KR101797831B1 - 색소 증감 태양 전지용 광 전극 및 색소 증감 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저항을 낮은 상태로 유지하면서, 광전 변환층과 기재의 밀착성이 향상된 색소 증감 태양 전지용 광 전극 및 색소 증감 태양 전지를 제공하는 것이다. 본 발명의 색소 증감 태양 전지용 광 전극(10)은, 투광성의 기재(11a) 상에 투명 도전층(11b)이 형성되어 이루어지는 투광성 기판(11)과, 투명 도전층 상에 형성되고, 도전성 입자(15a)를 포함하는 도통부(15)와, 금속 알콕시드를 도포하는 공정을 포함해서 형성된 코트층(16)을 포함하는 밀착층(13)과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용해서 밀착층 상에 형성된 광전 변환층(12)을 구비한다.
Description
본 발명은, 색소 증감 태양 전지용 광 전극 및 색소 증감 태양 전지에 관한 것이다. 본원은, 2012년 10월 23일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-233755호에 기초해서 우선권을 주장하여, 그 내용을 여기에 원용한다.
색소 증감 태양 전지는, 스위스의 그래챌 등에 의해 개발된 것이며, 다른 일반적인 전지에 비해 광전 변환 효율이 높고, 제조 비용이 싼 등의 이점이 있다. 이 색소 증감 태양 전지로서, 예를 들어, 비특허문헌 1이나 특허문헌 1에 나타내는 구성이 알려져 있다.
특허문헌 1에 개시된 색소 증감 태양 전지는, 플라스틱제의 투광성 지지체(기재) 상에 투명 도전층이 형성되어 이루어지는 투광성 기판과, 투광성 기판 상에 배치된 광전 변환층(증감 색소를 담지한 산화물 반도체 다공막)으로 구성되는 색소 증감 태양 전지용 광 전극(이하, 간단히 「광 전극」이라고 칭하는 경우가 있음) 과, 전해질 부분과, 대(對)극이 적층되어 형성되어 있다.
플라스틱제의 기재를 사용한 색소 증감 태양 전지는, 기재의 두께나 재질을 적절히 설정함으로써, 절곡하거나 둥글게 하거나 하는 것이 가능하게 되므로, 여러 분야에의 응용이 기대되고 있지만, 광전 변환층과 투광성 기판의 밀착성이 불충분하면, 절곡 등을 행했을 때에 광전 변환층이 투광성 기판으로부터 박리되어 버린다고 하는 문제가 있다.
이 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 2 및 3에는, 금속 알콕시드를 포함하는 용액을 투명 도전층 상에 도포하고, 소결함으로써 버퍼층을 형성하는 것이 기재되어 있다.
Nature, 353, p.737-740, 1991
그러나, 상술한 버퍼층은 광전 변환층과 투광성 기판의 밀착성을 향상시키지만 도전성이 낮으므로, 광 전극의 저항이 상승하게 되어, 색소 증감 태양 전지의 성능을 저하시키게 되는 경우가 있다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 저항을 낮은 상태로 유지하면서, 광전 변환층과 기재의 밀착성이 향상된 색소 증감 태양 전지용 광 전극 및 색소 증감 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 형태는, 투광성의 기재 상에 투명 도전층이 형성되어 이루어지는 투광성 기판과, 상기 투명 도전층 상에 형성되고, 도전성 입자를 포함하는 도통부와, 금속 알콕시드를 도포하는 공정을 포함해서 형성되고, 복수의 상기 도전성 입자를 피복하는 코트층을 포함하는 밀착층과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용해서 상기 밀착층 상에 형성된 광전 변환층을 구비하는 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양 전지용 광 전극이다.
상기 밀착층은 다공질 구조를 가져도 좋다.
또한, 상기 기재는 플라스틱으로 형성되어도 좋다.
본 발명의 다른 색소 증감 태양 전지용 광 전극은, 금속성의 기재와, 상기 기재 상에 형성되고, 도전성 입자를 포함하는 도통부와, 금속 알콕시드를 도포하는 공정을 포함해서 형성되고, 복수의 상기 도전성 입자를 피복하는 코트층을 포함하는 밀착층과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용해서 상기 밀착층 상에 형성된 광전 변환층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 밀착층은 다공질 구조를 가져도 좋다.
또한, 상기 기재는 티타늄 또는 스테인리스강으로 형성되어도 좋다.
