JP2006339127A - Dye sensitized solar cell by photoelectric conversion tube, or the like - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の透過性及びその光電変換効率の向上のために、例えば光電変換チューブを新たに用いる等により、従来の光電変換形態及びその構造等を改良した色素増感型太陽電池に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell in which a conventional photoelectric conversion form and its structure are improved by, for example, newly using a photoelectric conversion tube in order to improve light transmission and photoelectric conversion efficiency.
従来の二酸化チタンを作用電極とする色素増感型太陽電池は、簡単な基本構造として半導体層電極、対電極、及びそれらの電極間に充填された電解質層とから構成される。この際に、光電変換材料である半導体層電極において、半導体層表面には、可視光領域に吸収スペクトルを有する光増感色素が吸着されている。 A conventional dye-sensitized solar cell using titanium dioxide as a working electrode includes a semiconductor layer electrode, a counter electrode, and an electrolyte layer filled between these electrodes as a simple basic structure. At this time, in the semiconductor layer electrode which is a photoelectric conversion material, a photosensitizing dye having an absorption spectrum in the visible light region is adsorbed on the surface of the semiconductor layer.
これらの太陽電池は、半導体層電極に光を照射すると、この電極側にあるカルボキシル基を有するルテニウムのビピリジン錯体等の色素から電子が発生し、この電子が二酸化チタン多孔質膜に移動してインジウムすず酸化物(ITO)等の導電層を通り、回路を経て対電極に流れる。 In these solar cells, when a semiconductor layer electrode is irradiated with light, electrons are generated from a dye such as a ruthenium bipyridine complex having a carboxyl group on the electrode side, and the electrons move to the titanium dioxide porous film to form indium. It passes through a conductive layer such as tin oxide (ITO) and flows through the circuit to the counter electrode.
対電極に流れた電子は、電解質中のイオンによって運ばれて半導体層電極に戻る。この際の電解液には、通常ニトリル系の溶媒を用い、これに溶質としてヨウ素とヨウ素イオンのレドックス系を溶解する。この繰り返しによって電気エネルギーが取り出せる。 The electrons flowing to the counter electrode are carried by the ions in the electrolyte and return to the semiconductor layer electrode. In this case, a nitrile solvent is usually used as the electrolyte, and a redox system of iodine and iodine ions is dissolved therein as a solute. Electric energy can be extracted by repeating this process.
しかし、これらの太陽電池では、その取り出し電圧が低い等のために、変換効率が10%前後の結果しか得られず、広く一般への普及を考えると、到底満足のいく数値ではない。 However, since these solar cells have a low extraction voltage, the conversion efficiency is only about 10%, which is not a satisfactory value considering widespread use in general.
そこで、従来の色素増感型太陽電池の基本構造の改善のみならず、色素や二酸化チタン、そして電解質においても改善及び精度向上を図る必要がある。 Therefore, it is necessary not only to improve the basic structure of conventional dye-sensitized solar cells, but also to improve and improve the accuracy of dyes, titanium dioxide, and electrolytes.
例えば太陽光の透過性を改善するためには、従来の光の透過過程であるガラス基板を通り、電荷輸送層となる導電体膜のインジウムすず酸化物(ITO)を通って二酸化チタンに吸着している色素に届いて電子を発生させるといったフローの構成を、簡略化した基本構造が必要となる。 For example, in order to improve sunlight permeability, it is adsorbed to titanium dioxide through indium tin oxide (ITO) of a conductor film that becomes a charge transport layer through a glass substrate which is a conventional light transmission process. A basic structure that simplifies the flow structure of generating electrons upon reaching the dye is required.
また、色素で発生した電子の輸送層となる物質、すなわち導電体は従来のインジウムすず酸化物(ITO)等ではかなりの損失となるために、良導電体への改善が必要となる。さらに、色素や二酸化チタン等においても、代替物質等の研究が必要となっている。 In addition, since a material serving as an electron transport layer generated by the dye, that is, a conductor is a considerable loss in a conventional indium tin oxide (ITO) or the like, an improvement to a good conductor is necessary. Furthermore, research on alternative materials and the like is also required for pigments and titanium dioxide.
本発明は、これらの課題の改善を行うことで、より高効率な色素増感型太陽電池を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell with higher efficiency by improving these problems.
