KR20120101284A - 색소 증감 태양전지 - Google Patents

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KR20120101284A
KR20120101284A KR20117026554A KR20117026554A KR20120101284A KR 20120101284 A KR20120101284 A KR 20120101284A KR 20117026554 A KR20117026554 A KR 20117026554A KR 20117026554 A KR20117026554 A KR 20117026554A KR 20120101284 A KR20120101284 A KR 20120101284A
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solar cell
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미츠루 코오노
요시히로 야마구치
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신닛테츠가가쿠 가부시키가이샤
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Abstract

발전 효율이 높은 색소 증감 태양전지를 제공한다.
색소 증감 태양전지(10)는 투명 기판(12)과, 도전성 기판(14)과, 색소를 흡착한 다공질 반도체층(16)과, 다공질 반도체층(16)의 투명 기판(12)과는 반대측에 접촉하여 배치되고 애노드 전극으로 되는 도전성 금속층(18)을 구비한다. 도전성 금속층(18)은 관통공을 가지는 금속 다공체로 형성되고, 금속 다공체의 다수의 구멍이 등방적으로 연통된다. 금속 다공체는 비표면적이 0.1m2/g 이상이고, 공공률이 30~60체적%이고, 공공 직경이 1㎛~40㎛이고, Ti, W, Ni, Pt 및 Au 등의 금속 재료로 형성된다.

Description

색소 증감 태양전지{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL}
본 발명은, 색소 증감 태양전지에 관한 것이다.
색소 증감 태양전지는 습식 태양전지 혹은 그래첼(Gratzel) 전지 등으로 불리고, 실리콘 반도체를 이용하는 일이 없이 요오드 용액으로 대표되는 전기 화학적인 셀(cell) 구조를 가지는 점에 특징이 있다. 일반적으로는 투명한 도전성 유리판(투명 도전막을 적층한 투명 기판)에 이산화티타늄 분말 등을 소부(燒付)하고, 이것에 색소를 흡착시켜 형성한 티타니아층(titania layer) 등의 다공질 반도체층과 도전성 유리판(도전성 기판)으로 이루어지는 대극(對極)의 사이에 전해액으로서 요오드 용액 등을 배치한 간단하고 쉬운 구조를 가진다.
색소 증감 태양전지의 발전 메카니즘은 이하와 같다.
수광면인 투명한 도전성 유리판 면으로부터 입사한 광을 다공질 반도체층에 흡착된 색소가 흡수하고, 전자 여기를 일으키고, 그 여기한 전자가 반도체로 이동하고, 도전성 유리로 유도된다. 그 다음에, 대극으로 되돌아간 전자는 요오드 등의 전해액을 통해 전자를 잃은 색소로 유도되어 색소가 재생된다.
색소 증감 태양전지는 재료가 염가이고, 제작에 대대적인 설비를 필요로 하지 않기 때문에 저비용의 태양전지로서 주목되고 있고, 새로운 저비용화를 위해, 예를 들면 고가의 투명 도전막을 생략하는 것이 검토되고 있다.
투명 도전막을 생략하는 방법의 하나로서, 유리 표면에 있는 투명 도전막 대신에 도전성 금속으로 이루어지는 배선을 실시하는 것이 거론되고 있다. 그러나, 이 경우, 입사광의 일부는 금속 배선 부분에 차단되게 되어 효율의 저하를 수반한다.
이 점을 개선하는 것으로서, 예를 들면 광조사측으로 되는 투명 도전막을 가지지 않는 투명 기판에 색소 담지 반도체층을 형성하고, 색소 담지 반도체층 상에 유공(有孔) 집전 전극을 배치하는 광전 변환 소자가 개시되어 있다(특허 문헌 1 참조). 유공 집전 전극은 그물코 모양 또는 격자 모양의 구조이고, 다공질 반도체의 기판에의 도포막 상에 이 집전 전극을 재치하여 500℃에서 30분간 소성한 것으로 되어 있다.
