JP6269923B2 - 色素増感型光電変換素子の光入射側電極の製造法 - Google Patents
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Description
色素増感型太陽電池は、通常、透明導電膜を有する透明基板、および当該透明基板上に形成され、色素を吸着した多孔質半導体層からなる光入射側電極と、光入射側電極の多孔質半導体層に対向して配置された対極と、光入射側電極および対極間に保持された電解液層と、から構成されている。
さらに、本発明では、電気泳動によって透明基板上に半導体微粒子層を形成するので、サイズの大きな電極や、平板状以外の形状の電極であっても安定的に製造することが可能である。
図1を参照して、本発明によれば、まず、平均粒径が異なる複数の半導体微粒子群が準備される(図1のステップS1)。この場合、半導体微粒子群毎に粒子径を揃えるために、通常、分級法が使用される。また、複数の半導体微粒子群のそれぞれが異なる種類の半導体から形成されていてもよいし、複数の半導体微粒子群がいずれも、例えば酸化チタン等のような同じ種類の半導体から形成されていてもよい。
そして、図2(A)に示すように、複数の半導体微粒子群のうちの平均粒径が最小の半導体微粒子群のコロイド2が容器1に収容され、当該コロイド2中に、少なくとも一方が透明導電膜3aを有する透明基板3からなる一対の電極3、4が挿入され、これら一対の電極3、4間に、透明導電膜3aを有する透明基板3が陰極となるように電流が流されて電気泳動が行われる(図1のステップS3)。
この場合、コロイドの添加は、当該添加すべきコロイドを一定の添加速度で所定の時間にわたって連続的に添加することによって行われることが好ましい。
この半導体微粒子層への色素の吸着は、通常、浸漬法を用いて行われる。
しかしながら、複数の半導体微粒子群のそれぞれが結晶構造の異なる半導体微粒子から形成されている場合には、結晶構造が異なるとそのエネルギー準位も異なることから、結晶構造毎に、それに適合した色素を吸着させることが好ましい。
(実施例1)
(i)TiO2ナノ粒子の形成
チタン酸アルコキシドとしてテトライソプロピルオルトチタネート(TIPT)と、有機溶媒としてアセチルアセトン(ACAC)をモル比1:1で混合し、TIPT溶液を形成した。次いで、このTIPT溶液に、水溶性界面活性剤として0.1モルのラウリルアミン塩酸塩(LAHC)水溶液をモル比4:1で混合し、沈殿を生じさせた。
そして、この混合液を恒温槽中においてマグネットスターラによって40℃で3〜5日間撹拌することで沈殿物をすべて溶かし、その後、80℃で加水分解および重縮反応を進行させることで、酸化チタン(TiO2)ナノ粒子を形成(合成)した。
形成したTiO2ナノ粒子を、分散媒(2−プロパノール)中に分散させて遠心管に封入し、まず10000rpmで遠心分離を行い、粒径の大きい粗い粒子を沈殿させて取り除いた。続いて、残った上澄み液を、さらに高速の13,500rpmで分離沈殿させることにより、粒子径の揃ったTiO2ナノ粒子群(平均粒径=5nm)を得た。
また、市販のP25微粒子(デグッサ製)を水に分散させて遠心管に封入し、前と同様に遠心分離を行うことによって、粒子径の揃ったP25微粒子群(平均粒径=50nm)を得た。
・コロイドA
分級によって得られたTiO2微粒子群(平均粒径=5nm)を、エタノール中に濃度0.40Vol%となるように加え、マグネットスターラにより5分間撹拌後、超音波を5分間照射し、再びマグネットスターラにより5分間撹拌し、コロイドAを調製した。
・コロイドB
分級によって得られたP25微粒子群(平均粒径=50nm)を、エタノール中に濃度1.0Vol%となるように加え、マグネットスターラによる5分間の拡散、および5分間の超音波照射を繰り返し行うことで、コロイドBを調製した。
40ccのコロイドAを容器に入れ、コロイドA中に、陰極としてITO基板(フルウチ化学製、10Ω/cm2)と、陽極としてアルミニウム板(純度99.99%)を挿入し、ITO基板面がコロイド液面に垂直になり、かつITO基板とアルミニウム板が互いに平行になるように配置した。
