JP5161967B2 - 色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Description
1. 光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池であって、
(1)前記光電極が、開口部を有するチタン又はチタン合金材上に、色素増感剤を含有する半導体層が形成されたものであり、
(2)前記光電極の前記チタン又はチタン合金材上に、集光装置が配置されており、
(3)前記開口部を有するチタン又はチタン合金材に、ファイバー部材又はガラスロッド材が埋め込まれている、
ことを特徴とする色素増感型太陽電池。
2. 前記開口部を有するチタン又はチタン合金材が、金属メッシュ、又はラス材である、上記項1に記載の色素増感型太陽電池。
3. 前記集光装置が、太陽光を集光するための集光部、及び集光した太陽光を前記光電極に伝送するための伝送部を有する、上記項1又は2に記載の色素増感型太陽電池。
4. 前記半導体層が、前記開口部を有するチタン又はチタン合金材を陽極酸化処理することにより形成された酸化チタン膜である、上記項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
5. 陽極酸化処理に先立って、前記開口部を有するチタン又はチタン合金材にチタン窒化物を形成させる、上記項4に記載の色素増感型太陽電池。
6. 前記半導体層が、酸化チタン微粒子を含むペースト剤を前記開口部を有するチタン又はチタン合金材上に塗布して形成された塗膜を熱処理することにより得られる酸化チタン焼結体である、上記項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
7. 前記半導体層が、前記開口部を有するチタン又はチタン合金材を陽極酸化処理することにより形成された酸化チタン膜上に、酸化チタン微粒子を含むペースト剤を塗布して形成された塗膜を熱処理することにより得られる酸化チタン焼結体と該酸化チタン膜との積層体である、上記項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
(1)前記光電極が、開口部を有するチタン又はチタン合金材上に、色素増感剤を含有する半導体層が形成されたものであり、
(2)前記光電極の前記開口部を有するチタン又はチタン合金材上に、集光装置が連結して配置されたものである。
集光装置は、太陽光等の光を集光し、それを光電極に伝送するための装置である。前記集光装置は、前記光電極の前記開口部を有するチタン又はチタン合金材側(前記半導体層とは反対側)に設置する。集光装置としては、本発明の効果を阻害しない範囲内で、シリコン系太陽電池等で使用されている公知の集光装置を用いることができる。
本発明の色素増感型太陽電池の光電極は、チタン又はチタン合金からなる金属メッシュ又はラス材上に、色素増感剤を含有する半導体層が形成されたものである。本発明の色素増感型太陽電池は、上記チタン又はチタン合金からなる金属メッシュ又はラス材を有する光電極に前記集光装置が設置されているため、光電変換効率を相乗的に向上させることができる。
前記チタン合金としては、Ti−6Al−4V、Ti−0.5Pd、Ti−5Al−2.5Sn、Ti−3Al−2.5V、Ti−6Al−2Cb−1Ta−1Mo、Ti−8Al−1Mo−1V、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−6Al−6V−2Sn、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo、Ti−13V−11Cr−3Al等が挙げられる。
半導体層の構成成分としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タングステン等の金属酸化物が挙げられる。これらの酸化物は、一種単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。特に、前記成分としては、酸化チタンが好ましい。
前記陽極酸化処理は、例えば、エッチング作用を有する無機酸及び該作用を有する有機酸よりなる群から選択される少なくとも1種の酸を含有する電解液中に、前記チタンメッシュ又はラス材を浸漬し、火花放電発生電圧以上の電圧を印加する方法により行われる。前記陽極酸化処理を行うことにより、アナターゼ型の酸化チタン被膜を好適に形成できる。アナターゼ型の酸化チタン被膜を形成することにより、高い光電変換効率を好適に発揮することができる。
(i)チタンメッシュ又はラス材表面にチタン窒化物を形成する工程、及び
(ii)チタンメッシュ又はラス材に対してエッチング作用を有する無機酸及び該作用を有する有機酸よりなる群から選択される少なくとも1種の酸を含有する電解液中に、上記工程(i)で得られたチタンメッシュを浸漬し、火花放電発生電圧以上の電圧を印加することにより陽極酸化を行う工程。
工程(i)では、チタンメッシュ又はラス材の表面にチタン窒化物の形成を行う。
