KR101623766B1 - 색소 증감형 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
색소 증감형 태양 전지의 전해액 속에서 우수한 내식성을 나타내는 저렴한 금속 재료를 대향 전극에 사용한, 광전 변환 효율이 우수하고, 또한 촉매 사용량을 절감할 수 있는 색소 증감형 태양 전지를 제공한다.
증감 색소를 담지한 반도체층을 투광성 도전 재료의 표면에 갖는 광 전극과, 전해액과, 대향 전극을 구비하는 색소 증감형 태양 전지에 있어서, 대향 전극이 Cr: 16질량% 이상, Mo: 0.3질량% 이상을 함유하는 스테인리스강으로 이루어지는 기재의 표면에 촉매 박막층을 형성한 재료로 구성되고, 광 전극의 반도체층과 대향 전극의 촉매 박막층이 전해액을 사이에 두고 마주 향하고 있는 색소 증감형 태양 전지. 대향 전극의 상기 스테인리스강 기판은 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하의 공식형 오목부를 갖는 것이 적합하다.
증감 색소를 담지한 반도체층을 투광성 도전 재료의 표면에 갖는 광 전극과, 전해액과, 대향 전극을 구비하는 색소 증감형 태양 전지에 있어서, 대향 전극이 Cr: 16질량% 이상, Mo: 0.3질량% 이상을 함유하는 스테인리스강으로 이루어지는 기재의 표면에 촉매 박막층을 형성한 재료로 구성되고, 광 전극의 반도체층과 대향 전극의 촉매 박막층이 전해액을 사이에 두고 마주 향하고 있는 색소 증감형 태양 전지. 대향 전극의 상기 스테인리스강 기판은 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하의 공식형 오목부를 갖는 것이 적합하다.
Description
본 발명은 광 전극에 대향하여 배치되는 대향 전극(정극)의 구성 재료로서 스테인리스강을 사용한 색소 증감형 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 종래, 주로 실리콘을 광전 변환 소자에 사용한 것이 사용되고 있지만, 보다 경제적인 차세대 태양 전지로서 「색소 증감형 태양 전지」의 실용화가 연구되고 있다.
도 1에, 일반적인 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 도시한다. 투광성 기판(2)의 표면에 투광성 도전 재료(3)가 형성되고, 투광성 도전 재료(3)의 표면에는 증감 색소(8)를 담지(擔持)한 반도체 입자(7)에 의해 구성되는 반도체층(6)이 형성되어 있다. 도면 중, 증감 색소(8)를 담지한 반도체 입자(7)의 크기는 매우 과장하여 도시한다(후술하는 도 2, 도 3에서 동일함). 투광성 도전 재료(3)와 반도체층(6)에 의해 광 전극(30)이 구성되어 있다. 광 전극(30)과 마주 보도록 대향 전극(40)이 배치되어 있고, 광 전극(30), 대향 전극(40), 및 양 전극간에 개재하는 전해액(9)에 의해서 태양 전지(1)가 구성되어 있다. 대향 전극(40)은 도전 재료(5)와 그 표면에 형성된 촉매층(10)에 의해 구성된다.
투광성 도전 재료(3)는 예를 들어 ITO(인듐-주석 산화물), FTO(불소 도프 산화주석), TO(산화주석), ZnO(산화아연) 등의 투명 도전막으로 구성되고, 투광성 기판(2)에는 유리나 플라스틱 필름 등이 사용된다. 한편, 대향 전극(40)측에는 투광성은 요구되지 않지만, 도전 재료(5)로서 귀금속 이외의 일반적인 금속 재료를 채용하기에는 내식성 등의 관점에서 불안하여, 광 전극과 같은 도전 재료를 유리 등의 기판(4) 위에 형성하는 경우가 많다. 사실, SUS430이나 SUS304와 같은 스테인리스강은 전해액 속에서 격심하게 부식되어, 도전 재료(5)로서 사용할 수 없다.
광 전극(30)을 구성하는 반도체층(6)은 비표면적이 큰 TiO2 등의 도체 입자(7)를 사용한 다공질층이며, 반도체 입자(7)의 표면에는 루테늄 착체 등의 증감 색소(8)가 담지되어 있다. 전해액으로서는 요오드(I2) 및 요오드화물 이온을 포함하는 것을 사용하는 것이 일반적이다. 입사광(20)이 증감 색소(8)에 도달하면, 증감 색소(8; 예를 들어 루테늄 착체)는 광을 흡수하여 여기되고, 그 전자가 반도체 입자(7; 예를 들어 TiO2)로 주입된다. 여기 전자를 주입하여 산화 상태로 된 증감 색소(8)는 전해액(9)의 이온(예를 들어 요오드화물 이온 I-)으로부터 전자를 받아들이고, 기저 상태로 돌아간다. 이 때 액 중의 이온(예를 들어 I-)은 산화되어 가수(價數)가 다른 이온(예를 들어 I3 -)으로 되고, 대향 전극(40)으로 확산하고, 대향 전극(40)으로부터 전자를 받아들여 원래의 이온(예를 들어 I-)으로 돌아온다. 이로써, 전자는 증감 색소(8)→반도체 입자(7)→투광성 도전 재료(3)→부하(50)→도전 재료(5)→촉매층(10)→전해액(9)→증감 색소(8)의 경로로 이동한다. 그 결과, 부하(50)를 작동시키는 전류가 발생한다.
특허문헌 1 내지 7에는 색소 증감형 태양 전지의 대향 전극에 백금 등의 내식성 금속으로 이루어지는 도전막을 사용하는 것이 기재되어 있다. 또한, 대향 전극을 두께 1mm의 백금판으로 구성하는 예도 있다(특허문헌 6).
현상의 색소 증감형 태양 전지의 변환 효율은 실리콘 태양 전지와 비교하여 낮고, 고효율화를 도모하는 것이 큰 과제의 하나로 되어 있다. 색소 증감형 태양 전지의 고효율화를 목표로 한 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1에는 전극쌍을 복수 적층하고, 광의 입사측으로부터 가장 이격된 대향 전극을 반사성 전극층으로 함으로써, 변환 효율을 향상시키는 것과 함께 단위 면적당의 전력 공급량을 증대시키는 기술이 개시되어 있다. 즉 입사광을 복수의 전극층에서 흡수시키고, 또한 반사성 대향 전극에서 반사한 반사광을 역경로에서 흡수시킴으로써, 고효율화를 도모하고 있다.