本発明は、これらの目的を達成するために、まず最初に光エネルギーの損失を低減し、電子を発生させる色素をより多く吸着できる二酸化チタンの表面積を増加させ、そして金や銀等の良導電体を使用できるように、光電変換チューブを新たに考案した。 In order to achieve these objectives, the present invention first reduces the loss of light energy, increases the surface area of titanium dioxide that can adsorb more dyes that generate electrons, and provides good conductivity such as gold and silver. A new photoelectric conversion tube has been devised so that the body can be used.
これは、少なくとも、良導電体物質を中心部に配して、その外側部(外周部)を二酸化チタン等の導電性半導体で被覆して円形(丸形)、半円形(半丸形)及び平板形チューブ形状とした光電変換チューブである。 This is because at least a good conductor material is arranged in the center, and the outer part (outer peripheral part) is covered with a conductive semiconductor such as titanium dioxide to form a circle (round), a semi-circle (half-round), and This is a photoelectric conversion tube having a flat tube shape.
ただし、良導電体としての銀を用いる場合を想定し、電解系との化学反応を防止する観点から、二酸化チタンを厚めに被服するが、その際には被覆厚が大きくなりすぎてクラックを生じない程度に十分に注意して被覆する。 However, assuming that silver as a good conductor is used, from the viewpoint of preventing chemical reaction with the electrolytic system, titanium dioxide is coated thickly, but in that case, the coating thickness becomes too large and cracks occur. Cover with extreme care.
次に光電変換チューブの外側部(外周部)を構成する二酸化チタンの表面に吸着される色素において、遠心分離法等の濃縮法でできる限り濃縮する。これは、電子の発生源となる有機色素(機能性色素)をより多く取り込むものである。 Next, in the pigment | dye adsorb | sucked on the surface of the titanium dioxide which comprises the outer side part (outer peripheral part) of a photoelectric conversion tube, it concentrates as much as possible by concentration methods, such as a centrifugation method. This takes in more organic dyes (functional dyes) that are the sources of electrons.
また、これらの色素は多種存在することから、それら多種の有機色素(機能性色素)によって可視光の幅広いエネルギーを吸収させるためにも、同一種類の色素濃縮だけでなく、これら多種の混合による色素濃縮をも行う。 In addition, since there are many kinds of these dyes, in order to absorb a wide range of visible light energy by these various organic dyes (functional dyes), not only the same kind of dyes but also dyes produced by mixing these kinds of dyes. Concentrate also.
さらに、導電性半導体の二酸化チタンの粒子を、超音波振動によって微粒子化を図る。これは、色素を吸着させる多孔質内の表面積をより増大させるためのものであり、例えば超音波溶接技術を用いる場合には、熱を発生させない範囲での調整を行うことで微粒子化が図れる。 Further, the particles of the conductive semiconductor titanium dioxide are made fine by ultrasonic vibration. This is for further increasing the surface area in the porous material on which the dye is adsorbed. For example, in the case of using an ultrasonic welding technique, fine particles can be formed by adjusting within a range in which heat is not generated.
なお、電解質液は、液漏れのリスクからイオン性液体を用いるが、色素の二酸化チタン表面への化学的結合がスムースに行われるように、カルボキシル基等を少量含めることも必要となる。 In addition, although an ionic liquid is used for the electrolyte solution from the risk of liquid leakage, it is also necessary to include a small amount of a carboxyl group or the like so that chemical bonding of the dye to the titanium dioxide surface can be performed smoothly.
さらに、対電極側となるプラス電極面には、従来白金が用いられてきたが、高価であるため、コスト低減にはつながりにくかったことから、できれば炭素系を用いる。例えば超活性炭等であるが、従来の白金等の使用を否定するものではない。 Furthermore, platinum has been conventionally used for the positive electrode surface on the counter electrode side. However, since it is expensive, it was difficult to reduce the cost, and therefore carbon-based material is used if possible. For example, super activated carbon or the like, but the use of conventional platinum or the like is not denied.
一方、色素増感型太陽電池の基本構造においては、後述する実施例において詳述するが、まず従来の基本構造の形態をベースとする場合(以下「従来型」という。)、光電変換チューブ、濃縮色素、微粒子かされた二酸化チタン及びイオン性液体による電解質液を用いると、光電変換チューブの活用部分が大きく変わることとなる。ただし、光電変換チューブを複層としたり重ねる等の構造とする場合には、中間支体として透明基体等を使用する。 On the other hand, the basic structure of the dye-sensitized solar cell will be described in detail in Examples described later. First, in the case where the basic structure is used as a base (hereinafter referred to as “conventional type”), a photoelectric conversion tube, The use of the concentrated dye, finely divided titanium dioxide and an ionic liquid electrolyte will greatly change the utilization part of the photoelectric conversion tube. However, when the photoelectric conversion tube has a multi-layered structure or a stacked structure, a transparent substrate or the like is used as an intermediate support.
