JP7381012B2 - 色素増感型太陽電池用対向電極及びこれを用いた色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Description
色素増感型太陽電池の主要な構成要素の一つに対向電極(対極)があり、一般的には変換効率が高いこと、固着性が高いこと、低コストであること、長期保存などによる材料の劣化が少ないこと等が求められている。しかし、主な材料である白金は非常に高価である上に、電解液への接触により劣化するといった問題があるため、代替材料の検討が大きな課題の一つとなっている。
現在、その対策としてカーボンナノチューブを用いた事例が報告されているが(非特許文献1)、白金より幾分安価であるとはいえ依然平易に得られる材料とは言い難く、生体への安全性も確立されていない為、製造コストが嵩むと考えられる。また、変換効率と固着性のバランスなど、対向電極として好ましい物性については未だ検討の余地がある。
1) 次の特性a)~d)を満たすカーボンブラックYとカーボンブラックZを用いて作製されることを特徴とする色素増感型太陽電池用対向電極。
a)カーボンブラックY:DBP吸収量が135~210mL/100g
:N2SAが50~150m2/g
b)カーボンブラックZ:DBP吸収量が55~70mL/100g
:N2SAが120~320m2/g
c)カーボンブラックYとZの混合物全体に対するカーボンブラックY、Zの夫々の重量比率をrY、rZとして、rY≧rZである
d)カーボンブラックYとカーボンブラックZの混合物の
:混合DBP吸収量が95~140mL/100g
:混合N2SAが85~185m2/g
2) 1)記載の対向電極を用いた色素増感型太陽電池。
従来技術において、本発明のように色素増感型太陽電池用対向電極にカーボンブラックを用いる試み、特に2種類のカーボンブラックの物性及びその混合比率を規定して、変換効率と固着性を高度に両立させようという試みは、本発明者の知る限り存在しない。
しかも、本発明に係る混合カーボンブラックは、従来用いられてきた部材である白金やカーボンナノチューブでは達成できない顕著な効果を奏する。
上記本発明に係る混合カーボンブラックは、後述する実施例に示すように製造上の操作条件を選択し組み合わせることにより容易に得ることができる。
DBP吸収量は、カーボンブラック100g当たりに吸収されるジブチルフタレート量(mL/100g)であり、カーボンブラック凝集体の構造特性を評価する一般的な指標である。また、混合DBP吸収量は次の計算式により求められる値である。
混合DBP=DBP:Y×rY + DBP:Z×rZ
(式中、DBP:Y、DBP:Zは夫々カーボンブラックY、ZのDBP吸収量、rY、rZは夫々カーボンブラックの混合物全体に対するカーボンブラックY、Zの重量比率である。)
通常、変換効率の向上のためにはカーボンブラックと電解液との接触面積が大きいことが求められるため、カーボンブラックのストラクチャが発達していること、即ちDBP吸収量が高いことが好ましい。一方、固着性の向上のためには集電層との接触面積が大きいことが求められるため、カーボンブラックのストラクチャが発達していないこと、即ちDBP吸収量が低いことが好ましい。そこで本発明では、上記規定を満たすカーボンブラックY、Zを一定比率で混合して用いることにより、それらが互いの物性を阻害することなく対向電極としての物性向上効果を発揮し、変換効率と固着性の高度な両立を成し遂げることが出来るようにした。
N2SAは、カーボンブラック単位重量当たりの比表面積(m2/g)であり、カーボンブラックを構成する一次粒子の径を評価する一般的な指標である。また、混合N2SA吸収量は次の計算式により求められる値である。
混合N2SA=N2SA:Y×rY + N2SA:Z×rZ
(式中、N2SA:Y、N2SA:Zは夫々カーボンブラックY、ZのN2SA、rY、rZは夫々混合されたカーボンブラックの混合物全体に対するカーボンブラックY、Zの重量比率である。
通常、変換効率の向上のためにはカーボンブラックと電解液との接触面積が大きいことが求められるため、カーボンブラック一次粒子の径が大きいこと、即ちN2SAが低いことが好ましい。一方、固着性の向上のためには集電層との接触面積が大きいことが求められるため、カーボンブラック一次粒子の径が小さいこと、即ちN2SAが高いことが好ましい。そこで本発明では、上記規定を満たすカーボンブラックY、Zを一定比率で混合して用いることにより、それらが互いの物性を阻害することなく対向電極としての物性向上効果を発揮し、変換効率と固着性の高度な両立を成し遂げることが出来るようにした。
光電極側に光(太陽光)を受けて増感色素が励起状態になると即座に電子は多孔質TiO2(酸化チタン)に移動し、その後、外部回路を通って対向電極側でヨウ素のイオン化に使われる。続いてヨウ素イオンが増感色素を還元し、増感色素は基底状態に戻る。
色素増感型太陽電池の一般的な製造方法としては、光電極側の電極基盤として酸化チタンが成膜されたITO硝子を使用する。光電極は前記ITO硝子に増感色素を吸着させて作製する。対向電極は白金層を電解析出させるか又は塗工して作製する。次いで、光電極と対向電極の間を電解液で満たし、周囲を封止して電池とする。
<カーボンブラックの製造>
上流部より、燃料導入部、原料導入部、狭小円筒部、反応停止用急冷水圧噴霧装置を備えた反応継続兼冷却室が連接した一般的なカーボンブラック製造炉(図1参照)を用い、表1に示した操作条件により、カーボンブラックA~Gを製造した。
得られたカーボンブラックの物理化学特性を表2に示す。
(1)DBP吸収量
JIS K6217-4:2017に記載の方法で測定した。
(2)N2SA
JIS K6217-2:2017に記載の方法で測定した。
各実施例及び比較例の混合カーボンブラックを用いて、以下の手順で評価用太陽電池を作製した。
まず、一般的な方法で電極を作製した。即ち、溶媒の2-メトキシエタノールに対し、上記の各混合カーボンブラックを2重量%の濃度で加えて撹拌し分散させた後、得られた分散液をITO硝子(表面にスズドープ酸化インジウムの薄膜を形成した透明導電性硝子)にスプレーして膜厚約5μmの対向電極を作製した。次いで、ITO硝子をN-719色素に浸漬して作製した光電極を前記対向電極と貼り合わせた後、間隙に電解液(Solaronix社製AN-50)を注入して評価用の各色素増感型太陽電池を得た。
結果を表5、表6に示す。
(1)変換効率
ハロゲンランプ(100mW/cm2)照射下で、直流電圧・電流源/モニタと付属のプログラムを用いて測定した。
(2)固着力
電解液注入後にカーボンブラック層の剥離が生じるか否かについて目視で観察し、次の基準で評価した。
○:30日間剥離なし
△:30日以内に一部が剥離した
×:30日以内に全面が弱離した
Claims (2)
- 次の特性a)~d)を満たすカーボンブラックYとカーボンブラックZを用いて作製されることを特徴とする色素増感型太陽電池用対向電極。
a)カーボンブラックY:DBP吸収量が135~210mL/100g
:N2SAが50~150m2/g
b)カーボンブラックZ:DBP吸収量が55~70mL/100g
:N2SAが120~320m2/g
c)カーボンブラックYとZの混合物全体に対するカーボンブラックY、Zの夫々の重量比率をrY、rZとして、rY≧rZである
d)カーボンブラックYとカーボンブラックZの混合物の
:混合DBP吸収量が95~140mL/100g
:混合N2SAが85~185m2/g - 請求項1記載の対向電極を用いた色素増感型太陽電池。
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