JPH11283682A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents
色素増感型太陽電池Info
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Abstract
色素増感型太陽電池の、エネルギー変換効率を向上させ
ることを目的とする。 【解決手段】 酸化物半導体電極材料24に色素を吸着
させてなる酸化物半導体電極22と対向電極10とを電
解質31を介して対向配置してなる色素増感型太陽電池
において、酸化物半導体電極材料24に導電性物質23
を混在させる。
Description
酸化物半導体電極を有する色素増感型太陽電池に関す
る。
用いて太陽電池を構成することは既に知られている(特
許第2664194号、特開平6−163966号公
報、特開平9−259943号公報)。図3は、従来の
太陽電池の例を模式的に示したものであり、(a)は太
陽電池の概略構成図、(b)は酸化物半導体電極の部分
拡大概念図である。この例の色素増感型太陽電池(以
下、単に太陽電池ということもある)はカソード電極1
01とアノード電極102とを対向配置してセル103
を構成し、その内部に電解質104を封入したものであ
る。カソード電極101は導電性ガラスからなってい
る。アノード電極102は導電性ガラス108上に、色
素105が吸着された酸化物半導体電極106が設けら
れている。前記酸化物半導体電極106は、例えばアナ
ターゼ型TiO2微粒子107を溶剤と混合し、それを
導電性ガラス108上に塗布、焼成することによって多
孔質TiO2を形成し、色素105を吸着させたもので
ある。カソード電極101とアノード電極102とは、
数十μm〜数mmの間隔をおいて、電解質104を介し
て対向配置されており、アノード電極102の酸化物半
導体電極106に吸着されている色素105が可視光に
よって励起され、発生した電子を多孔質TiO2(Ti
O2微粒子107)に渡すことによって発電が行われ
る。
半導体電極106を構成している多孔質TiO2は、T
iO2微粒子107が堆積したものであり、粒界抵抗を
有している。またアナターゼ型TiO2微粒子107自
身も固有抵抗率が高い。このため、色素105から発生
した電子が多孔質TiO2の層を流れる段階で消費され
てしまい、エネルギー変換効率の低下を招いていた。こ
れに対して、アナターゼ型TiO2微粒子107に不純
物をドープすることによって、その固有抵抗値を下げる
方法もあるが、アナターゼ型TiO2微粒子107は比
較的低温で合成されるので不純物のドープが難しく、そ
の固有抵抗値を下げることは困難であった。
で、色素が吸着された酸化物半導体電極を有する色素増
感型太陽電池の、エネルギー変換効率を向上させること
を目的とする。
体電極材料に色素を吸着させてなる酸化物半導体電極と
対向電極とを電解質を介して対向配置してなる太陽電池
において、前記酸化物半導体電極材料に導電性物質を混
在させることによって解決できる。酸化物半導体電極材
料に導電性物質を混在させることによって、酸化物半導
体電極の抵抗率を下げることができるので、その結果、
太陽電池のエネルギー効率を向上させることができる。
前記酸化物半導体電極材料としては、TiO2および/
またはZnOが好ましく用いられ、前記導電性物質とし
ては、インジウム系酸化物および/または錫系酸化物が
好ましい。特に前記導電性物質として、平均粒径1〜1
00nmの金属酸化物超微粒子を用いれば、導電性が高
くて優れた光透過性を有するので好ましい。前記酸化物
半導体電極における酸化物半導体電極材料と導電性物質
との重量比は60:40〜99:1が好ましい。
図1は本発明の色素増感型太陽電池の実施例を模式的に
示した概略構成図である。本実施例の太陽電池はカソー
ド電極10とアノード電極20とを対向配置してセル3
0を構成し、その内部に電解質溶液31を封入してなっ
ている。カソード電極10は導電性および光透過性を有
するもので、例えばフッ素含有酸化錫(FTO)等の導
電性ガラスあるいはガラス基板上にPt電極層、C電極
層等の光透過性電極層を設けたものが好適に用いられ
る。電解質溶液31としては、I、LiI、NaI、テ
トラプロピルアンモニウムヨージド等を炭酸エチレンま
たは炭酸プロピレンとアセトニトリル混合液に溶かした
溶液等が好適に用いられる。
半導体電極材料24、導電性物質23、および必要に応
じてバインダー、溶剤等を含有してなる酸化物半導体ペ
ーストを塗布、焼成した後、色素(図示せず)を吸着さ
