TWI389966B - Electrolyte composition - Google Patents

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TWI389966B
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Nippoh Chemicals
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Description

電解質組成物
本發明是關於電解質組成物。特別是關於提升色素增感型太陽電池耐久性及設計性能的電解質組成物。
近年來隨著環保意識的高漲，使用太陽光作為能源進行發電的太陽電池越來越受到注目。
傳統上太陽電池的材料除了單晶矽、多晶矽、非晶矽等矽材料之外，還包括使用有機顏料和有機色素的太陽電池。在這些有機材料的太陽電池中，是由吸收光的色素分子、具電子輸送性的分子或材料、以及具電洞輸送性的分子和材料組合而成，藉以得到較高的轉換效率。其中特別以瑞士格瑞傑(Gratzel)博士等人所開發的色素增感型太陽電池具有特別高的轉換效率因此近年來受到廣泛的注意。色素增感型太陽電池具有可以用便宜的半導體材料來製造，且可利用來發電的光波長範圍較廣等優點。
其中色素增感型太陽電池電解質所用的氧化還原對，一般常用含有碘()及碘離子()的有機電解液，這種氧化還原對具有反應速度快的優點。
傳統上含有/氧化還原對的電解液中還會含有環狀多糖類的環糊精(例如特開2004－235011號公報及特開2005－71895號公報)。特開2004－235011號公報中揭露一種具有含碘－環糊精包接化合物(以下簡稱為「CDI」)的電解液以及使用該電解液的光電轉換元件(太陽電池)。根據該技術，包接在環糊精的碘可以降低碘的毒性，提供一種較安全的光電轉換元件(太陽電池)。而特開2005－71895號公報中揭露一種含環狀多糖類環糊精、有機溶融鹽化物(也就是離子性液體)和碘的電解質組成物。根據該技術，添加環糊精和離子性液體可以抑制電解質中離子傳導性的降低，提升轉換效率。
太陽電池是以太陽光作為能源的發電系統。因此構成太陽電池的材料(半導體電極和對向電極)必須是透明的。但是，電解液中的碘會呈現特有暗褐色，使得太陽電池的電解質層也呈現暗褐色。在必須考慮外觀因素的應用中，無法使用這種太陽電池，因此其應用範圍會受到限制。例如將太陽電池裝設在建築物的外壁時，建築物的外壁也會變成暗褐色造成外觀不美觀。由於應用範圍的限制使得太陽電池用途受到限制，這是造成太陽電池無法普及的原因之一。
太陽電池電解質中碘的顏色問題，即使如上述文獻中添加環糊精的技術也無法有效地解決。有人提出降低電解液中碘濃度的方法來抑制太陽電池中碘顏色問題，但是這種方法會造成光電轉換效率隨時間變差，因此無法實際應用。
因此本發明的目的是提供一種可以解決太陽電池光電轉換效率隨時間變差，且又不會有碘顏色的方法。
為了解決上述問題，本發明者研究發現，由於碘(實際上為)會溶解在太陽電池的電解質層中，所以會造成電解質層呈現暗褐色。根據這個發現，將不容易溶解在介質中的CDI進行微細化，並分散在電解質層中，除了可以維持與習知技術同樣的轉換效率之外，也可以抑制碘顏色問題。
根據本發明實施例的電解質組成物具有：介質，難溶於上述介質且平均粒徑小於20 μ m的碘－環糊精包接化合物。
根據本發明的另一實施例具有：含上述電解質組成物的電解質層的色素增感型太陽電池(以下稱為「太陽電池」)。
本發明的其他目的、特徵和優點藉由圖示和後面的敘述將更明白清楚。
接下來說明本發明的較佳實施例，但本發明的申請專利範圍並不限於以下的實施例。