しかしながら、入射光を受ける透明基体に透明導電性薄膜(インジウムすず酸化物等)を施さず、その直下に直接電解質液に浸透した濃縮色素と光電変換チューブを配置する構造の場合(以下「反転型」という。)、上下電極に夾まれる内部では、電解質液を入射光を受ける透明基体の直下にまで十分に浸透させる必要があることから、光電変換チューブを保護する中間支体や両電極を分離したり、平板型光電変換チューブを縦に配置する場合等の分離用にセパレータ(不識布)を使用することもある。 However, a transparent conductive thin film (indium tin oxide, etc.) is not applied to a transparent substrate that receives incident light, and a concentrated dye and a photoelectric conversion tube that have directly penetrated into the electrolyte solution are disposed directly below the transparent substrate (hereinafter referred to as “inverted type”). )), The inside of the upper and lower electrodes is required to sufficiently infiltrate the electrolyte solution just below the transparent substrate that receives the incident light. A separator (unknown cloth) may be used for separation, such as when separating or arranging a flat photoelectric conversion tube vertically.
本発明は、光電変換チューブの考案により、まず良導電体を使用できるようになって電極から取り出せる電圧が増大し、次に透明導電性薄膜(インジウムスズ酸化物等)が光電変換チューブの中心部に細く配置されることで透過性能を大きく低減することなく透過性を高め、結果として色素への光エネルギー入射率を高めて光電変換効率を増大させることができる。 The present invention is based on the idea of a photoelectric conversion tube. First, a good conductor can be used, and the voltage that can be taken out from the electrode increases. Next, a transparent conductive thin film (such as indium tin oxide) is placed in the center of the photoelectric conversion tube. Therefore, it is possible to increase the transmittance without greatly reducing the transmission performance, and as a result, increase the incident rate of light energy to the dye and increase the photoelectric conversion efficiency.
また、円形等のチューブ形状とすることで、二酸化チタンの表面積が増大し(概して従来のものより50%程度増加する。)、結果として濃縮色素の吸着量が増加して発生電子を増大させることとなる。 In addition, by using a tube shape such as a circle, the surface area of titanium dioxide increases (generally about 50% higher than the conventional one), and as a result, the amount of adsorption of the concentrated dye increases and the generated electrons increase. It becomes.
そして、濃縮色素、微粒子化された二酸化チタン、イオン性液体の活用等とも合わせて、高効率の色素増感型太陽電池を提供できる。 A highly efficient dye-sensitized solar cell can be provided in combination with the use of concentrated dye, finely divided titanium dioxide, ionic liquid, and the like.
さらに、本発明は、その基本構造を反転型として、上記光電変換チューブ、濃縮色素、微粒子化された二酸化チタン等を組合せることで、さらなる高効率の色素増感型太陽電池を提供できる。 Furthermore, the present invention can provide a further highly efficient dye-sensitized solar cell by combining the photoelectric conversion tube, the concentrated dye, the finely divided titanium dioxide and the like with the basic structure as an inversion type.
本発明において、まず光電変換チューブ16(円形・半円形)及び17(平板形)は、二酸化チタン18と良導電体19から成る。これは、少なくとも、金や銀等の良導電体19を中心部に配して、その外側部(外周部)を二酸化チタン18等の導電性半導体で十分に被覆して円形(丸形)及び半円形(半丸形)の形状とした光電変換チューブ16としたタイプと、中心部に配置する良導電体19を平板状に延ばした光電変換チューブ17のタイプの二種類がある(以下、光電変換チューブの種類は、16及び17として区別する。) In the present invention, first, the photoelectric conversion tubes 16 (circular / semicircular) and 17 (flat plate) are composed of
ただし、良導電体19としての銀を用いる場合を想定し、電解質液21との万が一の化学反応を防止する観点から、二酸化チタン18を厚めに被服するが、その際には被覆厚が大きくなりすぎてクラックを生じない程度に十分に注意して被覆する。
なお、上記光電変換チューブ16及び17においては、他の導電体20の使用を否定するものではない。However, assuming that silver as the
In addition, in the said
従来型では、この光電変換チューブ16及び17を用いる場合、透明基体上部13の内部側に直接配置することができ、これによって光の透過性を寄り向上させることができるだけでなく、導電体20を良導電体19に改善できることから、取り出し電圧がかなり高く得られることとなる。 In the conventional type, when the
次に、基本構造における反転型を説明する。 Next, the inversion type in the basic structure will be described.