工程(ii)では、チタンメッシュ又はラス材に対してエッチング作用を有する無機酸及び該作用を有する有機酸よりなる群から選択される少なくとも1種の酸を含有する電解液中に、上記工程(i)で得られたチタンメッシュ又はラス材を浸漬し、火花放電発生電圧以上の電圧を印加することにより陽極酸化を行う。
前記酸化チタン微粒子の平均粒径は、0.5〜100nm程度が好ましく、2〜30nm程度がより好ましい。
電解質層は、光励起され、半導体への電子注入を果たした後の色素を還元できる層であればよい。
対極としては、特に限定されず、色素増感型太陽電池用として公知のものを使用できる。
本発明の色素増感型太陽電池は、前記集光装置、前記光電極等を用いる以外は、公知の方法に従って製造できる。例えば、図1及び図2の太陽電池を製造する場合、前記光電極(2+3)及び前記対極5をスペーサ(図示せず)を介して対向配置させ、該光電極及び該対極間に該電解質層を封入した後、該光電極上(図1の場合は酸化チタン層上、図2の場合はチタンメッシュ又はラス材2上)に、集光装置1を設置することにより得られる。
<光電極の作製>
線径2mm、厚み2mm、面積1cm2(縦1cm×横1cm)及び開口率45%のチタンメッシュを用意した。
ヨウ化カリウム、ヨウ素、テトラブチルアンモニウム(TBP)及び有機系ヨウ化物塩(1-propyl-2,3-dimethyl imidazolium iodide)をアセトニトリル(溶媒)に溶解させることにより、0.1Mヨウ化カリウム、0.05Mヨウ素、0.5Mテトラブチルアンモニウム(TBP)及び0.6M有機系ヨウ化物塩の溶液(電解液)を調製した。
スパッタリング法により、厚み50nmの白金膜をITO板に形成することにより厚み2μm、面積1cm2の対極を作製した。
前記光電極及び前記対極を厚さ100μmの絶縁スペーサを介して対向配置させ、電解質層の厚みが100μmとなるように、該光電極及び該対極間に前記電解液を注入した後、直ちに注入口を紫外線硬化性樹脂により封止した。
その後、前記光電極上に、公知の集光装置(図4)を設置した。
前記チタンメッシュに対して、ガラスロッド材を埋め込んだ以外は、実施例1と同様の方法により色素増感型太陽電池を作製した。
チタンメッシュの代わりに、厚み2mm、面積1cm2(縦1cm×横1cm)のチタン板を用いる以外は、実施例1と同様の方法により色素増感型太陽電池を作製した。
実施例1及び比較例1の色素増感型太陽電池に、ソーラーシュミレータ(製品名「CLR−25」分光計器社製)を用いて100mW/cm2の光を照射し、電流−電圧曲線を測定し、光電変換効率(η)を求めた。電流−電圧曲線の測定結果を図3に示す。
2. 開口部を有する金属チタンもしくはチタン合金材
3. 酸化チタン層(半導体層)
4. 電解質層
5. 対極
6. 伝送部
7. 光電極
8. 反射板
9. プリズム
Claims (7)
- 光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池であって、
(1)前記光電極が、開口部を有するチタン又はチタン合金材上に、色素増感剤を含有する半導体層が形成されたものであり、
(2)前記光電極の前記チタン又はチタン合金材上に、集光装置が配置されており、
(3)前記開口部を有するチタン又はチタン合金材に、ファイバー部材又はガラスロッド材が埋め込まれている、
ことを特徴とする色素増感型太陽電池。 - 前記開口部を有するチタン又はチタン合金材が、金属メッシュ、又はラス材である、請求項1に記載の色素増感型太陽電池。
- 前記集光装置が、太陽光を集光するための集光部、及び集光した太陽光を前記光電極に伝送するための伝送部を有する、請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池。
- 前記半導体層が、前記開口部を有するチタン又はチタン合金材を陽極酸化処理することにより形成された酸化チタン膜である、請求項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
- 陽極酸化処理に先立って、前記開口部を有するチタン又はチタン合金材にチタン窒化物を形成させる、請求項4に記載の色素増感型太陽電池。
- 前記半導体層が、酸化チタン微粒子を含むペースト剤を前記開口部を有するチタン又はチタン合金材上に塗布して形成された塗膜を熱処理することにより得られる酸化チタン焼結体である、請求項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
- 前記半導体層が、前記開口部を有するチタン又はチタン合金材を陽極酸化処理することにより形成された酸化チタン膜上に、酸化チタン微粒子を含むペースト剤を塗布して形成された塗膜を熱処理することにより得られる酸化チタン焼結体と該酸化チタン膜との積層体である、請求項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
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