JP5969844B2 - 色素増感太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
まず本発明の色素増感太陽電池の第1実施形態について図1を参照しながら説明する。図1は本発明に係る色素増感太陽電池の第1実施形態を示す断面図である。
透明導電性基板10は、上述したように、透明基板11とその上に設けられる透明導電膜12とで構成される。
多孔質酸化物半導体部20a,20bはそれぞれ、1つの多孔質酸化物半導体層で構成されてもよく、互いに離間する複数の多孔質酸化物半導体層で構成されてもよい。多孔質酸化物半導体層を形成する酸化物半導体は、特に限定されず、通常、光電変換素子用の多孔質酸化物半導体層を形成するのに用いられるものであれば、いかなるものでも用いることができる。このような酸化物半導体としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、シリカ(SiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化タングステン(WO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)酸化インジウム(In3O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タリウム(Ta2O5)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)が挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
多孔質酸化物半導体部20a,20bに共通に担持される光増感色素(以下、「共通光増感色素」と呼ぶ)としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造などを配位子に含むルテニウム錯体、ポリフィリン、フタロシアニンなどの含金属錯体、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの有機色素などが挙げられ、これらの中から、用途、使用半導体に適した挙動を示すものを特に限定なく選ぶことができる。具体的には、N3、N719、N749、D131、D149、Z907などを使用することができる。中でも、低照度においては、色素増感太陽電池100に優れた光電変換特性を付与し得ることから、N719やZ907などが好ましく用いられる。
対極基板31としては、例えばチタン、ニッケル、白金、モリブデン、タングステン、SUS等の耐食性の金属材料や、上述した透明基板11にITO、FTO等の導電性酸化物からなる膜を形成したもので構成される。対極基板31の厚さは、色素増感型太陽電池100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば0.005〜0.1mmとすればよい。
封止部40を構成する材料としては、例えばアイオノマー、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体などの変性ポリオレフィン、紫外線硬化樹脂、及び、ビニルアルコール重合体が挙げられる。なお、封止部40は樹脂のみで構成されてもよいし、樹脂と無機フィラーとで構成されていてもよい。
電解質50は、例えばI−およびI3 −などの酸化還元対と有機溶媒とを含んでいる。有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、バレロニトリル、ピバロニトリル、グルタロニトリル、メタクリロニトリル、イソブチロニトリル、フェニルアセトニトリル、アクリロニトリル、スクシノニトリル、オキサロニトリル、ペンタニトリル、アジポニトリルなどを用いることができる。
次に、透明導電性基板10の透明導電膜12上の互いに離間する2つの領域に、多孔質酸化物半導体層形成用ペーストを印刷する。多孔質酸化物半導体層形成用ペーストは、酸化物半導体粒子のほか、ポリエチレングリコールなどの樹脂及び、テレピネオールなどの溶媒を含む。多孔質酸化物半導体層形成用ペーストの印刷方法としては、例えばスクリーン印刷法、ドクターブレード法、バーコート法などを用いることができる。
次に、図3の(a)に示すように、多孔質酸化物半導体部20bをマスク部材80で覆い隠す。マスク部材80は、例えば透明導電性基板10上に環状の接着剤60を接着させ、続いて、この接着剤60の開口をカバー部材70で覆うことにより形成することができる。こうして第1構造体90が得られる。
そして、図4の(a)に示すように、例えば透明導電性基板10の上に、例えば環状の封止部形成材料40Aを配置する。このとき、封止部形成材料40Aの内側に多孔質酸化物半導体部20a,20bが配置されるようにする。その後、封止部形成材料40Aを透明導電性基板10に溶融圧着させる。
