KR20150044435A - 색소 증감 태양 전지용 대향 전극 및 색소 증감 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
색소 증감 태양 전지용 대향 전극(20)에 있어서, 도전층(21)과, 절연성 물질로 형성되고, 상기 도전층(21)의 한쪽 면 위에 형성된 접촉 방지층(23)을 구비한다.
Description
본 발명은 색소 증감 태양 전지용 대향 전극, 보다 상세하게는, 단락 등의 문제점을 생기기 어렵게 하면서, 입사한 광을 효율적으로 반사하는 색소 증감 태양 전지용 대향 전극, 및 상기 색소 증감 전지용 대향 전극을 구비하는 색소 증감 태양 전지에 관한 것이다.
본원은, 2012년 9월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2012-204696호, 2013년 1월 25일에 출원된 일본 특허출원 제2013-012408호 및 2013년 8월 22일에 출원된 일본 특허출원 제2013-172711호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
색소 증감 태양 전지는, 스위스의 그랏첼 등에 의해 개발된 것으로, 다른 일반적인 전지에 비하여 광전 변환 효율이 높고, 제조 비용이 저렴한 등의 이점이 있다. 이 색소 증감 태양 전지로서, 예를 들어 비특허문헌 1이나 특허문헌 1에 개시된 구성이 알려져 있다.
특허문헌 1에 개시된 색소 증감 태양 전지는, 플라스틱제의 투광성 지지체(기재) 위에 투명 도전층이 형성된 투광성 기판과, 투광성 기판 위에 배치된 광전 변환층(증감 색소를 담지한 산화물 반도체 다공막)으로 구성되는 색소 증감 태양 전지용 광 전극(이하, 단순히 「광 전극」이라 하는 경우가 있음)과, 전해질 부분과, 대향 전극이 적층되어 형성되어 있다.
색소 증감 태양 전지는, 광 전극과 대향 전극이 접촉하여 도통되면, 단락이 발생되어, 결과적으로 전지로서의 기능을 하지 못하게 된다. 이것을 방지하기 위해서, 예를 들어 특허문헌 1 및 2에서는, 전해질 부분이 충전되는 공간의 주연부에 스페이서를 형성함으로써 광 전극과 대향 전극의 접촉을 방지하려 하고 있다.
또한, 색소 증감 태양 전지에 있어서는, 입사한 광이 광 전극에 의해 전부 포집되는 것이 아니라, 광 전극에 의해 포집할 수 없었던 입사광이 전해질 부분이나 대향 전극에 도달한다. 이들 광은, 일부는 색소 증감 태양 전지 내부에서 반사되어 다시 광 전극에 재입사하지만, 대부분은 재입사되지 않고, 열 에너지 등으로 변화되어, 유효하게 이용되고 있지 않다.
Nature, 353, p.737-740, 1991
그러나, 실제로는 전술한 스페이서에 의해 광 전극과 대향 전극의 접촉을 완전히 방지하는 것은 용이하지 않다. 예를 들어, 광 전극의 기재가 가요성을 갖는 경우, 스페이서가 없는 부분이 굽힘 등에 의해 휨으로써, 광 전극이 대향 전극과 접촉할 가능성이 있다. 또한, 광 전극의 기재가 가요성을 갖지 않은 경우에도, 상기 기재가 얇고, 또한 면적이 넓은 등의 경우에는, 색소 증감 태양 전지의 중앙부에 응력이 작용함으로써, 광 전극이 휨을 발생하여 대향 전극과 접촉할 가능성이 있다.
스페이서의 사이즈는, 이러한 가능성을 포함하여 설정되기 때문에, 일반적으로 커지는 경향이 있다. 스페이서의 높이(색소 증감 태양 전지의 두께 방향에 있어서의 길이)가 높아지면, 충전되는 전해질 부분의 양이 증가하여, 제조 비용의 상승으로 이어진다. 또한, 색소 증감 태양 전지의 저항은 광 전극과 대향 전극의 거리에 의존하기 때문에, 전지 성능의 향상의 방해가 된다는 문제도 있다.
색소 증감 태양 전지에 있어서는, 대향 전극에 백금 등의 촉매층을 사용하고 있기 때문에, 촉매층을 두껍게 형성함으로써, 대향 전극의 반사율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 제작 시간이 길어져서, 고비용으로 되는 등의 문제가 있다.
또한, 전해질 부분의 두께를 줄이면, 광 전극과 대향 전극의 거리를 단축할 수 있어, 광의 이용 효율 향상에 기여하지만, 광 전극과 대향 전극을 너무 접근시키면 광 전극과 대향 전극이 접촉하기 쉬워진다. 접촉하면, 광 전극과 대향 전극이 도통하여 단락되어버려, 전지로서의 기능을 하지 못하게 되기 때문에 문제이다.
상기와 같은 사정을 근거로 하여, 본 발명에서는, 광 전극과의 단락을 방지하면서, 광 전극과 접근시켜서 배치할 수 있는 색소 증감 태양 전지용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 전지의 휨 등이 발생하여도 광 전극과 대향 전극과의 단락이 발생하기 어려운 색소 증감 태양 전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서는, 저렴하게 제조 가능하며 반사율이 높은 색소 증감 태양 전지용 대향 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 광 전극에 의해 포집되지 않은 광을 효율적으로 광 전극에 재입사시킬 수 있는 색소 증감 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 형태에 따른 색소 증감 태양 전지용 대향 전극은, 도전층과, 절연성 물질로 형성되고, 상기 도전층의 한쪽 면 위에 형성된 접촉 방지층을 구비한다.
상기 접촉 방지층의 두께는, 0.05㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 절연성 물질은 금속 산화물인 것이 바람직하다. 본 발명의 제1 형태에 따른 색소 증감 태양 전지용 대향 전극에 있어서는, 상기 금속 산화물은, 평균 입자 직경이 10㎚ 이상 5㎛ 이하의 입자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 접촉 방지층은, 메조포러스 구조를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 형태의 색소 증감 태양 전지는, 기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 갖는 광 전극과, 본 발명의 제1 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극의 사이에 충전되는 전해질 부분을 구비하고, 상기 접촉 방지층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있다.
본 발명의 제3 형태의 색소 증감 태양 전지는, 기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 구비한 광 전극과, 본 발명의 제1 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과, 상기 광전 변환층 및 상기 접촉 방지층에 함침되는 전해질 부분을 구비하고, 상기 접촉 방지층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있다.
상기 전해질 부분의 두께는, 0보다 크고 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 제4 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극은, 도전층과, 상기 도전층의 한쪽 면 위에 형성된 절연성의 반사층을 구비한다.
상기 반사층은, 메조포러스 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 반사층은 금속 산화물의 입자로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 입자의 평균 입자 직경이 10㎚ 이상 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 제5 형태의 색소 증감 태양 전지는, 기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 갖는 광 전극과, 본 발명의 제4 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과, 상기 광 전극과 상기 대향 전극의 사이에 충전되는 전해질 부분을 구비하고, 상기 반사층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있다.
상기 전해질 부분의 두께는, 0보다 크고 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 제6 형태의 색소 증감 태양 전지는, 기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 구비한 광 전극과, 본 발명의 제4 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과, 상기 광전 변환층 및 상기 반사층에 함침되는 전해질 부분을 구비하고, 상기 반사층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있다.
본 발명의 제1 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극에 의하면, 대향 전극과 광 전극의 단락을 방지하면서, 대향 전극과 광 전극을 접근시켜서 배치할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 형태 및 본 발명의 제3 형태의 색소 증감 태양 전지에 의하면, 휨 등이 발생하여도 광 전극과 대향 전극의 단락을 발생하기 어렵게 할 수 있다.