そして、極板間に一定電流(0.1A/cm)を供給するとともに、電流供給の開始から60秒間はコロイドAのみで電気泳動を行い、次いで(電流供給の開始から60秒経過後)、コロイドBをコロイドAに滴下速度6.24×10−2cc/秒で300秒間添加した後、電流供給を停止して電気泳動を終了し、基板上に厚さが7.2μmの半導体微粒子層を積層させた。
(v)色素の吸着
増感色素としてN719(Cis-di(thiocyanate)bis(2,2’-bipyridy 1-4,4’-di-carboxy-late) - ruthenium (II) bis - tetra - butylammonium)と呼ばれるルテニウム金属錯体色素を用い、これを濃度3.0×10−4Mとなるようにエタノール中に溶解させて色素分散溶液を調製した。
そして、半導体微粒子層を積層させた基板を取り出して熱処理した後、この色素分散溶液中に、溶液の温度を40℃に保った状態で24時間浸漬させることによって、半導体微粒子層中に色素を吸着させ、光電変換素子の光入射側電極を作製した。
コロイドBの滴下速度を4.16×10−2cc/秒として、実施例1と同様にして電気泳動を行い、基板上に厚さが4μmの半導体微粒子層を積層させ、実施例1と同様にして半導体微粒子層中に色素を吸着させることによって、光電変換素子の光入射側電極を作製した。
(実施例3)
コロイドBの滴下速度を2.08×10−2cc/秒として、実施例1と同様にして電気泳動を行い、基板上に厚さが5μmの半導体微粒子層を積層させ、実施例1と同様にして半導体微粒子層中に色素を吸着させることによって、光電変換素子の光入射側電極を作製した。
実施例1で分級によって得た平均粒径が5nmのTiO2ナノ粒子群と、平均粒径が50nmのP25微粒子群とを1:1の質量比で混合したコロイドを形成し、このコロイド中に、実施例1と同様の一対の電極を挿入して電気泳動を行い、透明基板の透明導電膜上に厚さが7.2μmの半導体微粒子層を積層し、この半導体微粒子層中に実施例1と同様にして色素を吸着させることによって光電変換素子の光入射側電極を作製した。
(比較例2)
実施例1で分級によって得た平均粒径が50nmのP25微粒子群を用い、実験1と同様にしてコロイドを形成し、このコロイド中に、実験1と同様の一対の電極を挿入して電気泳動を行い、透明基板の透明導電膜上に厚さが7.2μmの半導体微粒子層を積層し、この半導体微粒子層中に実施例1と同様にして色素を吸着させることによって光電変換素子の光入射側電極を作製した。
実施例1の光入射側電極の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)によって観察した。図3は、このSEM画像を示したものであり、(A)は断面の全体の画像であり、(B)〜(E)は、それぞれ、(A)中の領域(1)〜(4)の拡大画像である。
図3(A)において、領域(1)は、コロイドBの滴下前のコロイドAのみでの電気泳動にて形成された領域であり、そして、図3(B)から、この領域にはTiO2ナノ粒子のみが積層されていることがわかる。
図3(A)において、領域(2)は、コロイドBの滴下が開始直後に形成された領域であり、そして、図3(C)から、この領域においてTiO2ナノ粒子の層からP25微粒子の層への移行部分が形成されていることがわかる。
図3(A)において、領域(3)は、コロイドBの滴下の中間時点で形成された領域であり、領域(4)は、電気泳動の終了直前に形成された領域であり、そして、図3(D)、(E)から、コロイドBの滴下時間の経過につれてP25微粒子の割合が増大していることがわかる。
実施例1、実施例2および実施例3のそれぞれの光入射側電極について、その光捕集効率の入射光波長依存性を測定した。
測定結果を図4(B)のグラフに示した。図4(B)において、X、YおよびZは、それぞれ、実施例1、実施例2および実施例3のグラフを示している。
図4(B)のグラフから、光入射側電極の半導体微粒子層の層厚が増大するにつれて、入射光の全波長にわたって光捕集効率が向上することがわかった。
実施例1の光入射側電極を使用して、色素増感型太陽電池を作製した。図2(B)に、作製した太陽電池の構成を概略的に示す。
