JPH11273754A - 有機色素増感型酸化物半導体電極及びそれを含む太陽電池 - Google Patents

有機色素増感型酸化物半導体電極及びそれを含む太陽電池

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JPH11273754A
JPH11273754A JP11008684A JP868499A JPH11273754A JP H11273754 A JPH11273754 A JP H11273754A JP 11008684 A JP11008684 A JP 11008684A JP 868499 A JP868499 A JP 868499A JP H11273754 A JPH11273754 A JP H11273754A
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semiconductor film
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裕則 荒川
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 有機色素増感型酸化物半導体電極において、
大きい短絡電流と高い解放電圧を発生させることができ
る実用性ある電流/電圧曲線を与える電極及びそれを含
む太陽電池を提供する。 【解決手段】 微粒子状のZn、Sn、Inから選ばれ
る遷移金属の酸化物半導体と 9−フェニルキサンテン
骨格を有する色素のうちの特定の有機色素を組み合わせ
て、有機色素増感型酸化物半導体電極を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大きい短絡電流と
高い解放電圧を発生させることができる有機色素増感型
酸化物半導体電極及びこれを含む太陽電池に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】有機色素で増感された酸化物半導体電極
を含む太陽電池は知られている。Nature,261
(1976)P402によれば、酸化亜鉛粉末を圧縮成
形し、1300℃で1時間焼結して形成した焼結体ディ
スク表面に有機色素としてローズベンガルを吸着させた
酸化物半導体電極を用いた太陽電池が提案されている。
しかしながら、この太陽電池の電流/電圧曲線によれ
ば、0.2Vの起電圧時の電流値は約25μA程度と非
常に低いものであり、従って、この太陽電池は、その電
流/電圧曲線から見れば、その実用化は殆ど不可能と判
断されるものであった。一方、前記太陽電池をその材料
の点から評価すると、それに用いられる酸化物半導体及
び有機色素はいずれも大量生産されている比較的安価な
ものであることから、非常に有利であることは明らかで
ある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、有機色素増
感型酸化物半導体電極において、大きい短絡電流と高い
解放電圧を発生させることができる実用性ある電流/電
圧曲線を与える電極及びそれを含む太陽電池を提供する
ことをその課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。即ち、本発明によれば、導電性表面を有する
透明基板とその導電性表面に形成された酸化物半導体膜
と、その酸化物半導体膜の表面に吸着された有機色素か
らなり、該酸化物半導体膜は、酸化物半導体微粒子集合
体の焼成物から形成され、少なくとも10nmの厚さを
有するとともに、その見かけ表面積に対する実表面積の
比が10以上であり、かつ特定の酸化物半導体と特定の
有機色素を組み合わせることにより、大きい短絡電流と
高い解放電圧を発生させることができる実用性ある電流
/電圧曲線を与える酸化物半導体電極が提供される。ま
た、本発明によれば、前記酸化物半導体電極とその対極
とそれらの電極に接触するレドックス電解質とから構成
される太陽電池が提供される。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明で用いる酸化物半導体に