せて酸化物半導体電極22を形成したものである。基板
21は、導電性および光透過性を有するもので、例えば
フッ素含有酸化錫(FTO)等の導電性ガラスが好適に
用いられる。色素としては、ルテニウムビピリジン系の
錯体が優れた増感効果を発揮するが、その他の有機色素
でも増感効果は得られる。
極材料24と導電性物質23との配合比が異なる複数の
層を積層して構成してもよく、あるいは、図1に示すよ
うに一種の酸化物半導体ペーストからなる1層で構成し
てもよい。図2は酸化物半導体電極材料24と導電性物
質23との配合比が異なる複数層を積層してなる酸化物
半導体電極22を部分拡大して示した説明図である。こ
の例において酸化物半導体電極22は、基板21上に形
成された第1の層41、その上に形成された第2の層4
2、その上に形成された第3の層43からなる3層構造
となっている。酸化物半導体電極22における酸化物半
導体電極材料24と導電性物質23との重量比(酸化物
半導体電極材料:導電性物質)は、好ましくは60:4
0〜99:1、より好ましくは60:40〜90:10
とされる。導電性物質23の量が1重量%未満では導電
性物質23を配合したことによる抵抗率低減効果が得ら
れず、またエネルギー変換効率の点で、優れた光電効果
を有する酸化物半導体電極材料24を60重量%以上含
有させることが好ましい。また図2に示すように酸化物
半導体電極22を複数の層で構成する場合には、導電性
物質23の配合比が、基板21に最も近い第1の層41
で最も多く、その上層にいくにしたがって漸減するよう
に構成するのが好ましい。そして酸化物半導体電極22
全体における酸化物半導体電極材料24と導電性物質2
3との重量比が上記の範囲となるように好ましく設定さ
れる。例えば、第1の層41における酸化物半導体電極
材料24と導電性物質23との重量比が1:9、第2の
層42においては5:5、第3の層43においては9:
1となっており、全体として5:5となるように構成す
ることができる。
ばTiO2、ZnO、Nb2O5、In2O3、SnO2な
ど、一般に知られている酸化物半導体微粒子を使用する
ことができる。特にTiO2およびZnOは優れた光電
効果を有し、高いエネルギー変換効率を達成できるので
好ましく用いられる。TiO2とZnOを混合して用い
てもよい。また酸化物半導体電極材料24として使用さ
れる酸化物半導体微粒子は、粒径が小さいほど比表面積
を大きくすることができ、単位面積当たりの発電量が微
小でも大きな発電量を得ることができるので好ましい。
導体電極22形成工程を経た後に導電性を有するもので
あればよく、例えば、テトラエトキシ錫、テトライソプ
ロポキシ錫、テトラ−n−ブトキシ錫、ジメチル塩化
錫、テトラエトキシインジウム、テトライソオプロポキ
シインジウム等の有機金属化合物、塩化錫、ヨウ化錫、
塩化インジウム、ヨウ化インジウム等の無機金属化合
物、錫あるいはインジウムと、β−ジケトン、グリコー
ル、アミン、有機酸等との錯体、酸化インジウム、酸化
錫等の酸化物微粒子、あるいは金、銀、白金等の金属微
粒子を好ましく使用することができる。これらの導電性
物質23は異なる2種以上を混合して用いることも可能
である。上記の導電性物質23の中でも、酸化インジウ
ムや錫ドープ酸化インジウム(ITO)等のインジウム
系酸化物、酸化錫、アンチモンドープ酸化錫(ATO)
などの錫系酸化物、アルミニウム含有酸化亜鉛等の金属
酸化物超微粒子は、導電性が高くて優れた光透過性を有
するので好ましく、特にATOは、基板21に好適なF
TOおよび酸化物半導体電極材料24として好適なTi
O2との密着性が良好であり、光透過性に優れ、材料が
安価で入手しやすい等の利点を有する。上記の金属酸化
物超微粒子を用いる場合、平均粒径は、酸化物半導体ペ
ーストにおける分散安定性および酸化物半導体電極22
の光透過性の点から100nm以下が望ましい。また良
好な導電性を得るためには1nm以上が望ましい。導電
性物質23の材料として有機金属化合物、無機金属化合
物、金属錯体等を用いた場合は、酸化物半導体電極22
の製造工程における焼成工程にて導電性を有する金属酸
化物となる。また上記の導電性物質23の材料のなかで
も、テトラエトキシ錫、テトライソプロポキシ錫、テト
ラ−n−ブトキシ錫は、TiO2の表面処理剤として使
用することも可能である。
することができる。まず、上記の酸化物半導体電極材料
24および導電性物質23を用いて酸化物半導体ペース
トを調製する。すなわち、酸化物半導体電極材料24、
分散剤、および溶剤を混合し、サンドミル等の分散装置