根據本發明實施例的電解質組成物具有：介質，難溶於上述介質且平均粒徑小於20 μ m的碘－環糊精包接化合物。
首先說明本發明的電解質組成物。
本發明電解質組成物的第一特徵是含有一種介質。
介質的具體形態並無特別限制。例如色素增感型太陽電池的電解質介質可以使用常見的溶劑。電解質介質如使用溶劑時，本發明的電解質組成物為液態組成物。所使用的溶劑特性最好具電化學惰性、高比誘電率和低黏度。具有這樣特性的溶劑例如：甲氧基丙腈、甲氧基乙腈等腈系溶劑；γ－丁內酯、戊內酯等內酯系溶劑；碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等碳酸酯系溶劑；二氧陸圜、乙醚、乙烯乙二醇－二烷基醚(ethyleneglycol dialkyl ether)等醚系溶劑；甲醇、乙醇、聚丙烯乙二醇單醚(Polypropylene glycol monoether)等醇系溶劑；二甲亞碸(DMSO)、環丁碸等非質子性極性溶劑；乙二醇、聚乙二醇等二醇系溶劑；脂肪族第4級銨鹽和咪唑鹽等離子性液體等。從上述所需特性的觀點來看，建議使用腈系溶劑、內酯系溶劑、碳酸酯系溶劑、二醇系溶劑、及離子性液體，甚至最好使用腈系溶劑。這些溶劑可以單獨使用或兩種併用。
此外，介質並不限於液態物質(也就是溶劑)，也可以選用固態物質(例如凝膠狀)。可使用的固態介質包括例如聚咇咯、碘化銅、硫氰酸銅等。
本發明的電解質組成物的第2特徵是含有CDI。
碘－環糊精包接化合物(CDI)具有碘包接在環糊精的結構。本發明的電解質組成物應用在色素增感型太陽電池的電解質層中時，包接的碘可以在氧化劑()及還原劑()之間轉換，因此電解質層具有氧化還原對的功能。
「環糊精」是D－砒喃葡萄糖產生α－1,4－環狀結合的化合物。環糊精根據構成的D－砒喃葡萄糖數目可分為α－環糊精(6個)、β－環糊精(7個)、及γ－環糊精(8個)。
本發明電解質組成物中所含的CDI是一種難溶於電解質組成物中所含介質的難溶性CDI(以下稱為「難溶性CDI」)。由於難溶性CDI不會溶解在電解質組成物中，因此本發明的電解質組成物可以大幅減少碘所產生的暗褐色問題。本發明的電解質組成物也可以提高太陽電池的設計性能。其中「對介質具難溶性」是指液態介質時(也就是介質為溶劑)時，在25℃下相對溶劑的溶解度低於5.0mg/ml。溶解度的測量方法可以參考日本化學會(社)所編的實驗化學講座1－基本操作I，第4版，151－159頁中的方法。如果是固態介質時，在介質固化前的液態階段，如果CDI具有上述所定義的難溶性時，當固化介質後，CDI會呈懸浮狀的分散狀態，仍然可以發揮本發明電解質組成物的效果。
含有本發明電解質組成物的難溶性CDI只要對電解質組成物中所含的介質具難溶性即可，並無特別限制。也就是介質是溶劑時，在25℃下對溶劑的溶解度最好低於5.0mg/ml。上述的溶解度最好低於1.0mg/ml、或低於0.1mg/ml。構成難溶性CDI的環糊精包括例如β－環糊精等。本發明實施例使用β－環糊精獲得優異的效果，因此建議使用β－環糊精。但是根據不同情形，也可以使用其他的環糊精。或是新開發的難溶性CDI。此外，構成本發明電解質組成物難溶性CDI的環糊精，可以是一種或兩種以上的環糊精。
本發明電解質組成物的難溶性CDI粒徑必須控制在較小的值。具體上，本發明電解質組成物的難溶性CDI的平均粒徑最好低於20 μ m，或低於15 μ m、或低於10 μ m。平均粒徑在這個範圍內時，可以提高難溶性CDI在電解質組成物中的分散性。當難溶性CDI的平均粒徑超過20 μ m時，電解質組成物應用於例如色素增感型太陽電池時、會有造成半導體電極的氧化鈦等材料損壞的疑慮。其中，難溶性CDI平均粒徑的下限值並無特別限制，考慮製造的容易性，最好大於0.01 μ m、或大於0.1 μ m。難溶性CDI粒子的形狀並不限於球狀，也可以是板狀、針狀、柱狀、角狀等形狀。粒子形狀可以根據所需特性來選擇。如果不是球狀粒子時，以粒子的絕對最大長度作為粒子的平均粒徑。「絕對最大長度」的定義如第1圖為粒子1輪郭線上任意2點距離中的最大距離L。難溶性CDI平均粒徑的測量方法包括例如離心沈降穿透光法、雷射繞射/散射法、電性檢測法、影像分析法等。測量方法不同，所得到的平均粒徑有可能會有不同。本發明的平均粒徑以後述實施例中的方法所得到的值為準。