は、従来公知の観種のものが包含される。このようなも
のとしては、Zn、Sn、In等の遷移金属の酸化物等
が挙げられる。この酸化物半導体粉末は、できるだけ微
粒子であることが好ましく、その平均粒径は5000n
m以下、好ましくは50nm以下である。また、その比
表面積は、5m/g以上、好ましくは10m/g以
上である。
【0006】本発明で用いる有機色素は、下記式で表さ
れる9−フェニルキサンテン骨格を有する色素である
【化1】 01 前記9−フェニルキサンテン骨格を有する色素は、その
9−フェニルキサンテン骨格に、カルボキシル基や、ス
ルホン酸基、水酸基、アミノ基、ハロゲン原子、NO
等の極性基が1つ又は複数結合したものである。カルボ
キシル基やスルホン酸基、水酸基等の酸性基又はその水
溶性塩を有するものは、酸化物半導体に対する吸着性に
すぐれている。このような有機色素は従来良く知られた
ものであり、その具体例としては、例えば、以下のもの
を挙げることができる。
【0007】(1)ローズベンガル(Ro)
【化2】 02 (2)ローダミンB(Rh)
【化3】 03 (3)エオシンB(EB)
【化4】 04 (4)ジブロモフルオレセイン(DB)
【化5】 05 (5)エリスロシンB(Er)
【化6】 06 (6)エオシンY(EY)
【化7】 07 (7)ジクロロフルオレセイン(DC)
【化8】 08 (8)ピロガロール(Py)
【化9】 09 (9)フルオレセイン(FI)
【化10】 10 (10)フロキシン(Ph)
【化11】 11 (11)アミノピロガロール(AP)
【化12】 12 (12)フルオレシン(Fn)
【化13】 13 (13)ウラニン(Ur)
【化14】14 (14)4,5,6,7−テトラクロロフルオレセイン
(Tf)
【化15】 15 (15)フルオレセインアミンI(I1)
【化16】 16 (16)フルオレセインアミンII(I2)
【化17】 17 (17)ローダミン123(R3)
【化18】 18 (18)ローダミン6G(R6)
【化19】 19
【0008】本発明の酸化物半導体電極を製造するに
は、先ず、酸化物半導体の微粉末を含む塗布液を作る。
この酸化物半導体微粉末は、その1次粒子径が微細な程
好ましく、その1次粒子径は、通常、1〜5000n
m,好ましくは2〜50nmである。酸化物半導体微粉
末を含む塗布液(スラリー液)は、酸化物半導体微粉末
を溶媒中に分散させることによって調製することができ
る。溶媒中に分散された酸化物半導体微粉末は、その1
次粒子状で分散する。溶媒としては、酸化物半導体微粉
末を分散し得るものであればどのようなものでもよく、
特に制約されない。このような溶媒には、水、有機溶
媒、水と有機溶媒との混合液が包含される。有機溶媒と
しては、メタノールやエタノール等のアルコール、メチ
ルエチルケトン、アセトン、アセチルアセトン等のケト
ン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素等が用いら
れる。塗布液中には、必要に応じ、界面活性剤や粘度調
節剤(ポリエチレングリコール等の多価アルコール等)
を加えることができる。溶媒中の酸化物半導体微粉末濃
度は、0.1〜70重量%、好ましくは0.1〜30重
量%である。
【0009】次に、前記塗布液を基板上に塗布、乾燥
し、次いで空気中又は不活性ガス中で焼成して、基板上
に酸化物半導体膜を形成する。基板としては、少なくと
もその表面が導電性表面に形成された基板が用いられ
る。このような基板としては、ガラス等の耐熱性基板上
に、InやSnOの導電性金属酸化物薄膜を形
成したものや金属等の導電性材料からなる基板が用いら
れる。このような導電性基板は従来良く知られたもので
ある。基板の厚さは特に制約されないが、通常、0.3
〜5mmである。この導電性基板は、透明又は不透明で
あることができる。基板上に塗布液を塗布、乾燥して得
られる被膜は、酸化物半導体微粒子の集合体からなるも
ので、その微粒子の粒径は使用した酸化物半導体微粉末
の1次粒子径に対応するものである。このようにして基