또, 예를 들면 집전 전극을 라인 형상, 메쉬 형상 또는 다공 형상으로 하는 광전 변환 장치가 개시되어 있다(특허 문헌 2 참조). 또한, 특허 문헌 2에는, 집전 전극을 다공 형상으로 하는 것에 대하여, 구체적인 다공 구조 및 그 다공 구조의 제작 방법 등에 대해서는 기재가 없다.
일본국 특허공개 2001－283941호 공보 일본국 특허공개 2007－200559호 공보
그렇지만, 상기한 각 종래 기술은 모두 보다 더 발전 효율 향상을 도모하는데 새로운 개선의 여지가 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 감안하여 이루어진 된 것이고, 발전 효율의 일층의 향상을 도모할 수 있는 색소 증감 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 투명 기판과, 캐소드 전극(cathode electrode)으로 되는 도전성 기판과, 이 투명 기판과 이 도전성 기판의 사이에, 이 투명 기판에 근접하여 또는 접촉하여 배치되고 색소를 흡착한 다공질 반도체층과, 이 다공질 반도체층의 이 투명 기판과는 반대측에 접촉하여 배치되고 애노드 전극(anode electrode)으로 되는 도전성 금속층을 구비하고, 전해질이 봉지되는 색소 증감 태양전지로서, 이 도전성 금속층이 관통공을 가지는 금속 다공체로 형성되고, 이 금속 다공체의 다수의 구멍이 등방적으로 연통되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 바람직하게는 상기 금속 다공체가 금속 미립자의 소결체인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 바람직하게는 상기 금속 미립자의 크기가 직경 100㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 바람직하게는 상기 금속 다공체의 비표면적이 0.1m2/g 이상인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 바람직하게는 상기 금속 다공체의 공공률(空孔率)이 30~60체적%이고, 또한 공공(空孔) 직경이 1㎛~40㎛인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 바람직하게는 상기 금속 다공체가 Ti, W, Ni, Pt 및 Au로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 바람직하게는 상기 도전성 금속층의 상기 다공질 반도체층과는 반대측의 면에 유공(有孔) 금속층이 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 관련되는 색소 증감 태양전지는, 다공질 반도체층의 투명 기판과는 반대측에 접촉하여 배치되고 애노드 전극으로 되는 도전성 금속층이 관통공을 가지는 금속 다공체로 형성되고, 금속 다공체의 다수의 구멍이 등방적으로 연통되어 있기 때문에 발전 효율의 일층의 향상을 도모할 수가 있다.
도 1은 본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지의 개략 구성을 나타내는 도이다.
도 2는 본 실시의 형태의 변형예와 관련되는 색소 증감 태양전지의 개략 구성을 나타내는 도이다.
도 3a는 실시예의 색소 증감 태양전지의 제작에 이용한 다공질 Ti 시트(상품명 타이포라스, 오사카티타늄사제)의 SEM 사진이고, 시트를 주면(표면)측으로부터 본 도이다.
도 3b는 실시예의 색소 증감 태양전지의 제작에 이용한 다공질 Ti 시트(상품명 타이포라스, 오사카티타늄사제)의 SEM 사진이고, 시트를 단면측으로부터 본 도이다.
본 발명의 실시의 형태(이하, 본 실시의 형태의 예라고 함)에 대해 도를 참조하여 이하에 설명한다.
본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지는, 집전 전극으로서 투명 도전막을 이용하는 대신에 다공질 반도체층의 투명 기판과는 반대측에 접촉하여 배치되고 애노드 전극으로 되는 도전성 금속층을 이용하는 기술에 대한 것이다.
도 1에 모식적으로 나타내듯이, 본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지(10)는 투명 기판(12)과, 캐소드 전극으로 되는 도전성 기판(14)과, 투명 기판(12)과 도전성 기판(14)의 사이에, 투명 기판(12)에 근접하여 또는 접촉하여 배치되고 색소를 흡착한 다공질 반도체층(16)과, 다공질 반도체층(16)의 투명 기판(12)과는 반대측에 접촉하여 배치되고 애노드 전극으로 되는 도전성 금속층(18)을 구비하고, 전해질(전해액)(20)이 봉지된 것이다. 또한, 도 1 중에서 참조 부호 22는 색소 증감 태양전지(10)를 밀폐하는 스페이서(spacer)를 나타낸다.