그러나, 특허문헌 1의 기술에서는 반사성의 전극층으로서 전해질 용액에 대한 내식성이 우수한 백금, 금, 은, 티타늄 등의 고가의 금속 또는 이들의 합금이 사용되기 때문에 재료 비용이 매우 비싸지는 결점이 있다. 특히 백금은 도전성이 높고 또한 촉매 작용을 나타내기 때문에 대향 전극 재료로서 매우 유효하지만, 매우 고가이기 때문에, 그 사용량을 필요 최소한으로 저감하는 것이 강력하게 기대된다.
또한, 특허문헌 3에는 수지제 대향 전극 기판 표면에 1 내지 1000nm 스케일의 요철 구조를 갖는 티타늄, 탄탈륨 등의 내식 금속 재료막을 스퍼터링법에 의해 형성하고, 그 표면에 백금막을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 대향 전극과 전해질 용액의 접촉 면적이 커지므로, 표면 저항이 저감되고, 백금의 막 두께를 얇게 하여도 충분한 변환 효율이 얻어진다. 그러나, 이 방법은 내식 금속 재료막을 스퍼터링법에 의해 형성하는 것인 이상, 대향 전극의 제작 비용 상승은 피할 수 없고, 보다 저비용화를 도모할 수 있는 구조가 요구되고 있다.
이와 같이, 색소 증감형 태양 전지의 전극에는 백금 등의 귀금속이 상당량 사용되고 있는 것이 현상이며, 고가의 귀금속을 사용하는 것으로 인한 비용 증가를 수반한다.
특허문헌 7에는 대향 전극의 재료로서 스테인리스 등의 합금을 사용하여도 좋다는 기재가 있다. 그러나, 실제로 스테인리스강을 사용한 예는 제시되어 있지 않다. 범용의 스테인리스강은 전해액에 대한 내식성이 불충분하여, 스테인리스강을 전극에 사용하여 우수한 광전 변환 효율과 내구성을 실현한 예는 알려져 있지 않다.
본 발명은 이러한 현상을 감안하여, 색소 증감형 태양 전지의 전해액 속에서 우수한 내식성을 나타내는 저렴한 금속 재료를 대향 전극에 사용한, 광전 변환 효율이 우수하고, 또한 촉매 사용량을 절감할 수 있는 색소 증감형 태양 전지를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적은 증감 색소를 담지한 반도체층을 투광성 도전 재료의 표면에 갖는 광 전극과, 전해액과, 대향 전극을 구비하는 색소 증감형 태양 전지에 있어서, 대향 전극이 Cr: 16질량% 이상 바람직하게는 17질량% 이상, Mo: 0.3질량% 이상 바람직하게는 0.8질량% 이상을 함유하고, 80℃로 가열한 상기 전해액 중에 500시간 침지하였을 때의 부식 감량이 1g/㎡ 이하로 되는 성질의 스테인리스강으로 이루어지는 기재의 표면에 촉매 박막층을 형성한 재료로 구성되고, 광 전극의 반도체층과 대향 전극의 촉매 박막층이 전해액을 사이에 두고 마주보고 있는 색소 증감형 태양 전지에 의해 달성된다. 스테인리스강이란, JIS GO203:2000의 번호 4201에 기재된 바와 같이, Cr을 다량으로 함유시켜 내식성을 향상시킨 강철이다. 촉매 박막층은 예를 들어 백금으로 이루어지는 것이다.
상기 스테인리스강으로서 페라이트계 강종(鋼種)을 채용하는 경우는 예를 들어 질량%로 C: 0.15% 이하, Si: 1.2% 이하, Mn: 1.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.O3% 이하, Ni: 0.6% 이하, Cr: 16 내지 32% 바람직하게는 17 내지 32%, Mo: 0.3 내지 3% 바람직하게는 0.8 내지 3%, Cu: 0 내지 1%, Nb: 0 내지 1%, Ti: 0 내지 1%, Al: 0 내지 0.2%, N: 0.025% 이하, B: 0 내지 0.01%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강이 적합하다. 규격 강종을 이용하는 경우는 예를 들어 JIS G4305에 규정되는 페라이트계 강종으로서, Cr: 16 내지 32질량% 바람직하게는 17 내지 32질량%, Mo: 0.3 내지 3질량% 바람직하게는 0.8 내지 3질량%를 함유하는 스테인리스강을 채용할 수 있다.
상기 스테인리스강으로서 오스테나이트(austenite)계 강종을 채용하는 경우는 예를 들어 질량%로 C: 0.15% 이하, Si: 4% 이하, Mn: 2.5% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 6 내지 28%, Cr: 16 내지 32% 바람직하게는 17 내지 32%, Mo: 0.3 내지 7% 바람직하게는 0.8 내지 7%, Cu: 0 내지 3.5%, Nb: 0 내지 1%, Ti: 0 내지 1%, Al: 0 내지 0.1% , N: 0.3% 이하, B: 0 내지 0.01%, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강이 적합하다. 규격 강종을 이용하는 경우는 예를 들어 JIS G4305에 규정되는 오스테나이트계 강종이며 Cr: 16 내지 32질량% 바람직하게는 17 내지 32질량%, Mo: 0.3 내지 7질량% 바람직하게는 0.8 내지 7질량%를 함유하는 스테인리스강을 채용할 수 있다.
대향 전극으로서, 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하 예를 들어 0.3 내지 5㎛의 공식형 오목부를 갖는 스테인리스 강판 표면에 촉매 박막층을 형성한 것을 사용하는 것이 광전 변환 효율의 향상에 따라 유효하다. 공식형 오목부를 갖는 표면은 면 조도 SRa가 예를 들어 0.1 내지 1.5㎛이다. 여기에서, 「면적률 10% 이상의 비율로」란 강판 표면을 판 두께 방향에 대하여 평행 방향으로 본 관찰 영역의 투영 면적에 차지하는 공식형 오목부가 형성되어 있는 영역(즉 피트 미발생 부분을 제외한 영역)의 투영 면적의 비율이 10% 이상인 것을 말한다. 면 조도 SRa는 표면 조도 곡선을 사인 곡선으로 근사하였을 때의 중심면(기준면)에서의 평균 조도를 의미하고, 촉침식(觸針式) 삼차원 표면 조도계나 레이저 현미경 등을 사용하여 얻은 각 점의 높이를 측정하고, 이들의 측정치를 삼차원 표면 조도 해석함으로써 얻어지는 값이다. 그 측정 영역은 예를 들어 1변이 40㎛ 이상인 직사각형 영역(예를 들어 50㎛×50㎛)으로 하면 좋다.