板上に形成された酸化物半導体微粒子集合体膜は、基板
との結合力及びその微粒子相互の結合力が弱く、機械的
強度の弱いものであることから、これを焼成して機械的
強度が高められ、かつ基板に強く固着した焼成物膜とす
る。
【0010】本発明においては、この焼成物膜は、多孔
質構造膜とし、その厚さは少なくとも10nm、好まし
くは100〜10000nmとし、かつその見かけ表面
積に対する実表面積の比を10以上、好ましくは100
以上とする。この比の上限は特に制約されないが、通
常、1000〜2000である。前記見かけ表面積と
は、通常の表面積を意味し、例えば、その表面形状が長
方形の場合には、縦の長さ×横の長さで表される。前記
実表面積とは、クリプトンガスの吸着量により求めたB
ET表面積を意味する。その具体的測定方法は、見かけ
表面積1cmの基板付酸化物半導体膜をBET表面積
測定装置(マイクロメリティクス社製、ASAP200
0)を用い、液体窒素温度で、クリプトンガスを吸着さ
せる方法である。この測定方法により得られたクリプト
ンガス吸着量に基づいてBET表面積が算出される。こ
のような多孔質構造膜は、その内部に微細な細孔とその
表面に微細凹凸を有するものである。焼成物膜の厚さ及
び見かけ表面積に対する実表面積の比が前記範囲より小
さくなると、その表面に有機色素を単分子膜として吸着
させたときに、その有機色素単分子膜の表面積が小さく
なり、光吸収効率の良い電極を得ることができなくな
る。前記のような多孔質構造の焼成物膜は、酸化物半導
体微粒子を含む塗布液を基板上に塗布、乾燥して形成さ
れた微粒子集合体膜の焼成に際し、その焼成温度を低く
し、微粒子集合体膜を軽く焼結させることによって得る
ことができる。この場合、焼成温度は1000℃より低
く、通常、300〜800℃、好ましくは500〜80
0℃である。焼成温度が1000℃より高くなると、焼
成物膜の焼結が進みすぎ、その実表面積が小さくなり、
所望する焼成物膜を得ることができない。前記見かけ表
面積に対する実表面積の比は、酸化物半導体微粒子の粒
径及び比表面積や、焼成温度等によりコントロールする
ことができる。
【0011】次に、前記のようにして得られた基板上の
酸化物半導体膜表面に、有機色素を単分子膜として吸着
させる。このためには、有機色素を有機溶媒に溶解させ
て形成した有機色素溶液中に、酸化物半導体膜を基板と
とも浸漬すればよい。この場合、有機色素溶液が、多孔
質構造膜である酸化物半導体膜の内部深く進入するよう
に、その膜を有機色素溶液への浸漬に先立ち、減圧処理
したり、加熱処理して、膜中に含まれる気泡をあらかじ
め除去しておくのが好ましい。浸漬時間は、30分〜2
4時間程度であるが、有機色素の種類に応じて適宜定め
る。また、浸漬処理は、必要に応じ、複数回繰返し行う
こともできる。前記浸漬処理後、有機色素を吸着した酸
化物半導体膜は、常温〜80℃で乾燥する。
【0012】本発明においては、酸化物半導体膜に吸着
させる有機色素は、1種である必要はなく、好ましくは
光吸収領域の異なる複数の有機色素を吸着させる。これ
によって、光を効率よく利用することができる。複数の
有機色素を膜に吸着させるには、複数の有機色素を含む
溶液中に膜を浸漬する方法や、有機色素溶液を複数用意
し、これらの溶液に膜を順次浸漬する方法等が挙げられ
る。有機色素を有機溶媒に溶解させた溶液において、そ
の有機溶媒としては、有機色素を溶解し得るものであれ
ば任意のものが使用可能である。このようなものとして
は、例えば、メタノール、エタノール、アセトニトリ
ル、ジメチルホルムアミド、ジオキサン等が挙げられ
る。溶液中の有機色素の濃度は、溶液100ml中、1
〜10000mg、好ましくは10〜500mg程度で
あり、有機色素及び有機溶媒の種類に応じて適宜定め
る。
【0013】本発明の太陽電池は、前記酸化物半導体電
極と対極とそれらの電極に接触するレドックス電解質と
から構成される。レドックス電解質としては、I/I
系や、Br/Br 系、キノン/ハイドロキノ
ン系等が挙げられる。このような レドックス電解質
は、従来公知の方法によって得ることができ、例えば、