本發明電解質組成物中難溶性CDI的含量並無特別限制，相對於介質總量，最好是0.005~0.4M、或0.01~0.3M、或0.05~0.2M。難溶性CDI的含量過少時，會有無法獲得足夠發電電流的疑慮。另一方面，難溶性CDI的含量過多時，電解液的顏色太深，會有光無法透過的疑慮。
本發明的電解質組成物在不損害本發明效果的前提下，可以含有其他成份。
電解質組成物中可以含有的其他成份包括例如CDI以外的電解質、鹼基、未包接碘的環糊精等。
在本發明電解質組成物中添加CDI以外的電解質時，應用在太陽電池的電解質層中時可以提高發電特性。這類的電解質包括例如碘化鋰、碘化鈉、碘化鉀、碘化銫、碘化鈣等金屬碘化鹽；碘化四烷基銨、碘化吡啶、碘化咪唑鹽等第4級銨碘化鹽；溴化鋰、溴化鈉、溴化鉀、溴化銫、溴化鈣等金屬溴化鹽；溴化四烷基銨、溴化吡啶等第4級銨溴化物鹽；氰亞鐵酸鹽－氰鐵酸鹽、二茂鐵(Ferrocene)－鍺錯合物(Ferricinium)離子等金屬錯合物；聚硫化鈉、烷基硫醇－烷基二硫化物(alkylthiol－alkyldisulfide)等硫化物；紫原色素(viologen dye)；對苯二酚－醌；1－丙基－2,3－二甲基咪唑－碘素(DMPII)等有機溶融鹽等。
添加鹼基，可以提升電解質層、半導體電極以及對向電極間的電子授受效率。所用的鹼基包括例如4－三－丁基吡啶(4－TBP)、N－甲基苯並咪唑、2－甲基吡啶、26－二甲吡啶等。要提升光電轉換效率及耐久性時最好添加含有嘧啶環的鹼基。
未包接碘的環糊精，隨著發電的進行會包接由所產生的而形成CDI。因此在本發明中，電解質組成物中未包接碘的環糊精具有儲存碘和形成導電通道的功能。可添加的環糊精並無特別限制，可以添加常見的環糊精。但是如果環糊精包接碘後會形成容易溶解在溶劑的CDI，如果添加過量這類的環糊精例如甲基－β－環糊精時，，會降低原本在電解質組成物中使用難溶性CDI的效果，會有無法發揮本發明作用的疑慮。因此，在本發明的電解質組成物中所添加未包接碘的環糊精，最好使用上述構成難溶性CDI的環糊精。
在本發明的電解質組成物中，與環糊精包接形成包接化合物的碘原子(I)比例並無特別限制，約為40~99質量%、或60~97質量%以上、最好是80~95質量%。比例太少時，溶解在介質中的碘原子比例相對變高，會有電解質呈現碘顏色的問題。另一方面，比例過大時，具有氧化還原功能的碘量變少，會有電池效能變差的疑慮。
在本發明的電解質組成物中，難溶性CDI以外成份的含量並無特別限制，可以根據難溶性CDI含量和所需特性，進行適當的調整。
本發明電解質組成物的形態並無特別限制，介質可以使用液態組成物或固態組成物(例如凝膠狀)。但是從載子擴散的觀點來看，最好為液態組成物。如果是凝膠狀組成物時，會添加凝膠化劑或聚合起始劑，構成凝膠的基材中會含有高分子或聚合單體、這些成份的具體形態並無特別限制，可以參考一般常見的形態。
本發明的電解質組成物不需要特別的生產方式。例如將所需平均粒徑的難溶性CDI及其他必要添加劑，以預定濃度添加到介質中，經過攪拌，形成均勻的分散系統後，便可以得到本發明的電解質組成物。在製備電解質組成物時，當添加難溶性CDI形成分散系統後、最好去除不溶的難溶性CDI。而添加難溶性CDI後分散系統上的澄清溶液也可以作為液態電解質組成物。上述的形態、難溶性CDI的去除方法、去除比例等並無特別限制，可以根據電解質所需的顏色、電解質應用在太陽電池等元件所需的預定電池性能等進行適當的調整。
