JP4841128B2 - 光電変換装置およびそれを用いた光発電装置 - Google Patents
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ティングリ・マ(Tingli Ma),他8名、「フォトエレクトロケミカル・プロパティーズ・オブ・TiO2・エレクトローズ・センシタイズド・バイ・ポルフィリン・デリバティブズ・ウイズ・ディファレント・ナンバーズ・オブ・カルボキシル・グループス(Photoelectrochemical properties of TiO2 electrodes sensitized by porphyrin derivatives with different numbers of carboxyl groups)」,ジャーナル・オブ・エレクトロアナリティカル・ケミストリィ(Journal of Electroanalytical Chemistry),2002年,第537巻,p.31−38
応答が得られ、変換効率を向上させることができる。また、色素である多量体の構造がかさ高いので、色素間の凝集を抑制することができ、これによっても変換効率を向上させることができる。また、入射光の短波長側にも高感度を有するので、長波長側との重畳作用によって、本発明のポルフィリン骨格単量体が結合してなる多量体単独にて、より高効率の太陽電池や受光素子等の光電変換装置を提供することができる。
導電性基板11としては、図1に示す光電変換装置1の場合は、薄い金属シートを単独で用いればよく、チタン,ステンレス,アルミニウム,銀,銅,ニッケル等がよい。また、カーボンや金属の微粒子や微細線を含浸した樹脂、導電性有機樹脂等がよい。また、金属薄膜のチタン,ステンレス,アルミニウム,銀,銅,ニッケル等、あるいは透明導電膜のITO,SnO2:F,ZnO:Al等、あるいは積層体のTi/ITO/Ti等の導電膜11b付き絶縁基板11a等がよい。絶縁基板11aの材料としては、PET(ポリエチレンテレフタレート),PEN(ポリエチレンナフタレート),ポリイミド,ポリカーボネート等の樹脂材料や青板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス,セラミックス等の無機質材料,導電性有機樹脂材料,有機無機ハイブリッド材料等がよい。
一導電型輸送体である電子輸送体12としては、多孔質の二酸化チタン等の電子輸送体(n型金属酸化物半導体)が特に好ましい。図1に示す光電変換装置1の場合は、導電性基板11上にこの多孔質の一導電型輸送体12を形成する。
色素である多量体13としては、ポルフィリン骨格単量体が結合してなり、吸着置換基を有する多量体13とする。本発明の光電変換装置1によれば、ポルフィリン骨格単量体が結合してなり、吸着置換基を有する多量体13を光電変換材料として用いたことから、多量体を構成するポルフィリン骨格単量体間のエキシトンカップリングやπ電子共役系の拡大により、光吸収範囲が拡大するので、従来見出せなかった入射太陽光の長波長側(450nm以上)に高感度で広範囲の応答が得られ、変換効率を向上させることができる。また、ポルフィリン骨格単量体が三次元的に組み立てられていることから、色素である多量体13の構造がかさ高いので、色素(多量体)13間の凝集を抑制することができ、色素(多量体)13同士の間のエネルギー移動および電子移動によるエネルギー損失を低減することができて、色素(多量体)13から多孔質酸化物半導体(電子輸送体)12への電子移動がスムーズに行なえることとなり、これによっても変換効率を向上させることができる。また、ポルフィリン骨格単量体が結合してなる多量体である化合物はその分子の対称性が高いので、基底状態と励起S2状態との間の遷移確率が大きく、光吸収が強いことから、入射光の短波長側にも高感度を有するので、長波長側との重畳作用によって、本発明のポルフィリン骨格単量体が結合してなる多量体13単独にて、より高効率の太陽電池や受光素子等の光電変換装置1を提供することができる。
逆多孔質で他方導電型輸送体である電解質14としては、ゲル電解質等の正孔輸送体(p型半導体,液体電解質,固体電解質,電解塩等)が特によい。ここで、逆多孔質体とは前記多孔質体を埋めるように形成するものであり、電解液が最もよいキャリア移動を示すが、液体の場合には液漏れ等の問題があるのでゲル化や固体化したものを用いることが好ましい。