본 발명의 다른 색소 증감 태양 전지용 광 전극에 있어서는, 상기 밀착층의 두께가 5마이크로 미터 이하이어도 좋다.
본 발명의 제2 형태의 색소 증감 태양 전지는, 본 발명의 색소 증감 태양 전지용 광 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 색소 증감 태양 전지용 광 전극 및 색소 증감 태양 전지에 의하면, 광전 변환층과 기재의 밀착성을 향상시키면서도, 저항을 낮게 억제해서 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 색소 증감 태양 전지용 광 전극을 구비한 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 색소 증감 태양 전지의 광 전극을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 색소 증감 태양 전지의 광 전극의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 4는 밀착층의 주사형 전자 현미경에 의한 관찰상(가속 전압 1.5㎸)이다.
도 5는 밀착층의 주사형 전자 현미경에 의한 관찰상(가속 전압 3.0㎸)이다.
도 6은 본 발명의 다른 색소 증감 태양 전지용 광 전극을 구비한 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 색소 증감 태양 전지의 광 전극을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 색소 증감 태양 전지의 광 전극의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 4는 밀착층의 주사형 전자 현미경에 의한 관찰상(가속 전압 1.5㎸)이다.
도 5는 밀착층의 주사형 전자 현미경에 의한 관찰상(가속 전압 3.0㎸)이다.
도 6은 본 발명의 다른 색소 증감 태양 전지용 광 전극을 구비한 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태의 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀(1)을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 셀(1)은, 본 발명의 광 전극(10)과 대극(20)이, 전해질 부분(30)을 사이에 두고 대향하도록 배치되어 구성되어 있다.
도 2는 광 전극(10)을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 광 전극(10)은, 셀(1)에 있어서 부극으로서 작용하는 것으로서, 투광성의 기재(11a)의 한쪽 면에 투명 도전층(11b)이 형성된 투광성 기판(11)과, 투명 도전층(11b) 상에 형성된 광전 변환층(12)과, 투명 도전층(11b)과 광전 변환층(12) 사이에 형성되어 양자의 밀착성을 향상시키는 밀착층(13)을 구비하고 있다.
기재(11a)로서는, 유리, 플라스틱 등 다양한 재료를 포함하는 것을 사용할 수 있고, 플라스틱제의 것으로서는, 투광성, 내열성, 내화학 약품 특성 등의 관점에서, 예를 들어 판 형상 또는 필름 형상의 시클로올레핀계 중합체, 판 형상 또는 필름 형상의 아크릴 요소계 중합체, 판 형상 또는 필름 형상의 폴리에스테르, 판 형상 또는 필름 형상의 폴리에틸렌나프탈레이트 등을 사용하는 것이 바람직하다. 기재(11a)로서 플라스틱을 사용하면, 광 전극(10)에 가요성을 부여할 수 있어, 절곡하거나 둥글게 하거나 하는 것이 가능하게 된다.
투명 도전층(11b)으로서는, 예를 들어, 인듐-주석 복합 산화물(ITO), 불소를 도프한 산화 주석(FTO) 등을 사용할 수 있다.
광전 변환층(12)은, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 공지의 광전 변환 재료를 포함한다. 기능성 반도체로서는, 예를 들어, TiO2, SnO, ZnO, WO3, Nb2O5, In2O3, ZrO2, Ta2O5, TiSrO3 등의 산화물 반도체;CdS, ZnS, In2S, PbS, Mo2S, WS2, Sb2S3, Bi2S3, ZnCdS2, CuS2 등의 황화물 반도체;CdSe, In2Se2, WSe2, PbSe, CdTe 등의 금속 칼코게나이드;GaAs, Si, Se, InP 등의 원소 반도체 등을 들 수 있고, 예를 들어, SnO와 ZnO의 복합체, TiO2와 Nb2O5의 복합체 등의, 이들 2종 이상을 포함하는 복합체를 사용할 수도 있다. 또한, 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것이 아니라, 2종류 이상 혼합해서 사용할 수도 있다.
그 중에서도, Ti, Zn, Sn, Nb의 산화물이 바람직하고, 특히 TiO2(티타니아)가 바람직하다.