在準備難溶性CDI時，可以自己合成或是使用市售產品。自己合成難溶性CDI時，合成的方式並無特別限制，可以使用常見的合成方法。例如將β－環糊精、碘及碘溶解助劑(例如碘化鉀等)在水中進行反應，合成難溶性CDI碘－β－環糊精。但是也可以使用其他方法。
難溶性CDI的粒徑較大時，可以進一步進行粉碎，控制達到所需要的平均粒徑。粉碎的方法並無特別限制例如球磨、噴射研磨、對向撞擊處理、滾磨、珠磨等。粉碎時間等粉碎處理條件並無特別限制，可以根據所需的平均粒徑進行適當的調整。
本發明的電解質組成物中具有聚合起始劑時，藉由聚合處理可以得到凝膠狀的電解質組成物。聚合處理的方式並無特別限制，可以根據聚合起始劑的種類選擇適當的方法。例如添加熱聚合起始劑的偶氮系起始劑時，最好以熱處理進行聚合。
本發明的電解質組成物特別適合用於色素增感型太陽電池電解質層中的電解質。本發明另一實施例的色素增感型太陽電池具有：透明電極和半導體電極積層而成的光電極，以及對向電極。上述光電極中的半導體電極和上述對向電極間夾有電解質層，上述的電解質層中含有上述的電解質組成物。接下來參考圖示說明本發明的太陽電池的較佳實施例。本發明的太陽電池除了電解質層具有上述電解質組成物之外，其他可以採用與傳統太陽電池同樣的形態。以下的說明及圖示的形態僅供參考，本發明並不限於太陽電池的技術範圍內。
第2圖是本發明太陽電池較佳實施例的截面圖。為了說明方便，圖面的尺寸比率比較誇大和實際形態不同。
如第2圖，太陽電池10具有光電極100、對向電極200、藉由間隙子300隔開包夾在光電極100和對向電極200之間的電解質層400。其中光電極100主要是由透明電極120、半導體電極140所構成的2層結構，而半導體電極140則配置在電解質層400側。
太陽電池10是利用太陽光等光能量來進行發電的系統。太陽電池10發電時，附著在半導體電極140上的增感色素受到照射光能量的激發，從激發的增感色素將電子注入半導體電極140。注入半導體電極140的電子集中在透明電極120並流向外部，對外部負載進行作工。接下來詳細說明太陽電池10各個構成部份。
透明電極120是配置在太陽電池10接受光照射(例如太陽光)面的電極、並與半導體電極140一起構成光電極100。如第2圖、透明電極120是在半導體電極140側形成透明導電膜124的透明基板122。透明導電膜124的材料包括例如液晶面板所用的透明電極。透明電極包括例如摻雜氟的氧化錫玻璃、氧化銦錫玻璃、氧化鋅：鍍鋁玻璃、摻雜銻的氧化錫玻璃等。
如第2圖，構成透明電極124的透明基板122可以使用玻璃基板或其他材料。其他可使用的材料包括例如透明塑膠基板、透明無機物結晶體等。其中，透明電極120的形狀和尺寸並無特別限制。此外，根據不同應用，透明電極120在透明基板122側的表面，可以增加抗反射膜等各種保護層(未圖示)。
透明電極120可以使用市售產品，也可以自己在透明基板122的表面形成透明導電膜124。在透明基板122表面形成透明導電膜124的方法包括例如噴灑塗佈法、真空蒸鍍法、濺鍍法、CVD法、溶液凝膠法等薄膜形成技術。
如第2圖，在透明電極120具有透明導電膜124的那面具有半導體電極140。半導體電極140與電解質層中所含的電解質接觸，同後述半導體電極140具有將由增感色素所注入的電子往透明電極120傳遞的功能。半導體電極120的材料並無特別限制，可以使用習知的氧化物半導體粒子例如：氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、氧化鈮、氧化銦、氧化鎢、氧化鋯、氧化鑭、氧化鉭、鈦酸鍶、鈦酸鋇。從對藥品長期安定性的觀點來看，最好使用銳鈦礦型二氧化鈦。氧化物半導體粒子的平均粒徑並無特別限制，最好在10~30nm的範圍內。