본 발명의 색소 증감형 태양 전지는 대향 전극의 기재에 스테인리스 강판을 사용하고 있으므로 강도 및 내식성이 우수하다. 더욱이, 고가인 촉매 물질의 사용량이 극히 미량이라도 높은 광전 변환 효율을 실현할 수 있으므로, 비용적인 메리트가 크다. 따라서 본 발명은 색소 증감형 태양 전지의 보급에 기여할 수 있다.
도 1은 일반적인 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 예시한 도면.
도 3은 대향 전극에 조면화(粗面化) 스테인리스 강판을 사용한 타입의 본 발명의 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 예시한 도면.
도 4는 공식형 오목부를 갖는 스테인리스 강판 표면의 SEM 사진.
도 2는 본 발명의 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 예시한 도면.
도 3은 대향 전극에 조면화(粗面化) 스테인리스 강판을 사용한 타입의 본 발명의 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 예시한 도면.
도 4는 공식형 오목부를 갖는 스테인리스 강판 표면의 SEM 사진.
도 2에, 본 발명의 색소 증감형 태양 전지의 구성을 모식적으로 예시한다. 광 전극(30) 및 전해액(9)은 기본적으로 종래와 같은 구성으로 할 수 있다. 한편, 대향 전극(40)은 기재인 스테인리스강 기판(21)의 표면에 촉매 박막층(11)을 형성한 재료로 구성되어 있다. 전지의 기전력이 발생하는 메커니즘은 종래의 색소 증감형 태양 전지와 같다. 전자는 증감 색소(8)→반도체 입자(7)→투광성 도전 재료(3)→부하(50)→스테인리스강 기판(21)→촉매 박막층(11)→전해액(9)→증감 색소(8)의 경로로 이동한다.
도 3에, 본 발명의 색소 증감형 태양 전지에 있어서, 대향 전극(40)을 구성하는 스테인리스강 기판(21)에 조면화 표면(22)을 갖는 것을 사용한 전지 구성을 모식적으로 예시한다. 촉매 박막층은 그 조면화 표면(22) 위에 형성되어 있다.
이하, 본 발명을 특정하기 위한 사항에 대해서 설명한다.
〔대향 전극의 스테인리스 강종〕
색소 증감형 태양 전지의 전해액에는 통상, 요오드(I2) 및 요오드화물 이온 등을 포함하는 유기용매가 사용된다. 전극재료는 이러한 전해액 속에서 장기간 안정되어 우수한 내식성을 나타내는 소재로 구성할 필요가 있다. 대향 전극에는 백금 등의 촉매 물질을 이용하는 경우가 많지만, 기재의 금속 재료 자체는 배어(bare) 상태(즉 백금 등에 의한 피복을 실시하지 않은 상태)에서도 상기 전해액 중에 충분한 내식성을 나타내는 것이 전지의 실용화에는 불가결하다. 발명자들의 검토 결과, 대향 전극의 기재를 스테인리스강으로 구성하는 경우, 80℃로 가열한 상기 전해액 중에 500시간 침지하였을 때의 부식 감량이 1g/㎡ 이하로 되는 성질의 스테인리스강을 적용하는 것이 극히 유효한 것을 알았다. 대향 전극의 표면은 통상, 백금 등의 촉매층으로 피복되므로, 소위 배어 상태(피복층을 형성하고 있지 않는 상태)에서 상기의 엄격한 시험 환경에서의 부식 감량이 1g/㎡ 이하로 되는 스테인리스강은 퍼스널 유스의 기기에 탑재하는 보급형의 색소 증감형 태양 전지를 구축하는 데다가, 통상은 충분한 내구성을 갖는다. 또한, 상기 액 중에 100O시간 침지하였을 때의 부식 감량이 1g/㎡ 이하로 되는 성질의 스테인리스강은 특히 신뢰성이 높은 색소 증감형 태양 전지를 구축함에 있어서 한층 유리하다.
발명자들은 상세한 검토 결과, 스테인리스강에 있어서, 일정량 이상의 Cr과 Mo를 함유시킴으로써, 유기용매를 사용한 요오드(I2) 및 요오드화물 이온 함유 전해질 용액 중에서의 용해가 거의 진행되지 않는 우수한 내식성을 부여할 수 있는 것을 발견하였다.
일반적으로 스테인리스강은 염화물 이온 Cl-를 포함하는 수용액에 대한 내식성에 있어서 약점을 갖게 되어, 그러한 내식성을 개선하기 위해서는 Cr의 증량이나 Mo의 첨가가 유효하게 된다. 예를 들어 온수기에 적합한 페라이트계의 SUS444에서는 Cr: 17질량% 이상, Mo: 1.75질량% 이상의 함유량이 확보되어 있고, 고내식성 오스테나이트계 범용 강종인 SUS316에서도 Cr: 16질량% 이상, Mo: 2질량% 이상의 함유량이 확보되어 있다. 그러나, 같은 할로겐 이온에 요오드화물 이온에 대한 스테인리스강의 내식성에 대해서는 충분히 알려져 있지 않다. 또한, 요오드는 그 강한 산화력에 의해 아연, 구리 등의 금속을 부식시키지만, 스테인리스강에 대한 부식성은 충분히 알려져 있지 않다. 그 이유로서, 요오드나 요오드화물 이온에 노출되는 환경은 자연계나 일상에 있어서 거의 존재하지 않는 것을 들 수 있다. 특히, 용매가 물이 아니고, 유기물질인 경우의 요오드(I2) 및 요오드화물 이온 함유 전해액에 관한 것으로, 스테인리스강의 조성과 내식성의 관계는 거의 파악되어 있지 않다. 범용 강종인 SUS304가 상기 전해액에 대하여 격심하게 부식되는 것을 알고 있어, 색소 증감형 태양 전지에 대한 스테인리스강 재료의 적용은 경원시되어 왔다. 이 사실이 상세한 검토를 시도하는 동기 부여를 약화시키는 요인이 되고 있었다.
