JP2003303629A - 色素増感太陽電池 - Google Patents
色素増感太陽電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 変換効率に優れた色素増感太陽電池を提供す
る。 【解決手段】 本発明に係る色素増感太陽電池は、透明
基板１の表面に形成された電極２と対向電極６との間
に、色素を担持した光吸収粒子からなる光吸収層３と電
解質層５とを備えてなる色素増感太陽電池であって、上
記光吸収層３中に上記光吸収粒子と異なる粒径を有する
光散乱粒子４を含有することを特徴とするものである。
以上のように構成された本発明に係る色素増感太陽電池
では、従来の構造では光吸収層を透過していた光のエネ
ルギーの多くを光吸収層において色素に吸収することが
できるため、変換効率を向上させることができ、色素増
感太陽電池の出力電流を増大させることができる。
る。 【解決手段】 本発明に係る色素増感太陽電池は、透明
基板１の表面に形成された電極２と対向電極６との間
に、色素を担持した光吸収粒子からなる光吸収層３と電
解質層５とを備えてなる色素増感太陽電池であって、上
記光吸収層３中に上記光吸収粒子と異なる粒径を有する
光散乱粒子４を含有することを特徴とするものである。
以上のように構成された本発明に係る色素増感太陽電池
では、従来の構造では光吸収層を透過していた光のエネ
ルギーの多くを光吸収層において色素に吸収することが
できるため、変換効率を向上させることができ、色素増
感太陽電池の出力電流を増大させることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、色素増感太陽電池
に関し、特に入射光量に対する電池出力の比で表される
変換効率の向上を図った色素増感太陽電池に関するもの
である。
に関し、特に入射光量に対する電池出力の比で表される
変換効率の向上を図った色素増感太陽電池に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】わが国において、太陽光発電システムは
導入・普及の段階に達しており、シリコンのｐｎ接合を
用いた太陽電池は一部市場に出回っているものの、配電
線から購入する電力料金と比較して大幅にコストが高
く、太陽光発電システムの普及のためには太陽電池の低
コスト化が必要とされている。図３は、従来の色素増感
太陽電池のセルの断面構造を示す模式図であり、１０１
はガラス基板、１０２はガラス基板１０１の下面に設け
られた透明な材料による電極１０２で、例えばフッ素
（Ｆ）をドープした酸化スズ（ＳｎＯ２）が用いられ
る。１０３は光吸収層であり、表面に色素１０３ｂを吸
着した粒径がほぼ５０ｎｍ以下の酸化チタンなどよりな
る半導体微粒子１０３ａが電極１０２に堆積されている
ものである。この光吸収層１０３は１０μｍ以下程度の
薄い膜状に形成される。１０４は電解液であり、光吸収
層１０３を含み、或いは電解液１０４が光吸収層１０３
に浸潤するように設けられている。また、１０５は対向
電極である。
導入・普及の段階に達しており、シリコンのｐｎ接合を
用いた太陽電池は一部市場に出回っているものの、配電
線から購入する電力料金と比較して大幅にコストが高
く、太陽光発電システムの普及のためには太陽電池の低
コスト化が必要とされている。図３は、従来の色素増感
太陽電池のセルの断面構造を示す模式図であり、１０１
はガラス基板、１０２はガラス基板１０１の下面に設け
られた透明な材料による電極１０２で、例えばフッ素
（Ｆ）をドープした酸化スズ（ＳｎＯ２）が用いられ
る。１０３は光吸収層であり、表面に色素１０３ｂを吸
着した粒径がほぼ５０ｎｍ以下の酸化チタンなどよりな
る半導体微粒子１０３ａが電極１０２に堆積されている
ものである。この光吸収層１０３は１０μｍ以下程度の
薄い膜状に形成される。１０４は電解液であり、光吸収
層１０３を含み、或いは電解液１０４が光吸収層１０３
に浸潤するように設けられている。また、１０５は対向
電極である。
【０００３】このような色素増感太陽電池は、半導体の
ｐｎ接合による太陽電池と比べた場合、より長い波長の
領域の光を電力に変換することができるという利点を有
している。また、作製に多くのエネルギーを用いるｐｎ
接合型太陽電池に比べて、比較的少ないエネルギーで太
陽電池を作製することができるという利点も有する。
ｐｎ接合による太陽電池と比べた場合、より長い波長の
領域の光を電力に変換することができるという利点を有
している。また、作製に多くのエネルギーを用いるｐｎ