在透明電極120的透明導電膜124側的表面上形成半導體電極140的方法包括，例如調製含氧化物半導體粒子的分散液，然後在透明導電膜124的表面上塗佈該分散液並經過乾燥後燒結的方法。
調製分散液時，將氧化物半導體粒子和其他必要的添加劑(例如界面活性劑和粘度調節劑等)與適當的溶劑，均勻攪拌分散。使用的溶劑並無特別限制，例如水、有機溶劑、及這些的混合溶劑等。分散液的塗佈方法，塗膜的乾燥及燒結方法等也無特別限制，可以使用一般常用的方法。
構成半導體電極140材料(例如銳鈦礦型二氧化鈦)的粒子表面上附有增感色素(未圖示)。這些增感色素受到太陽光(最好是可見光~紅外線的波長、或420~800nm的波長)照射的光能量激發，當由激態回到基態時，會向半導體電極140構成材料的粒子傳遞電子。當電子跑到半導體電極140之後，增感色素會殘留電洞(h＋ )，這些電洞會將電解質層400中電解質的氧化還原對的還原劑(例如)氧化成氧化劑(例如)而消失。
所使用的增感色素只要具有上述功能即可，並無特別限制，可以使用常見的增感色素包括例如金屬錯合物和有機色素等。金屬錯合物包括例如N3色素－釘(2,2'－二吡啶－44'－二乙酯)2 (NCS)2 ．2H2 O〔Ruthenium(2,2'－bipyridyl－4，4'－dicarboxylate)2 (NCS)2 ．2H2 O〕、N719色素一釘(2,2'－二吡啶－44'－二乙酯)2 (NCS2 )2 ．2(四丁基銨)(Ruthenium(2,2'－bipyridyl－4，4'－dicarboxylate)2 (NCS)2 ．2(Tetrabutylammonium))等；有機色素包括例如NKX－2877香豆素色素(株式会社林原生物化學研究所製)、D－102部花青素色素(三菱製紙株式会社製)、D－149二氫吲哚色素(三菱製紙株式会社製)等。除了上述之外，也可以使用其他的增感色素。
在半導體電極140材料的粒子表面附著增感色素的方法並無特別限制，可以使用化學吸附法或物理吸附法等習知方法。以物理吸附法為例，先將將增感色素添加到適當的溶劑中調配成色素溶液。溶劑並無特別限制可以使用乙腈、丁腈等腈系溶劑；第三丁醇、乙醇等醇系溶劑；以及這些的混合溶劑等。接著將半導體電極140泡在色素溶液中。經過必要的乾燥處理之後，半導體電極140材料的粒子表面便附著有增感色素。浸泡時，加熱循環色素溶液可以促進增感色素的吸附。
對向電極200是配置在光電極100對向的電極(也就是照射光入射面的對向面)。對向電極200具有給予電解質層400中的氧化劑(例如)電子的功能。藉此將該氧化劑還原成還原劑(例如)。而還原所產生的還原劑，藉由上述半導體電極140表面上增感色素的電洞產生氧化而回復成氧化劑。藉由反覆上述的操作，進行發電循環。
對向電極200的材料可以使用與例如液晶面板或矽太陽電池等同樣的材料。實際上可以使用與上述透明電極120同樣的材料。例如透明基板和透明導電膜的積層結構。使用這種積層結構時，透明導電膜會配置在電解質層400側。
對向電極200在電解質層400側的表面上(對向電極200為透明基板和透明導電膜的積層結構時，透明導電膜的表面)，如第2圖，最好配置有金屬薄膜電極220。金屬薄膜電極220可以幫助對向電極200和電解質層400中的氧化還原對，彼此之間的電子授受。金屬薄膜電極220的材料並無特別限制可以使用例如白金、金等金屬；或碳、導電性高分子等導電性材料。特別是使用白金作為金屬薄膜電極220時，可以進一步提升電子的授受。
對向電極200可以使用市售產品、或使用與上述透明電極120同樣的方法或自己製作。