발명자들은 상세한 검토의 결과, 스테인리스강 재료에 있어서 Cr 함유량을 16질량% 이상으로 하고, 또한 Mo 함유량을 0.3질량% 이상으로 하였을 때, 색소 증감형 태양 전지에 적용되는 요오드(I2) 및 요오드화물 이온 함유 전해액 속에서의 용해가 거의 생기지 않는 우수한 내식성을 나타내는 것을 발견하였다. 또한, Cr 함유량을 17질량% 이상으로 하고 또한 Mo 함유량을 0.8질량% 이상으로 하였을 때에는 보다 신뢰성이 높은 색소 증감형 태양 전지를 구축할 수 있다. 상기한 바와 같이, 용도가 일상의 온수(溫水) 환경인 경우라도, 거기에 충분하게 견딜 수 있는 내식성을 스테인리스강에 부여하기 위해서는 예를 들어 1.75질량% 이상이라는 비교적 다량의 Mo를 첨가하는 조치가 필요하다. 이것과 비교하면, 유기용매 중에 요오드(I2) 및 요오드화물 이온이 존재하는 색소 증감형 태양 전지의 전해질 용액에 대한 내식성은 보다 적은 Mo 첨가량 범위로부터 현저하게 개선되는 것이 밝혀졌다. 게다가, 이러한 경향은 오스테나이트계나 페라이트계와 같은 강종의 영향을 그다지 받지 않고, 그 밖의 첨가 원소의 영향도 적다. 이 점은 물 용매중의 염화물 이온에 대한 스테인리스강의 내식성 향상 메커니즘이 그대로 들어맞는 것은 아니라고 생각된다.
본 발명에서는 페라이트계 강종과, 오스테나이트계 강종에 있어서, 각각 이하의 조성 범위의 스테인리스강을 적용할 수 있다. 합금 원소의 함유량에 관한 「%」는 특별히 언급이 없는 한 「질량%」를 의미한다.
페라이트계 강종;
「C: 0.15% 이하, Si: 1.2% 이하, Mn: 1.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 0.6% 이하, Cr: 16 내지 32% 바람직하게는 17 내지 32%, Mo: 0.3 내지 3% 바람직하게는 0.8 내지 3%, Cu: 0 내지 1%, Nb: 0 내지 1%, Ti: 0 내지 1%, Al: 0 내지 0.2%, N: 0.025% 이하, B: 0 내지 0.01% , 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강」
규격 강종을 이용하는 경우는 예를 들어 JIS G4305에 규정되는 페라이트계 강종이며 Cr: 16 내지 32질량% 바람직하게는 17 내지 32질량%, Mo: 0.3 내지 3질량% 바람직하게는 0.8 내지 3질량%를 함유하는 스테인리스강을 적용하면 좋다.
오스테나이트계 강종:
「C: 0.15% 이하, Si: 4% 이하, Mn: 2.5% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 6 내지 28%, Cr: 16 내지 32% 바람직하게는 17 내지 32%, Mo: 0.3 내지 7% 바람직하게는 0.8 내지 7%, Cu: 0 내지 3.5%, Nb: 0 내지 1%, Ti: 0 내지 1%, Al: 0 내지 0.1%, N: 0.3% 이하, B: 0 내지 0.01% , 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강」
규격 강종을 이용하는 경우는 예를 들어 JIS G4305에 규정되는 오스테나이트계 강종이며 Cr: 16 내지 32질량% 바람직하게는 17 내지 32질량%, Mo: 0.3 내지 7질량% 바람직하게는 0.8 내지 7질량%를 함유하는 스테인리스강을 적용하면 좋다.
Cr 함유량이 16% 미만 또는 Mo 함유량이 0.3% 미만이면, 색소 증감형 태양 전지에 적용되는 요오드(I2) 및 요오드화물 함유 전해질 용액 중에 있어서, 상기 재료의 용해가 거의 생기지 않는 우수한 내식성을 안정하게 얻는 것이 어렵게 된다. 보다 신뢰성을 향상시키기 위해서는 페라이트계의 경우 Cr을 17% 이상 또한 Mo를 0.8% 이상 함유시키는 것이 바람직하고, Cr을 18% 이상 또한 Mo를 1% 이상 함유시키는 것이 한층 바람직하다. 오스테나이트계의 경우 Cr를 17% 이상 또한 Mo를 0.8% 이상 함유시키는 것이 바람직하고, Cr을 18% 이상 또한 Mo를 2% 이상 함유시키는 것이 한층 바람직하다. 단, Cr이나 Mo의 함유량이 과잉으로 많아지면 제조성을 해치는 등의 폐해가 현저해진다. 따라서, Cr 함유량은 32% 이하로 하는 것이 바람직하고, 30% 이하가 한층 바람직하다. 또한 Mo 함유량은 페라이트계의 경우 3% 이하로 하는 것이 바람직하고, 오스테나이트계의 경우 7% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 원소 함유량의 하한 「0%」는 상기 원소의 함유량이 통상의 제강 현장에서의 분석 수법에 있어서 측정 한계 이하인 것을 의미한다.
상기 이외의 원소로서, V: 0.3% 이하, Zr: 0.3% 이하, Ca, Mg, Co 및 REM(희토류 원소): 합계 0.1% 이하와 같은 원소의 혼입이 허용된다. 이들은 스크랩 등의 원료로부터 불가피하게 혼입되는 경우가 있지만 상기 범위의 혼입이면 본 발명의 효과를 저해하는 것은 아니다.
여러 가지 조성의 스테인리스강에 대하여, 색소 증감형 태양 전지의 전해액을 모의(模擬)한 요오드(I2) 및 요오드화물 이온을 포함하는 시험액에 대한 내식성을 조사한 결과를 예시한다.
표 1에 나타내는 조성의 각종 스테인리스강을 용제하고, 일반적인 스테인리스 강판 제조 공정에 의해 판 두께 0.28 내지 0.81mm의 냉간 압연 소둔 강판(2D 마무리재)을 제조하고, 이것을 공시재(供試材)로 하였다. 표 1 중, 조직의 난은 「α」가 페라이트계, 「γ」가 오스테나이트계를 의미한다. 표 중에서의 하이픈 「-」은 제강 현장에서의 통상의 분석 수법에서 측정 한계 이하인 것을 의미한다.
백금 등의 촉매층을 형성하고 있지 않는 스테인리스 강판 그 자체의 내식성을 평가하기 위해서, 각 공시재로부터 35×35mm의 시험편을 절단하고, 표면(단면을 포함함)을 #600 건식 에머리(emery) 연마로 마무리함으로써, 내식성 시험편으로 하였다.
색소 증감형 태양 전지의 전해질 용액을 모의한 시험액으로서, 아세토니트릴 용매 중에 요오드 I2: 0.05mol/L, 및 요오드화리튬 LiI: 0.5mol/L를 용해시킨 것을 준비하였다.
테플론(등록 상표)제의 용기에 상기 시험액 10mL를 넣고, 이 액 중에 상기 내식성 시험편을 침지하였다. 용기에는 뚜껑을 덮어 용매의 휘발을 억제하였다. 이 용기를 80℃의 항온조 중에 보유하고, 침지 개시로부터 500시간 경과 후에 시험편을 꺼냈다. 각 강종 모두 샘플수 n=3으로 실시하였다.