接合型太陽電池に比べて、比較的少ないエネルギーで太
陽電池を作製することができるという利点も有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな利点を有しながらも色素増感太陽電池においては変
換効率が低いことが実用化の大きな障害となっている。
この変換効率の低さは、色素１０３ｂ自体の光の吸収が
非常に小さいことによる長波長領域の光の透過に原因が
ある。そして、これを改善するためには、色素１０３ｂ
を吸着させた半導体微粒子１０３ａによる光吸収層１０
３を厚くする手法もあるが、光吸収層１０３は、その構
造上の理由から直列抵抗が高く、光吸収層１０３を厚く
した場合には変換効率の低下をさらに大きくするという
問題がある。
うな利点を有しながらも色素増感太陽電池においては変
換効率が低いことが実用化の大きな障害となっている。
この変換効率の低さは、色素１０３ｂ自体の光の吸収が
非常に小さいことによる長波長領域の光の透過に原因が
ある。そして、これを改善するためには、色素１０３ｂ
を吸着させた半導体微粒子１０３ａによる光吸収層１０
３を厚くする手法もあるが、光吸収層１０３は、その構
造上の理由から直列抵抗が高く、光吸収層１０３を厚く
した場合には変換効率の低下をさらに大きくするという
問題がある。
【０００５】また逆に、直列抵抗を改善するために光吸
収層１０３を薄膜化した場合は、長波長領域の光の透過
をさらに増加させる、すなわち光の吸収効率を低下させ
ることになり、いずれの場合も変換効率を高めることが
困難であった。したがって、上記において指摘した二律
背反の変換効率と光吸収効率とをともに両立した色素増
感太陽電池は未だ確立されていないのが現状である。
収層１０３を薄膜化した場合は、長波長領域の光の透過
をさらに増加させる、すなわち光の吸収効率を低下させ
ることになり、いずれの場合も変換効率を高めることが
困難であった。したがって、上記において指摘した二律
背反の変換効率と光吸収効率とをともに両立した色素増
感太陽電池は未だ確立されていないのが現状である。
【０００６】そこで、本発明は、上述した従来の問題点
に鑑みて創案されたものであり、変換効率に優れた色素
増感太陽電池を提供することを目的とする。
に鑑みて創案されたものであり、変換効率に優れた色素
増感太陽電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る色素増感太
陽電池は、透明基板の表面に形成された電極と対向電極
との間に、増感色素を担持した光吸収粒子からなる光吸
収層と電解質層とを備えてなる色素増感太陽電池であっ
て、光吸収層中に光吸収粒子と異なる粒径を有する光散
乱粒子を含有することを特徴とするものである。
陽電池は、透明基板の表面に形成された電極と対向電極
との間に、増感色素を担持した光吸収粒子からなる光吸
収層と電解質層とを備えてなる色素増感太陽電池であっ
て、光吸収層中に光吸収粒子と異なる粒径を有する光散
乱粒子を含有することを特徴とするものである。
【０００８】以上のように構成された本発明に係る色素
増感太陽電池では、光吸収層中に光吸収粒子と異なる粒
径を有する光散乱粒子を含有することにより、光収集層
に入射した光に十分な散乱が生じ、光吸収層を透過する
までの光路長が長くなる。これにより、散乱された光は
光吸収粒子の色素により吸収されやすくなり、吸収量が
大幅に増加する。その結果、従来の構造では光吸収層を
透過していた光のエネルギーの多くを光吸収層において
色素に吸収することができるため、変換効率を向上させ
ることができ、色素増感太陽電池の出力電流を増大させ
ることができる。
増感太陽電池では、光吸収層中に光吸収粒子と異なる粒
径を有する光散乱粒子を含有することにより、光収集層
に入射した光に十分な散乱が生じ、光吸収層を透過する
までの光路長が長くなる。これにより、散乱された光は
光吸収粒子の色素により吸収されやすくなり、吸収量が
大幅に増加する。その結果、従来の構造では光吸収層を
透過していた光のエネルギーの多くを光吸収層において
色素に吸収することができるため、変換効率を向上させ
ることができ、色素増感太陽電池の出力電流を増大させ
ることができる。
【０００９】また、本発明に係る色素増感太陽電池は、
以上のような構成とすることにより変換効率の向上のた
めに光吸収層の厚みを厚くすることが不要であり、光吸
収層の直列抵抗の増大がないため光吸収層の直列抵抗の
増大に起因した変換効率の低下が生じることがない。し
たがって、光吸収層を薄膜化した状態において変換効率
を向上させることができる。