본 발명의 제4 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극에 의하면, 높은 반사율을 가지면서도 저렴하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5 형태 및 본 발명의 제6 형태의 색소 증감 태양 전지에 의하면, 광 전극에 의해 포집되지 않은 광을 효율적으로 광 전극에 재입사시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태의 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀(1)을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 셀(1)은, 광 전극(10)과 본 발명의 제1 실시 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극(20: 이하, 단순히 「대향 전극」이라고 함)이, 전해질 부분(30)을 사이에 두고 대향하도록 배치되고, 광 전극(10)과 대향 전극(20)이 배선(40)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
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: 기판)과, 투명 도전층(11b) 위에 형성된 광전 변환층(12)을 구비하고 있다.
기재(11a)로서는, 유리, 플라스틱 등 다양한 재료를 사용할 수 있다. 플라스틱제의 기재(11a)로서는, 투광성, 내열성, 내화학 약품 특성 등의 관점에서, 예를 들어 판 형상 또는 필름 형상의 시클로올레핀계 폴리머, 판 형상 또는 필름 형상의 아크릴 요소계 폴리머, 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, 구부리거나 둥글게 하는 것이 가능해진다.
투명 도전층(11b)으로서는, 예를 들어 인듐-주석 복합 산화물(ITO), 불소를 도프한 산화주석(FTO) 등을 사용할 수 있다.
광전 변환층(12)은, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 공지의 광전 변환 재료로 이루어진다. 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 SnO과 ZnO과의 복합체, TiO2와 Nb2O5과의 복합체 등의, 이들 2종 이상으로 이루어지는 복합체를 사용할 수도 있다. 또한, 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것이 아니라, 2종류 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
그 중에서도, Ti, Zn, Sn, Nb의 산화물이 바람직하고, 특히 TiO2(티타니아)가 바람직하다.
기능성 반도체를 형성하는 재료로서는, 평균 입자 직경 10㎚ 이상 5㎛ 이하의 재료를 적절하게 이용할 수 있다. 또한 입자 직경이 서로 다른 재료를 혼합하여도 되고, 단일의 입자 직경의 입자를 사용하여도 된다.
증감 색소로서는, 증감 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않으며, N3 착체, N719 착체(N719 색소), Ru 터피리딘 착체(블랙다이), 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 갖기 때문에, N719 색소 및 블랙다이를 바람직하게 들 수 있다.
N719 색소는 (RuL2(NCS)2·2TBA)로 표현되는 화합물이며, Blackdye 색소는 (RuL'1(NCS)3·2TBA)로 표현되는 화합물이다. 단, L은, 4,4'-디카르복시-2,2'-비피리딘, L'는, 4,4',4"-테트라-카르복시-2,2',2"-터피리딘, TBA는, 테트라부틸암모늄 카오틴이다. 이들은 단독으로 혹은 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
대향 전극(20)은, 셀(1)에 있어서 정극으로서 기능하는 것이다. 대향 전극(20)은, 예를 들어 전해질을 환원하는 촉매 기능을 갖는 물질, 예를 들어 백금 등의 금속이나 도전성 고분자, 카본 등으로 이루어지는 촉매층(21B)이, ITO, FTO 등의 도전성 금속 산화물이나 금속으로 형성된 지지체(21A) 위에 담지함으로써 형성된 도전층(21)과, 도전층(21) 위에 형성된 접촉 방지층(23)을 갖는다. 도전층(21)의 구조는, 이에 한정되지 않고, 충분한 강도 및 밀봉성이 얻어지는 것이면, 지지체를 갖는 것은 필수는 아니다. 또는 촉매 기능을 갖는 물질로 지지체를 구성함으로써, 지지체만의 구성으로 할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 도전층(21)은, 전해질 부분(30)의 환원 기능을 발휘하는 한, 그 구체적 구성에 특별히 제한은 없지만, 도 1에는, 일례로서, 도전성의 지지체(21A)와, 지지체(21A)의 한쪽 면에 형성된 촉매층(21B)을 구비하는 구성을 나타내고 있다.
도전층(21) 중, 전해질 부분(30) 및 광 전극(10)에 대향하는 면(이하, 「대향면」이라 하는 경우가 있음)을 구성하는 촉매층(21B)의 면 위에는, 절연성 물질로 이루어지는 접촉 방지층(23)이 형성되고, 촉매층(21B)을 피복하고 있다. 접촉 방지층(23)을 형성하는 절연성 재료로서는, 금속 산화물이나 수지 등의 각종 절연체를 사용할 수 있다.
금속 산화물로서는, 광전 변환층에 사용되는 기능성 반도체와 거의 마찬가지의 재료를 사용할 수 있다. 그 중에서도, TiO2, Nb2O5, ZrO2 등의 Ti, Nb, Zr의 산화물이나, SiO2 등이 바람직하고, 티타니아가 보다 바람직하다.
수지로서는, 예를 들어 아크릴 수지나 스티렌 수지 등이 전해질에 대한 내성이 우수하여, 바람직하다.
접촉 방지층(23)의 두께는, 광 전극(10)과 대향 전극(20)의 접촉을 확실하게 방지하는 관점에서는, 일정한 두께, 예를 들어 50㎚(0.05㎛) 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 접촉 방지층(23)의 두께는 100nm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 전지의 박형화의 관점에서, 접촉 방지층(23)의 두께는 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 전지 성능의 관점에서, 접촉 방지층(23)의 두께는 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.
접촉 방지층(23)은, 메조포러스 구조 혹은 그물눈 형상 구조 등에 의해, 유체나 미세한 물질 등이 투과 가능하다. 구조로서는 메조포러스 구조가 바람직하고, 표면적/평면에서 볼 때 면적으로 표현되는 조도 팩터는 50배 이상 10000배 이하가 바람직하다. 전해질 부분(30)은, 전지의 두께 방향으로 접촉 방지층(23)을 통과하여, 촉매층(21B)에 도달할 수 있지만, 광전 변환층(12)은 접촉 방지층(23)이 있음으로써, 광 전극(10)이 휨 등에 의해 변형되어도 도전층(21)과 접촉하는 경우는 없다.
전해질 부분(30)은 액체, 고체, 응고체, 상온 용융염 중 어느 것이어도 된다. 이 전해질 부분(30)의 두께는, 적절히 설정되어도 되지만, 본 발명의 제1 실시 형태의 색소 증감 태양 전지에서는, 접촉 방지층(23)에 의해 광 전극(10)과 도전층(21)의 접촉을 방지하기 위해서, 전해질 부분(30)의 양은 필요 최소한으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 전해질 부분(30)의 두께를, 예를 들어 1㎛ 정도로 매우 얇게 설정함으로써, 색소 증감 태양 전지의 저항값을 저감하여, 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 전해질 부분으로서, 코발트 착체가 사용되어도 된다. 코발트 착체를 사용한 경우, 요오드를 사용하는 경우에 비하여, 금속의 부식이 발생하기 어려워지기 때문에, 색소 증감 태양 전지 내부에 금속 배선 등을 사용할 수 있도록 된다.
광 전극(10)의 광전 변환층(12) 형성면이 대향 전극(20)에 대향하도록 광 전극(10)과 대향 전극(20)을 이격 배치하고, 광 전극(10)과 대향 전극(20)의 사이에 전해질 부분(30)을 배치하였다. 또한 광 전극(10)의 투명 도전층(11b)과 대향 전극(20)을 배선(40)에 의해 전기적으로 접속하면, 셀(1)이 완성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시 형태 대향 전극(20)을 사용한 셀(1)에 있어서는, 광 전극(10)에 대향하는 촉매층(21B) 위에 접촉 방지층(23)이 형성되어 있다. 그로 인해, 광 전극(10) 및 대향 전극(20)의 한쪽 혹은 양쪽이 휘어서 광 전극(10)과 대향 전극(20)이 부분적으로 접근하여도, 접촉 방지층(23)에 의해 광 전극(10)과 도전층(21)이 접촉하는 것이 적절하게 억제되어, 단락이 확실하게 방지된다. 따라서, 셀의 면적이 커지거나, 셀이 구부러지거나 하여도 단락을 일으키지 않아 안정적으로 전지로서 기능하는 색소 증감 태양 전지로 할 수 있다.