도전성 금속층(18)은 관통공을 가지는 금속 다공체로 형성되고, 금속 다공체의 다수의 구멍이 등방적으로 연통된다(도시하지 않음, 도 3 참조). 여기서, 등방적으로 연통된다는 것은 다수의 구멍이 종래 기술과 같이 도전성 금속층의 두께 방향으로만, 즉 이방성을 가지도록 연통하여 관통공을 형성하는 것만이 아니라 도전성 금속층의 평면을 따른 방향에도, 즉 삼차원적으로 모든 방향으로 등방성을 가지도록 연통하는 것을 말한다.
도전성 금속층(18)이 관통공을 가지는 금속 다공체로 형성되고, 금속 다공체의 다수의 구멍이 등방적으로 연통함으로써, 도전성 금속층(18)을 통과하는 전해질이 다공질 반도체층(16)의 각 부분에 균일하게 침투한다. 이에 반해, 종래의 이방성을 가지도록 연통하여 관통공을 형성하는 도전성 금속층의 경우는, 관통공의 개구 근방의 다공질 반도체층의 일부에만 전해질(20)의 침투가 제한될 우려가 있다.
또, 도전성 금속층(18)은 다공질 반도체층(16)과 접촉하는 표면 부분에 있어서도 다수의 구멍이 평면적으로 등방성을 가지고 또한 연통하여 분포하기 때문에, 입자의 응집체인 다공질 반도체층(16)과의 접촉 면적이 크고, 또한 도전성 금속층(18)의 표면의 구멍에 다공질 반도체층(16)의 표면의 입자가, 말하자면 서로 맞물린 상태로 계합한다. 이에 의해 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력이 크다. 이에 반해, 종래의 도전성 금속층의 경우, 관통공의 개구는 도전성 금속층의 평면을 따른 방향에는 이산적으로 배치되고, 또한 개구의 수에도 한계가 있는 것이 많기 때문에, 또는 도전성 금속층이 평활한 시트 형상으로 형성되기 때문에, 도전성 금속층과 다공질 반도체층의 접합력을 크게 잡는 것이 어려운 경우가 있다. 이 불편은 도전성 금속층으로서 철망을 이용하는 경우나 가공에 의해 관통공을 형성하는 경우에 있어서 보다 현저하다. 또, 이 때문에 종래의 도전성 금속층의 경우, 접합력이 작음에 따라, 예를 들면 500℃ 정도의 가열에 의한 전기적 접합 공정에 있어서 크랙(crack)을 일으켜, 도전성 금속층과 다공질 반도체층이 박리될 우려가 있다. 이에 반해, 본 실시의 형태의 도전성 금속층(18)에서는 크랙을 일으킬 우려가 작다.
도전성 금속층(18)의 재료는, 특히 한정되는 것은 아니지만, Ti, W, Ni, Pt 및 Au로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 재료 또는 이들의 화합물인 것이 바람직하다. 이에 의해 전해질(20) 중의 전하 수송 이온으로서 이용되는 요오드에 대한 내식성이 양호한 도전성 금속층을 얻을 수 있다.
도전성 금속층(18)의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 1㎛~600㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다. 도전성 금속층(18)의 두께가 1㎛ 미만인 경우에는 도전성 금속층(18)의 전기 저항이 상승할 우려가 있다. 한편, 도전성 금속층(18)의 두께가 600㎛를 넘으면, 도전성 금속층(18)의 내부를 통과하는 전해질(20)의 유동 저항이 너무 커져 전해질(20)의 이동이 저해될 우려가 있다. 또한, 도전성 금속층(18)의 전기 저항은, 1Ω/□ 이하인 것이 바람직하다.