증감 색소로서는, 증감 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않고, N3 착체, N719 착체(N719 색소), Ru 터피리딘 착체(블랙 다이), Ru 디케토네이트 착체 등의 Ru 착체;쿠마린계 색소, 멜로시아닌계 색소, 폴리엔계 색소 등의 유기계 색소; 금속 포르피린계 색소나 프탈로시아닌 색소 등을 들 수 있고, 이 중에서는 Ru 착체가 바람직하고, 특히, 가시광 영역에 넓은 흡수 스펙트럼을 가지므로, N719 색소 및 블랙 다이가 바람직하게 들 수 있다.
N719 색소는 [RuL2(NCS)2ㆍ2TBA]로 표시되는 화합물이며, Blackdye 색소는 [RuL'1(NCS)3ㆍ2TBA]로 표시되는 화합물이다. 단, L은, 4, 4'-디카르복시-2, 2'-비피리딘, L'는, 4, 4', 4"-테트라-카르복시-2, 2', 2"-터피리딘, TBA는, 테트라부틸암모늄 카티온이다. 이들은 단독으로 혹은 2종류 이상을 혼합해서 사용할 수 있다.
또한, 기능성 반도체에 증감 색소를 담지할 때에, 밀착층(13)에 증감 색소가 담지되어도 상관없다. 밀착층에 증감 색소가 담지되면, 색소 증감 태양 전지의 성능 향상에 기여한다.
밀착층(13)은, 도전성 입자(15a)를 포함하는 도통부(15)와, 금속 알콕시드를 도포하는 공정을 포함해서 형성되고, 서로 접촉한 복수의 도전성 입자(15a)를 피복하는 코트층(16)을 갖고 있다.
도통부(15)의 적어도 일부는, 투명 도전층(11b) 및 광전 변환층(12)의 양쪽에 전기적으로 접속되어 있고, 서로 접촉한 도전성 입자(15a)의 1군을 피복하도록 코트층(16)이 배치되어 있다. 도통부(15)를 형성하기 위한 도전성 입자로서는, 각종의 금속 및 그의 산화물을 들 수 있고, 예를 들어 티타니아 등이 바람직하다.
코트층(16)은 금속 알콕시드를 도포한 후, 용매를 사용한 세정, 혹은 소결이나 건조 등에 의해 알콕시드를 제거함으로써 형성된다. 금속 알콕시드에 포함되는 금속은, 도통부(15)를 형성하는 도전성 입자의 재료와 동일해도 좋고, 달라도 좋다.
코트층(16)의 형성 시에 소결 등의 가열 처리를 행하는 경우는, 기재(11)의 재질에 의해 적절히 온도를 설정한다. 예를 들어, 기재(11)가 유리를 포함하는 경우는, 700℃ 이하, 바람직하게는 600℃ 이하, 보다 바람직하게는 550℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 기재(11)가 플라스틱을 포함하는 경우는, 예를 들어 150℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 기재(11)가 금속을 포함하는 경우(후술)는, 금속의 산화를 피하기 위해 500℃ 이하로 가열 처리가 행해지는 것이 바람직하다.
도통부(15) 및 코트층(16)이 상술한 바와 같이 배치된 밀착층(13)은, 다양한 방법에 의해 형성할 수 있다. 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)에는, 그 수순의 일례를 나타내고 있다.
예를 들어, 우선 도통부(15)를 형성하기 위한 도전성 입자(15a)를 페이스트 혹은 분산매의 상태로 투명 도전층(11b) 상에 도포나 인쇄 등에 의해 배치하고, 소결 등에 의해 용매 등을 제거하여, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이 도통부(15)를 배치한다. 이때, 필요에 따라서 도통부를 가압해도 좋다. 그 후, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이 도통부(15)에 금속 알콕시드(16a)를 도포하고 나서, 세정, 소결, 건조 등에 의해 알콕시드를 제거함으로써, 도 3의 (c)에 도시하는 바와 같이, 복수의 도전성 입자(15a)가 코트층(16)으로 피복된 밀착층(13)을 형성할 수 있다. 형성된 밀착층(13)은 내부에 미세한 공극을 다수 갖는 메조포러스 구조 혹은 3차 그물망 구조 등의 다공질 구조를 나타내고 있다.
또한, 다른 수순으로 하여, 금속 알콕시드에 도통부(15)를 형성하기 위한 도전성 입자(15a)를 미리 혼합하고 나서, 이 혼합 재료를 투명 도전층(11b) 상에 배치하고, 소결 등의 처리를 행함으로써도, 밀착층(13)을 형성할 수 있다.