を用いて分散させ、酸化物半導体電極材料分散液を調製
する。一方、導電性物質23として超微粒子を用いる場
合は、導電性物質23、分散剤、および溶剤を、ミキサ
ーで混合して導電性物質分散液を調製する。また、導電
性物質23として超微粒子以外の材料を用いる場合は、
導電性物質を適宜の溶剤に溶解させて、導電性物質溶液
を調製する。溶剤は高沸点であることが望ましく、例え
ば水とアセチルアセトンの混合物、1−p−メンテン−
8−オールとアセチルアセトンの混合物を好ましく用い
ることができる。また分散剤としては例えばポリエステ
ル系分散剤を好ましく用いることができる。またテトラ
エトキシ錫、テトライソプロポキシ錫、テトラ−n−ブ
トキシ錫等は反応性が高いので、これらを使用する場合
には、予めβ−ジケトン、グリコール、アミン、有機酸
等と混合して、錯体にしておくと酸化物半導体ペースト
の安定性が良くなる。
散液、導電性物質分散液または導電性物質溶液、および
バインダーを攪拌、混合することによって酸化物半導体
ペーストが得られる。あるいは導電性物質23の材料
を、酸化物半導体電極材料分散液に直接分散させること
も可能である。酸化物半導体ペーストにおける、酸化物
半導体電極材料分散液と、導電性物質分散液または導電
性物質溶液との配合比は、得ようとする酸化物半導体電
極22における酸化物半導体電極材料24と導電性物質
23との重量比に応じて適宜設定される。上記バインダ
ーは、酸化物半導体ペーストの粘度増加と、酸化物半導
体電極22のクラック防止効果を有し、500℃以下で
蒸発するものが用いられる。例えばセルロース系バイン
ダーや、ポリエチレングリコール等を好適に用いること
ができる。バインダーの添加量は酸化物半導体ペースト
中の酸化物半導体電極材料24および導電性物質23の
合計の10〜60重量%が好ましい。
基板21上に塗布する。塗布方法としてはスクリーン印
刷が好ましく、その他にフレキソ印刷、グラビア印刷、
ドクターブレード、バーコーター、ロールコーター、ス
ピンコーター、ディップコーター等を用いることもでき
る。基板21上に塗布される酸化物半導体電極22の膜
厚は、5〜15μm程度、好ましくは10μm程度とさ
れる。酸化物半導体電極22を複数層で構成する場合
は、酸化物半導体電極材料24と導電性物質23との配
合比が異なる複数種の酸化物半導体ペーストを順次重ね
塗りすればよい。そして塗布された酸化物半導体ペース
トを、必要に応じて乾燥させた後、空気中500℃以下
の温度で焼成することにより、導電性物質23および酸
化物半導体材料24からなる多孔質体が形成される。こ
の後、色素を適宜の溶剤に溶解させた色素溶液中に、得
られた多孔質体を浸漬させ、還流を行って色素を吸着さ
せることによって、色素が吸着された酸化物半導体電極
22が形成される。
半導体電極22を形成したものをアノード電極20とし
て太陽電池を組み立てる。すなわちアノード電極20の
酸化物半導体電極22側に、間隔をおいて、カソード電
極10を対向配置させ、これらの間の空間を側壁15で
液密に囲んでセル30を組み立てた後、セル30の内部
に電解質溶液31を封入して太陽電池を作製する。セル
30の側壁15は、絶縁性および光透過性を有する材料
からなり、例えばエポキシ樹脂、フッ素含有樹脂等を用
いて構成される。カソード電極10とアノード電極20
との間隔は、100〜1000μm程度が好ましい。
は、アノード電極20を構成している酸化物半導体電極
22に吸着されている色素が可視光によって励起され、
発生した電子を酸化物半導体電極22に渡すことによっ
て発電が行われる。また酸化物半導体電極材料24は紫
外線でしか励起できないが、可視光で励起可能な色素が
吸着されているので、この色素による増感作用が得ら
れ、感度の良い太陽電池が得られる。また本実施例の太
陽電池は、酸化物半導体電極22は微粒子状の酸化物半
導体電極材料24を堆積させ、焼成したものであるの
で、物理・化学的蒸着法で作成した膜に比べて大きな比
表面積を有するものである。例えば酸化物半導体電極材
料24としてTiO2を用いた場合、焼成により得られ
た多孔質TiO2の比表面積は約1000倍であり、1
cm2の多孔質TiO2は、実際には1000cm2の総
表面積を有していることになる。また太陽電池において
は、光を吸収できる表面積が大きいほど発電量も大きく
なるので、酸化物半導体電極2を多孔質構造とすること
によって、単位表面積当たりの発電量が小さくても大き
な発電量を得ることができる。そして本実施例によれ
ば、酸化物半導体電極材料24に導電性物質23が混在
されているので、酸化物半導体電極22の抵抗率が低減