次に、図4の(b)に示すように、例えば透明導電性基板10上であって封止部形成材料40Aの内側に電解質50を配置する。電解質50は、透明導電性基板10上であって環状の封止部形成材料40Aの内側に注入したり、印刷したりすることによって配置することができる。
次いで、多孔質酸化物半導体部20a,20bに対し、対極30を対向させて重ね合わせる。そして、封止部形成材料40Aを加熱溶融させながら加圧する。こうして、透明導電性基板10と対極30との間に電解質50が配置されるように透明導電性基板10と対極30とを貼り合せて色素増感太陽電池100の製造が完了する(図1参照)。このとき、封止部形成材料40Aは封止部40となる。
はじめに、透明導電性基板として、酸化スズ被覆ガラスシートであるTEC15ガラス(商品名、ピルキントン社製)を準備した。TECガラスの寸法は、100mm×100mm×2.2mmとした。そして、この透明導電性基板の表面のうちの互いに離間する2つの領域にそれぞれ、スクリーン印刷法によって酸化チタンペーストとしての21NR(商品名、日揮触媒化成社製)を塗布した。そして、この酸化チタンペーストを塗布した透明導電性基板を熱風循環タイプのオーブンに入れて500℃で1時間焼成し、透明導電性基板上に、厚さが12μmの1つの多孔質酸化物半導体層からなる第1多孔質酸化物半導体部と、厚さが12μmの1つの多孔質酸化物半導体層からなる第2多孔質酸化物半導体層とを得た。
第1色素溶液として、D149色素(吸収ピーク波長:530nm)を、アセトニトリルとt−ブタノールの1:1混合溶媒中に0.05mMとなるように溶解させたものを用い、第2色素溶液として、Z907色素(吸収ピーク波長:530nm)をアセトニトリルとt−ブタノールの1:1混合溶媒中に0.2mMの濃度となるように溶解させたものを用いたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
電解質中のI3 −の濃度を6×10−8Mから0.002Mに変更したこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
第2多孔質酸化物半導体部を構成する多孔質酸化物半導体層の厚さを12μmから9μmに変更したこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
第2色素溶液中の混合溶媒に溶解させる物質を、共通光増感色素であるN719色素のみから、共通光増感色素であるN719色素、および、共吸着剤である2−ヘキサデシルマロン酸(HDMA)に変更し、第2色素溶液中のHDMAの濃度を3mMとしたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
透明導電性基板の上の表面のうちの互いに離間する2つの領域に酸化チタンペーストを塗布する際に、接着剤を溶融圧着させる予定の領域に、Cu−Cr−Mn系の黒色顔料を含む黒色の低融点ガラスフリットを含有するガラスペーストを塗布し、酸化チタンペーストおよびガラスペーストを塗布した透明導電性基板を熱風循環タイプのオーブンに入れて500℃で1時間焼成して厚さ15μmの黒色の無機封止部を形成し、その上に接着剤を溶融圧着させたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
第1および第2多孔酸化物半導体部を形成した後、第1および第2多孔酸化物半導体部への光増感色素の担持を以下のようにして行うことにより、第1多孔質酸化物半導体部にD131色素1種類を担持させ、第2多孔質酸化物半導体部にN719色素を担持させたこと以外は実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
すなわち、まず第1および第2収容空間を有する容器であって、第1および第2収容空間が仕切壁で仕切られている容器を用意した。次に、容器の第1および第2収容空間の各々に、D131色素を含む第1色素溶液と、N719色素を含む第2色素溶液をそれぞれ注入した。続いて、容器を、透明導電性基板に対向させて密着させた。このとき、第1多孔酸化物半導体部が第1収容空間に収容され、第2多孔質酸化物半導体部が第2収容空間に収容されるようにした。そして、第1多孔酸化物半導体部を第1色素溶液に浸漬させ、第1多孔酸化物半導体部にD131色素を担持させるとともに、第2多孔酸化物半導体部を第2色素溶液に浸漬させ、第2多孔酸化物半導体部にN719色素を担持させた。
20a,20b…多孔質酸化物半導体部
30,30a,30b…対極(電極)
31…透明導電膜
40…封止部
50…電解質
60…接着剤
70…カバー部材
80…マスク部材
90…第1構造体