단, 앞서 금속 알콕시드만을 투명 도전층(11b) 상에 배치해서 용매 등을 제거하면, 코트층의 재료만을 포함하는 치밀한 막이 형성되어 버려, 도통부(15)를 상술한 바와 같이 배치할 수 없게 되는 결과, 밀착층(13)을 형성할 수 없게 되므로 주의해야 한다.
도 4 및 도 5는 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 밀착층(13)의 관찰상(배율 5만배)이다. 도 4는 가속 전압 1.5키로볼트(㎸)로 관찰하고 있고, 코트층을 관찰할 수 있지만, 가속 전압을 3.0㎸로 올리면, 전자 빔이 코트층을 통과하고, 도 5에 도시하는 바와 같이, 내부의 도전성 입자를 관찰할 수 있다.
대극(20)은, 셀(1)에 있어서 정극으로서 기능하는 것이며, 전해질을 환원하는 기능을 갖는 물질, 예를 들어 백금 등의 금속이나 도전성 고분자, 카본 등을, ITO, FTO 등의 도전성 금속 산화물이나 금속으로 형성된 기판 상에 담지함으로써 형성할 수 있다. 대극(20)은, 통상, 도전성의 지지체나, 그와 마찬가지의 도전성층을 갖는 지지체에, 상기의 금속이나 카본, 도전성 고분자를 포함하는 도전성막이 형성되어 구성되어 있어도 좋지만, 충분한 강도 및 밀봉성이 얻어지는 것이면, 지지체를 갖는 것은 필수는 아니다.
전해질 부분(30)은 액체 상태, 고체 상태, 응고체 상태, 상온 용융염 상태 중 어느 것이어도 좋다. 이 전해질 부분(30)의 두께는, 적절히 설정되어도 좋지만, 예를 들어 1 내지 100㎛로 할 수 있다.
또한, 전해질 부분으로서, 코발트 착체가 사용되어도 좋다. 코발트 착체를 사용한 경우, 요오드를 사용하는 경우와 비교하여, 금속의 부식이 발생하기 어려워지므로, 색소 증감 태양 전지 내부에 금속 배선 등을 사용할 수 있도록 된다.
광전 변환층(12)을 대극(20)측을 향해 광 전극(10)과 대극(20)을 이격 배치하고, 광 전극(10)과 대극(20) 사이에 전해질 부분(30)을 배치하고, 또한 광 전극의 투명 도전층(11b)과 대극(20)을 배선(40)에 의해 전기적으로 접속하면, 셀(1)이 완성된다.
상기와 같이 구성된 본 실시 형태의 셀(1)에 있어서의 광 전극(10)에서는, 밀착층(13)의 코트층(16)이 투명 도전층(11b)과 및 광전 변환층(12)과 화학적으로 결합함으로써, 투광성 기판(11)과 광전 변환층(12)의 밀착성을 향상시킨다.
상술한 바와 같이 형성된 코트층(16)의 도전성은 반드시 높지 않지만, 밀착층(13)에는 도통부(15)가 배치되어 있으므로, 도통부(15)에 의해 광 전극(10)의 전기 저항 증대가 억제되어, 셀(1)의 전지 성능의 저하가 억제된다.
즉, 밀착층(13)은 도통부(15)와 코트층(16)을 가짐으로써, 광 전극(10)의 전기 저항을 상승시키지 않고, 투광성 기판(11)과 광전 변환층(12)의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 투광성 기판(11)의 기재(11a)를 플라스틱으로 하여 광 전극에 가요성을 부여한 경우에, 절곡하거나 둥글게 하거나 해도 광전 변환층(12)이 투광성 기판(11)으로부터 박리되는 것이 적절하게 억제된다. 그 결과, 사용 편리성의 양호함과 높은 전지 성능이 양립된 셀(1)을 구성하는 것에 크게 공헌할 수 있다.
또한, 코트층(16)이 투명 도전층(11b)을 덮음으로써, 밀착층(13)은 투광 기판(11)과 면 접촉하고 있으므로, 밀착성이 향상된 상태가 바람직하게 유지된다.