도전성 금속층(18)을 구성하는 금속 다공체의 비표면적은 0.1m2/g 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력을 보다 크게 할 수가 있다.
금속 다공체의 비표면적의 상한치는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 10m2/g 정도이면 충분하다.
또한, 비표면적은 수은 압입법(壓入法)에 의해 측정할 수가 있다. 수은 압입법에 의한 비표면적의 측정, 수은 압입식 세공 분포 측정 장치(CARLO ERBA INSTRUMENTS사제 Pascal 140 및 Pascal 440　측정 가능 범위 비표면적 0.1m2/g~세공 분포 0.0034~400㎛)를 이용하여, 압력 범위 0.3kPa~400kPa, 및 0.1MPa~400MPa의 범위에서, 압입 체적을 원통 세공 모델에 따라서, 측면적으로서 계산하고 적산하여 측정한다. 또한, 후술하는 공공률 및 공공 직경은 이 측정으로 동시에 얻어진다.
도전성 금속층(18)을 구성하는 금속 다공체는 공공률이 30~60체적%이고, 또한 공공 직경이 1㎛~40㎛인 것이 바람직하다.
공공률이 30체적% 미만이면, 금속 다공체 내부에서의 전해질의 확산이 불충분하게 되고, 이에 의해 다공질 반도체층(16)에의 균일한 침투가 손상될 우려가 있다. 한편, 공공률이 60체적%를 넘으면, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력이 손상될 우려가 있다.
또, 공공 직경이 1㎛ 미만이면, 금속 다공체 내부에서의 전해질의 확산이 불충분하게 되고, 또, 도전성 금속층(18)의 구멍과 다공질 반도체층(16)의 입자의 서로 맞물림이 불충분하게 됨으로써, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력이 손상될 우려가 있다. 한편, 공공 직경이 40㎛를 넘으면, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접촉 면적이 작아짐으로써, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력이 손상될 우려가 있다.
공공률 및 공공 직경은 수은 압입법에 의해 측정할 수가 있다.
도전성 금속층(18) 이외의 색소 증감 태양전지(10)의 구성 요소에 대해서는, 통상 채용되는 적당한 재료를 이용하여 적당한 방법으로 제작할 수가 있다. 이하에 예시한다.
투명 기판(12)은, 예를 들면 유리판이라도 좋고 혹은 플라스틱판이라도 좋다. 플라스틱판을 이용하는 경우, 예를 들면 PET, PEN, 폴리이미드, 경화 아크릴 수지, 경화 에폭시 수지, 경화 실리콘 수지, 각종 엔지니어링 플라스틱스, 메타세시스(methathesis) 중합으로 얻어지는 환상 폴리머 등을 들 수 있다.
도전성 기판(14)은 투명 기판(12)과 마찬가지의 기판을 이용하고, 기판의 전해질(20)을 향한 면에, 예를 들면 ITO(주석을 도프(dope)한 인듐막(indium layer)), FTO(불소를 도프한 산화 주석막) 또는 SnO2막 등의 도전막을 적층하고, 또한 도전막 상에 예를 들면 백금막 등의 촉매막을 설치한다.
다공질 반도체층(16)은, 재료로서 ZnO나 SnO2 등 적당한 것을 이용할 수가 있지만, TiO2가 바람직하다. TiO2 등의 미립자 형상은, 특히 한정되는 것은 아니지만, 1㎚~100㎚ 정도가 바람직하다. 다공질 반도체층(16)의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 10㎛ 이상의 두께로 한다. 다공질 반도체층(16)은 TiO2의 페이스트(paste)의 박막을 형성한 후에 예를 들면 300~550℃의 온도로 소성한 조작을 반복하여 소망의 막 두께로 하면 바람직하다.
다공질 반도체를 구성하는 미립자의 표면에 색소를 흡착한다. 색소는 400㎚~1000㎚의 파장에 흡수를 가지는 것이고, 예를 들면 루테늄(ruthenium) 색소, 프탈로시아닌(phthalocyanine) 색소 등의 금속 착체, 시아닌 색소 등의 유기 색소를 들 수가 있다. 흡착의 방법은, 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 색소 용액에 다공질 반도체층을 형성한 다공질 도전성 금속층을 담그어 미립자 표면에 색소를 화학 흡착시키는 이른바 함침법이라도 좋다.