在對向電極200電解質層400側的表面上形成金屬薄膜電極220的方法，並無特別限制，可以使用與透明基板122表面上形成透明導電膜124同樣的方法(例如濺鍍法)。
間隙子300具有提供電解質層400保持固定間隔的功能。間隙子300的材料並無特別限制，例如氧化矽珠、塑膠珠等。為了防止電解質從電解質層400中洩漏出來，通常會使用黏著劑將這些材料封裝起來。封裝間隙子的黏著劑並無特別限制，例如環氧樹酯、矽橡膠、烯烴系樹酯、離子聚合物等。
電解質層400含有電解質。本發明太陽電池的特徵之一是含有上述的電解質組成物。該電解質組成物的具體形態如上述，故省略詳細說明。
如上述，本發明實施例的電解質組成物中具有分散在介質中，特定平均粒徑的難溶性CDI。在具有氧化還原對作用的及中，會呈現暗褐色的在電解質中主要是以與CDI包接的形態存在。未與CDI包接且可以溶解在溶液中的濃度僅是發電反應所必須的最低濃度。因此該電解質組成物與傳統太陽電池的電解質組成物相比，可以顯著地減少碘的暗褐色。而本發明含有該電解質組成物的太陽電池的電解質層400也可以減少碘的暗褐色。因此本發明的太陽電池可以使用在原本因為碘顏色而無法使用的用途。也就是本發明可以提供具有優異設計性的太陽電池。
本發明的太陽電池也具有良好的耐久性。其原因如下。傳統的太陽電池由於電解質中部份的會產生→I2 ＋反應而造成分解，生成的I2 會消耗到電解質層的外部。相對的，本發明的太陽電池，雖然遵循同樣反應，但是發電反應所必要的會溶解在電解質中，而其他的則與CDI包接，因此可以抑制I2 的昇華而不會有傳統的問題。因此可以提高太陽電池的耐久性。
以上雖然以色素增感型太陽電池為例，來說明本發明電解質組成物的用途，但是該電解質組成物的應用範圍並不以色素增感型太陽電池為限。本發明的電解質組成物可以廣泛地應用在使用碘氧化還原介質的系統中，例如電池之外，與色素增感光觸媒組合所構成的水分解系統。本發明的電池也可以和傳統的單晶矽型太陽電池、多晶矽型太陽電池、非晶矽型太陽電池、化合物半導體太陽電池等並聯或串聯成電池組使用。這些電池和系統的具體形態並無特別限制、可以參考常見的系統。
接下來以實施例詳細說明本發明，但本發明的申請專利範圍並不限於以下的實施例。
<實施例1>
使用3－甲氧基丙腈(3－MPN)作為溶劑。
另一方面以碘－β－環糊精包接化合物(日宝化學株式会社製「BCDI－20」)作為難溶性CDI。在25℃時，該CDI在3－MPN中的溶解度低於0.1mg/ml。
接著，將準備的難溶性CDI以球磨粉碎變成微粉末。以雷射繞射/散射法測量所得到的微粉末平均粒徑為10μm。
在溶劑3－MPN中添加上述所得到的難溶性CDI(BCDI－20)微粉末(0.05M)、碘化鹽的碘化鋰(LII)(0.1M)、鹼基的4－三－丁基吡啶(4－TBP)(0.5M)、以及有機溶融鹽化合物的1－丙基－2,3－二甲咪唑－碘素(DMPII)(0.6M)，得到攪拌均勻的分散液，以該分散液作為本實施例的電解質組成物(電解液)。
<實施例2及3>
除了在配製電解液時，將碘－β－環糊精包接化合物的濃度改為0.1M(實施例2)及0.2M(實施例3)之外，其他與實施例1相同，可以得到均勻分散液。以這些分散液作為各實施例的電解液。
<比較例1>
除了以添加0.05M濃度的碘(I2)取代碘－β－環糊精包接化合物之外，其他與實施例1相同，可以得到均勻的暗褐色分散液，以該分散液作為比較例1的電解液。
<比較例2>
除了以添加77mg/ml(約0.05M)濃度的碘－甲基－β－環糊精包接化合物(日宝化學株式会社製「MCDI」)取代碘－β－環糊精包接化合物之外，其他與實施例1相同，可以得到均勻的溶液，以該溶液作為比較例2的電解液。測量本比較例所得到電解液的吸光度，並與實施例1所得到的電解液比較。在全波長的範圍中，其吸光度的值是實施例1的2.6倍。