또한, 밀착층(13)이 다공질 구조이며, 코트층(16)은 복수의 도전성 입자(15a)를 피복하고 있으므로, 피복된 1군의 도전성 입자는 분해되기 어려워, 일체로 되어 거동한다. 따라서, 절곡하거나 둥글게 하거나 했을 때의 변형을 일부 흡수하여, 광전 변환층에 대한 부하를 경감할 수 있다.
또한, 본 발명의 광 전극에서는, 투광성 기판 대신에 금속성의 기재를 사용할 수 있다. 이 경우, 투광성 기판과 달리 도전층을 형성할 필요는 없다. 도 6에는, 금속제의 기재(111)를 사용한 광 전극(10A)을 사용한 셀(1A)을 도시하고 있다. 이 경우는, 기재(11a) 및 투명 도전층(11b)을 사용해서, 광투과성을 갖도록 구성한 대극(120)을 사용하면 된다. 이때, 필요에 따라서 투명 도전층(11b) 상에 백금 등으로 이루어지는 촉매층이 형성되어도 좋다.
본 발명의 광 전극 및 색소 증감 태양 전지에 대해, 실시예를 통해서 더욱 상세히 설명한다. 우선, 투광성 기판을 사용한 실시예 및 비교예를 나타낸다.
(실시예 1)
(광 전극 1의 제작)
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 용매에 분산시킨 티타니아 입자를 도포하고, 그 후 25℃에서 30분간 건조하고, 100메가 파스칼(㎫)의 압력으로 가압해서 도통부(15)를 배치했다. 이때의 도통부(15)의 두께는 200나노미터(㎚)이었다.
다음에, 금속 알콕시드로서, 티타늄테트라이소프로폭시드를 도통부(15)에 도포해서 25℃에서 30분간 건조했다. 그 후, 1-프로판올을 사용해서 세정하고, 코트층(16)을 형성했다. 이렇게 하여, 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에 밀착층(13)을 형성했다.
계속해서, 밀착층(13) 상에, 평균 입자 직경 20㎚의 티타니아 입자와 평균 입자 직경 100㎚의 티타니아 입자가 혼합된 페이스트를 도포하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 기능성 반도체층을 작성했다. 이 기능성 반도체층에 증감 색소로서 N719 색소를 담지하고, 광전 변환층(12)을 형성했다.
또한, 티타니아 입자의 평균 입자 직경은, 대상으로 되는 티타니아 입자를 함유하는 에탄올 현탁액을 슬라이드 글래스 상에 닥터 블레이드법에 의해 도포ㆍ건조 후, XRD 패턴을 측정하고, 얻어진 XRD 패턴으로부터 반값폭을 구하고, Scherrer의 식(D=K×λ/βcosθ)을 사용함으로써 산출했다. 단, 상기 식 중에서, D는 결정자의 길이, β는 반값폭, θ은 회절각, K=0.94, λ=1.5418이다.
또한, Scherrer의 식은, 평균 입자 직경이 50㎚를 초과하는 경우는 오차가 커지므로, 평균 입자 직경이 50㎚를 초과한 경우는, 다음의 방법을 사용했다. 즉, 에탄올 현탁액을 슬라이드 글래스 상에 닥터 블레이드법에 의해 도포ㆍ건조 후, SEM을 사용해서 촬상하고, 화상에 얻어진 입자의 입자 직경의 산술 평균을 취함으로써 평균 입자 직경으로 했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
대극(20)으로서, 100㎛의 두께의 Ti판에 백금이 증착된 것을 사용했다.
전해질 부분(30)으로서, 요오드, 요오드화 리튬, 1, 2-디메틸-3-프로필이미다졸륨요오다이드 및 t-부틸피리딘이 용해된 아세토니트릴 용액을 사용했다. 이들은 각각 0.05M, 0.1M, 0.6M 및 0.5M이 되도록 질소 분위기 하에서 아세토니트릴에 용해된 것이다.
상술한 광 전극 1에, 두께 50㎛의 절연 스페이서, 대극(20)의 순서대로 조합, 광 전극과 대극(20) 사이에 마이크로 실린지로 전해질 부분(30)을 형성하는 용액을 주입함으로써, 실시예 1의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 2)
(광 전극 2의 제작)
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 용매에 분산시킨 티타니아 입자를 도포하고, 그 후 25℃에서 30분간 건조하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 도통부(15)를 배치했다. 이때의 도통부(15)의 두께는 2000㎚이었다.