또한, 접촉 방지층(23)에 의해 단락이 적절하게 방지되기 때문에, 광 전극(10)과 대향 전극(20) 사이의 거리를, 안전을 고려하여 조금 크게 설정할 필요가 없다. 따라서, 전해질 부분(30)의 두께를 필요 최소한으로 하여 제조 비용을 저감할 수 있다. 이 밖에도, 광 전극(10)과 대향 전극(20)을 보다 접근시켜서 배치함으로써, 전해질 부분의 확산 저항을 작게 하여, 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제1 실시 형태에 있어서는, 백색이나 백색을 띤 회색 등의 백색계의 색채를 갖는 절연성 재료로 접촉 방지층을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 광 전극에 의해 흡수되지 않은 광이 접촉 방지층에서 반사되어 다시 광 전극에 입사하기 때문에, 광의 이용률을 향상시킬 수 있다. 이것에 맞춰서 전해질 부분의 두께를 얇게 하면, 전해질 부분에 흡수되는 광이 적어져서, 반사광을 보다 많이 광 전극에 도달시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여, 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는, 본 발명의 제2 실시 형태의 색소 증감 태양 전지를 구성하는 셀(101)을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 셀(101)은, 광 전극(110)과 본 발명의 제2 실시 형태의 색소 증감 태양 전지용 대향 전극(120: 이하, 단순히 「대향 전극」이라 함)이, 전해질 부분(130)을 사이에 두고 대향하도록 배치되고, 광 전극(110)과 대향 전극(120)이 배선(140)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 있어서는, 대향 전극(120) 중에 있어서 반사층(123)을 사용하는 점을 제외하고 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 재료 및 구성을 채용할 수 있다.
이하에는, 특히 본 발명의 제2 실시 형태의 대향 전극에 대하여 상세히 설명한다.
광 전극(110)은, 셀(101)에 있어서 부극으로서 작용하는 것으로서, 투광성의 기재(111a)의 한쪽 면에 투명 도전층(111b)이 형성된 투광성 기판(111: 기판)과, 투명 도전층(111b) 위에 형성된 광전 변환층(112)을 구비하고 있다.
기재(111a)로서는, 전술한 제1 실시 형태의 기재(11a)와 마찬가지의 재료를 채용할 수 있다. 기재(111a)로서 플라스틱을 사용하면, 광 전극(110)에 가요성을 부여할 수 있어, 구부리거나 둥글게 하는 것이 가능해진다.
투명 도전층(111b)으로서는, 전술한 제1 실시 형태의 투명 도전층(11b)과 마찬가지로, 예를 들어 인듐-주석 복합 산화물(ITO), 불소를 도프한 산화주석(FTO) 등을 사용할 수 있다.
광전 변환층(112)은, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 공지된 광전 변환 재료로 이루어진다. 기능성 반도체로서는, 전술한 제1 실시 형태의 광전 변환층(112)과 마찬가지의 재료를 채용할 수 있다.
기능성 반도체를 형성하는 재료로서는, 평균 입자 직경 10㎚ 이상 5㎛ 이하의 재료를 적절하게 이용할 수 있다. 또한 입자 직경이 서로 다른 재료를 혼합하여도 되고, 단일의 입자 직경의 입자를 사용하여도 된다.
증감 색소로서는, 전술한 제1 실시 형태의 증감 색소와 마찬가지의 재료를 채용할 수 있기 때문에, 이하 생략한다.
대향 전극(120)은, 셀(101)에 있어서 정극으로서 기능하는 것이다. 대향 전극(120)은, 예를 들어 전해질을 환원하는 촉매 기능을 갖는 물질, 예를 들어 백금 등의 금속이나 도전성 고분자, 카본 등으로 이루어지는 촉매층(121B)이, ITO, FTO 등의 도전성 금속 산화물이나 금속으로 형성된 지지체(121A) 위에 담지함으로써 형성된 도전층(121)과, 도전층(121) 위에 형성된 반사층(123)을 갖는다. 도전층(121)의 구조는, 이에 한정되지 않고, 충분한 강도 및 밀봉성이 얻어지는 것이면, 지지체를 갖는 것은 필수가 아니다. 또는 촉매 기능을 갖는 물질로 지지체를 구성함으로써, 지지체만의 구성으로 할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 도전층(121)은, 전해질 부분(130)의 환원 기능을 발휘하는 한, 그 구체적 구성에 특별히 제한은 없지만, 도 2에는, 일례로서, 도전성의 지지체(121A)와, 지지체(121A)의 한쪽 면에 형성된 촉매층(121B)을 구비하는 구성을 나타내고 있다.
촉매층(121B)의 주요 재료로서 카본을 선택한 경우에는, 다공성 구조를 갖도록 촉매층을 형성하면, 대향 전극(120)과 전해질 부분(130)의 접촉 면적이 증가하기 때문에, 촉매 활성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있어 바람직하다. 또한, 카본중에 산화물 미립자를 첨가함으로써, 촉매층의 강도를 향상시키는 것이 가능해진다.
도전층(121) 중, 전해질 부분(130) 및 광 전극(110)에 대향하는 면(이하, 「대향면」이라 하는 경우가 있음)을 구성하는 촉매층(121B)의 면 위에는, 절연성 물질로 이루어지는 반사층(123)이 형성되고, 촉매층(121B)을 피복하고 있다. 반사층(123)을 형성하는 절연성 재료로서는, 금속 산화물이나 수지 등의 각종 절연체를 사용할 수 있다.
반사층(123)은, 파장 450㎚의 광 적분 반사율이 30％ 이상으로 되어 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서는, 반사층에서의 반사 파장이 450㎚인 경우에 대하여 기재하였지만, 반사 파장은 450㎚로 한정되는 것은 아니다.
금속 산화물로서는, 광전 변환층에 사용되는 기능성 반도체와 거의 마찬가지의 재료를 사용할 수 있다. 그 중에서도, TiO2, Nb2O5 등의 Ti, Nb의 산화물이나, SiO2, 알루미나 등이 바람직하고, 반사 특성의 면에서 티타니아가 보다 바람직하다.
수지로서는, 예를 들어 아크릴 수지나 스티렌 수지 등이 전해질에 대한 내성이 우수하여, 바람직하다.
반사층(123)의 두께는, 광의 반사를 향상시키기 위한 관점에서는, 일정한 두께, 예를 들어 50㎚(0.05㎛) 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 반사층(123)의 두께는 100nm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 전지의 박형화 관점에서, 반사층(123)의 두께는 100㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 전지 성능의 관점에서 반사층(123)의 두께는 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. 반사층(123)을 구성하는 입자는, 평균 입자 직경이 10nm 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 반사층(123)을 구성하는 입자의 평균 입자 직경이 100nm 이상이다. 또한, 광의 반사 관점 및 박형화의 관점에서, 반사층(123)을 구성하는 입자의 평균 입자 직경은 5㎛ 이하가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 반사층(123)을 구성하는 입자의 평균 입자 직경은 1㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 서로 다른 평균 입자 직경을 갖는 입자를 섞음으로써, 막에 강도를 갖게 할 수 있다.