/ I 系の電解質は、ヨウ素のアンモニウム塩
とヨウ素を混合することによって得ることができる。電
解質は、液体電解質又はこれを高分子物質中に含有させ
た固体高分子電解質であることができる。液体電解質に
おいて、その溶媒としては、電気化学的に不活性なもの
が用いられ、例えば、アセトニトリル、炭酸プロピレ
ン、エチレンカーボネート等が用いられる。対極として
は、導電性を有するものであればよく、任意の導電性材
料が用いられるが、I イオン等の酸化型のレドック
スイオンの還元反応を充分な速さで行わせる触媒能を持
ったものの使用が好ましい。このようなものとしては、
白金電極、導電材料表面に白金めっきや白金蒸着を施し
たもの、ロジウム金属、ルテニウム金属、酸化ルテニウ
ム、カーボン等が挙げられる。
【0014】本発明の太陽電池は、前記酸化物半導体電
極、電解質及び対極をケース内に収納して封止するか又
はそれら全体を樹脂封止する。この場合、その酸化物半
導体電極には光があたる構造とする。このような構造の
電池は、その酸化物半導体電極に太陽光又は太陽光と同
等な可視光をあてると、酸化物半導体電極とその対極と
の間に電位差が生じ、両極間に電流が流れるようにな
る。
【0015】
【実施例】次に本発明を実施例によりさらに詳述する。
なお、以下の実施例において作製した電池は、いずれも
その電極面積が1×1cmである。また、電池を作動さ
せる光源として、500wのキセノンランプを用い、そ
のランプからの420nm以下の波長の光はフィルター
でカットした。また、作製した電池について、その短絡
電流及び開放電圧の測定に無抵抗電流計を備えたポテン
シオスタットを用いた。また、使用した酸化物半導体粉
末において、TiOとしては市販品(日本エアエロジ
ル、P−25、表面積55m/g)を用い、Nb
としては水酸化ニオブ(セントラル硝子社製)を熱分
解(500度、1時間、99m/g)して調製したも
のを用いた。ZnO(20m/g)、SnO(60
/g)、In(25m/g)としては市販
品( 和光純薬)を用いた。また、有機色素としては、
前記したRo(ローズベンガル)、Rh(ローダミン
B)、EB(エオシンB)、DB(ジブロモフルオレセ
イン)、Er(エリスロシンB)、EY(エオシン
Y)、DC(ジクロロフルオレセイン)、Py(ピ ロガ
ロール)、F1(フルオレセイン)、Ph(フロキシ
ン)、AP(アミノピ ロガロール)、Fn(フルオレ
シン)、ウラニン(Ur)、4,5,6,7−テトラク
ロロフルオレセイン(Tf)、フルオレセインアミンI
(I1)、フルオレセインアミンII(I2)、ローダミ
ン123(R3)及びローダミン6G(R6)を用い
た。
【0016】実施例1 酸化物半導体電極は以下のようにして作製した。前記金
属酸化物粉末(その平均一次粒径はいずれも50nm以
下である)を非イオン性界面活性剤を含む水とアセチル
アセトンとの混合液(容量混合比=20/1)中に濃度
約1wt%で分散させてスラリー液を調製した。次に、
このスラリー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(F−
SnO、10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得られ
た乾燥物を500℃で1時間、空気中で焼成し、基板上
に厚さ7μmの焼成物膜を形成した。この焼成物膜の見
かけの表面積に対する実表面積比を酸化物半導体の種類
との関係で示すと、ZnO:200、SnO:50
0、In:20 0であった。次に、この焼成物
膜を基板とともに、有機色素溶液中に浸漬し、80℃
で、還液を行いながら、色素吸着処理を行った後、室温
で乾燥した。この場合、有機色素溶液は、F1を除き、
有機色素を100mg/100mlの濃度でエタノール
中に溶解して調製した。また、F1溶液はF1を100
mg/100ml濃度でジメチルホルムアミド中に、溶
解して調製した。
【0017】前記のようにして得た酸化物半導体電極と
その対極とを電解質液に接触させて太陽電池を構成し
た。この場合、対極としては、白金を20nm厚さで蒸
着した導電性ガラスを用いた。両電極間の距離は1mm