그 밖은 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 2를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 2를 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 2의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 3)
(광 전극 3의 제작)
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 용매에 분산시킨 티타니아 입자를 도포하고, 그 후 25℃에서 30분간 건조하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 도통부(15)를 배치했다. 이때의 도통부(15)의 두께는 5000㎚이었다.
그 밖은 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 3을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 3을 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 3의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 1)
[광 전극 A1의 제작]
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 용매에 분산시킨 티타니아 입자를 도포하고, 그 후 25℃에서 30분간 건조하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 도통부(15)를 배치했다. 이때의 도통부(15)의 두께는 200㎚이었다.
계속해서, 도통부(15) 상에, 평균 입자 직경 20㎚의 티타니아 입자와 평균 입자 직경 100㎚의 티타니아 입자가 혼합된 페이스트를 도포하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 기능성 반도체층을 작성했다.
이상의 공정을 거쳐, 광 전극 A1을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 A1을 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 비교예 1의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 2)
[광 전극 A2의 제작)
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 용매에 분산시킨 티타니아 입자를 도포하고, 그 후 25℃에서 30분간 건조하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 도통부(15)를 배치했다. 이때의 도통부(15)의 두께는 5000㎚이었다.
그 밖은 비교예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 A2를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 A2를 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 비교예 2의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 3)
(광 전극 A3의 제작)
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 금속 알콕시드로서, 티타늄테트라이소프로폭시드를 도포해서 25℃에서 30분간 건조했다. 그 후, 1-프로판올을 사용해서 세정하고, 코트층(16)의 재료를 포함하는 치밀한 층을 형성했다.
계속해서, 상기한 치밀한 층 상에, 평균 입자 직경 20㎚의 티타니아 입자와 평균 입자 직경 100㎚의 티타니아 입자가 혼합된 페이스트를 도포하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 기능성 반도체층을 작성했다.
이상의 공정을 거쳐, 광 전극 A3을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 A3을 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 비교예 3의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 4)
(광 전극 A4의 제작)
투광성 기판(11)으로서, 기재(11a)로서의 PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층(11b)이 형성된 것을 사용했다. 투광성 기판(11)의 투명 도전층(11b) 상에, 평균 입자 직경 20㎚의 티타니아 입자와 평균 입자 직경 100㎚의 티타니아 입자가 혼합된 페이스트를 도포하고, 100㎫의 압력으로 가압해서 기능성 반도체층을 작성했다.
이상의 공정을 거쳐, 광 전극 A4를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 A4를 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 비교예 4의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
이하에서는, 금속 기판을 기재로서 사용한 실시예 및 비교예를 나타낸다.
(실시예 B1)
(광 전극 B1의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 B1을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 B1을 사용했다. 대극으로서, PEN 필름(두께 200㎛)의 한쪽 면에 ITO를 포함하는 투명 도전층이 형성된 것을 사용했다. 투명 도전층 상에는, 촉매층으로서의 백금층을 증착에 의해 형성했다.
그 이외는 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 실시예 B1의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 B2)
(광 전극 B2의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 실시예 2와 마찬가지의 수순으로 광 전극 B2를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 B2를 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 실시예 B2의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 B3)
(광 전극 B3의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 실시예 3과 마찬가지의 수순으로 광 전극 B3을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 B3을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 실시예 B3의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 b1)
(광 전극 b1의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 b1을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 b1을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 b1의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 b2)
(광 전극 b2의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 2와 마찬가지의 수순으로 광 전극 b2를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 b2를 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 b2의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 b3)
(광 전극 b3의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 3과 마찬가지의 수순으로 광 전극 b3을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 b3을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 b3의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 b4)
(광 전극 b4의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 Ti를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 4와 마찬가지의 수순으로 광 전극 b4를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 b4를 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 b4의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 C1)
(광 전극 C1의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 스테인리스강(SUS304)을 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 C1을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 1 대신에 광 전극 C1을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 실시예 C1의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 C2)
(광 전극 C2의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 SUS304를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 실시예 2와 마찬가지의 수순으로 광 전극 C2를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 C2를 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 실시예 C2의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(실시예 C3)
(광 전극 C3의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 SUS304를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 실시예 3과 마찬가지의 수순으로 광 전극 C3을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 C3을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 실시예 C3의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 c1)
(광 전극 c1의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 SUS304를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 1과 마찬가지의 수순으로 광 전극 c1을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 c1을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 c1의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 c2)
(광 전극 c2의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 SUS304를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 2와 마찬가지의 수순으로 광 전극 c2를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 c2를 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 c2의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 c3)
(광 전극 c3의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 SUS304를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 3과 마찬가지의 수순으로 광 전극 c3을 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 c3을 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 c3의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
(비교예 c4)
(광 전극 c4의 제작)
투광성 기판(11) 대신에 SUS304를 포함하는 금속 기판(두께 50㎛)을 사용한 점 이외는, 비교예 4와 마찬가지의 수순으로 광 전극 c4를 제작했다.