<比較例3>
在比較例1所得到的電解液中添加57mg/ml(0.05M)的β－環糊精，可以得到暗褐色的均勻分散液，以該分散液作為比較例3的電解液。測量本比較例所得到電解液的吸光度。以目視看不出顏色會隨時間改變，雖然添加β－環糊精仍然會維持暗褐色。因此在含有碘的電解液中額外添加環糊精並無法改善電解液的顏色問題。
<可見光吸光度的測量>
對實施例1~3和比較例1及2所得到的電解液進行可見光吸光度的測量。
吸光度使用UV－VIS吸光度測量儀(UV－2450；株式会社島津製作所製)來進行測量，以400~800nm的波長範圍進行掃描。在測量儀中，試片單元沿光照射方向的長度為10mm。控制樣品溶液除了不含碘化合物的碘－β－環糊精及碘化鋰之外，其他與實施例1相同。吸光度測量的結果如第3圖。
如第3圖，針對增感色素吸光度最佳波長的550nm，相較於比較例，實施例電解液的吸光度明顯較低。此外，當添加CDI的濃度較低時，吸光度也會較低。因此，本發明的電解質組成物可以減少太陽電池中因為碘所產生的顏色問題。
<光電轉換效率的測量>
使用上述實施例1及比較例1所得到的電解液，根據以下方法製作色素增感型太陽電池並測量光電轉換效率。
透明電極如第2圖，準備由透明基板及透明導電膜(厚度：750)2層所構成的導電玻璃基板(日本板硝子株式会社製，厚度：1mm)。在玻璃基板的一面，塗佈具有銳鈦礦型二氧化鈦粒子(平均粒徑：21nm)分散在硝酸水溶液(pH7.0)中所構成的分散液(粒子濃度：30質量%)，以500℃燒結30分鐘，在玻璃基板的表面形成二氧化鈦的半導體電極(厚度：10 μ m)。然後，將形成半導體電極的玻璃基板浸泡在含有0.03質量% N3色素的乙腈/第三丁醇混合溶液(體積比1：1)中，維持30℃放置12時間，讓半導體電極表面吸附N3色素，製作成光電極。
另一方面，準備另一片同樣的導電玻璃基板，在基板的一面以濺鍍法形成具有白金微粒子的金屬薄膜電極作為對向電極。
將上述製作的光電極及對向電極，讓半導體電極及白金層彼此面對，在中間加入間隙子(厚度：30 μ m)進行夾層。接著將實施例1和比較例1所得到的電解液注入以離子聚合物薄膜作為間隙子所形成的間隙中，完成色素增感型太陽電池。
測量上述2個色素增感型太陽電池的光電轉換效率。以陽光模擬器(YSS－80；山下電裝株式会社製)氙氣燈光源所產生的模擬太陽光經過AM濾鏡(AM1.5)後照射所得到的太陽電池，並測量電流－電壓特性。所使用的照射光強度為100mW/cm2 。光電轉換效率η可由下式1求出。
式中，VO C 為開路電壓(V)、JS C 為短路電流密度(mA/cm2 )、F.F.為曲線因子(Filling Factir)、P0 為照射光強度(mW/cm2 )。
使用比較例1電解液的太陽電池測量到的轉換效率為5.78%，而使用實施例1電解液的太陽電池轉換效率為5.55%，兩者的轉換效率幾乎相同。
因此本發明的電解質組成，除了可以減少碘所造成的顏色問題之外，也不會造成轉換效率降低。
<比較例4>
除了改用平均粒徑為30 μ m的BCDI－20之外，其他與實施例1相同，所得到的均勻分散液作為比較例4的電解液。
除了改用上述比較例4的電解液之外，其他與上述「光電轉換效率的測量」中所敘述的方法相同，可以得到色素增感型太陽電池。
其結果將電解液全部均勻地注入由離子聚合物薄膜所構成的間隙子間所形成間隙時，無法將BCDI－20全部均勻地注入，且可以發現半導體電極的二氧化鈦表面會有損傷。其原因可能是因為電解液中的BCDI－20粒徑很接近間隙子所形成的間隙厚度。
本專利申請書是根據2005年5月19日申請的日本專利申請書第2005－147005號為基礎，因此其中的內容可以作為本發明的參考。