500 시간 침지 후의 각 시험편에 대하여, 중량 변화(침지 후의 시험편 중량-초기의 시험편 중량)를 측정하였다. n=3의 중량 변화치 중 가장 낮은 값(즉 중량 감소가 가장 큰 것)을 그 강종의 중량 변화의 성적으로서 채용하였다. 중량 변화의 값이 마이너스가 되는 경우에 부식 감량이 생기게 된다. 이 500시간 침지 시험에서의 중량 변화가 -1g/㎡보다 마이너스측의 값으로 되지 않는 것이 「부식 감량이 1g/㎡ 이하」에 상당하여, 합격이라고 판정된다. 또한, 500시간 침지 시험 후의 시험편 표면을 육안 관찰하여, 외관을 조사하였다. 이 경우도, n=3 중 가장 부식 정도가 격심했던 시험편의 외관을 그 강종의 성적으로서 채용하였다.
참고를 위해, 500시간 침지 후의 외관에 있어서 전면(全面) 부식 또는 단면(端面)의 부식이 확인된 강종을 제외하고, 관찰 후의 시험편을 다시 상기의 침지 시험에 제공하고, 토탈 1000시간의 침지 시험에서의 중량 변화 및 외관을 조사하였다.
결과를 표 2에 나타낸다.
표 1, 표 2로부터 알 수 있는 것처럼, Cr: 16% 이상, 또한 Mo: 0.3% 이상을 함유하는 본 발명 대상 강철은 미피복인 채로 요오드화물 이온 함유 전해액 중에 80℃×500h라는 엄격한 조건으로 침지한 경우의 부식 감량이 1g/㎡ 이하로 되고, 점녹의 발생도 적고, 우수한 내식성을 나타내는 것이 확인되었다.
〔스테인리스강 기재의 조면화(粗面化) 표면〕
발명자들은 예의 연구한 결과, 표면에 특정 형태의 공식형 오목부를 다수 형성한 스테인리스 강판을 대향 전극의 기재에 사용한 색소 증감형 태양 전지에서는 평활 표면의 스테인리스 강판을 사용한 경우와 비교하여, 광전 변환 효율이 높아지는 것을 발견하였다. 변환 효율에 대해서는 촉매 담지량보다도, 오목부의 개구 직경 및 오목부의 면적률(즉 조면화 형태)이 영향을 미치는 것을 발견하였다. 상세한 검토의 결과, 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하 예를 들어 0.3 내지 5㎛의 공식형 오목부를 갖는 스테인리스 강판 표면에 촉매 박막층을 형성한 것을 사용하는 것이 광전 변환 효율의 향상에 의해 유효한 것을 알 수 있었다.
도 4에, 공식형 오목부를 갖는 스테인리스 강판 표면의 SEM 사진을 예시한다. 개개의 공식형 오목부는 원형상의 개구부를 갖는 피트(공식(孔食))에 의해서 구성되어 있다. 원형상이란 강판 표면을 판 두께 방향에 대하여 평행 방향으로 본 경우에, 개구부의 윤곽에 있어서 가장 긴 부분의 직경을 「장경(長徑)」이라고 부르고, 그 장경에 대하여 직각 방향의 가장 긴 부분의 직경을 「단경(短涇)」이라고 부를 때, 장경/단경으로 표시되는 애스펙트비가 2 이하인 형상을 말한다. 피트 개구부의 윤곽에 의해 개구부의 형상의 전체상을 명료하게 알 수 있는 피트도 보여지지만, 복수의 피트끼리가 연결되어 오목부를 형성하고 있는 부분에서는 전체상이 윤곽으로 나타나지 않는 피트도 존재한다. 그러나, 이러한 피트라도, 윤곽으로부터 전체상(즉 원형상의 개구부의 형상)을 비교적 정밀도 좋게 추정할 수 있는 피트도 수많이 있다.
평균 개구 직경 D는 아래와 같이 정할 수 있다. 즉, 강판 표면을 판 두께 방향에 대하여 평행 방향으로 본 화상 위에 직선을 긋고, 피트의 윤곽이 그 직선과 교차하는 피트 중으로부터, 그 윤곽에 개구부의 형상의 전체상이 나타나고 있는 피트, 또는 그 윤곽으로부터 개구부의 형상의 전체상이 추정 가능한 피트를 무작위로 합계 30개 선택하고, 각 피트에 대해서 상기 직선에 대하여 평행 방향의 최대 직경을 측정하고, 이들 값을 산술 평균함으로써 구해지는 값을 평균 개구 직경 D로 한다. 복수개의 직선을 그음으로써 합계 30개의 피트를 선택하여도 상관없다. 「무작위로 합계 30개 선택하기」위한 방법으로서는 예를 들어 상기 직선을 따라서 개구부의 형상의 전체상이 나타나 있는 피트 및 개구부의 형상의 전체상이 추정 가능한 피트를 모두 주워 올리는 수법으로 합계 100개의 피트를 주워 올리고, 그 중에서 랜덤으로 30개의 피트를 선택하는 방법을 채용할 수 있다.
표면에 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하 예들 들어 0.3 내지 5㎛의 공식형 오목부를 면적률 10% 이상의 비율로 갖는 스테인리스 강판 표면 위에 촉매 박막층을 형성한 대향 전극을 사용함으로써 광전 변환 효율이 향상되는 메커니즘에 대해서는 아직 해명되지 않은 부분도 많지만, 다음과 같은 것이 생각된다. 대향 전극의 촉매 박막층 위에서는 전해액 중의 이온(예를 들어 I3 -)이 전자를 받아 요오드화물 이온(I-)으로 되돌아오는 환원 반응이 발생한다. 공식 형상의 오목부를 갖는 스테인리스 강판 표면에 형성된 촉매층은 하지 요철에 의해 표면적이 증대하는 것에 더하여, 하지(下地)의 공식 형상을 반영한 특이한 표면 형태를 가짐으로써, 「환원 반응 활성점」을 증대시키는 효과가 큰 것이라고 생각되고, 이것이 광전 변환 효율의 더욱 향상을 초래하는 요인으로 되는 것은 아닐까 추측된다. 여러 가지 검토 결과, 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하 예를 들어 0.3 내지 5㎛인 공식형 오목부가 형성되어 있는 스테인리스 강판을 사용하는 것이 효과적이다. 평균 개구 직경이 5㎛를 초과하는 오목부의 경우나 오목부의 면적률이 10%를 밑도는 경우는 광전 변환 효율의 향상 효과는 저감된다.