図2(B)を参照して、まず、実施例1の光入射側電極5の色素を吸着させた半導体微粒子層5a上に、スペーサー6として、中央に5.0mm×5.0mmの開口部6aを有する厚さ50μmのハイミラン(登録商標)の板を載せ、スペーサ6の開口部6aに電解質溶液7を注入した。なお、電解質溶液7は、溶媒として3-Methoxy-propionitrileを用い、これにLiIを0.1M、I2を0.005M、DMPII(1-propyl-2,3 dimethylimidazolium iodide)を0.6M、TBP(4-tert-butylpyridine)を0.5M添加したものからなっている。
得られた色素増感型太陽電池の光入射面(光入射側電極の半導体微粒子層と反対側の面)に、標準光源として、校正されたソーラシミュレータ(SAN-EI ELECTRIC, XES-40S1)の光を照射し、太陽電池の電流密度−電圧特性を測定した。
また、実施例1の光入射側電極の代わりに実施例3の光入射側電極を使用し、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、得られた色素増感型太陽電池の電流密度−電圧特性を実施例1の場合と同様にして測定した。
図5(A)のグラフから、光入射側電極の半導体微粒子層の厚さが増大するにつれて、より大きな短絡電流密度が得られることがわかった。
実施例1の光入射側電極の代わりに比較例1の光入射側電極を使用し、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、得られた色素増感型太陽電池の電流密度−電圧特性を実施例1の場合と同様にして測定した。
また、実施例1の光入射側電極の代わりに比較例2の光入射側電極を使用し、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、得られた色素増感型太陽電池の電流密度−電圧特性を実施例1の場合と同様にして測定した。
図5(B)のグラフから、実施例1、比較例1、比較例2の順に、短絡電流密度が大きくなることがわかった。
2 コロイド
3 透明基板
3a 透明導電膜
4 電極
5 光入射側電極
5a 色素を吸着させた半導体微粒子層
6 スペーサ
6a 開口部
7 電解質溶液
8 電極
Claims (3)
- 色素増感型光電変換素子の光入射側電極の製造法であって、
(1)それぞれ結晶構造および平均粒径が異なる複数の半導体微粒子群を準備するステップと、
(2)前記複数の半導体微粒子群のそれぞれを個別に分散媒中に混ぜることにより、複数のコロイドを形成するステップと、
(3)前記複数の半導体微粒子群のうちの平均粒径が最小の半導体微粒子群のコロイドを容器に収容し、当該コロイド中に、少なくとも一方が透明導電膜を有する透明基板からなる一対の電極を挿入し、前記一対の電極間に、前記透明導電膜を有する透明基板が陰極となるように電流を流して電気泳動を行うステップと、
(4)前記電気泳動の間に、残りの半導体微粒子群のコロイドを、平均粒径が小さいものから順に所定の時間間隔で所定量添加することにより、前記陰極側の前記透明基板の透明導電膜上に半導体微粒子層を形成するステップと、
(5)前記半導体微粒子層を形成した前記透明基板を前記容器から取り出して熱処理するステップと、
(6)前記半導体微粒子群毎に、当該半導体微粒子群のエネルギー準位に基づき決定した当該半導体微粒子群に適合する色素を準備し、前記平均粒径が最小の半導体微粒子群に適合する色素の溶液を第2の容器中に収容し、当該色素の溶液中に前記熱処理後の透明基板を一方の電極とする一対の電極を挿入し、前記一対の電極間に電流を流して電気泳動を行い、この電気泳動の間に、残りの前記色素のそれぞれの溶液を、平均粒径が小さい前記半導体微粒子群に適合するものから順に所定の時間間隔で所定量添加することにより、前記熱処理後の透明基板上の前記半導体微粒子層に前記色素を吸着させるステップと、からなっていることを特徴とする製造法。 - 前記ステップ(4)において、コロイドの添加を、当該添加すべきコロイドを一定の添加速度で所定の時間にわたって連続的に添加することによって行うことを特徴とする請求項1に記載の製造法。
- 前記複数の半導体微粒子群をいずれも酸化チタンから形成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の製造法。
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