以上のような構成とすることにより変換効率の向上のた
めに光吸収層の厚みを厚くすることが不要であり、光吸
収層の直列抵抗の増大がないため光吸収層の直列抵抗の
増大に起因した変換効率の低下が生じることがない。し
たがって、光吸収層を薄膜化した状態において変換効率
を向上させることができる。
【００１０】そして、これらの効果は、長波長領域の光
に対して特に有効であり、光吸収層を薄膜化した状態に
おいても長波長領域光の透過に起因した変換効率の低さ
を改善し、変換効率を向上させることができる。
に対して特に有効であり、光吸収層を薄膜化した状態に
おいても長波長領域光の透過に起因した変換効率の低さ
を改善し、変換効率を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲に
おいて適宜変更可能である。
ら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲に
おいて適宜変更可能である。
【００１２】本発明に係る色素増感太陽電池は、透明基
板の表面に形成された電極と対向電極との間に、色素を
担持した光吸収粒子からなる光吸収層と電解質層とを備
えてなる色素増感太陽電池であって、光吸収層中に光吸
収粒子と異なる粒径を有する光散乱粒子を含有すること
を特徴とするものである。
板の表面に形成された電極と対向電極との間に、色素を
担持した光吸収粒子からなる光吸収層と電解質層とを備
えてなる色素増感太陽電池であって、光吸収層中に光吸
収粒子と異なる粒径を有する光散乱粒子を含有すること
を特徴とするものである。
【００１３】図１は、本発明に係る色素増感太陽電池の
セルの断面構造を模式的に示す断面図である。図１にお
いて色素増感太陽電池のセルは、透明基板１と、電極２
と、光吸収層３と、光散乱粒子４と、電解質層５と、対
向電極６とを備えて構成される。
セルの断面構造を模式的に示す断面図である。図１にお
いて色素増感太陽電池のセルは、透明基板１と、電極２
と、光吸収層３と、光散乱粒子４と、電解質層５と、対
向電極６とを備えて構成される。
【００１４】透明基板１としては、透明性を有している
ものであれば特に限定されるものではなく、例えばガラ
ス基板を用いることができる。
ものであれば特に限定されるものではなく、例えばガラ
ス基板を用いることができる。
【００１５】電極２は、透明基板１の下面に透明な材料
により形成された電極である。電極の材料としては、導
電性及び透明性を有しているものであればどのようなも
のでも採用することができるが、導電性、透明性、さら
に耐熱性を高いレベルで併せ持つ点から、スズ系酸化物
などが好適であり、またコストの面ではＩＴＯが好まし
い。
により形成された電極である。電極の材料としては、導
電性及び透明性を有しているものであればどのようなも
のでも採用することができるが、導電性、透明性、さら
に耐熱性を高いレベルで併せ持つ点から、スズ系酸化物
などが好適であり、またコストの面ではＩＴＯが好まし
い。
【００１６】光吸収層３は、色素３ｂを担持した光吸収
粒子が電極２上に堆積されてなるものであり、色素３ｂ
が透明基板１及び電極２を透過して光吸収層３に入射し
た光を吸収する。ここで、光吸収粒子は色素３ｂを吸着
した半導体微粒子３ａであり、半導体微粒子３ａとして
はシリコンに代表される単体半導体の他に、化合物半導
体またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用す
ることができる。これらの半導体は、光励起下で伝導帯
電子がキャリアーとなりアノード電流を与えるｎ型半導
体であることが好ましい。具体的に例示するとＴｉＯ２
（チタニア）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｎｂ
２Ｏ５、ＴｉＳｒＯ３などが挙げられ、特に好ましくは
アナターゼ型のＴｉＯ２である。また、半導体の種類は
これらに限定されるものではなく、また、これらを単独
もしくは２種類以上混合して用いることができる。ま
た、光吸収粒子は、より多くの光を吸収するためにその
表面積を大きくすることが好ましく、このため半導体微
粒子の粒径は２０ｎｍ以下程度とされることが好まし
い。
粒子が電極２上に堆積されてなるものであり、色素３ｂ
が透明基板１及び電極２を透過して光吸収層３に入射し
た光を吸収する。ここで、光吸収粒子は色素３ｂを吸着
した半導体微粒子３ａであり、半導体微粒子３ａとして
はシリコンに代表される単体半導体の他に、化合物半導
体またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用す
ることができる。これらの半導体は、光励起下で伝導帯
電子がキャリアーとなりアノード電流を与えるｎ型半導
体であることが好ましい。具体的に例示するとＴｉＯ２
（チタニア）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、Ｎｂ
２Ｏ５、ＴｉＳｒＯ３などが挙げられ、特に好ましくは
アナターゼ型のＴｉＯ２である。また、半導体の種類は
これらに限定されるものではなく、また、これらを単独
もしくは２種類以上混合して用いることができる。ま
た、光吸収粒子は、より多くの光を吸収するためにその
表面積を大きくすることが好ましく、このため半導体微
粒子の粒径は２０ｎｍ以下程度とされることが好まし
い。
【００１７】半導体微粒子に吸着させる色素３ｂとして
は、例えばルテニウム色素が好適である。しかしなが
ら、半導体微粒子に吸着させる色素は、電荷分離機能を
有し増感作用を示すものであれば特に限定されるもので
はなく、ルテニウム色素の他にも、例えばローダミン
Ｂ、ローズベンガル、エオシン、エリスロシン等のキサ
ンテン系色素、キノシアニン、クリプトシアニン等のシ
アニン系色素、フェノサフラニン、カブリブルー、チオ
シン、メチレンブルー等の塩基性染料、クロロフィル、
亜鉛ポルフィリン、マグネシウムポルフィリン等のポル
フィリン系化合物、その他アゾ色素、フタロシアニン化
合物、Ｒｕトリスビピリジル等の錯化合物、アントラキ
ノン系色素、多環キノン系色素等が挙げられ、これらを
単独もしくは２種類以上混合して用いることができる。
は、例えばルテニウム色素が好適である。しかしなが
ら、半導体微粒子に吸着させる色素は、電荷分離機能を
有し増感作用を示すものであれば特に限定されるもので
はなく、ルテニウム色素の他にも、例えばローダミン
Ｂ、ローズベンガル、エオシン、エリスロシン等のキサ
ンテン系色素、キノシアニン、クリプトシアニン等のシ
アニン系色素、フェノサフラニン、カブリブルー、チオ
シン、メチレンブルー等の塩基性染料、クロロフィル、
亜鉛ポルフィリン、マグネシウムポルフィリン等のポル
フィリン系化合物、その他アゾ色素、フタロシアニン化
合物、Ｒｕトリスビピリジル等の錯化合物、アントラキ
ノン系色素、多環キノン系色素等が挙げられ、これらを
単独もしくは２種類以上混合して用いることができる。
【００１８】また、光吸収層３の膜厚は、１５μｍ以下
とすることが好ましい。光吸収層３はその構造上の理由
から直列抵抗が大きく、直列抵抗の増加は変換効率の低
下を招く。そこで、光吸収層３の膜厚を１５μｍ以下と
することにより、光吸収層３の機能を維持しつつ、光吸
収層３の直列抵抗を低く抑え、変換効率の低下を防ぐこ
とができる。
とすることが好ましい。光吸収層３はその構造上の理由
から直列抵抗が大きく、直列抵抗の増加は変換効率の低
下を招く。そこで、光吸収層３の膜厚を１５μｍ以下と
することにより、光吸収層３の機能を維持しつつ、光吸
収層３の直列抵抗を低く抑え、変換効率の低下を防ぐこ
とができる。
【００１９】光散乱粒子４は、透明基板１及び電極２を
透過して光吸収層３に入射した光を散乱させるためのも
のであり、光吸収層３中に混合されている。ここで、光
散乱粒子４の粒径は光吸収粒子の粒径と異なる粒径とさ
れている。また、光散乱粒子４の粒径は光吸収粒子の粒
径よりも大とされている。このような光散乱粒子４を光
吸収層３に混合させることにより光吸収層３に入射した
光を十分に散乱させることが可能となる。そして、散乱
された光は、直線方向に光吸収層３を透過する光に比べ
てその透過のための光路長が非常に長くなるため光吸収
粒子の色素３ｂにより吸収されやすくなり、光吸収粒子
の色素３ｂによる吸収量が大幅に増加する。その結果、
光吸収層３を透過して電解質層に到達する光量は大きく
低下する。これにより、色素３ｂ自体の吸収率の低さを
改善することができ、変換効率を向上させることができ
る。
透過して光吸収層３に入射した光を散乱させるためのも
のであり、光吸収層３中に混合されている。ここで、光
散乱粒子４の粒径は光吸収粒子の粒径と異なる粒径とさ
れている。また、光散乱粒子４の粒径は光吸収粒子の粒
径よりも大とされている。このような光散乱粒子４を光
吸収層３に混合させることにより光吸収層３に入射した
光を十分に散乱させることが可能となる。そして、散乱
された光は、直線方向に光吸収層３を透過する光に比べ
てその透過のための光路長が非常に長くなるため光吸収
粒子の色素３ｂにより吸収されやすくなり、光吸収粒子