透明導電層(第2の透明導電層)17および第1の透明導電層15としては、低温成長のスパッタリング法や低温スプレー熱分解法で作製したスズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)や不純物ドープの酸化インジウム膜(In2O3膜)等がよい。他に、溶液成長法で作製した不純物ドープの酸化亜鉛膜(ZnO膜)等がよく、これらを積層して用いてもよい。また、熱CVD法で形成したフッ素ドープの二酸化スズ膜(SnO2:F膜)等を用いてもよい。他に、不純物ドープの酸化インジウム膜(In2O3膜)等が使える。他の成膜法としては、真空蒸着法,イオンプレーティング法,ディップコート法,ゾル・ゲル法等がある。これらの膜成長によって表面に入射光の波長オーダーの凹凸を形成すると、光閉じ込め効果を持たせることができて、なおよいものとなる。また、第1の透明導電層15としては、真空蒸着法やスパッタリング法等で形成したAu,Pd,Al等の薄い金属膜でもよい。
薄膜光電変換層16としては、プラズマCVD法によって連続堆積したpin接合の水素化アモルファスシリコン系半導体膜がよい。第1の透光性導電膜側にp型半導体膜を設けたpin接合とするとよいが、逆接合のnip接合でも構わない。ここで、一導電型シリコン系半導体層と逆導電型シリコン系半導体層とは、それぞれp型半導体とn型半導体と、もしくはn型半導体とp型半導体とからなるものを意味する。また実質的に真性であるシリコン系半導体層はi型半導体を意味する。
透光性被覆体18としては、フッ素樹脂,シリコンポリエステル樹脂,高耐候性ポリエステル樹脂,ポリ塩化ビニル樹脂PET(ポリエチレンテレフタレート),PEN(ポリエチレンナフタレート),ポリイミド,ポリカーボネート等の樹脂シートや白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス,セラミックス等の無機質シート,有機無機ハイブリッドシート等がよい。この透光性被覆体18の厚みは0.1μm〜6mm、好ましくは1μm〜4mmがよい。また、防眩性,遮熱性,耐熱性,低汚染性,抗菌性,防かび性,意匠性,高加工性,耐疵付き性,耐摩耗性,滑雪性,帯電防止性,遠赤外線放射性,耐酸性,耐食性,環境対応性等を透光性被覆体18に付与することにより、光電変換装置1の信頼性や商品性をより高めることができる。
下地層は図示していないが、図1に示す例の構成では、導電性基板11と多孔質体で一導電型の電子輸送体12との間に、多孔質の一導電型輸送体の薄い緻密層を挿入すると、逆電流が流れなくなるのでよい。
触媒層は図示していないが、図1に示す例の構成では、第1の透明導電層15と逆多孔質体で逆導電型の輸送体である電解質14との間に、白金あるいはカーボン等の極薄膜を挿入すると、正孔の移動がよくなるので具合がよい。
11:導電性基板
11a:絶縁基板
11b:導電膜
12:電子輸送体(金属酸化物半導体)
13:多量体(色素)
14:電解質
15:第1の透明導電層
16:薄膜光電変換層
17:透明導電層(第2の透明導電層)
18:透光性被覆体
19:多量体と異なる吸収スペクトルを有する色素
Claims (7)
- ポルフィリン骨格単量体が縦長に結合してなり、吸着置換基を前記縦長の末端に有するとともに前記ジターシャルブチルフェニル基から成る電子供与性置換基を有する多量体を光電変換材料として用いたことを特徴とする光電変換装置。
- 前記多量体は、前記ポルフィリン骨格単量体がメゾ−メゾ結合してなるものであることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記多量体は、前記ポルフィリン骨格単量体がメゾ−メゾ結合およびβ−β結合してなるものであることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記多量体は、前記ポルフィリン骨格単量体がメゾ−β結合してなるものであることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記ジターシャルブチルフェニル基は、前記多量体を構成する前記ポルフィリン骨格単量体のそれぞれに結合していることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
- 前記吸着置換基はカルボキシル基であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 請求項1記載の光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とする光発電装置。
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