반사층(123)은, 메조포러스 구조 혹은 그물눈 형상 구조 등에 의해, 유체나 미세한 물질 등이 투과 가능하다. 구조로서는 메조포러스 구조가 바람직하고 표면적/평면에서 볼 때 면적으로 표현되는 조도 팩터는 500배 이상 10000배 이하가 바람직하다. 전해질 부분(130)은, 반사층(123)을 두께 방향으로 통과하여 촉매층(121B)에 도달할 수 있지만, 광전 변환층(112)은 반사층(123)이 있음으로써, 광 전극(110)이 휨 등에 의해 변형되어도 도전층(121)이 직접 접촉하여 도통하는 경우는 없다.
전해질 부분(130)은, 액체, 고체, 응고체, 상온 용융염 중 어느 것이어도 된다.
이 전해질 부분(130)의 두께는, 적절히 설정되어도 되지만, 본 발명의 제2 실시 형태의 색소 증감 태양 전지에서는, 반사층(123)에 의해 광 전극(110)과 도전층(121)의 접촉에 의한 도통을 방지하기 때문에, 전해질 부분(130)의 양은 필요 최소한으로 설정하는 것이 가능해진다.
따라서, 전해질 부분(130)의 두께를, 예를 들어 1㎛ 정도로 매우 얇게 설정함으로써, 색소 증감 태양 전지의 저항값을 저감하여, 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 전해질 부분으로서, 코발트 착체가 사용되어도 된다.
코발트 착체를 사용한 경우, 요오드를 사용하는 경우에 비하여, 금속의 부식이 발생하기 어려워지기 때문에, 색소 증감 태양 전지 내부에 금속 배선 등을 사용할 수 있도록 된다.
광 전극(110)의 광전 변환층(112) 형성면이 대향 전극(120)에 대향하도록 광 전극(110)과 대향 전극(120)을 이격 배치하고, 광 전극(110)과 대향 전극(120)의 사이에 전해질 부분(130)을 배치하였다. 또한 광 전극(110)의 투명 도전층(111b)과 대향 전극(120)을 배선(140)에 의해 전기적으로 접속하면, 셀(101)이 완성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시 형태의 셀(101)에 있어서의 광 전극(110)에서는, 광 전극(110)에 대향하는 촉매층(121B) 위에 반사층(123)이 형성되어 있기 때문에, 광 전극(110)에 의해 포집되지 않은 광을 광 전극(110)을 향해 효율적으로 재반사함으로써, 입사한 광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 반사층(123)이 절연성 물질로 형성되어 있는 경우에는, 백금 등에 비해 제조 비용을 대폭 줄이면서도, 반사율을 크게 저하시키지 않고 대향 전극을 구성할 수 있다.
또한, 반사층(123)이 절연성 물질로 형성되어 있는 경우에는, 광 전극(110) 및 대향 전극(120)의 한쪽 혹은 양쪽이 휘어서 광 전극(110)과 대향 전극(120)이 부분적으로 접근하여도, 반사층(123)에 의해 광 전극(110)과 도전층(121)이 도통하는 것이 적절하게 억제되어, 단락이 확실하게 방지된다. 따라서, 반사층(123)이 절연성 물질로 형성되어 있는 경우에는, 셀의 면적이 커지거나, 셀이 구부러지거나 하여도 단락을 일으키지 않아 안정적으로 전지로서 기능하는 색소 증감 태양 전지로 할 수 있다.
또한, 반사층(123)이 절연성 물질로 형성되어 있는 경우에는, 반사층(123)에 의해 단락이 적절하게 방지되기 때문에, 광 전극(110)과 대향 전극(120)의 사이의 거리를, 안전을 고려하여 조금 크게 설정할 필요가 없다. 따라서, 전해질 부분(130)의 두께를 필요 최소한으로 하여 제조 비용을 저감할 수 있다. 그 밖에도, 광 전극(110)과 대향 전극(120)을 보다 접근시켜서 배치함으로써, 전해질 부분의 확산 저항을 작게 하고, 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 전해질 부분을 최소한으로 설정함으로써, 전해질 부분에 흡수되는 광이 적어지고, 포집되지 않은 광 중 반사층(123)에 입사하는 광을 증가시키는 것이 가능해진다. 또한, 반사층(123)에서 반사된 광도 보다 효율적으로 광 전극(110)에 입사한다.
실시예
본 발명의 색소 증감 태양 전지에 대하여, 실시예를 이용하여 더 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
이하에는, 대향 전극 중에 접촉 방지층을 갖는 본 발명의 제1 실시 형태의 색소 증감 태양 전지에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
〔실시예 1〕
(티타니아 반도체 입자 현탁액의 조제)
오르토 티타늄산 테트라이소프로필 56.8g을, 이온 교환수 200mL 중에 잘 교반하면서 적하하고, 적하 종료 후, 다시 1시간 교반을 계속함으로써 가수분해를 완결시켜서, 목적으로 하는 수산화 티타늄의 침전물을 얻었다. 침전물은 여과지를 사용하여 여과 분별하고, 이온 교환수로 충분히 세정하였다.
5.8g의 테트라메틸암모늄 히드록시드(TMAH)를 용해시킨 이온 교환수에 이 침전물을 첨가하고, 다시 이온 교환수를 추가하여 시료의 전량을 160g으로 하였다.
이 시료를, 140℃에서 4시간 가열 환류를 행한 후, 유리 필터로 마이크로 크리스탈을 제거함으로써, 백탁 반투명의 콜로이드 용액을 얻었다.
얻어진 콜로이드 용액을 밀폐한 오토클레이브 용기로 옮기고, 260℃에서 8시간 수열 합성을 행하였다. 이 콜로이드 용액의 수열 합성 후, 에바포레이터를 사용하여 콜로이드 용액의 용매를 에탄올로 치환하였다. 그 후, 에탄올로 치환한 콜로이드 용액을 초음파 분산 처리하고, 평균 입자 직경 20㎚의 아나타제 결정형 티타니아 입자〔A〕를 포함하는 에탄올 현탁액〔A〕를 얻었다(이상의 조작을 「반도체 입자 현탁액의 조제 조작」이라 함).
또한, TMAH가 분해하여 생성되는 트리메틸아민은, 콜로이드 용액의 용매를 에탄올로 치환하는 조작 시에 거의 전량 제거된다.
이 반도체 입자 현탁액의 조제 조작에 있어서, TMAH의 첨가량을 1.5g으로 한 것 외에는 마찬가지로 하여, 평균 입자 직경 100㎚의 아나타제 결정형 티타니아 입자〔B〕를 포함하는 에탄올 현탁액〔B〕를 얻었다.
또한, 에탄올 현탁액〔A〕 및 에탄올 현탁액〔B〕에 함유되는 티타니아 입자에 대해서는, 에탄올 현탁액을 슬라이드 글래스 위에 닥터 블레이드법에 의해 도포하고, 건조한 후에 XRD 패턴을 측정하였다. 얻어진 XRD 패턴으로부터 반값폭을 구하고, Scherrer의 식 (D=K×λ/βcosθ)를 이용함으로써, 평균 입자 직경을 산출하였다. 또한, 티타니아 입자의 결정형을 확인하였다. 단, 상기의 식 중, D는 결정자의 길이, β는 반값폭, θ는 회절각, K=0.94, λ=1.5418이다.
티타니아 입자〔A〕 및 티타니아 입자〔B〕는, 그 결정형이 거의 100％ 아나타제 결정형이며, 루틸 결정형의 존재는 확인되지 않았다.