이러한 공식형 오목부를 갖는 기판의 표면으로서는 면 조도 SRa가 0.1 내지 1.5㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다. SRa를 0.1㎛ 이상으로 함으로써, 표면적 증대의 효과를 한층 더 효과적으로 얻을 수 있다. SRa는 0.3㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 단, 전해 조면화에 의해 SRa가 1.5㎛ 이상의 조면화 표면을 얻는 것은 용이하지 않다.
이러한 특이한 조면화 형태는 예를 들어, 통상의 소둔(燒鈍)·산세(酸洗) 마무리, BA 소둔 처리, 또는 스킨 패스 압연 처리 등, 조면화하지 않은 표면 성상의 스테인리스 강판에 대하여, 염화제이철 용액 중에서의 교번(交番) 전해 처리를 실시함으로써 얻을 수 있다.
〔촉매 박막층〕
본 발명에서 적용하는 대향 전극의 표면에는 촉매 박막층이 형성되어 있고, 촉매 박막층에는 일반적인 색소 증감 태양 전지의 촉매에 사용 가능한 백금, 니켈, 카본블랙, 폴리아닐린 등이 사용 가능하다. 백금이나 니켈을 사용하는 경우, 그 코팅 수법으로서는 스퍼터링 코팅을 채용할 수 있다. 단, 촉매층은 얇아도 변환 효율을 충분하게 향상시킬 수 있다. 발명자들의 검토에 따르면, 평균 막 두께가 약 1nm로 극히 얇은 백금막을 형성시킨 경우라도 전지로서 기능하는 것이 확인되었다. 촉매층의 평균 막 두께는 예를 들어 1 내지 300nm 정도로 하면 좋다. 변환 효율의 안정성과 경제성을 양립시킴에 있어서는 10 내지 200nm, 또는 20 내지 100nm의 범위로 컨트롤함으로써 효과적이다. 이러한 얇은 촉매층을 본 명세서에서는 「촉매 박막층」이라고 부른다. 단, 스테인리스강의 표면에는 도전성이 부족한 부동태 피막이 형성되어 있는 것이 통상이다. 따라서, 부동태 피막을 제거한 후에 촉매 박막층을 형성하는 것이 보다 효과적이다. 스퍼터링 코팅법을 사용하는 경우는 스퍼터링 장치에서 스테인리스 강판 기재의 표면을 역스퍼터링하여 부동태 피막을 제거하고, 그 후, 촉매 물질을 스퍼터링 코팅하는 것이 바람직하다.
〔광 전극 및 전해액〕
광 전극을 구성하는 반도체층은 일반적인 색소 증감형 태양 전지의 광극을 구성하는 산화물 반도체 입자층이면 좋고, 예를 들어 이산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO2), 산화니오브(Nb2O5)의 1종 또는 2종 이상의 산화물 반도체 입자를 성분으로 하는 다공질 박막을 채용할 수 있다. 상기 반도체층은 산화물 반도체 입자에 차지하는 입자 직경이 큰 입자의 비율을, 투광성 도전 재료 표면 근방보다도 표층부에서 크게 하고, 소위 광 차폐 효과를 발현한 것이 적합하다. 반도체층에 담지시키는 증감 색소는 예를 들어 루테늄 착체, 포프피린, 프탈로시아닌, 쿠마린, 인돌린, 에오신, 로다민, 메로시아닌 등을 적용할 수 있다. 전해액은 요오드(I2) 및 요오드화물 이온을 포함하는 일반적인 색소 증감형 태양 전지용의 전해액을 적용할 수 있다.
실시예
(실시예 1)
조면화 스테인리스 강판에 의한 변환 효율의 향상 효과를 조사한 실험예를 나타낸다. 표 3에 나타내는 조성의 스테인리스강을 용제하고, 일반적인 스테인리스 강판 제조 공정에 의해 판 두께 0.2mm의 냉간 압연 소둔 강판(N0. 2D 마무리)을 제조하였다.
상기 강판으로부터 절단한 시험편을 Fe3 + 농도 30g/L, 5O℃의 염화제이철 수용액 중에 침지하고, 애노드 전해 전류 밀도를 3kA/㎡, 캐소드 전해 전류 밀도를 0.3kA/㎡ 로 하고, 여러 가지의 교번 사이클 및 전해 시간으로 조면화 처리를 실시하였다. 조면화 처리한 표면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하고, 상기한 수법에 의해, 공식형 오목부의 평균 개구 직경 D 및 공식형 오목부의 면적률을 측정하였다. 또한, 조면화 표면에 대하여, 주사형 레이저 현미경(0LS1200; 제조원: Olympus Corp.)을 사용하여, 50㎛×50㎛의 직사각형 영역의 삼차원 표면 프로파일을 측정하였다. 그 풀파일의 데이터로부터 산출되는 삼차원 평균 표면 조도 SRa를 구하였다. 각 처리 조건 및 조면화 형태를 표 4중에 나타낸다.
다음에, 상기 공시재(조면화 스테인리스 강판 기재 및 전해 조면화 처리가 없는 스테인리스 강판 기재)를 스퍼터링 장치 내에 세트하고, 표면을 역스퍼터링에 의해 청정화한 후에 백금 타깃을 사용한 본 스퍼터링을 10분간 행하고, 백금의 촉매 박막층을 형성한 대향 전극을 준비하였다. 이 경우, 백금막의 평균 막 두께는 대략 40nm가 된다. 또한, 비교용의 대향 전극으로서 유리 기판에 ITO(산화주석)막을 형성한 것(이하, 네사 유리(NESA glass)라고 부름)에 본 스퍼터링을 10분간 및 90분간 실시한 것을 준비하였다. 90분의 스퍼터링에 의해 백금막의 평균 막 두께는 대략 360nm가 된다. 이들 대향 전극을 사용하여 소형의 전지 셀을 제작하고, 변환 효율을 측정하였다. 실험은 이하의 순서로 행하였다.
광 전극용의 투광성 도전 재료로서, PEN 필름 기판 위에 ITO막을 형성한 것(PECF-IP; 제조원: Peccell Technologies, Inc.)을 준비하였다. 반도체층을 얻기 위한 재료로서 TiO2 페이스트(PECC-01-06; 제조원: Peccell Technologies, Inc.)를 준비하였다. PEN 필름 기판의 ITO면 위에 TiO2 페이스트를 닥터 블레이드법으로 도포하고, 상온에서 방치하여 건조시켰다. 얻어진 반도체층의 두께는 10㎛이었다. 증감 색소로서 루테늄 착체 색소(PECD-07; 제조원: Peccell Technologies, Inc.)를 사용하여, 아세토니트릴·tert-부탄올 혼합 용매에 분산시킨 색소 용액을 얻었다. 이 색소 용액 중에, 상기 반도체층을 형성한 필름 기판을 3시간반 침지시켜, 반도체층에 증감 색소가 담지된 광 전극을 얻었다.