の色素３ｂによる吸収量が大幅に増加する。その結果、
光吸収層３を透過して電解質層に到達する光量は大きく
低下する。これにより、色素３ｂ自体の吸収率の低さを
改善することができ、変換効率を向上させることができ
る。
【００２０】また、以上の効果により、変換効率を向上
させるために光吸収層３の厚みを厚くすることが必要な
いため、光吸収層３の直列抵抗の増大をさせることがな
く、直列抵抗の増大により変換効率が低下するというこ
とも生じない。したがって、光吸収層３を薄膜化した状
態において変換効率を向上させることが可能である。
させるために光吸収層３の厚みを厚くすることが必要な
いため、光吸収層３の直列抵抗の増大をさせることがな
く、直列抵抗の増大により変換効率が低下するというこ
とも生じない。したがって、光吸収層３を薄膜化した状
態において変換効率を向上させることが可能である。
【００２１】そして、上記の効果は、長波長領域の光に
対して特に有効であり、長波長領域の透過に起因した変
換効率の低さを改善し、変換効率を向上させることが可
能である。
対して特に有効であり、長波長領域の透過に起因した変
換効率の低さを改善し、変換効率を向上させることが可
能である。
【００２２】このような光散乱粒子４は、粒径が２０ｎ
ｍ〜１００ｎｍ程度の、例えばルチル型酸化チタンなど
の高屈折材料粒子により構成される。そして、光散乱粒
子４の粒径を目的波長の１／２０よりもやや大きく設定
することにより、微粒子でも光の散乱を確実に起こすこ
とが可能である。
ｍ〜１００ｎｍ程度の、例えばルチル型酸化チタンなど
の高屈折材料粒子により構成される。そして、光散乱粒
子４の粒径を目的波長の１／２０よりもやや大きく設定
することにより、微粒子でも光の散乱を確実に起こすこ
とが可能である。
【００２３】また、光散乱粒子４には、光吸収のために
用いる粒子、すなわち光吸収粒子と同じ材料を用いるこ
とができる。光散乱粒子４に光吸収粒子と同じ材料を用
いて色素３ｂを担持させることにより、光散乱粒子４は
光吸収層３に入射した光を散乱させるとともに、それ自
体が光の吸収に寄与することもできる。
用いる粒子、すなわち光吸収粒子と同じ材料を用いるこ
とができる。光散乱粒子４に光吸収粒子と同じ材料を用
いて色素３ｂを担持させることにより、光散乱粒子４は
光吸収層３に入射した光を散乱させるとともに、それ自
体が光の吸収に寄与することもできる。
【００２４】また、光散乱粒子４には、光吸収粒子と異
なる材料を用いることも可能である。この場合にも、光
吸収粒子と異なる材料であっても光吸収粒子に使用可能
な材料を用いて色素３ｂを担持させることにより、光吸
収層３に入射した光を散乱させるとともに、それ自体が
光の吸収に寄与することもできる。
なる材料を用いることも可能である。この場合にも、光
吸収粒子と異なる材料であっても光吸収粒子に使用可能
な材料を用いて色素３ｂを担持させることにより、光吸
収層３に入射した光を散乱させるとともに、それ自体が
光の吸収に寄与することもできる。
【００２５】また、光散乱粒子４のみからなる層を別途
に設けるよりも上述したように光散乱粒子４を光吸収層
３中に混合する方が大きな粒子の光散乱粒子４の隙間に
小さな粒子である光吸収粒子を詰め込むことができるた
め空間を有効に活用することができ、また、上述したよ
うに光散乱粒子４自体も光吸収粒子として機能すること
が可能であるため光吸収係数が向上する。そして、色素
増感太陽電池の薄厚化に寄与することができる。
に設けるよりも上述したように光散乱粒子４を光吸収層
３中に混合する方が大きな粒子の光散乱粒子４の隙間に
小さな粒子である光吸収粒子を詰め込むことができるた
め空間を有効に活用することができ、また、上述したよ
うに光散乱粒子４自体も光吸収粒子として機能すること
が可能であるため光吸収係数が向上する。そして、色素
増感太陽電池の薄厚化に寄与することができる。
【００２６】電解質層５は、電解液からなり、光吸収層
３を含み、あるいは電解液が光吸収層３に浸潤するよう
に設けられているものである。電解液としては、例えば
ヨウ素のプロピレンカーボネート溶液を用いることがで
きる。また、電解液はこれに限られるものではなく、ホ
ール伝導機能があるものであれば従来公知のものが使用
できる。
３を含み、あるいは電解液が光吸収層３に浸潤するよう
に設けられているものである。電解液としては、例えば
ヨウ素のプロピレンカーボネート溶液を用いることがで
きる。また、電解液はこれに限られるものではなく、ホ
ール伝導機能があるものであれば従来公知のものが使用
できる。