또한, Scherrer의 식은, 평균 입자 직경이 50㎚를 초과한 경우에는 오차가 커지기 때문에, 평균 입자 직경이 50㎚를 초과한 경우에는, 다음 방법을 이용하였다. 즉, 에탄올 현탁액을 슬라이드 글래스 위에 닥터 블레이드법에 의해 도포하고, 건조한 후 SEM을 사용하여 촬상하였다. 화상에 얻어진 입자의 입자 반경의 산술 평균을 취함으로써 평균 입자 직경으로 하였다.
(광전 변환층 형성용 수성 페이스트의 조제)
이들 2종류의 에탄올 현탁액인 에탄올 현탁액〔A〕 및 에탄올 현탁액〔B〕에 대하여, 각각의 티타니아 입자의 농도를 이하와 같이 측정하였다. 우선, 도가니의 질량(W)을 전자 천칭으로 칭량하였다. 그 후, 도가니에 에탄올 현탁액을 취하고, 도가니와 에탄올 현탁액의 총 질량(W1)을 칭량하였다. 에탄올 현탁액을 넣은 도가니를 전기로 내에 넣고, 150℃에서 2시간 유지하여 에탄올 현탁액의 용매를 완전히 제거하였다. 계속해서, 다시 질량(W2)을 칭량하고, 식 {티타니아 입자의 농도(wt％)=(W2-W)/(W1-W)×100}으로부터 티타니아 입자의 농도를 구하였다.
그리고, 각각의 현탁액의 티타니아 입자 농도에 기초하여, 티타니아 입자〔A〕 및 티타니아 입자〔B〕가 중량비로 7:3이 되도록 혼합하였다. 이 티타니아 입자〔A〕 및 티타니아 입자〔B〕의 혼합액을 다시 에바포레이터를 사용하여 용매를 거의 완전하게 물로 치환한 다음 농축하였다. 상기 공정에 의해, 최종적으로 티타니아 입자의 농도가 10wt％로서 물을 매체로 하는 광전 변환층 형성용 페이스트〔1〕을 얻었다.
이 광전 변환층 형성용 수성 페이스트〔1〕을, 닥터 블레이드법에 의해, 시트 저항 13Ω/□(□는 무차원 수를 나타냄)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)으로 이루어지는 투광성 기판에, 0.5㎝×0.5㎝의 크기의 작용극 영역에 도포하였다. 그 후, 실온에서 기판에 도포한 광전 변환층 형성용 수성 페이스트〔1〕을 건조시켜서 도막을 형성하고, 이 도막에 대하여 평프레스 처리를 행하였다. 평프레스 처리에는, 미니 테스트 프레스-10(도요세이키사 제조)을 사용하였다. 5mm의 코넥스 펠트(듀퐁사 제조), 감압 필름(「프리스케일」, 후지 필름사 제조), 투광성 기판, 불소 이형 필름, 및 5㎜의 코넥스 펠트(듀퐁사 제조)를 순차 적층하고, 위에서부터 「코넥스 펠트」/「감압 필름」/「불소 이형 필름」/티타니아 도포 ITO-PEN 기판/「코넥스 펠트」의 층 구성으로 한 적층체를 얻었다. 이 적층체를, 감압 필름으로 실측 프레스 가중을 확인하면서 60초간 프레스하였다. 이때의 가중은 압력 100MPa이었다. 상기 방법에 의해, 투광성 기판 위에 기능성 반도체층이 형성된 광 전극 구조체를 얻었다.
평프레스 처리 후에 있어서의 기능성 반도체층의 막 두께는 6㎛이었다. 셀 실효 면적에 대해서는, 디지털 마이크로스코프 및 교정 스케일을 사용하여, 유효 숫자 4자리에서의 보정을 행하였다. 또한, 막 두께 측정은 촉침식 표면 형상 측정기 DEKTAK(ULVAC사 제조)를 사용하여 행하였다.
(증감 색소의 담지·광 전극의 제작)
한편, 증감 색소로서 시스-비스(이소티오시아네이트)-비스(2,2'-디피리딜-4,4'-디카르복실산)-루테늄(Ⅱ)비스-테트라부틸암모늄을 사용하여, 에탄올 중에 0.2mM의 농도로 용해시켜서 색소 용액을 얻었다. 이 색소 용액 중에 기능성 반도체층을 형성한 상기 광 전극 구조체를 24시간 침지시키고, 기능성 반도체층에 증감 색소가 담지된 광전 변환층을 구비한 광 전극〔1〕을 얻었다.
(전해질 부분으로서 사용하는 전해질 용액의 제작)
전해질 용액으로서, 요오드, 요오드화리튬, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨 요오다이드, 및 t-부틸피리딘 등의 전해질이 용해된 아세토니트릴 용액을 사용하였다. 이들 전해질 용액은, 각각의 전해질 농도가 0.05M, 0.1M, 0.6M 및 0.5M이 되도록, 질소 분위기하에서 아세토니트릴로 용해하여 조제된 것이다.
(대향 전극의 제작)
FTO 유리(니혼이타가라스사 제조)의 FTO층 위에 스퍼터법을 이용하여 촉매층으로서의 Pt층을 형성하고, 도전층을 제작하였다. 도전층의 제작에 이용한 스퍼터 조건은, 60W, Ar 가스: 4sccm, 0.6Pa, 1min이다.
(접촉 방지층 형성용 페이스트의 조제)
전술한 에탄올 현탁액〔A〕에, 에틸셀룰로오스 5wt％, α-테르피놀 5wt％를 첨가하고, 다시, 입자의 함유율이 10wt％로 되도록 접촉 방지층의 재료가 되는 입자를 첨가하고, 분산시켰다. 그 후, 로터리 에바포레이터로 에탄올을 제거하고, 접촉 방지층 형성용 페이스트를 얻었다.
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간 소결함으로써, Pt층 위에 두께 6㎛로 메조포러스 구조를 갖는 접촉 방지층을 형성하고, 대향 전극을 얻었다.
상기의 광 전극〔1〕 위에, 두께 30㎛의 절연 스페이서, 대향 전극의 순서로 중첩하고, 광 전극〔1〕과 대향 전극의 사이에 마이크로시린지로 전해질 용액을 주입함으로써, 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
또한, 접촉 방지층의 재료로 되는 입자의 입자 직경값은, 소결 후의 것이다. 접촉 방지층의 재료로 되는 입자의 평균 입자 직경의 산출 방법은, 상기 (반도체 입자 현탁액의 조제 조작)의 항과 마찬가지의 방법을 채용하였다.
(색소 증감 태양 전지의 성능 평가)
얻어진 색소 증감 태양 전지에, 「솔라 시뮬레이터」(펙셀테크놀로지스사 제조)를 사용하여, AM1.5, 100mW/㎠의 의사 태양광을 조사하면서 「2400형 소스 미터」(KEITHLEY사 제조)를 사용하여 I-V 특성을 측정하여 단락 전류, 개방 전압, 형상인자 ff의 값을 얻음과 함께, 이들 값을 사용하여 하기 식(1)에 의해, 광전 변환 효율을 산출하였다.
식(1): 광전 변환 효율(％)=[단락 전류값(㎃/㎠)×개방 전압값(V)×{형상 인자 ff/입사광(100mW/㎠)}]×100
〔실시예 2〕
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔실시예 3〕
평균 입자 직경 100㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔실시예 4〕
평균 입자 직경 100㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔실시예 5〕
평균 입자 직경 20㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔실시예 6〕
평균 입자 직경 20㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔실시예 7〕
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 15㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔실시예 8〕
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 3㎛의 접촉 방지층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다.
〔비교예 1〕
접촉 방지층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 비교예 1의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 1 내지 8, 및 비교예 1의 결과를 표 1에 나타낸다.