투명 기판(12)과 다공질 반도체층(16)은 접촉하고 있어도, 접촉하고 있지 않아도, 어느 쪽이라도 좋지만, 양자의 간격은 가능한 한 짧은 편이 좋다. 도전성 금속층(18)과 도전성 기판(대극)(14)을 접촉하지 않게 배치하기 위해, 예를 들면 전해질(20)에 대해서 내부식성을 가지고, 또한 전해질 이온의 확산을 방해하지 않게 충분한 공공을 가지는 유리 페이퍼(paper) 등의 스페이서(spacer)로 절연하는 방법도 있다. 다공질 도전성 금속층(18)과 도전성 기판(14)의 간격은 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.
전해질(20)은, 특히 한정되지 않지만, 요오드, 리튬 이온, 이온 액체, t-부틸피리딘(butylpyridine) 등을 포함하는 것이고, 예를 들면 요오드의 경우, 요오드화물 이온 및 요오드의 조합으로 이루어지는 산화 환원체를 이용할 수가 있다. 산화 환원체는 이것을 용해 가능한 적당한 용매를 포함한다. 전해질(20)의 주입 방법은, 특히 한정되지 않지만, 봉지재의 일부를 씰(seal)하지 않고 개구부로 해 두고, 그 개구부로부터 전해질(20)을 주입하고, 개구부를 씰할 수도 있다. 또, 도전성 기판(14)의 일부에 미리 개구부를 설치해 두고 그곳으로부터 전해질(20)을 주입한 후에 개구부를 씰할 수도 있다.
적층후의 투명 기판(12)과 도전성 기판(14)의 사이에 전해질(20)을 주입하여 봉지하는 스페이서(22)는 경화후의 두께가 100㎛ 이하인 반경화 수지 시트 등을 이용할 수가 있다.
도전성 금속층(18)에 대해서도, 적당한 제조 방법으로 얻을 수 있고, 예를 들면 적당한 기판 상에 금속 미세가루를 적당한 용매와 혼합하여 금속 페이스트를 조제하고, 산소가 실질적으로 존재하지 않는 분위기 조건에서, 소성 온도로 가열한 후에, 다공질 반도체층(16) 상에 금속 페이스트 소성체를 전사하는 방법을 채용할 수가 있다. 이 경우, 미소성의 다공질 반도체층(16)의 재료 상에 금속 페이스트 소성체를 전사한 상태로 전체를 다공질 반도체층(16)의 재료의 소성 온도로 소성한다. 또, 소성한 다공질 반도체층(16) 상에 금속 페이스트 소성체를 전사하는 경우에 있어서도 전체를 적당한 온도로 재차 가열하는 것이 바람직하다. 또, 도전성 금속층(18)으로서 두께가 두꺼운 금속 페이스트를 소성한 후, 소망의 두께로 슬라이스(slice)한 것을 다공질 반도체층(16) 상에 적층해도 좋다.
또, 이 때, 후술하듯이, 시판의 금속 미세가루 소결체 시트, 예를 들면 상품명 타이포라스(오사카티타늄제)를 도전성 금속층(18)으로서 이용해도 좋다.
본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지(10)는, 도전성 금속층(18)을 통과하는 전해질(전해액)이 다공질 반도체층(16)의 각 부분에 균일하게 침투하기 때문에, 전해질 이온이 양호하게 확산하여 높은 효율(광전 변환 효율)을 얻을 수 있다.
또, 색소 증감 태양전지(10)는, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력이 크기 때문에, 전기적 접촉이 양호하고, 또, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 박리 등에 의한 전기적 접촉 불량을 일으킬 우려가 작기 때문에, 높은 효율(광전 변환 효율)을 얻을 수 있다.