されている。したがって酸化物半導体電極22における
電子の消費が低減され、太陽電池のエネルギー変換効率
が向上される。
を明らかにする。 (実施例1)酸化物半導体電極材料24としてTiO2
超微粒子(ST01(商品名):石原産業社製)を用い、
TiO2を30重量%含む分散液を調製した。溶剤は1
−p−メンテン−8−オール(α−テルピネオール(商
品名):東京化成社製)、分散剤はポリエステル系分散
剤(ディスパロンDA703(商品名):楠本化成社製)を用
い、0.1mmビーズを用いたサンドミル(アイメック
ス社製)で分散させた。一方、導電性物質23としてア
ンチモン含有酸化錫(ATO)超微粒子(住友大阪セメ
ント社製)を用い、ATOを30重量%含む分散液を調
製した。溶剤は1−p−メンテン−8−オール(α−テ
ルピネオール(商品名):東京化成社製)、分散剤はポリ
エステル系分散剤(ディスパロンDA703(商品名):楠本
化成社製)を用い、バイオミキサー(日本精工社製)を
用いて混合した。それぞれ調製した酸化物半導体電極材
料分散液と導電性物質分散液とをTiO 2:ATOの重
量比が8:2となるように混合し、この混合液にバイン
ダーとしてセルロースを3%添加して酸化物半導体ペー
ストを得た。基板21として表面抵抗が10Ω/□の導
電性ガラスを用い、この基板21上に上記で得た酸化物
半導体ペーストをスクリーン印刷機を用いて膜厚が10
μmになるように塗布した。そして、400℃で3時間
焼成を行った後、増感色素(シス−ジ−(チオシアネー
ト)−N,N’−ビス(2,2’−ビフィリジル−4,
4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(II))のエタノール
溶液に浸漬し、1時間還流を行って色素を吸着させて、
酸化物半導体電極22を形成した。このようにして基板
21上に酸化物半導体電極22が形成されたものをアノ
ード電極20とし、これにガラス基板上にPt電極層を
設けてなるカソード電極10を対向配置させ、エポキシ
樹脂で側壁15を形成してセル30を構成した。両電極
の間隔は150μmとした。セル30内に電解質溶液3
1としてI、テトラプロピルアンモニウムヨージドを炭
酸プロピレン/アセトニトリル混合液に溶解させた溶液
を封入して太陽電池を得た。
性物質23を用いず、酸化物半導体電極22をTiO2
超微粒子からなる多孔質体に色素を吸着させて形成した
他は同様にして、太陽電池を構成した。 (試験例)上記実施例1および比較例1で得られた太陽
電池について、それぞれエネルギー変換効率を測定し
た。比較例1の太陽電池におけるエネルギー変換効率は
9.8%であったのに対して、実施例1の太陽電池にお
けるエネルギー変換効率は12.2%であり、比較例1
に比べて2.4%も向上していることが認められた。
太陽電池は、酸化物半導体電極材料に色素を吸着させて
なる酸化物半導体電極と対向電極とを電解質を介して対
向配置してなる太陽電池において、前記酸化物半導体電
極材料に導電性物質を混在させたものである。酸化物半
導体電極材料に導電性物質を混在させることによって、
酸化物半導体電極の抵抗率を下げることができるので、
その結果、太陽電池のエネルギー効率を向上させること
ができる。
概略構成図である。
図である。
であり、(a)は概略構成図、(b)は酸化物半導体電
極の部分拡大概念図である。
極、22…酸化物半導体電極、23…導電性物質、24
…酸化物半導体電極材料、31…電解質溶液
Claims (5)
- 【請求項1】 酸化物半導体電極材料に色素を吸着させ
てなる酸化物半導体電極と対向電極とを電解質を介して
対向配置してなる太陽電池において、前記酸化物半導体
電極材料に導電性物質を混在させたことを特徴とする色
素増感型太陽電池。 - 【請求項2】 前記酸化物半導体電極材料が、TiO2
および/またはZnOであることを特徴とする請求項1
記載の色素増感型太陽電池。 - 【請求項3】 前記導電性物質が、インジウム系酸化物
および/または錫系酸化物であることを特徴とする請求
項1記載の色素増感型太陽電池。 - 【請求項4】 前記導電性物質が、平均粒径1〜100
nmの金属酸化物超微粒子であることを特徴とする請求
項1記載の色素増感型太陽電池。 - 【請求項5】 前記酸化物半導体電極における酸化物半
導体電極材料と導電性物質との重量比が60:40〜9
9:1であることを特徴とする請求項1記載の色素増感
型太陽電池。
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