(색소 증감 태양 전지의 제작)
광 전극 B1 대신에 광 전극 c4를 사용한 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 c4의 색소 증감 태양 전지를 제작했다.
이상 설명한 바와 같이, 비교예 1, 2, b1, b2, c1 및 c2의 광 전극은 코트층을 구비하고 있지 않은 구성을, 비교예 3, b3 및 c3의 광 전극은 도통부를 구비하지 않은 구성을, 비교예 4, b4 및 c4의 광 전극은 어느 것도 구비하지 않은 구성을, 각각 취하고 있다.
(평가 1:광 전극의 밀착성 평가)
시판 중인 원기둥 형상 부재인 3인치 코어(PP제ㆍ두께 50㎜ㆍ참고 외경 86.5㎜)의 외주면에, 광 전극을 외측으로 하여 실시예 및 비교예의 색소 증감 태양 전지를 부착해서 고정하고, 1시간 방치했다. 그 후, 3인치 코어로부터 광 전극을 제거해서 평탄하게 하고, 현미경을 사용해서 배율 70배로 광전 변환층의 표면을 관찰하여, 광전 변환층의 박리 및 균열의 유무를 평가했다.
(평가 2:색소 증감 태양 전지의 성능 평가)
실시예 및 비교예의 색소 증감 태양 전지에, 「솔라 시뮬레이터」(펙셀사제)를 사용해서, AM1.5, 100㎽/㎠의 의사 태양광을 조사하면서 「2400형 소스 미터」(KEITHLEY사제)를 사용해서 I-V 특성을 측정하여 단락 전류, 개방 전압, 형상 인자 ff의 값을 얻음과 함께, 이들의 값을 사용해서 하기 수학식 1에 의해, 광전 변환 효율을 산출했다.
또한, 전지 성능의 평가는 상술한 평가 1의 실시 전후 1회씩, 합계 2회 행했다.
평가 1의 결과를 표 1에 나타낸다. 평가 2에 대해, 평가 1 실시 전의 결과를 표 2에, 평가 1 실시 후의 결과를 표 3에, 각각 나타낸다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 원통 형상의 외주면에 권취함으로써, 코트층을 구비하지 않는 비교예에서는 광 전극에 있어서 광전 변환층에 박리나 균열이 생겼지만, 실시예에서는 광전 변환층에 박리나 균열은 확인되지 않았다. 이것은, 밀착층에 의해 투광성 기판에 대한 광전 변화층의 밀착성이 향상된 것에 의한 것이라고 생각된다.
표 2에 나타내는 바와 같이, 평가 1 실시 전의 상태에서는, 비교예 3, b3 및 c3만 전지 성능이 낮고, 다른 예는 대략 동등한 전지 성능을 나타냈다. 이것은, 상술한 각 비교층에 있어서는, 코트층의 재료를 포함하는 치밀한 층이 투광성 기판과 광전 변환층 사이에 형성되어 있음으로써, 전기 저항이 상승한 것에 의한 것으로 생각된다.
또한, 표 3에 나타내는 바와 같이, 평가 1 실시 후에 있어서는, 코트층을 구비하지 않는 비교예의 전지 성능이 현저하게 저하되었다. 이것은, 광전 변환층에 박리나 균열이 생긴 것에 의한 것으로 생각된다. 실시예에서는, 모두 전지 성능은 저하되지 않고, 평가 1 실시 전과 동등했다.