【００２７】対向電極６は、導電性物質であれば任意の
ものを用いることができるが、絶縁性の物質でも半導体
電極に面している側に導電層が設置されていれば、これ
も使用可能である。ただし、電気化学的に安定である材
料を電極として用いることが好ましく、具体的には、白
金、金、およびカーボン等を用いることが好ましい。ま
た、酸化還元の触媒効果を向上させる目的で、半導体電
極に面している側は微細構造で表面積が増大しているこ
とが好ましく、例えば、白金であれば白金黒状態に、カ
ーボンであれば多孔質状態になっていることが好まし
い。白金黒状態は白金の陽極酸化法、塩化白金酸処理な
どによって、また多孔質状態のカーボンは、カーボン微
粒子の焼結や有機ポリマーの焼成などの方法により形成
することができる。
ものを用いることができるが、絶縁性の物質でも半導体
電極に面している側に導電層が設置されていれば、これ
も使用可能である。ただし、電気化学的に安定である材
料を電極として用いることが好ましく、具体的には、白
金、金、およびカーボン等を用いることが好ましい。ま
た、酸化還元の触媒効果を向上させる目的で、半導体電
極に面している側は微細構造で表面積が増大しているこ
とが好ましく、例えば、白金であれば白金黒状態に、カ
ーボンであれば多孔質状態になっていることが好まし
い。白金黒状態は白金の陽極酸化法、塩化白金酸処理な
どによって、また多孔質状態のカーボンは、カーボン微
粒子の焼結や有機ポリマーの焼成などの方法により形成
することができる。
【００２８】以上のように構成された本発明に係る色素
増感太陽電池構造の特徴は、上述したように光散乱粒子
４を光吸収層３に混合することにより、透明基板１から
入射して光吸収層３を透過していく光を色素３ｂにより
多く吸収させることである。すなわち、光吸収層３に光
散乱粒子４を混合すると、透明基板１から入射した光を
十分に散乱させることができ、光吸収層３を透過するま
での光路長が長くなる。その結果、散乱された光は光吸
収粒子の色素３ｂにより吸収されやすくなり、光吸収粒
子の色素３ｂによる吸収量が大幅に増加する。これによ
り、従来の構造では光吸収層３を透過していた光のエネ
ルギーの多くを光吸収層３において色素３ｂに吸収する
ことができるため、変換効率を向上させることができ、
色素増感太陽電池の出力電流を増大させることが可能に
なる。
増感太陽電池構造の特徴は、上述したように光散乱粒子
４を光吸収層３に混合することにより、透明基板１から
入射して光吸収層３を透過していく光を色素３ｂにより
多く吸収させることである。すなわち、光吸収層３に光
散乱粒子４を混合すると、透明基板１から入射した光を
十分に散乱させることができ、光吸収層３を透過するま
での光路長が長くなる。その結果、散乱された光は光吸
収粒子の色素３ｂにより吸収されやすくなり、光吸収粒
子の色素３ｂによる吸収量が大幅に増加する。これによ
り、従来の構造では光吸収層３を透過していた光のエネ
ルギーの多くを光吸収層３において色素３ｂに吸収する
ことができるため、変換効率を向上させることができ、
色素増感太陽電池の出力電流を増大させることが可能に
なる。
【００２９】また、以上の効果により、変換効率を向上
させるために光吸収層３の厚みを厚くすることが必要な
いため、光吸収層３の直列抵抗の増大をさせることがな
く、直列抵抗の増大により変換効率が低下するというこ
とも生じない。したがって、光吸収層３を薄膜化した状
態において変換効率を向上させることが可能である。
させるために光吸収層３の厚みを厚くすることが必要な
いため、光吸収層３の直列抵抗の増大をさせることがな
く、直列抵抗の増大により変換効率が低下するというこ
とも生じない。したがって、光吸収層３を薄膜化した状
態において変換効率を向上させることが可能である。
【００３０】そして、上記の効果は、長波長領域の光に
対して特に有効であり、光吸収層３を薄膜化した状態に
おいても長波長領域光の透過に起因した変換効率の低さ
を改善して変換効率を向上させることが可能であり、光
吸収層３を薄膜化した状態で変換効率と光吸収効率を両
立した色素増感太陽電池を実現することができる。
対して特に有効であり、光吸収層３を薄膜化した状態に
おいても長波長領域光の透過に起因した変換効率の低さ
を改善して変換効率を向上させることが可能であり、光
吸収層３を薄膜化した状態で変換効率と光吸収効率を両
立した色素増感太陽電池を実現することができる。
【００３１】以下では、上述したような本発明に係る色
素増感太陽電池の光吸収層３における光散乱率と、光散