〔실시예 A1〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A2〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 2와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A3〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 3과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A4〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 4와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A5〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A6〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 6과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A7〕
접촉 방지층 형성용 페이스트의 도포량을 조절하여 Pt층 위에 막 두께 15㎛의 접촉 방지층을 형성한 점을 제외하고, 실시예 A1과 마찬가지의 수순으로 실시예 A7의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 A1〕
접촉 방지층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 A1과 마찬가지의 수순으로 비교예 A1의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 A1 내지 A7, 및 비교예 A1의 결과를 표 2에 나타낸다.
〔실시예 B1〕
FTO 유리 대신에, 시트 저항 13Ω/□(Ω/㎠)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)을 사용한 점 이외에는, 실시예 2와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 B2〕
FTO 유리 대신에, 시트 저항 13Ω/□(Ω/㎠)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)을 사용한 점 이외에는, 실시예 4와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 B3〕
FTO 유리 대신에, 시트 저항 13Ω/□(Ω/㎠)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)을 사용한 점 이외에는, 실시예 6과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 B1〕
접촉 방지층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 B1과 마찬가지의 수순으로 비교예 B1의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 B1 내지 B3, 및 비교예 B1의 결과를 표 3에 나타낸다.
〔실시예 C1〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 스테인리스(SUS304) 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C2〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 2와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C3〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 3과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C4〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 4와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C5〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C6〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 6과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 C1〕
접촉 방지층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 C1과 마찬가지의 수순으로 비교예 C1의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 C1 내지 C6, 및 비교예 C1까지의 결과를 표 4에 나타낸다.
〔실시예 D1〕
평균 입자 직경 100㎚의 ZrO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를 사용한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 D2〕
평균 입자 직경 20㎚의 SiO2 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를 사용한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 D3〕
평균 입자 직경 50㎚의 ITO 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를 사용한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 D4〕
평균 입자 직경 50㎚의 안티몬 도프 산화주석(ATO) 입자를 재료로 한 접촉 방지층 형성용 페이스트를 사용한 점 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 D1 내지 D4의 결과를 표 5에 나타낸다.
(전지의 굽힘 시험에 의한 단락 발생의 유무 검토)
〔실시예 E1〕
작용극 영역의 크기를 0.5㎝×5.0㎝로 한 점 이외에는, 실시예 A1과 마찬가지의 수순으로 실시예 E1의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 E1〕
접촉 방지층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 E1과 마찬가지의 수순으로 비교예 E1의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
전술한 바와 같이 작성한 실시예 E1의 전지 및 비교예 E1의 전지의 각각에 있어서, 이하와 같은 방법에 의해 전지의 단락 발생의 유무를 검토하였다.
전지의 길이 방향의 일단부를 고정하여 수평으로 유지하고, 전지의 길이 방향 타단부를 1㎝ 들어올려서, 전지를 구부린 상태로 유지하였다. 전지를 구부린 상태에서 태양 전지 성능을 측정함으로써, 전지의 단락 발생의 유무를 검토하였다.
실시예 E1, 실시예 1의 전지의 구부린 상태에서의 측정 결과, 비교예 E1, 및 비교예 E1의 구부린 상태에서의 측정 결과를 표 6에 나타낸다.
표 1 내지 표 5에 나타낸 바와 같이, 접촉 방지층을 구비한 실시예의 색소 증감 태양 전지는, 접촉 방지층을 구비하지 않은 점을 제외하고 동일 구성의 비교예와 비교하여 변환 효율이 향상되어 있다. 이 이유는 몇 가지 생각할 수 있지만, 제1 이유로서는, 전해질 부분의 두께가, 비교예의 30㎛(스페이서의 두께와 대략 동등함)보다도 접촉 방지층의 두께분 만큼 줄어듦으로써 전기적 저항이 감소함에 따른 전류값의 개선을 생각할 수 있다. 제1 이유에 대해서는, 접촉 방지층의 두께가 증가한 실시예 7의 쪽이 실시예 1보다도 변환 효율이 보다 높았던 점으로부터 추측된다. 제2 이유로서는, 접촉 방지층에 의해, 광 전극을 통과하여 대향 전극까지 도달한 광이, 접촉 방지층에 의해 반사되고, 다시, 광 전극에 입사함에 따른 광 이용의 향상을 생각할 수 있다. 접촉 방지층에 의한 광의 반사에 기인하는 광 이용의 향상에 대해서는, 접촉 방지층이 얇은 실시예 8이 실시예 1보다도 변환 효율이 보다 높았던 점으로부터 추측된다.
또한, 표 5에 나타낸 바와 같이, 접촉 방지층을, TiO2 이외의 재료로도 적합하게 형성할 수 있으며, 더욱 적합하게 기능시킬 수 있음이 확인되었다.
또한, 표 6에 나타낸 바와 같이, 비교예 E1의 색소 증감 태양 전지는, 전지를 구부린 상태로 측정한 경우에는, 전지 성능이 급격하게 저하되었다. 이것은, 전지를 구부림으로써, 전지 내부에 있어서 광 전극과 대향 전극이 접촉하여 단락이 발생함에 따른 것이라고 추측되었다. 이에 반하여, 실시예 E1에서는, 전지를 구부린 상태로 측정하여도 전지 성능에 변화가 없어, 접촉 방지층의 존재에 의해 전지의 단락이 확실하게 방지되고 있다고 추측되었다.
또한, 실시예 E1의 색소 증감 태양 전지를 두께 방향으로 구부린 경우, 부분적으로는 광 전극과 접촉 방지층이 접촉하여, 상기 부위에 있어서는, 광 전극과 접촉 방지층의 사이에 전해질 부분이 거의 존재하지 않게 되는 경우가 있다(전해질 부분의 두께가 거의 0으로 됨). 그러한 상태에서도, 광전 변환층 및 접촉 방지층에 존재하는 미세한 간극에 전해질 부분이 인입됨으로써, 문제없이 색소 증감 태양 전지로서 기능한다. 이 고찰에 의하면, 광전 변환층 및 접촉 방지층에 충분히 전해질 부분을 함침시킴으로써, 광 전극과 접촉 방지층이 전체면에 걸쳐 접촉하고, 외관상 광 전극과 접촉 방지층의 양자 간에 층 형상의 전해질 부분이 존재하지 않는(전해질 부분의 두께가 거의 0으로 되는) 색소 증감 태양 전지를 구성하는 것도 가능해진다. 이러한 구성에 의해, 굽힘에 강하고, 또한 구부러진 상태가 유지되도록 설치 등이 된 경우에 있어서도 적합하게 기능하는 색소 증감 태양 전지를 제작할 수 있다.
이하에는, 대향 전극 중에 반사층을 갖는 본 발명의 제2 실시 형태의 색소 증감 태양 전지에 따른 실시예에 대하여 설명한다.
〔실시예 9〕
실시예 9는, 실시예 1의 (접촉 방지층 형성용 페이스트의 조제)의 공정을 (반사층 형성용 페이스트의 조제)로 변경한 것 이외의 공정은, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다.
이하에는, (반사층 형성용 페이스트의 조제)에 대하여 설명한다.
(반사층 형성용 페이스트의 조제)
전술한 에탄올 현탁액〔A〕에, 에틸셀룰로오스 5wt％, α-테르피놀 5wt％를 첨가하고, 다시, 입자의 함유율이 10wt％로 되도록 반사층의 재료가 되는 입자를 첨가하고, 분산시켰다. 그 후, 로터리 에바포레이터로 에탄올을 제거하고, 반사층 형성용 페이스트를 얻었다.
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간 소결함으로써, Pt층 위에 두께 6㎛로 메조포러스 구조를 갖는 반사층을 형성하여, 대향 전극을 얻었다.
이 대향 전극의 파장 450㎚ 및 550㎚의 적분구를 사용한 전반사 측정을 U-4100(히타치 하이테크놀러지즈사 제조)을 사용하여 행하고, 적분 반사율을 구하였다.