또한, 밀착층을 구비한 각 실시예에서는, 동등한 구성으로 밀착층을 구비하지 않는 각 비교예에 비해 변환 효율이 향상되었다. 이것은, 밀착층의 형성 공정에 있어서, 기판에 있어서 도전성을 발휘하는 면(ITO면이나 Ti면이나 SUS304면 등)이 거의 코트층의 재료(TiO2)로 덮여지기 때문이다. 도전성을 갖는 기판이 요오드와 직접 접촉한 경우, 요오드에 전자가 흐르므로(역전자 이동) 성능이 저하되는 것이 알려져 있지만, 기판의 표면이 코트층의 재료로 덮여짐으로써, 요오드와의 직접 접촉을 피할 수 있으므로 역전자 이동을 억제할 수 있어, 변환 효율이 향상된 것으로 생각된다.
표 4에, 밀착층을 티타늄 이외의 금속종으로 형성한 색소 증감 태양 전지의 전지 성능을 검토한 결과를 나타낸다. 규소, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 니오븀을 금속종으로서 사용한 경우에서도, 표 4에 나타내는 금속 알콕시드를 사용함으로써 적절하게 밀착층을 형성할 수 있어, 높은 전지 성능이 얻어지고 있다.
이상, 실시 형태 및 실시예를 통해서 본 발명의 색소 증감 태양 전지에 대해 설명했지만, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시 형태 및 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소의 조합을 바꾸거나, 각 구성 요소에 다양한 변경을 추가하거나, 삭제하거나 하는 것이 가능하다.
본 발명은, 색소 증감 태양 전지에 적용할 수 있다.
1 : 셀(색소 증감 태양 전지)
10 : 색소 증감 태양 전지용 광 전극
11 : 투광성 기판
11a : 기재
11b : 투명 도전층
12 : 광전 변환층
13 : 밀착층
15 : 도통부
15a : 도전성 입자
16 : 코트층
10 : 색소 증감 태양 전지용 광 전극
11 : 투광성 기판
11a : 기재
11b : 투명 도전층
12 : 광전 변환층
13 : 밀착층
15 : 도통부
15a : 도전성 입자
16 : 코트층
Claims (12)
- 투광성의 기재 상에 투명 도전층이 형성되어 이루어지는 투광성 기판과,
상기 투명 도전층 상에 형성되는 밀착층과,
기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용해서 상기 밀착층 상에 형성된 광전 변환층
을 구비하고,
상기 밀착층은
복수의 도전성 입자를 포함하는 도통부와,
금속 알콕시드를 상기 도통부에 도포하는 공정을 포함해서 형성되고, 상기 복수의 도전성 입자를 피복하는 코트층
을 포함하는 동시에 3차 그물망 구조인 다공질 구조를 가지고 있으며,
상기 코트층은 상기 복수의 도전성 입자 사이에 배치되고, 또한 상기 코트층은 상기 3차 그물망 구조를 구성하도록 상기 복수의 도전성 입자의 표면을 피복하고 있는,
색소 증감 태양 전지용 광 전극. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기재가 플라스틱으로 형성되어 있는 색소 증감 태양 전지용 광 전극. - 삭제
- 금속성의 기재와,
상기 기재 상에 형성되는 밀착층과,
기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용해서 상기 밀착층 상에 형성된 광전 변환층을 구비하고,
상기 밀착층은
복수의 도전성 입자를 포함하는 도통부와,
금속 알콕시드를 상기 도통부에 도포하는 공정을 포함해서 형성되고, 상기 복수의 도전성 입자를 피복하는 코트층
을 포함하는 동시에 3차 그물망 구조인 다공질 구조를 가지고 있으며,
상기 코트층은 상기 복수의 도전성 입자 사이에 배치되고, 또한 상기 코트층은 상기 3차 그물망 구조를 구성하도록 상기 복수의 도전성 입자의 표면을 피복하고 있는,
색소 증감 태양 전지용 광 전극. - 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 기재가 티타늄 또는 스테인리스강으로 형성되어 있는 색소 증감 태양 전지용 광 전극. - 삭제
- 제1항, 제3항, 제5항, 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밀착층의 두께가 5마이크로 미터 이하인 색소 증감 태양 전지용 광 전극. - 제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 도전성 입자가 금속 입자인 색소 증감 태양 전지용 광 전극. - 제1항, 제3항, 제5항, 및 제7항 중 어느 한 항에 기재된 색소 증감 태양 전지용 광 전극을 구비하는 색소 증감 태양 전지.
- 제9항에 기재된 색소 증감 태양 전지용 광 전극을 구비하는 색소 증감 태양 전지.
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