乱粒子４、光散乱粒子４の光吸収層３における体積分率
について説明する。本発明に係る色素増感太陽電池とし
て、図１に示す構成の色素増感太陽電池を作製した。色
素増感太陽電池の詳細は、以下の通りである。すなわ
ち、透明基板１としてガラス基板を使用し、該透明基板
１の主面にＩＴＯ（インジウム-スズ-酸化物）を被着さ
せることにより電極２を形成した。そして、電極２上に
光吸収粒子を堆積して膜厚１０μｍの光吸収層３を構成
した。光吸収粒子は、半導体微粒子３ａとして粒径が１
０ｎｍのＴｉＯ２を使用し、これにルテニウム色素を吸
着させることにより形成した。また、光吸収層３には、
光散乱粒子４を混合した。電解質層４には、ヨウ素のプ
ロピレンカーボネート溶液を使用し、対向電極には白金
を使用した。
素増感太陽電池の光吸収層３における光散乱率と、光散
乱粒子４、光散乱粒子４の光吸収層３における体積分率
について説明する。本発明に係る色素増感太陽電池とし
て、図１に示す構成の色素増感太陽電池を作製した。色
素増感太陽電池の詳細は、以下の通りである。すなわ
ち、透明基板１としてガラス基板を使用し、該透明基板
１の主面にＩＴＯ（インジウム-スズ-酸化物）を被着さ
せることにより電極２を形成した。そして、電極２上に
光吸収粒子を堆積して膜厚１０μｍの光吸収層３を構成
した。光吸収粒子は、半導体微粒子３ａとして粒径が１
０ｎｍのＴｉＯ２を使用し、これにルテニウム色素を吸
着させることにより形成した。また、光吸収層３には、
光散乱粒子４を混合した。電解質層４には、ヨウ素のプ
ロピレンカーボネート溶液を使用し、対向電極には白金
を使用した。
【００３２】以上のように構成された色素増感太陽電池
に波長６００ｎｍの光を照射し、レイリー散乱による光
散乱率が５０％となる場合の散乱粒子の直径と散乱粒子
の体積分率との関係を調べた。図２にその結果を示す。
このときの光の吸収率は散乱粒子が無いときに比べて透
過光の２分の１が吸収され、光吸収効率が上昇する。光
散乱率が５０％以下の場合には、光の散乱よる性電池能
向上の効果は小さく実用に適さないが、光散乱率が５０
％を超えると変換効率の向上効果が顕著になる。そし
て、５０％の光散乱効率を確保できれば、良好な変換効
率を得ることが可能であり、実用に適した色素増感太陽
電池を得ることができる。
に波長６００ｎｍの光を照射し、レイリー散乱による光
散乱率が５０％となる場合の散乱粒子の直径と散乱粒子
の体積分率との関係を調べた。図２にその結果を示す。
このときの光の吸収率は散乱粒子が無いときに比べて透
過光の２分の１が吸収され、光吸収効率が上昇する。光
散乱率が５０％以下の場合には、光の散乱よる性電池能
向上の効果は小さく実用に適さないが、光散乱率が５０
％を超えると変換効率の向上効果が顕著になる。そし
て、５０％の光散乱効率を確保できれば、良好な変換効
率を得ることが可能であり、実用に適した色素増感太陽
電池を得ることができる。
【００３３】光の散乱効率上昇は、光散乱粒子の粒径と
その体積分率に影響される。一定体積に球体を詰め込む
場合、その体積分率の上限は略６６％である。そして光
散乱効率が５０％の場合には、上限まで光散乱粒子を詰
め込むことができる光散乱粒子の粒径は略２０ｎｍであ
る。したがって、光散乱粒子の粒径を略２０ｎｍ以上と
することにより５０％の光散乱効率を確保することが可
能であるといえる。一方、光散乱粒子の粒径が１００ｎ
ｍ以上になると、光吸収層３における光吸収粒子の占め
る割合が大きくなり過ぎ、光吸収層３における光吸収粒
子の占める割合が小さくなり過ぎる。その結果、光吸収
層３の表面積、すなわち光を吸収する面積が小さくなり
過ぎてしまい、光変換効率が低下してしまうため実用に
適さない。したがって、これらのことより、光散乱粒子
４の粒径は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とするこ
とが好ましいといえる。
その体積分率に影響される。一定体積に球体を詰め込む
場合、その体積分率の上限は略６６％である。そして光
散乱効率が５０％の場合には、上限まで光散乱粒子を詰
め込むことができる光散乱粒子の粒径は略２０ｎｍであ
る。したがって、光散乱粒子の粒径を略２０ｎｍ以上と
することにより５０％の光散乱効率を確保することが可
能であるといえる。一方、光散乱粒子の粒径が１００ｎ
ｍ以上になると、光吸収層３における光吸収粒子の占め
る割合が大きくなり過ぎ、光吸収層３における光吸収粒
子の占める割合が小さくなり過ぎる。その結果、光吸収
層３の表面積、すなわち光を吸収する面積が小さくなり