상기의 광 전극과 대향 전극을, 발전 부분을 둘러싸도록 절연 스페이서를 사이에 두고 장착하고, 광 전극의 ITO 표면과 대향 전극의 거리가 50㎛가 되는 셀 구조를 구축하였다. 이 셀 구조의 내부에 전해액(PECE-KO1; 제조원: Peccell Technologies, Inc.)을 마이크로 실린더를 사용하여 주입하고, 색소 증감형 태양 전지를 얻었다.
각 색소 증감형 태양 전지에, 「솔라 시뮬레이터」(제조원: YAMASHITA DENS0.)를 사용하여 AM 1.5, 100mW/㎠의 의사 태양광을 조사하면서, 「2400형 소스 미터」(제조원: Keithley Instruments Inc.)에 의해 I-V 특성을 측정하고, 단락 전류 JSC, 개방 전압 VOC, 형상인자 FF의 값을 얻었다. 이들 값으로부터 하기 식(1)에 의해 광전 변환 효율η의 값을 구하였다.
그리고, 네사 유리에 백금을 90분 스퍼터링 코팅한 대향 전극을 사용한 색소 증감형 태양 전지(N0.62)에서의 광전 변환 효율η0를 표준으로 하여, η0에 대한 각 색소 증감형 태양 전지의 광전 변환 효율η의 비율η/η0×100의 값을 「표준과의 효율비」로서, 전지 성능을 평가하였다.
결과를 표 4에 나타낸다.
표 4로부터 알 수 있는 것처럼, 본 발명 예의 모든 것은 백금의 스퍼터링 시간 10분의 네사 유리와 비교하여 「표준과의 효율비」는 높은 값을 나타내었다. 또한, 백금 스퍼터링 시간이 10분으로 짧음에도 불구하고, 스퍼터링 시간 90분의 네사 유리와 동등 이상의 높은 값을 나타내었다. 본 발명에서 규정하는 스테인리스 강판을 대향 전극의 기재에 사용함으로써 백금의 사용량의 저감이 가능해진다. 특히, 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하의 공식형 오목부를 면적률 10% 이상의 비율로 갖고, 면 조도 SRa가 0.1 내지 1.5㎛인 조면화 표면을 갖는 스테인리스 강판을 기재에 사용함으로써, 전해가 없는 경우(N0.60)보다도 「표준과의 효율비」는 대폭 향상되었다. 이것은 스테인리스강 표면에 존재하는 공식형 오목부에 의한 대향 전극 표면적의 증대에 의해서 대향 전극에서의 환원 반응 활성점이 증가하였기 때문이라고 생각된다.
(실시예 2)
광 전극용의 투광성 도전 재료로서, 유리 기판 위에 FTO(불소 도프 산화주석)막을 형성한 것(이하, FTO 유리라고 부름)을 준비하였다. 반도체층을 얻기 위한 재료로서, 평균 입자 직경 2Onm의 TiO2 입자와 평균 입자 직경 100nm의 TiO2 입자의 배합 비율이 질량비로 10:O, 8:2 및 6:4의 3종류의 광전 변환층 형성용 TiO2 페이스트를 준비하였다. FTO 유리의 FTO막의 표면에, 10:0의 페이스트를 3층, 8:2의 페이스트를 2층, 6:4의 페이스트를 1층의 순으로 적층함으로써, 광 차폐 효과가 높은 다공질의 기능성 반도체층의 소성막을 형성하였다. 그 때, 1층마다 「페이스트의 도포→소성」의 공정을 반복하여 막 두께를 증대시켜 갔다. 페이스트의 도포는 스크린 프린터를 사용하여 행하였다. 도막의 표면 불균일을 감소시키기 위해서, 도포 후 약 2시간 상온 방치하고, 그 후 전기로에서 520℃까지 1시간으로 승온 →520℃에서 1시간 유지의 조건으로 소성하였다. 최종적으로 얻어진 반도체층의 두께는 34㎛이었다.
증감 색소로서 트리스(이소티오시아네이트)-(2,2';6',2''-터피리딜-4,4',4''-트리카복실산)-루테늄(II)트리스-테트라부틸암모늄을 사용하고, 이것을 에탄올 중에 0.2mM의 농도로 용해시키고, 또한 공흡착질(共吸着質)로서 디옥시콜산을 20mM의 농도로 용해시킴으로써 색소 용액을 얻었다. 이 색소 용액 중에, 상기 반도체층을 형성시킨 유리 기판(광전극 구조체)을 24시간 침지시켜, 반도체층에 증감 색소가 담지된 광 전극을 얻었다.
전해질로서 아세토니트릴 용매 중에 요오드 0.05M, 요오드화리튬 0.1M, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨아이오다이드 0.6M, t-부틸피리딘 0.5M을 용해시킨 용액을 준비하였다. 액의 조제는 질소 분위기하에서 행해졌다.
대향 전극용의 기재로서 표 3 중의 강철(B)의 스테인리스 강판(N0. 2D 마무리재)을 준비하였다. 또한, 그 2D 마무리 표면을 염화제이철 수용액 중에서의 교번 전해 처리에 의해 조면화한 것을 준비하였다(N0. 107). 이 조면화 표면은 평균 개구 직경 D=2.4㎛의 공식형 오목부가 면적률 50%로 형성되어 있고, 면 조도 SRa=0.30㎛이었다.
이들의 스테인리스 강판을 스퍼터링 장치 내에 세트하고, 출력 2OW로 역스퍼터링을 10분간 행함으로써 표면의 부동태 피막을 제거한 후, 출력 60W로 백금 타깃을 사용한 본 스퍼터링을 행하고, 스테인리스 강판의 기재 표면에 백금의 촉매 박막층을 형성시켰다. 스퍼터링 시간을 60초 내지 10분 사이에서 바꿈으로써 촉매 박막층의 두께가 다른 여러 가지 대향 전극을 제작하였다. 이 경우, 촉매 박막층의 평균 두께는 약 10 내지 100nm의 범위에서 변동시킨 것에 상당한다.
또한, 비교용의 대향 전극으로서 FTO 유리에 본 스퍼터링을 60초 내지 120분 사이에서 실시한 것을 준비하였다. 이 경우, 120분의 스퍼터링에 의해 백금막의 평균 막 두께는 대략 1㎛가 된다.