従来の色素増感型太陽電池は、入射光はガラス製の透明基体(本発明では透明基体上部13としている。)で受けられ、その基体内部側に塗布されている透明導電性薄膜のインジウムスズ酸化物(ITO)(本発明では導電体20としている。)を透過して、二酸化チタン18に吸着されている色素(本発明では濃縮色素22としている。)に照射されて電子を発生させるという基本構造をもつ。 In a conventional dye-sensitized solar cell, incident light is received by a transparent substrate made of glass (in the present invention, the transparent substrate upper portion 13), and the transparent conductive thin film indium tin coated on the inside of the substrate is used. It passes through an oxide (ITO) (in the present invention, the conductor 20) and is irradiated with a dye adsorbed on the titanium dioxide 18 (in the present invention, the concentrated dye 22) to generate electrons. Has a basic structure.
しかし、本発明では、この基本構造において、まず入射光を高分子材(又は合成樹脂材と呼ぶべきかどちらでも可。)であるプラスチックで成形された柔軟性のある透明基体上部13で受けるが、次には電解質液21を含んだ濃縮色素22に直接照射され、その濃縮色素22が吸着している光電変換チューブ16及び17の二酸化チタン18に電子を移動させることとなる。 However, according to the present invention, in this basic structure, first, incident light is received by the flexible transparent base
そして、光電変換チュ−ブ16及び17の中心部に配した良導電体19を通って、大きな取り出し電圧となり、対電極(プラス電極23)に伝わることを繰り返すこととなる。 Then, it passes through the
ただし、この反転型の場合には、透明基体上部13の直下に電解質液21が浸透する必要があるため、必要に応じて実施例9、10及び11に示すように、両電極に夾まれた内部に配置する光電変換チューブ16及び17や濃縮色素22等を保護する方法として、中間支体(原則透明基体上部13と同じ素材とする)25を変形させながら配する場合と、透明基体上部13の内部表面に凹凸形状を成形した透明基体(凹凸形状)15を用いて十分な隙間を確保する方法が必要である。 However, in the case of this inversion type, the
さらに、この反転型では、電極同士が接触しないように分離するためにセパレータ(不識布)24を用いたり、平板型の光電変換チューブ17とする際の個々の隔離板としてのセパレータ(不識布)24として用いることも可能である。 Furthermore, in this inversion type, a separator (unknown cloth) 24 is used to separate the electrodes so that they do not contact each other, or separators (unintelligible) as individual separators when the flat plate type
以下、実施例により本発明を詳述する。ただし、本発明は本実施例により何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, this invention is not limited at all by this Example.
実施例1及び2
従来型のもので、透明基体上部13の直下に、円形又は半円形の光電変換チューブ16を配置したタイプ(実施例1)と平板形の光電変換チューブ17を配置したタイプである。透明基体上部及び下部は高分子材というのか合成樹脂材というのか、柔軟性のあるプラスチックとする。Examples 1 and 2
The conventional type is a type in which a circular or semicircular
また、色素は濃縮色素22とし、二酸化チタン18も超音波振動によって微粒子化されたものを使用する。なお、電解質液21はそのほとんどの成分をイオン性液体とし、残りをカルボキシル基のような濃縮色素22と二酸化チタン18に化学結合させる物質を添加する。 Further, the dye is the
さらに、プラス電極23は、白金でも良いが、超活性炭としてコストダウンを図ることもできる。 Furthermore, although the
実施例3
上記実施例1及び2と基本構造は同じであるが、透明基体上部13の直下に配置する光電変換チューブ16又は17を積み上げた積層タイプとしたものである。Example 3
Although the basic structure is the same as in Examples 1 and 2, the
実施例4及び5
これ以下の実施例は反転型となる。まず実施例4は、透明基体上部13の直下に電解質液21が浸透できる空間を確保するために、中間支体25を用いてその上部測面は電解質液21が通ることのできるように有孔面とする。Examples 4 and 5
Examples below this are inversion types. First, in Example 4, in order to secure a space in which the
中間支体25の内側には、上部から電解質液21、濃縮色素22、二酸化チタン18及び導電体20の順序で積層とする。さらに、中間支体25とプラス電極23間には、電解質液21が通ることのできるようにセパレータ(不識布)24を敷き、隙間を確保する(中間支体24の有孔版を用いても可。) On the inner side of the
なお、実施例4及び5における二酸化チタン18は、光電変換チューブ16及び17の形状を採らないタイプである。光電変換チューブ16及び17の形状を採るのは、実施例6以降のタイプである。 In addition, the