100,200,300…色素増感太陽電池
110…第2構造体
290…無機封止部
Claims (8)
- 透明導電性基板と、
光増感色素が担持され、前記透明導電性基板上に互いに離間するように設けられる複数の多孔質酸化物半導体部と、
前記多孔質酸化物半導体部に対向して設けられる対極と、
前記透明導電性基板及び前記対極の間に配置される電解質と、
前記透明導電性基板上に設けられ、前記複数の多孔質酸化物半導体部のうち1つの多孔質酸化物半導体部を除く残りの多孔質酸化物半導体部を個別に包囲する環状の接着剤とを備え、
前記複数の多孔質酸化物半導体部に担持される前記光増感色素の種類の数が互いに異なり、
前記光増感色素が、前記複数の多孔質酸化物半導体部に共通する共通光増感色素を含み、前記多孔質酸化物半導体部が、少なくとも1つの多孔質酸化物半導体層で構成されている、色素増感太陽電池。 - 前記複数の多孔質酸化物半導体部のうち、複数種類の光増感色素が担持されている多孔質酸化物半導体部において、複数種類の前記光増感色素が互いに異なる吸収ピーク波長を有する、請求項1に記載の色素増感太陽電池。
- 前記電解質が、I−およびI3 −からなる酸化還元対を含み、前記電解質中のI3 −の濃度が0.006M以下である、請求項1又は2に記載の色素増感太陽電池。
- 前記透明導電性基板上に設けられる前記複数の多孔質酸化物半導体部の前記透明導電性基板からの厚さが同一である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
- 前記透明導電性基板上に設けられる前記複数の多孔質酸化物半導体部のうちの少なくとも1つの多孔質酸化物半導体部には共吸着剤が吸着されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
- 前記透明導電性基板と前記対極とを連結する封止部を更に備え、前記封止部と前記透明導電性基板との間に、発色した無機封止部が設けられている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
- 透明導電性基板上に複数の多孔質酸化物半導体部を互いに離間するように形成する多孔質酸化物半導体部形成工程と、
前記複数の多孔質酸化物半導体部のうち1つの多孔質酸化物半導体部を除く残りの多孔質酸化物半導体部をマスク部材にて覆い隠して第1構造体を得てから、前記第1構造体を、光増感色素を含む第1色素溶液中に浸漬させる第1浸漬工程と、
前記マスク部材にて覆い隠された残りの多孔質酸化物半導体部のうち1つの多孔質酸化物半導体部から前記マスク部材の少なくとも一部を剥がして第2構造体を得てから、前記第2構造体を、前記光増感色素と異なる種類の光増感色素を含む第2色素溶液中に浸漬させ、前記複数の多孔質酸化物半導体部に担持される光増感色素の種類の数が互いに異なるようにする第2浸漬工程と、
前記透明導電性基板と対極との間に電解質が配置されるように前記透明導電性基板と前記対極とを貼り合せる貼合せ工程とを含み、
前記多孔質酸化物半導体部が、少なくとも1つの多孔質酸化物半導体層で構成され、
前記マスク部材が、
前記透明導電性基板上に、前記多孔質酸化物半導体部を個別に包囲するように貼り付けられる環状の接着剤と、
前記接着剤とともに前記多孔質酸化物半導体部を覆い隠すカバー部材とを有する、色素増感太陽電池の製造方法。 - 透明導電性基板上に複数の多孔質酸化物半導体部を互いに離間するように形成する多孔質酸化物半導体部形成工程と、
前記複数の多孔質酸化物半導体部のうち1つの多孔質酸化物半導体部を除く残りの多孔質酸化物半導体部をマスク部材にて覆い隠して第1構造体を得てから、前記第1構造体を、光増感色素を含む第1色素溶液中に浸漬させる第1浸漬工程と、
前記マスク部材にて覆い隠された残りの多孔質酸化物半導体部のうち1つの多孔質酸化物半導体部から前記マスク部材の少なくとも一部を剥がして第2構造体を得てから、前記第2構造体を、前記光増感色素と異なる種類の光増感色素を含む第2色素溶液中に浸漬させる第2浸漬工程と、
前記第2浸漬工程を繰り返すことによって、前記複数の多孔質酸化物半導体部に担持される光増感色素の種類の数が互いに異なるようにする繰返工程と、
前記透明導電性基板と対極との間に電解質が配置されるように前記透明導電性基板と前記対極とを貼り合せる貼合せ工程とを含み、
前記多孔質酸化物半導体部が、少なくとも1つの多孔質酸化物半導体層で構成され、
前記マスク部材が、
前記透明導電性基板上に、前記多孔質酸化物半導体部を個別に包囲するように貼り付けられる環状の接着剤と、
前記接着剤とともに前記多孔質酸化物半導体部を覆い隠すカバー部材とを有する、色素増感太陽電池の製造方法。
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