또, 색소 증감 태양전지(10)는, 단위 발전 효율(혹은 단위 발전량) 당의 비용을 저감할 수가 있다.
여기서, 도전성 금속층(18)의 금속 다공체로서 금속 미립자의 소결체를 이용하면, 본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지(10)가 상기한 작용 효과를 매우 적합하게 얻을 수 있다. 이 경우, 소결체의 금속 미립자의 크기가 직경 100㎛ 이하이면, 도전성 금속층(18)을 통과하는 전해질(전해액)을 다공질 반도체층(16)의 각 부분에 균일하게 침투시키는데 바람직하다. 금속 미립자의 직경의 하한값은, 특히 한정되는 것은 아니지만, 도전성 금속층(18)과 다공질 반도체층(16)의 접합력을 확보하는 관점에서는 직경 1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 금속 미립자의 직경은 SEM(주사형 전자현미경)에 의해 측정할 수가 있다. SEM을 이용하여 얻어지는 관찰상으로부터 100개의 입자(일차 입자)의 입자 직경(장경과 단경의 평균치)을 측정하고, 그러한 평균치로서 얻어지는 값을 직경으로 한다.
여기서, 도전성 금속층(18)의 금속 다공체로서 금속 미립자의 소결체에 대신하여 금속 미립자의 스펀지 모양 응집체를 이용할 수도 있다.
다음에, 본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지(10)의 변형예에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 모식적으로 나타내는 변형예와 관련되는 색소 증감 태양전지(10a)는 색소 증감 태양전지(10)의 도전성 금속층(18)에 상당하는 부분의 구성이 다르고, 다른 구성은 색소 증감 태양전지(10)와 마찬가지이다. 이 때문에 다른 구성에 대한 색소 증감 태양전지(10)와 중복되는 설명은 생략한다.
색소 증감 태양전지(10a)는 도전성 금속층(18a)의 다공질 반도체층(16)과는 반대측의 면에 유공 금속박(유공 금속층)(24)이 접합된다. 도전성 금속층(18a)의 재료 이외의 조건은 도전성 금속층(18)과 마찬가지이다.
도전성 금속층(18a)의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 수십㎛ 정도이면 좋다.
유공 금속박(24)은 적당한 도전성 금속, 바람직하게는 백금 등의 높은 도전성 금속으로 형성한다. 유공 금속박(24)의 구멍은, 예를 들면 기계 가공이나 화학 처리 등에 의해 형성한다. 얻어지는 유공 금속박(24)의 구멍 구조는 상기한 이방성을 가지는 관통공이다. 유공 금속박(24)의 두께는, 특히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 일정한 강성을 확보하는 관점에서는 도전성 금속층(18a)과 유공 금속박(24)의 합계 두께를 도전성 금속층(18)의 두께와 동등하게 할 수가 있다.
또한, 유공 금속박(24)은 유공 금속층의 예시이다. 유공 금속층으로서 유공 금속박(24)에 대신하여 금속망 이외를 이용해도 좋다.
변형예와 관련되는 색소 증감 태양전지(10a)는 도전성 금속층(18a)이 다공질 반도체층(16)에 접촉함과 아울러, 유공 금속박(24)의 내부에 유입되는 전해질(20)의 흐름이, 도전성 금속층(18a)에 의해 말하자면 정류되어 다공질 반도체층(16)의 각 부분에 균일하게 침투하기 때문에, 본 실시의 형태와 관련되는 색소 증감 태양전지(10)와 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.
또, 도전성 금속층(18a)의 두께가 얇아도 되기 때문에 색소 증감 태양전지(10a)를 간단하고 쉬운 구조로 염가로 얻을 수 있다. 또, 도전성 금속층(18a)을 유공 금속박(24) 상에 형성하기 때문에 도전성 금속층(18a)을 용이하게 제작할 수가 있다. 또한, 도전성 금속층(18a)의 두께를 얇게 함으로써 다공질 반도체층(16)의 각 부분에의 전해질의 침투성을 보다 향상시킬 수가 있다. 또한, 유공 금속박(24)과 도전성 금속층(18a)이 함께 금속 재료이기 때문에 열팽창률 차이가 작아 열처리시에 크랙이 생기기 어렵다. 특히, 유공 금속박(24)과 도전성 금속층(18a)이 같은 금속 종류인 경우는 그 효과가 현저하고 바람직하다.