상기의 광 전극과 대향 전극을, 발전 부분을 둘러싸도록 절연 스페이서를 사이에 두고 장착하고, 광 전극의 FTO 표면과 대향 전극의 거리가 50㎛로 되는 셀 구조를 구축하였다. 이 셀 구조의 내부에 상기의 전해액을 마이크로 실린더를 사용하여 주입하고, 색소 증감형 태양 전지를 얻었다.
각 색소 증감형 태양 전지에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 의사(擬似) 태양광을 조사하였을 때의 I-V 특성을 측정하여, 단락 전류 JSC, 개방 전압 VOC, 형상 인자 FF의 값을 얻었다. 이들 값으로부터 상기 식(1)에 의해 광전 변환 효율 η의 값을 구하였다.
여기에서는 FTO 유리에 백금을 120분 스퍼터링 코팅한 대향 전극을 사용한 색소 증감형 태양 전지(N0. 208)에 있어서의 광전 변환 효율 η0을 표준으로 하고, η0에 대한 각 색소 증감형 태양 전지의 광전 변환 효율 η의 비율 η/η0 ×100의 값을 「표준과의 효율비」로서 표시하였다.
결과를 표 5에 나타낸다.
표 5로부터 알 수 있는 것처럼, 스테인리스 강판을 대향 전극의 기재에 사용한 본 발명 예의 것에서는 백금 스퍼터링 시간이 60초의 시점에서 광전 변환 효율 η은 포화에 근접하고, 3분의 시점에서 거의 안정하게 포화된다. 이러한 얇은 촉매 담지에 의해 종래 최고 성능이 얻어졌던 타입의 전지(N0. 207, 208)에 거의 필적하는 높은 광전 변환 효율이 얻어지고 있다. 이에 대하여 FTO 유리를 대향 전극의 기재에 사용한 비교예의 것은 백금 스퍼터링 시간 10분으로도 아직 광전 변환 효율 η은 포화에 이르고 있지 않아, 전지 성능을 충분히 끌어내기 위해서는 스퍼터링 시간을 120분 정도로 하고, 보다 두꺼운 촉매층을 형성하는 것이 필요하다. 이러한 결과로부터, 대향 전극의 기재에 스테인리스 강판을 사용한 본 발명의 색소 증감형 태양 전지에서는 고가의 백금 사용량을 대폭 절감할 수 있는 것이 확인되었다. 조면화 표면을 갖는 스테인리스 강판을 기재에 사용함으로써, 조면화 처리를 하지 않은 경우보다도 「표준과의 효율비」는 향상되었다.
1: 태양 전지 2: 투광성 기판
3: 투광성 도전 재료 4: 기판
5: 도전 재료 6: 반도체층
7: 반도체 입자 8: 증감 색소
9: 전해액 10: 촉매층
11: 촉매 박막층 20: 입사광
21: 스테인리스강 기판 30: 광전극
40: 대향 전극 50: 부하
3: 투광성 도전 재료 4: 기판
5: 도전 재료 6: 반도체층
7: 반도체 입자 8: 증감 색소
9: 전해액 10: 촉매층
11: 촉매 박막층 20: 입사광
21: 스테인리스강 기판 30: 광전극
40: 대향 전극 50: 부하
Claims (10)
- 증감 색소를 담지(擔持)한 반도체층을 투광성 도전 재료의 표면에 갖는 광 전극과, 전해액과, 대향 전극을 구비하는 색소 증감형 태양 전지에 있어서,
대향 전극이 Cr: 16질량% 이상, Mo: 0.3질량% 이상을 함유하고, 80℃로 가열한 상기 전해액 중에 500시간 침지하였을 때의 부식 감량이 1g/㎡ 이하로 되는 성질의 스테인리스강으로 이루어지는 기재(基材)를 포함하는 재료로 구성되고, 상기 기재는 그 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하의 공식형(pit-shaped) 오목부, 및 상기 기재의 조면화 표면상에 형성된 촉매 박막층을 구비하고, 광 전극의 반도체층과 대향 전극의 촉매 박막층이 전해액을 사이에 두고 마주보고 있는, 색소 증감형 태양 전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 스테인리스강은 Cr: 17질량% 이상, Mo: 0.8 질량% 이상을 함유하는 것인 색소 증감형 태양 전지.
- 증감 색소를 담지한 반도체층을 투광성 도전 재료의 표면에 갖는 광 전극과, 전해액과, 대향 전극을 구비하는 색소 증감형 태양 전지에 있어서,
대향 전극이 JIS G4305에 규정되는 페라이트계 강종으로서 Cr: 16 내지 32질량%, Mo: 0.3 내지 3질량%를 함유하는 스테인리스강으로 이루어지는 기재를 포함하는 재료로 구성되고, 상기 기재는 그 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하의 공식형(pit-shaped) 오목부, 및 상기 기재의 조면화 표면상에 형성된 촉매 박막층을 구비하고, 광 전극의 반도체층과 대향 전극의 촉매 박막층이 전해액을 사이에 두고 마주보고 있는, 색소 증감형 태양 전지. - 증감 색소를 담지한 반도체층을 투광성 도전 재료의 표면에 갖는 광 전극과, 전해액과, 대향 전극을 구비하는 색소 증감형 태양 전지에 있어서,
대향 전극이 질량%로 C: 0.15% 이하, Si: 1.2% 이하, Mn: 1.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 0.6% 이하, Cr: 16 내지 32%, Mo: 0.3 내지 3%, Cu: 0 내지 1%, Nb: 0 내지 1%, Ti: 0 내지 1%, Al: 0 내지 0.2%, N: 0.025% 이하, B: 0 내지 0.01%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강으로 이루어지는 기재를 포함하는 재료로 구성되고, 상기 기재는 그 표면에 면적률 10% 이상의 비율로 평균 개구 직경 D: 5㎛ 이하의 공식형(pit-shaped) 오목부, 및 상기 기재의 조면화 표면상에 형성된 촉매 박막층을 구비하고, 광 전극의 반도체층과 대향 전극의 촉매 박막층이 전해액을 사이에 두고 마주보고 있는, 색소 증감형 태양 전지. - 제 3 항에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스강은 Cr 함유량이 17 내지 32%, Mo 함유량이 0.8 내지 3%인 것인 색소 증감형 태양 전지.
- 제 4 항에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스강은 Cr 함유량이 17 내지 32%, Mo 함유량이 0.8 내지 3%인 것인 색소 증감형 태양 전지.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재의 공식형 오목부를 갖는 표면은 면 조도 SRa가 0.1 내지 1.5㎛인 색소 증감형 태양 전지.
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