10．．．太陽電池
100．．．光電極
120．．．透明電極
122．．．透明基板
124．．．透明導電膜
140．．．半導體電極
200．．．對向電極
220．．．金屬薄膜電極
300．．．間隙子
400．．．電解質層
第1圖是定義難溶性CDI粒徑絕對長度的說明圖。
第2圖是本發明太陽電池較佳實施例的截面圖。
第3圖是本發明實施例吸光度的測量結果
10．．．太陽電池
100．．．光電極
120．．．透明電極
122．．．透明基板
124．．．透明導電膜
140．．．半導體電極
200．．．對向電極
220．．．金屬薄膜電極
300．．．間隙子
400．．．電解質層

Claims (6)

  1. 一種電解質組成物，含有介質以及對上述介質具難溶性、平均粒徑小於20μm的碘-環糊精包接化合物。
  2. 如申請專利範圍第1項的電解質組成物，其中構成碘-環糊精包接化合物的環糊精為β-環糊精。
  3. 如申請專利範圍第1項的電解質組成物，其中碘-環糊精包接化合物的濃度，相對於介質總量為1~30質量%。
  4. 如申請專利範圍第1~3項中任一項的電解質組成物，為液態組成物。
  5. 如申請專利範圍第4項的電解質組成物，其中構成液態組成物的溶劑可以從腈系溶劑、內酯系溶劑、碳酸酯系溶劑、二醇系溶劑、及離子性液體中選擇一種或兩種以上。
  6. 一種色素增感型太陽電池，具有：由透明電極及半導體電極積層而成的光電極；對向電極；及，在光電極的半導體電極和對向電極間包夾電解質層，其中的電解質層含有申請專利範圍第1~5項各項中所揭露的電解質組成物。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2296215A4 (en) * 2008-06-24 2011-07-20 Panasonic Elec Works Co Ltd COLOR-SENSITIZED SOLAR CELL
TWI448504B (zh) * 2009-04-17 2014-08-11 Univ Nat Cheng Kung 電解質膠化劑及利用其製備之膠態電解質
TWI460426B (zh) * 2011-06-21 2014-11-11 Univ Nat Central 應用於毒品偵測的酸性氣體偵測方法及裝置
JP2013161751A (ja) * 2012-02-08 2013-08-19 Fujifilm Corp 光電変換素子およびその製造方法、これを用いた色素増感太陽電池
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004235011A (ja) * 2003-01-30 2004-08-19 Mitsubishi Paper Mills Ltd ヨウ素−シクロデキストリン包接化物用いた電解液、並びにそれを用いた光電変換素子
JP2004327271A (ja) * 2003-04-25 2004-11-18 Toyo Ink Mfg Co Ltd 高分子ゲル電解質、およびそれを用いた光電変換素子
JP2005071895A (ja) * 2003-08-27 2005-03-17 Toyo Ink Mfg Co Ltd 色素増感型光電変換素子用電解質組成物、それを用いた光電変換素子。
JP2005093313A (ja) * 2003-09-19 2005-04-07 Toyo Ink Mfg Co Ltd 色素増感型光電変換素子用電解質組成物、それを用いた光電変換素子。

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