<실시예>
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
두께 100㎛의 다공질 Ti 시트(103)(상품명 타이포라스, 오사카티타늄사제)의 5㎜×20㎜의 범위에 티타니아 페이스트(상품명 NanoxideD, 솔라로닉스사제)를 인쇄하고, 건조한 후, 400℃에서 30분간 공기 중에서 소성하였다. 소성 후의 티타니아 상에, 또한 티타니아 페이스트를 인쇄, 소성한 조작을 합계 6회 반복하여, 다공질 Ti 시트의 한 면에 17㎛의 두께의 티타니아층(102)를 형성하였다. 다공질 Ti 시트(103)의 가는 구멍 직경 분포 등을 수은 압입법으로 측정했더니, 세공 용적=0.159cc/g(공공률=40.1%), 비표면적=5.6m2/g, 평균 세공 직경=8㎛(세공 용적의 60%가 4~10㎛)였다.
또한, 도 3에, 다공질 Ti 시트의 SEM 사진을 나타낸다. 도 3a는 시트를 주면(표면)측으로부터 본 것이고, 도 3b는 시트를 단면측으로부터 본 것이다.
N719 색소(솔라로닉스사제)의 아세토니트릴과 t-부틸알코올의 혼합 용매 용액에, 제작한 티타니아층 부착 다공질 Ti 시트 기판을 70시간 함침시켜 티타니아 표면에 색소를 흡착하였다. 흡착 후의 기판은 아세토니트릴과 t-부틸알코올의 혼합 용매로 세정하였다.
두께 2㎜의 석영 유리판과 색소 흡착한 기판의 색소 흡착 티타니아층측이 마주보도록 두께 60㎛의 반경화 수지 시트(SX1170-60, 솔라로닉스사제)를 사이에 두고 115℃에서 접착하여 적층하였다. 이 때에 반경화 수지 시트는 티타니아층에 접촉하지 않게 티타니아층을 둘러싸도록 배치하고, 또, 후에 전해액을 주입할 수 있도록 약 1㎜ 정도의 간극을 2곳에 설치하였다.
적층판의 다공질 Ti 시트측과 두께 1.1㎜의 Pt막 부착 유리판(105)의 Pt측이 마주보도록 상기 반경화 수지 시트를 사이에 두고 적층하고 115℃에서 접착하였다.
약 1㎜의 간극으로부터 요오드, LiI로 이루어지는 아세토니트릴 용매의 전해액을 주입하여 색소 증감 태양전지를 제작하였다.
얻어진 색소 증감 태양전지의 광전 변환 성능을 100㎽/㎝2의 강도의 유사 태양광(야마시타전장사제 의사 태양광 장치 사용)을 석영 유리판측으로부터 조사했을 때의 IV 곡선을 측정하여 조사하였다. 광전 변환 효율은 7.1%였다.
(실시예 2)
Ti 입자(입경 20㎛ 이하　오사카티타늄사제)와 타피네올(Terpineol : α-테피네올, β-테피네올 및 γ-테피네올의 혼합물)과 에틸셀룰로오스를 주성분으로 하는 비히클(열가소성 셀룰로오스에테르를 용제에 용해한 것,　상품명 : EC－비히클　닛신화성주식회사제　형번 : 　EC-200 FTD)을 혼합하여, Ti 입자의 페이스트를 제작하였다. 두께 20㎛의 Ti박의 한 면의 5㎜×20㎜의 범위에 상기 제작한 Ti 입자 페이스트를 도포하고, 건조한 후, 400℃에서 1시간 아르곤 분위기하에서 소성하고, 약 20㎛의 두께의 다공질 Ti층을 Ti박 상에 형성하였다.
