JPWO2015190108A1 - 色素増感型太陽電池用対向電極、色素増感型太陽電池および太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、少なくともその一部が導電性高分子で覆われた微細な線状又は筒状炭素材料を、触媒物質として含有する対向電極が提案されている。
(2)前記触媒層の固体ゼータ電位が+20mV〜−20mVである、前記(1)に記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
(3)前記カーボンナノチューブは、平均直径(Av)と直径の標準偏差(σ)とが、関係式:0.20<(3σ/Av)<0.60を満たす、前記(1)または(2)に記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
(4)前記触媒層の厚みが、0.005〜100μmである、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
(5)前記触媒層に含まれるカーボンナノチューブの量が、0.1mg/m2〜2×104mg/m2である、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
(6)前記触媒層が、前記カーボンナノチューブとは異なる導電性カーボンを更に含む、前記(1)〜(5)のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
(7)前記カーボンナノチューブと前記導電性カーボンとの含有割合が、質量比(カーボンナノチューブ/導電性カーボン)で1/99〜99/1である、前記(6)に記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
(8)光電極、電解質層、および対向電極をこの順に有する色素増感型太陽電池であって、前記対向電極が、前記(1)〜(7)のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極である色素増感型太陽電池。
(9)前記(8)に記載の色素増感型太陽電池が直列及び/又は並列に接続されてなる太陽電池モジュール。
本発明の色素増感型太陽電池用対向電極(以下、「本発明の対向電極」ということがある。)は、支持体と、前記支持体上に形成された、カーボンナノチューブを少なくとも含む触媒層とを有する。そして、本発明の対向電極の触媒層に含まれる前記カーボンナノチューブは、昇温脱離法における150〜950℃での、一酸化炭素の脱離量が400〜1000μmol/gであり、かつ二酸化炭素の脱離量が200〜600μmol/gである。以下、本発明に用いられる、上記脱離量を有するカーボンナノチューブを「カーボンナノチューブ(A)」ということがある。
なお、本発明において、「カーボンナノチューブ(A)」とは、所定のカーボンナノチューブの集合の総称である。
支持体は、触媒層を担持する役割を担うものである。本発明において触媒層を構成するカーボンナノチューブ(A)は導電性を有するため、支持体と触媒層との間には必ずしも導電膜は必要ではない。但し、より良好な通電を確保する観点からは、少なくとも触媒層と接しうる支持体の表面部分には導電膜が形成されているのが好ましい。
このような支持体としては、金属、金属酸化物、炭素材料、導電性高分子などを用いて形成された導電性のシートや、樹脂やガラスからなる非導電性のシートが用いられる。なかでも、支持体としては、軽量で、変換効率に優れる色素増感型太陽電池を効率よく形成することができることから、樹脂やガラスからなる非導電性のシートが好ましく、軽量で、変換効率に優れ、安価な色素増感型太陽電池が得られやすいことから、透明樹脂からなるシートがより好ましい。
用いられる透明樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAr)、ポリスルホン(PSF)、ポリエステルスルホン(PES)、ポリエーテルイミド(PEI)、透明ポリイミド(PI)、シクロオレフィンポリマー(COP)等の合成樹脂が挙げられる。
導電膜は、スパッタリング法、コーティング法等の公知の方法により形成することができる。
支持体の光透過率(測定波長:500nm)は、好ましくは60%以上、より好ましくは75%以上、さらに好ましくは80%以上である。支持体の光透過率が60%以上であることで、変換効率に優れる色素増感型太陽電池を得ることができる。
