体/ベンゾキノン誘導体を用いる場合、アンモニウム塩、更には有機酸を併用することが光電変換効率を高める上で好ましい。
0.05≦x/y≦20 ・・・(a)
(x+y)/z≦10 ・・・(b)
半導体層は、増感色素を吸着しやすいように多孔質の金属酸化物半導体の粒子からなる。金属酸化物半導体は特に限定はされないが、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどが挙げられ、特に二酸化チタン、さらにはアナターゼ型二酸化チタンが好適である。また、電気抵抗値を下げるため、金属酸化物半導体の粒界は少ないことが望ましい。また、増感色素をより多く吸着させるために、金属酸化物半導体は比表面積の大きなものが望ましく、具体的には10〜200m2/gが望ましい。
増感色素としては、太陽光により励起されて半導体層に電子注入できるものであればよく、一般的に光電変換素子に用いられている色素を用いることができるが、変換効率を向上させるためには、その吸収スペクトルが光源スペクトルと広波長域で重なっていて、耐光性が高いことが望ましい。増感色素としては、金属錯体色素、例えば、ルテニウム錯体、鉄錯体、銅錯体などが挙げられる。さらに、シアン系色素、ポルフィリン系色素、ポリエン系色素、クマリン系色素、シアニン系色素、スクアリン酸系色素、メチン系色素、キサンテン系色素、インドリン系色素などが挙げられる。
対向電極は、透明基材の表面に触媒層を形成して構成される。電極基材は、触媒層の支持体兼集電体として用いられるため、透明基材の表面に導電体を形成したものが好適である。透明基材としてはガラス板やプラスチック板等を用いることができ、導電体としては白金、金、銀、ルテニウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル及びこれらの合金等の金属、黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素材料を用いることができる。また、FTO、ITO、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化アンチモン等の金属酸化物も用いることができる。
半導体電極は、上記した透明基材、透明導電膜及び半導体層で構成される。
以下のようにして、図1に示すパターンを有し、図2に示す2層構造の光電変換素子を作製する。
上層の光電変換素子において、半導体層5の増感色素に三菱製紙(株)製「D358」を用い、その他は発明例1と同様にして光電変換素子を作製する。
積層構造を図5に示す積層構造とする以外は、上層光電変換素子及び下層光電変換素子とで、発明例1と同じ半導体電極のパターン、増感色素及び電解質層等にして光電変換素子を作製する。
積層構造を図6に示す積層構造とする以外は、上層光電変換素子及び下層光電変換素子とで、発明例1と同じ半導体電極のパターン、増感色素及び電解質層等にして光電変換素子を作製する。
半導体粒子、増感色素及び電解質層等を発明例1と同じとし、一層構造の光電変換素子を作製する。即ち、片面にFTO膜を有するガラス板を用い、FTO膜の上に、発明例1と同じ半導体粒子を用い、図3及び図4に示す両平面バターンを組み合わせた平面パターンを形成し、発明例1と同じ増感色素「N719」を吸着させて半導体電極を形成し、発明例1と同様にして対向電極を配置して電解質層を封止する。
ヨウ素系電荷輸送剤を用いた以外は、発明例1と同じ2層構造の光電変換素子を作製する。この比較例の上層及び下層の両光電変換素子の外観は、従来のヨウ素系電荷輸送剤を用いた光電変換素子であり、赤褐色または褐色を呈するため本発明の光電変換素子に対して意匠性の自由度が低く、意匠の検討に大きな労力が必要である。
2、2′ 透明導電膜
3、3′ 触媒層
4、4′ 電解質層
5、5′ 半導体層
6、6′ 増感色素
7、7′ 透明導電膜
9、9′ 対向電極
10、10′ 半導体電極
100 光電変換素子
100A〜100F 単位光電変換素子
Claims (2)
- 色素を含有する半導体電極と、対向電極と、前記電極間に保持された電解質層とを備え、前記半導体電極のパターンの異なる単位光電変換素子を複数、電解質の厚み方向に積層したことを特徴とする光電変換素子。
- 前記単位光電変換素子の半導体電極のパターンが、電解質の厚み方向で重複しない部分を有することを特徴とする、請求項1に記載の光電変換素子。
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