過ぎてしまい、光変換効率が低下してしまうため実用に
適さない。したがって、これらのことより、光散乱粒子
４の粒径は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とするこ
とが好ましいといえる。
【００３４】また、特開平１０−２５５８６３号公報に
おいては、小粒径の光吸収粒子からなる光吸収層の下に
大粒径の光反射粒子の層を配置した色素増感太陽電池が
示されているが、この場合には、最大でも０．８の光吸
収しか得られないのに対して、本発明に係る色素増感太
陽電池においては、最大１．０の光吸収を実現できるこ
とが実験により確認された。
おいては、小粒径の光吸収粒子からなる光吸収層の下に
大粒径の光反射粒子の層を配置した色素増感太陽電池が
示されているが、この場合には、最大でも０．８の光吸
収しか得られないのに対して、本発明に係る色素増感太
陽電池においては、最大１．０の光吸収を実現できるこ
とが実験により確認された。
【００３５】
【発明の効果】本発明に係る色素増感太陽電池は、透明
基板の表面に形成された電極と対向電極との間に、色素
を担持した光吸収粒子からなる光吸収層と電解質層とを
備えてなる色素増感太陽電池であって、上記光吸収層中
に上記光吸収粒子と異なる粒径を有する光散乱粒子を含
有してなるものである。
基板の表面に形成された電極と対向電極との間に、色素
を担持した光吸収粒子からなる光吸収層と電解質層とを
備えてなる色素増感太陽電池であって、上記光吸収層中
に上記光吸収粒子と異なる粒径を有する光散乱粒子を含
有してなるものである。
【００３６】以上のように構成された本発明に係る色素
増感太陽電池では、光吸収層３の厚みを厚くすることな
く、すなわち光吸収層の直列抵抗を増大させることな
く、光吸収層における光の吸収量を増加させることがで
きる。すなわち、光吸収層を薄膜化した状態で変換効率
と光吸収効率を両立することができ、従来の構造では光
吸収層を透過していた光のエネルギーの多くを吸収する
ことができるため、色素増感太陽電池の出力電流を増大
させることが可能になる。
増感太陽電池では、光吸収層３の厚みを厚くすることな
く、すなわち光吸収層の直列抵抗を増大させることな
く、光吸収層における光の吸収量を増加させることがで
きる。すなわち、光吸収層を薄膜化した状態で変換効率
と光吸収効率を両立することができ、従来の構造では光
吸収層を透過していた光のエネルギーの多くを吸収する
ことができるため、色素増感太陽電池の出力電流を増大
させることが可能になる。
【００３７】したがって、本発明によれば、変換効率に
優れた色素増感太陽電池を提供することが可能である。
優れた色素増感太陽電池を提供することが可能である。
【図１】本発明に係る色素増感太陽電池の一構成例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図２】膜厚１０μｍの光吸収層に波長６００ｎｍの光
を照射し、散乱率が５０％となる場合の散乱粒子の直径
と散乱粒子の体積分率との関係を示す特性図である。
を照射し、散乱率が５０％となる場合の散乱粒子の直径
と散乱粒子の体積分率との関係を示す特性図である。
【図３】従来の色素増感太陽電池の一構成例を示す断面
図である。
図である。
１ 透明基板
２ 電極
３ 光吸収層
４ 散乱粒子
５ 電解質層
６ 対向電極
Claims (6)
- 【請求項１】 透明基板の表面に形成された電極と対向
電極との間に、色素を担持した光吸収粒子からなる光吸
収層と電解質層とを備えてなる色素増感太陽電池であっ
て、 上記光吸収層中に上記光吸収粒子と異なる粒径を有する
光散乱粒子を含有することを特徴とする色素増感太陽電
池。 - 【請求項２】 上記光散乱粒子の粒径が上記光吸収粒子
の粒径よりも大とされることを特徴とする請求項１記載
の色素増感太陽電池。 - 【請求項３】 上記光吸収粒子の粒径が２０ｎｍ以下で
あることを特徴とする請求項２記載の色素増感太陽電
池。 - 【請求項４】 上記光散乱粒子の粒径が２０ｎｍ以上１
００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の色
素増感太陽電池。 - 【請求項５】 上記光散乱粒子が上記光吸収粒子と同じ
材料からなることを特徴とする請求項１記載の色素増感
太陽電池。 - 【請求項６】 上記光散乱粒子が上記光吸収粒子と異な
る材料からなることを特徴とする請求項１記載の色素増
感太陽電池。
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