また、従来型に比して、反転型は光の透過性がかなり向上することから、二酸化チタン18及び導電体20の厚さを増すことができる。 Further, compared with the conventional type, the inverted type significantly improves the light transmittance, so that the thickness of the
実施例5は、上記実施例4と基本構造は同じであり、内部を構成する濃縮色素22及び二酸化チタン18等を複層としただけである。 The basic structure of Example 5 is the same as that of Example 4 described above, and only a double layer is formed of the
実施例6、7及び8
実施例6、7及び8は基本構造が全く同じである。実施例7は実施例6の内部構成要因を複層としたものであり、実施例8は、光電変換チューブ16が平板形の光電変換17となっただけである。Examples 6, 7 and 8
Examples 6, 7 and 8 have the same basic structure. In Example 7, the internal constitution factor of Example 6 was made into a multilayer, and in Example 8, the
その構造については、前述した実施例4及び5において二酸化チタン18とした部分が、光電変換チューブ16及び17に置き換わっただけであるため、基本説明は省略するが、実施例8においては、平板形の光電変換チューブ17が隣接するために、二酸化チタン18の厚さ形状がクラックを生じやすくなる危険性があるために、必要に応じてセパレータ(不識布)24等で分離させる。 As for the structure, since the portion made of
実施例9、10及び11
上記と同じようにこの三つの実施例は基本構造が同じである。実施例10は実施例9を複層として補強したものであり、実施例11は光電変換チューブ16を平板形の光電変換チューブ17としたものである(実施例11の複層タイプは省略する。)。Examples 9, 10 and 11
As above, the three embodiments have the same basic structure. Example 10 reinforces Example 9 as a multilayer, and Example 11 uses a
そこで実施例9であるが、透明基体上部(凹凸形状)15を用いて、中間支体25の機能を凹凸形状によって確保する隙間で代替するタイプである。これにより電解質液21が、透明基体上部(凹凸形状)15の直下に浸透し、濃縮色素22に電子を補給することとなる。 Therefore, in the ninth embodiment, the transparent base upper portion (uneven shape) 15 is used, and the function of the
そして、光電変換チューブ16を上下から夾むようにして濃縮色素22を接着させ、その下部にあるプラス電極23との間にセパレータ(不識布)24を配する。 Then, the
なお、実施例10において、光電変換チューブ16を複層とする場合、中間部に両端が有孔となっている中間支体26(平板形)を配することでより安全となる。 In Example 10, when the
1 本発明の実施例1
2 本発明の実施例2
3 本発明の実施例3
4 本発明の実施例4
5 本発明の実施例5
6 本発明の実施例6
7 本発明の実施例7
8 本発明の実施例8
9 本発明の実施例9
10 本発明の実施例10
11 本発明の実施例11
12 反射防止膜
13 透明基体上部
14 透明基体下部
15 透明基体(一部凹凸形状)
16 光電変換チューブ(円形・半円形)
17 光電変換チューブ(平板形)
18 二酸化チタン(微粒子)
19 良導電体
20 導電体
21 電解質液
22 濃縮色素
23 プラス電極
24 セパレータ(不識布)
25 中間支体
26 中間支体(平板形)1 Example 1 of the present invention
2 Example 2 of the present invention
3 Example 3 of the present invention
4 Example 4 of the present invention
5 Example 5 of the present invention
6 Example 6 of the present invention
7 Example 7 of the present invention
8 Example 8 of the present invention
9 Example 9 of the present invention
10 Example 10 of the present invention
11 Example 11 of the present invention
12
16 Photoelectric conversion tube (circular / semi-circular)
17 Photoelectric conversion tube (flat plate type)
18 Titanium dioxide (fine particles)
19
25 Intermediate support 26 Intermediate support (flat plate)
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Cited By (2)
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WO2008136261A1 (en) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Jgc Catalysts And Chemicals Ltd. | Photoelectrical cell, and coating agent for forming porous semiconductor film for the photoelectrical cell |
CN103715277A (en) * | 2013-11-26 | 2014-04-09 | 成都市容华电子有限公司 | Colorized photovoltaic assembly made by solar photovoltaic device |
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2005
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