다공질 Ti층을 형성한 Ti박의 양면에 롤라미네이터(roll laminator)로 드라이(dry) 필름 레지스트를 밀착시키고, 또한 Ti박의 다공질 Ti층을 형성하고 있지 않는 측의 면의 드라이 필름 레지스트 상에 5㎜×20㎜의 범위에 직경 50㎛의 환형이 100㎛ 피치로 늘어선 패턴을 형성한 마스크를 배치하고, 양면으로부터 자외선 노광하였다. 드라이 필름 레지스트를 현상한 후, Ti박에 대해서 용해성이 있는 에칭액을 이용하여 Ti박에만 관통공을 설치하였다. 그 후, 드라이 필름 레지스트를 박리하였다. 이와 같이 하여 직경 50㎛의 환형의 관통공을 가지는 Ti박의 한 면에 다공질 Ti층을 가지는 금속 전극을 얻었다.
금속 전극의 다공질 Ti층 상의 5㎜×20㎜의 범위에 티타니아 페이스트(상품명 NanoxideD, 솔라로닉스사제)를 인쇄하고, 건조한 후, 400℃에서 30분간 공기 중에서 소성하였다. 소성 후의 티타니아 상에, 또 티타니아 페이스트를 인쇄, 소성하는 조작을 합계 4회 반복하여 다공질 Ti층 상에 12㎛의 두께의 티타니아층을 형성하였다.
색소의 흡착 이후는 실시예 1과 마찬가지로 하여 색소 증감 태양전지를 제작하였다. 광전 변환 효율은 7.6%였다.
(비교예 1)
두께 600㎛의 다공질 Ti 시트를 이용한 외에는 실시예와 마찬가지의 방법으로 색소 증감 태양전지를 제작하였다. 얻어진 색소 증감 태양전지의 광전 변환 효율은 3.8%였다.
(비교예 2)
두께 20㎛의 Ti박의 5㎜×20㎜의 범위에 에칭의 수법으로 복수의 50㎛×170㎛의 관통공을 설치하고, 개구율 58%의 유공 Ti박을 제작하였다. 구멍은 Ti박의 막 두께 방향으로 거의 평행한 스트레이트(straight) 구멍인 것을 현미경 관찰로 확인하였다.
관통공을 설치한 5㎜×20㎜의 범위의 한 면에 티타니아 페이스트(상품명 NanoxideD, 솔라로닉스사제)를 인쇄하는 공정 이후는, 실시예와 마찬가지로 행하여 색소 증감 태양전지를 제작하였다. 얻어진 색소 증감 태양전지의 광전 변환 효율은 3.7%였다.
10, 10a　색소 증감 태양전지
12　투명 기판 14　도전성 기판
16　다공질 반도체층 18, 18a　도전성 금속층
20　전해질 22　스페이서(spacer)
24　유공(有孔) 금속박

Claims (7)

  1. 투명 기판과, 캐소드 전극으로 되는 도전성 기판과, 이 투명 기판과 이 도전성 기판의 사이에, 이 투명 기판에 근접하여 또는 접촉하여 배치되고 색소를 흡착한 다공질 반도체층과, 이 다공질 반도체층의 이 투명 기판과는 반대측에 접촉하여 배치되고 애노드 전극으로 되는 도전성 금속층을 구비하고, 전해질이 봉지되는 색소 증감 태양전지로서,
    이 도전성 금속층이 관통공을 가지는 금속 다공체로 형성되고, 이 금속 다공체의 다수의 구멍이 등방적으로 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 다공체가 금속 미립자의 소결체인 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 미립자의 크기가 직경 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 다공체의 비표면적이 0.1m2/g 이상인 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 다공체의 공공률이 30~60체적%이고, 또한 공공 직경이 1㎛~40㎛인 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 다공체가 Ti, W, Ni, Pt 및 Au로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도전성 금속층의 상기 다공질 반도체층과는 반대측의 면에 유공 금속층이 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 색소 증감 태양전지.
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