상기의 광 전극〔1〕에, 두께 30㎛의 절연 스페이서, 대향 전극의 순서로 중첩하고, 광 전극〔1〕과 대향 전극의 사이에 마이크로시린지로 전해질 용액을 주입함으로써, 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
또한, 반사층의 재료가 되는 입자의 입자 직경값은, 소결 후의 것이다. 반사층의 재료가 되는 입자의 평균 입자 직경의 산출 방법은, 상기 (반도체 입자 현탁액의 조제 조작)의 항과 마찬가지의 방법을 채용하였다.
(색소 증감 태양 전지의 성능 평가)
실시예 1과 마찬가지로 색소 증감 태양 전지의 성능 평가를 행하였다.
얻어진 색소 증감 태양 전지에, 「솔라 시뮬레이터」(펙셀테크놀로지스사 제조)를 사용하여, AM1.5, 100mW/㎠의 의사 태양광을 조사하면서 「2400형 소스 미터」(KEITHLEY사 제조)를 사용하여 I-V 특성을 측정하여 단락 전류, 개방 전압, 형상인자 ff의 값을 얻음과 함께, 이들 값을 사용하여 하기 식(1)에 의해, 광전 변환 효율을 산출하였다.
식(1); 광전 변환 효율(％)=[단락 전류값(㎃/㎠)×개방 전압값(V)×{형상 인자 ff/입사광(100mW/㎠)}]×100
〔실시예 10〕
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔실시예 11〕
평균 입자 직경 100㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔실시예 12〕
평균 입자 직경 100㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔실시예 13〕
평균 입자 직경 20㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔실시예 14〕
평균 입자 직경 20㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 6㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔실시예 15〕
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 15㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔실시예 16〕
평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, Pt층 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 520℃에서 1시간, 상기 Pt층 위에 도포한 상기 페이스트를 소결함으로써, Pt층 위에 막 두께 3㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
그 밖의 조건은 실시예 9와 마찬가지로 하였다.
〔비교예 2〕
반사층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 9와 마찬가지의 수순으로 비교예 2의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다. 비교예 2에 대해서도 실시예 9 내지 16과 마찬가지로 파장 450㎚ 및 550㎚의 적분구를 사용한 전반사 측정을 U-4100(히타치 하이테크놀러지즈사 제조)을 사용하여 행하고, 적분 반사율을 구하였다.
실시예 9 내지 16, 및 비교예 2의 결과를 표 7에 나타낸다.
〔실시예 A11〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 9와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A12〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 10과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A13〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 11과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A14〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 12와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A15〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 13과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A16〕
FTO 유리 대신에, 두께 40㎛의 Ti 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 14와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 A17〕
반사층 형성용 페이스트의 도포량을 조절하여 Pt층 위에 막 두께 15㎛의 반사층을 형성한 점을 제외하고, 실시예 15와 마찬가지의 수순으로 실시예 A17의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 A2〕
반사층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 A11과 마찬가지의 수순으로 비교예 A2의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다. 또한, 실시예 A11 내지 A17 및 비교예 A2에 있어서는, 촉매층 형성의 스퍼터 조건을, 60W, Ar 가스: 4sc㎝, 0.6Pa, 1min으로 하였다.
실시예 A11 내지 A17, 및 비교예 A2까지의 결과를 표 8에 나타낸다.
〔실시예 B11〕
FTO 유리 대신에, 시트 저항 13Ω/□(Ω/㎠)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)을 사용한 점 이외에는, 실시예 10과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 B12〕
FTO 유리 대신에, 시트 저항 13Ω/□(Ω/㎠)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)을 사용한 점 이외에는, 실시예 12와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 B13〕
FTO 유리 대신에, 시트 저항 13Ω/□(Ω/㎠)의 ITO/PEN(폴리에틸렌나프탈레이트) 기판(오오지 토비사 제조)을 사용한 점 이외에는, 실시예 14와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 B2〕
반사층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 B11과 마찬가지의 수순으로 비교예 B2의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 B11 내지 B13, 및 비교예 B2까지의 결과를 표 9에 나타낸다.
〔실시예 C11〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 스테인리스(SUS304) 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 9와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C12〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 10과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C13〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 11과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C14〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 12와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C15〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 13과 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 C16〕
FTO 유리 대신에, 두께 50㎛의 SUS304 기판을 사용한 점 이외에는, 실시예 14와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 C2〕
반사층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 C11과 마찬가지의 수순으로 비교예 C2의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 C11 내지 C16, 및 비교예 C2의 결과를 표 10에 나타낸다. 또한, 실시예 C11 내지 C16, 및 비교예 C2에 있어서는, 촉매층 형성의 스퍼터 조건을, 60W, Ar 가스: 4sc㎝, 0.6Pa, 1min으로 하였다.
〔실시예 D11〕
평균 입자 직경 20㎚의 SiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를 사용한 점 이외에는, 실시예 9와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 D11의 결과를 표 11에 나타낸다.
이하의 실시예는, 촉매층의 재료가 전술한 것과 상이하다.
〔실시예 E11〕
(카본 페이스트의 제작)
카본 0.2g(카본 블랙 0.129g과 다공질 카본 0.071g)에 전술한 에탄올 현탁액〔A〕를 첨가, 혼합한 후, 다시 에탄올을 가함으로써 에탄올 현탁액〔C〕를 얻었다. 첨가하는 에탄올 현탁액〔A〕의 양은, 〔A〕 중에 포함되는 산화티타늄 입자의 중량이, 카본의 중량에 대하여 10％로 되도록 첨가하였다. 또한, 에탄올 현탁액〔C〕에 에틸셀룰로오스 10cp 0.33g과 α-테르피네올 1.54g을 첨가하고, 초음파를 사용하여 교반을 행하였다. 그 후, 로터리 에바포레이터로 에탄올을 제거하여, 카본 페이스트를 얻었다.
(촉매층의 제작)
전술한 카본 페이스트를, FTO 유리 위에 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 370℃에서 30분 소결함으로써, 지지체로서의 FTO 유리 위에 막 두께 8㎛의 촉매층을 형성하였다.
(대향 전극의 제작)
전술한 촉매층 위에 평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 370℃에서 30분 소결함으로써, FTO 유리 위에 촉매층 및 반사층(촉매층과 반사층의 합계의 막 두께 15㎛)을 갖는 대향 전극을 얻었다.
상기 대향 전극을 사용한 점 이외에는 실시예 9와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 E2〕
반사층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 E11과 마찬가지의 수순으로 비교예 E2의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔실시예 F11〕
(촉매층의 제작)
도전성 고분자 PEDOT: PSS를, 톨루엔에 중량비 1％로 되도록 분산시킨 용액을, FTO 유리 위에 스핀코트법을 이용하여 도포하고, 도전성 고분자로 이루어지는 두께 100㎚의 촉매층을 FTO 유리 위에 형성하였다.
(대향 전극의 제작)
전술한 촉매층 위에 평균 입자 직경 400㎚의 TiO2 입자를 재료로 한 반사층 형성용 페이스트를, 스크린 인쇄를 사용하여 도포하였다. 그 후, 150℃에서 30분 소결함으로써, FTO 유리 위에 두께 6㎛의 반사층을 갖는 대향 전극을 얻었다.
상기 대향 전극을 사용한 점 이외에는 실시예 9와 마찬가지의 수순으로 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
〔비교예 F2〕
반사층을 형성하지 않은 점을 제외하고, 실시예 F11과 마찬가지의 수순으로 비교예 F2의 색소 증감 태양 전지를 제작하였다.
실시예 E11 및 F11, 비교예 E2 및 F2의 결과를 표 12에 나타낸다.