とした。電解質液としては、テトラプロピルアンモニウ
ムヨーダイド(0.46M)とヨウ素(0.6M)を含
むエチレンカーボネートとアセトニトリルとの混合液
(容量混合比=80/20)を用いた。前記のようにし
て得られた各電池についての短絡電流及び開放電圧を表
1に示し、その実験結果についての考察を以下に示す。
【0018】
【表1】 20
【0019】(1)ローズベンガル(Ro)は、TiO
電極に最も良く吸着し、Nbに はほとんど吸
着していなかった。Nb電極以外では充分な短絡
電流、開放電圧が得られた。特にInでは高い電
流値が得られた。Nbで性能が低い理由は色素の
吸着がしにくいことと、その伝導帯のポテンシャルが高
すぎるためと思われる。 (2)ローダミンB(Ro)は、どの電極についても良
い吸着を示した。いずれの電極でも充分な短絡電流、開
放電圧が得られた。特に、Inでは高い電流値が
得られ、In電極中最大値が得られた。Nb
についてもNb 電極中最大の電流値が得られ
た。 (3)エリスロシンB(Er)については、Roと同様
な結果が得られた。 (4)エオシンY(EY)についても、Roと同様な結
果が得られた。TiO電極においてはTiO電極中
最大の電流、電圧が得られた。このEYを吸着したTi
O2電極を含む電池の寿命試験を行ったところ、セル中
の水分と酸素をほぼ完全に除去した条件下では、10日
程度は性能の劣化のないことが確認された。この際に流
れた全電流値から計算した色素のターンオーバー数は3
7万回以上に達することから、このような有機色素は酸
素などによる分解の影響を受けない限り安定に使用でき
るといえる。 (5)フルオレセイン(F1)の色素の吸光度は小さい
が、半導体電極に吸着させると充分な着色を示した。電
池挙動としてはEYと同様な結果が得られた。 (6)フロキシン(Ph)は、Roと同様な結果を与え
た。 (7)エオシンB(EB)は、Roと同様な結果を与え
た。 (8)ジブロモフルオレセイン(DB)は、TiO
極に最も良く吸着し、Nbにはほとんど吸着して
いなかった。Nb以外の電極では充分な短絡電
流、開放電圧が得られた。特に、ZnO及びSnO
はそれらの電極中最大値 が得られた。 (9)ジクロロフルオレセイン(DC)は、Roと同様
な結果を与えた。 (10)ピロガロール(Py)の場合、いずれの電極にも
吸着したが、吸収波長の長波長シフトが見られた。Ti
電極について特に高い短絡電流が得られた。 (11)アミノピロガロール(AP)は、いずれの電極に
も吸着し、特にTiO には強く吸着していた。しか
し電池特性としてはTiO以外の電極について高 い
短絡電流が得られた。 (12)フルオレセイン(Fn)は、Roと同様な挙動の
電池特性を示した。 (13)ウラニン(Ur)についてはRoと同様な結果が
得られた。 (14)4,5,6,7−テトラクロロフルオレセイン
(Tf)についてはRoと同様な結果が得られた。 (15)フルオレセインアミンI(I1)についてはRo
と同様な結果が得られた。 (16)フルオレセインアミンII(I2)についてはRo
と同様な結果が得られた。 (17)ローダミン123(R)については、酸化ニオ
ブ電極に非常に良く吸着し、他の色素と比べると高い電
流値を得た。Rhと傾向が似た結果になった。 (18)ローダミン6G(R)については酸化ニオブ電
極に良く吸着し、他の色素と比べると高い電流値を得た
が、酸化ニオブ以外の電極では性能が低かった。(19)
EYとFnの混合色素は、TiO電極によく吸着し、
高性能の電池を与 え、EY及びFnを単独で用いたと
きよりも、短絡電流が向上する。これは利用できる光の
領域が広がったためと考えられる。
【0020】参考例1 既報の論文(Nature,261(1976)p4O
2の方法のようにZnOを1300度で焼結した半導体
粉末を調製し、その後、実施例1と同様の方法で導電性
ガラス上に製膜し、ZnO電極(見かけ表面積に対する
実表面積比<10)を調製した。その後、実施例1と同
じ方法でローズベンガル(Ro)を吸着させた。しかし
吸着量を吸光度で比較すると、実施例1の値の5分の1