표 7 내지 표 12에 나타낸 바와 같이, 각 실시예의 반사층은, 반사층을 구비하지 않은 점을 제외하고 동일 구성의 비교예에 비하여, 어느 것이나 크게 떨어지지 않는 적분 반사율을 나타내었다. 반사층의 반사율은, 절연성 물질의 입자 직경이 커짐에 따라서 향상되는 경향이 보이고, 평균 입자 직경이 100㎚ 이상에서는 대략 비교예에 있어서의 백금 촉매층과 동등 이상의 값을 나타내었다.
반사층을 구비한 각 실시예의 색소 증감 태양 전지에서는, 반사층을 구비하지 않은 점을 제외하고 동일 구성의 비교예에 비하여 변환 효율이 향상되어 있다. 실시예에 있어서 변환 효율이 향상된 이유는, 광 전극을 통과하여 대향 전극까지 도달한 광이 반사층에 의해 반사되고, 다시, 광 전극에 입사하는 것에 의한 광 이용의 향상과, 전해질 부분의 두께가, 비교예의 30㎛(스페이서의 두께와 대략 동등)보다도 반사층의 두께분 만큼 줄어듦으로써 전기적 저항이 감소한 것의 복합적인 효과 때문이라고 생각된다.
또한, 도전층이 형성되는 지지체의 종류에 구애되지 않고 반사층의 효과가 확인되었다. 또한, 표 11에 나타낸 바와 같이, 반사층은, TiO2 이외의 재료로도 적합하게 형성할 수 있음이 확인되었다. 또한, TiO2 이외의 재료로도 반사층을 기능시킬 수 있음이 확인되었다.
또한, 본 발명의 색소 증감 태양 전지를 두께 방향으로 구부린 경우, 부분적으로는 광 전극과 반사층이 접촉하고, 색소 증감 태양 전지가 구부러진 부위에 있어서는, 광 전극과 반사층의 사이에 거의 전해질 부분이 존재하지 않게 되는 경우가 있다(전해질 부분의 두께가 거의 0으로 되는 경우가 있음). 그러한 상태에서도, 광전 변환층 및 반사층에 존재하는 미세한 간극에 전해질 부분이 인입됨으로써 문제없이 색소 증감 태양 전지로서 기능한다. 이 고찰에 의하면, 광전 변환층 및 반사층에 충분 전해질 부분을 함침시킴으로써, 광 전극과 반사층이 전체면에 걸쳐 접촉하고, 외관상 양자 간에 층 형상의 전해질 부분이 존재하지 않는(전해질 부분의 두께가 0으로 되는) 색소 증감 태양 전지를 구성하는 것도 가능해진다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 굽힘에 강하고, 또한 구부러진 상태가 유지되도록 설치 등이 되어도 적절하게 기능하는 색소 증감 태양 전지로 할 수 있다.
이상, 실시 형태 및 실시예를 이용하여 본 발명의 색소 증감 태양 전지에 대하여 설명하였지만, 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 가하거나, 삭제하거나 하는 것이 가능하다.
예를 들어, 본 발명의 제1 실시 형태의 색소 증감 태양 전지에 있어서는, 광 전극이 투광성 기판 및 투명 도전층을 구비하지 않아도 되고, 예를 들어 금속 기판 위에 광전 변환층이 형성되어도 된다. 이 경우에는, 광 전극측으로부터 광을 도입할 수 없게 되기 때문에, 광투과성을 갖는 재료로 대향 전극 및 접촉 방지층을 형성하면 된다.
예를 들어, 본 발명의 제2 실시 형태의 색소 증감 태양 전지에 따른 전술한 각 실시예에서는, 절연성의 금속 산화물 입자를 사용하여 반사층을 형성하였지만, ITO, 안티몬 도프 산화주석(ATO), ZrO2, ZnO 등으로 이루어지는 도전성의 입자를 사용하여 반사층을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 굽힘 등이 되지 않는 용도로 한정하여도 되고, 입자 간의 네킹을 억제하면서 반사층을 형성함으로써, 도전성의 입자를 사용하면서 절연성의 반사층을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 있어서는, 촉매층의 재료로서, Pt 이외의 예를 들어 카본 또는 도전성 고분자 등의 재료를 사용한 경우에도, 상기 촉매층 위에 절연성의 접촉 방지층이나 절연성의 반사층을 형성함으로써, 대향 전극 및 전지를 제작하는 것이 가능하다.
1, 101: 셀(색소 증감 태양 전지)
10, 110: 색소 증감 태양 전지용 광 전극
11, 111: 투광성 기판(기판)
11a, 111a: 기재
11b, 111b: 투명 도전층
12, 112: 광전 변환층
20, 120: 색소 증감 태양 전지용 대향 전극
21, 121: 도전층
23, 123: 접촉 방지층
10, 110: 색소 증감 태양 전지용 광 전극
11, 111: 투광성 기판(기판)
11a, 111a: 기재
11b, 111b: 투명 도전층
12, 112: 광전 변환층
20, 120: 색소 증감 태양 전지용 대향 전극
21, 121: 도전층
23, 123: 접촉 방지층
Claims (15)
- 색소 증감 태양 전지용 대향 전극에 있어서,
도전층과,
절연성 물질로 형성되고, 상기 도전층의 한쪽 면 위에 형성된 접촉 방지층
을 구비하는 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제1항에 있어서,
상기 접촉 방지층의 두께는, 0.05㎛ 이상 100㎛ 이하인 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 절연성 물질은 금속 산화물인 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제3항에 있어서,
상기 금속 산화물은, 평균 입자 직경이 10㎚ 이상 5㎛ 이하의 입자인 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접촉 방지층은, 메조포러스 구조를 갖는 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 색소 증감 태양 전지에 있어서,
기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 갖는 광 전극과,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과,
상기 광 전극과 상기 대향 전극의 사이에 충전되는 전해질 부분
을 구비하고,
상기 접촉 방지층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있는 색소 증감 태양 전지. - 색소 증감 태양 전지에 있어서,
기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 구비한 광 전극과,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과,
상기 광전 변환층 및 상기 접촉 방지층에 함침되는 전해질 부분
을 구비하고,
상기 접촉 방지층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있는 색소 증감 태양 전지. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 전해질 부분의 두께는, 0보다 크고 30㎛ 이하인 색소 증감 태양 전지. - 색소 증감 태양 전지용 대향 전극에 있어서,
도전층과,
상기 도전층의 한쪽 면 위에 형성된 절연성의 반사층
을 구비하는 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제9항에 있어서,
상기 반사층은, 메조포러스 구조를 갖는 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 반사층은 금속 산화물의 입자로 형성되어 있는 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 제11항에 있어서,
상기 입자의 평균 입자 직경이 10㎚ 이상 5㎛ 이하인 색소 증감 태양 전지용 대향 전극. - 색소 증감 태양 전지에 있어서,
기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 갖는 광 전극과,
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과,
상기 광 전극과 상기 대향 전극의 사이에 충전되는 전해질 부분
을 구비하고,
상기 반사층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있는 색소 증감 태양 전지. - 제13항에 있어서,
상기 전해질 부분의 두께는, 0보다 크고 30㎛ 이하인 색소 증감 태양 전지. - 색소 증감 태양 전지에 있어서,
기판과, 기능성 반도체에 증감 색소가 담지된 광전 변환 재료를 사용하여 상기 기판 위에 형성된 광전 변환층을 구비한 광 전극과,
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 색소 증감 태양 전지용 대향 전극과,
상기 광전 변환층 및 상기 반사층에 함침되는 전해질 부분
을 구비하고,
상기 반사층이 형성된 면이 상기 광 전극에 대향하도록 배치되어 있는 색소 증감 태양 전지.
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