程度であった。次に、その電池特性について調べたとこ
ろ、表2に示す結果となり、実施例1の場合により小さ
な短絡電流、開放電圧となった。
【0021】参考例2〜4 有機色素として、以下に示す構造のアシッドオレンジ7
(A7)、モーダンオレンジ1(M1)及び又クレアー
ファーストレッド(NF)を用いた以外は実施例1の場
合と同様にして電池を構成した。これらの電池について
の短絡電流及び開放電圧を表2に示し、その実験結果の
考察を以下に示す。
【0022】(A7)
【化20】 21 (MI)
【化21】 22 (NF)
【化22】 23
【0023】
【表2】 24
【0024】(1)アシッドオレンジ7(A7)は、ア
ゾ系の色素であるが、このものはTiOには吸着した
が他の電極にはほとんど吸着しなかった。電池特性も非
常に悪い結果となった。 (2)モーダントオレンジ1(M1)は、アゾ系の色素
であるが、すべての半銅体電極に良い吸着を示した。し
かしながらその電池特性は非常に悪いものとなった。
(3)ヌクレアーフアーストレッド(NF)は、キノン
系の色素であるが、このものはすべての半導体電極に良
い吸着を示した。しかしながら、その電池特性は非常に
悪いものであった。
【0025】
【発明の効果】本発明の有機色素増感型半導体電極は、
高められた性能を有し、この電極を含む本発明の太陽電
池は高められた電池性能を有する。本発明の太陽電池
は、その材料が大量生産されている比較的安価でかつ安
全性の高いものであることから、比較的安価に生産する
ことができ、またその使用後においては、使い捨て可能
なものである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性表面を有する基板とその導電性表
    面に形成された酸化物半導体膜と、その酸化物半導体膜
    の表面に吸着された有機色素からなり、該酸化物半導体
    膜は、酸化物半導体微粒子集合体の焼成物から形成さ
    れ、少なくとも10nmの厚さを有するとともに、その
    見かけ表面積に対する実表面積の比が10以上であっ
    て、前記酸化物半導体が酸化亜鉛であり、かつ前記有機
    色素がジブロモフルオレセイン、ジクロロフルオレセイ
    ン、エリスロシンB、フルオレセインの中から選ばれる
    少なくとも1種である酸化物半導体電極。
  2. 【請求項2】 導電性表面を有する基板とその導電性表
    面に形成された酸化物半導体膜と、その酸化物半導体膜
    の表面に吸着された有機色素からなり、該酸化物半導体
    膜は、酸化物半導体微粒子集合体の焼成物から形成さ
    れ、少なくとも10nmの厚さを有するとともに、その
    見かけ表面積に対する実表面積の比が10以上であっ
    て、前記酸化物半導体が酸化スズであり、前記有機色素
    がジブロモフルオレセイン、ローダミンBの中から選ば
    れる少なくとも1種である酸化物半導体電極。
  3. 【請求項3】 導電性表面を有する基板とその導電性表
    面に形成された酸化物半導体膜と、その酸化物半導体膜
    の表面に吸着された有機色素からなり、該酸化物半導体
    膜は、酸化物半導体微粒子集合体の焼成物から形成さ
    れ、少なくとも10nmの厚さを有するとともに、その
    見かけ表面積に対する実表面積の比が10以上であっ
    て、前記酸化物半導体が3酸化2インジウムであり、前
    記有機色素がローダミンB、フロキシン、エリスロシン
    B、ローズベンガル、ジブロモフルオレセイン、ジクロ
    ロフルオレセイン、ウラニン、フルオレセインアミン
    I、フルオレセインアミンII、ローダミン123の中か
    ら選ばれる少なくとも1種である酸化物半導体電極。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかの酸化物半導体
    電極とその対極とそれらの電極に接触するレドックス電
    解質とから構成される太陽電池。
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