触媒層は、カーボンナノチューブ(A)を含有してなる。触媒層は、色素増感型太陽電池において、対向電極から電解質層に電子を渡すときの触媒として機能する。また、当該触媒層は、導電性を有することから、導電膜としての機能をも有する。なお、触媒層は、カーボンナノチューブ(A)以外の導電性カーボンを更に含んでいてもよい。また、触媒層には、白金などのナノ粒子や、PEDOT(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン))などのポリチオフェン系ポリマーなどが含まれていてもよい。
触媒層を構成するカーボンナノチューブ(A)は、昇温脱離法における150℃から950℃までの一酸化炭素(CO)の脱離量が400μmol/g以上1000μmol/g以下であり、且つ、昇温脱離法における150℃から950℃までの二酸化炭素(CO2)の脱離量が200μmol/g以上600μmol/g以下である。
昇温脱離法において発生するガス中のCOとCO2は、CNT表面に結合している、水酸基、カルボキシル基、ケトン基、ラクトン基、アルデヒド基及びメチル基などの種々の官能基に由来する。カーボンナノチューブ(A)は、上記の通りのCOとCO2の脱離量を有しており、カーボンナノチューブ(A)の表面には、特に水酸基とカルボキシル基が多く存在しているものと推定される。カーボンナノチューブ(A)は、かかる特性を有することから、例えば、種々の溶媒への分散性に優れており、また、導電性および信頼性に優れている。従って、上記CO脱離量およびCO2脱離量を有するカーボンナノチューブ(A)を使用した触媒層は、優れた触媒活性を発揮する。
なお、カーボンナノチューブ(A)を用いた触媒層の触媒活性を高める観点からは、COの脱離量は、好ましくは500μmol/g以上、より好ましくは550μmol/g以上であり、好ましくは900μmol/g以下、より好ましくは850μmol/g以下、更に好ましくは750μmol/g以下である。また、触媒層の触媒活性を高める観点からは、CO2の脱離量は、好ましくは210μmol/g以上であり、好ましくは500μmol/g以下、より好ましくは270μmol/g以下である。
昇温脱離法における、150℃から950℃までのCOの脱離量又はCO2の脱離量は、CNTを150℃まで加熱し、その後、当該CNTを950℃までさらに加熱することにより、CNTの温度が150℃から950℃に上昇するまでの間に脱離した、COの総量又はCO2の総量として求められる。
なお、CO脱離量およびCO2脱離量は、以下に従い、CNTの酸化処理の条件を適宜変更することで調整することができる。
硫酸を用いた原料CNTの表面処理(酸化処理)は、特に限定されないが、通常、純度96%以上の硫酸を用いて行う。そして、硫酸は、原料CNT100質量部に対し、通常、200質量部以上10000質量部以下の割合で添加する。その際、得られた混合物を超音波処理し、原料CNTを分散させてもよい。次いで、得られた混合物を加熱してもよい。加熱方法は通常用いられる方法なら特に限定されず、オイルバスやマントルヒーターで加熱する方法や、マイクロ波を照射して加熱する方法など適宜選択すればよい。加熱は常圧またはオートクレーブ中など加圧下で実施してもよい。オイルバスやマントルヒーターでの加熱は、通常、常圧の場合、30℃以上120℃以下で0.1時間以上50時間以下、加圧の場合、30℃以上200℃以下で0.1時間以上50時間以下程度行う。一方、マイクロ波照射による加熱は、通常、常圧の場合は30℃以上120℃以下で、加圧の場合は30℃以上200℃以下で、前記混合物が加熱されるようにマイクロ波の出力を設定して、0.01時間以上24時間以下程度行う。いずれの場合も、加熱は一段階で行っても二段階以上で行ってもよい。また、加熱時には、前記混合物を公知の撹拌手段により撹拌するのが好ましい。なお、加圧は通常、常圧から30MPaまでの範囲で実施される。
以上の操作により、原料CNTの表面が硫酸処理されるが、当該処理終了後の混合物は非常に高温であるため、室温まで冷却する。次いで、硫酸を、例えば、デカンテーションにより除去し、処理後のCNTを、例えば、水で洗浄する。当該洗浄は、通常、洗浄排水が中性になるまで行う。
硝酸を用いた原料CNTの表面処理(酸化処理)に用いる硝酸は、硝酸を含めば特に限定されず、発煙硝酸も含む。通常、純度5%以上、好ましくは50%以上、より好ましくは80%以上の硝酸が用いられる。そして、硝酸は、原料CNT100質量部に対し、通常、200質量部以上10000質量部以下の割合で添加する。その際、得られた混合物を超音波処理し、原料CNTを分散させてもよい。次いで、得られた混合物を加熱してもよい。加熱方法は通常用いられる方法なら特に限定されず、オイルバスやマントルヒーターで加熱する方法や、マイクロ波を照射して加熱する方法など適宜選択すればよい。加熱は常圧またはオートクレーブ中など加圧下で実施してもよい。オイルバスやマントルヒーターでの加熱は、通常、常圧の場合、30℃以上120℃以下で0.1時間以上50時間以下、加圧の場合、30℃以上200℃以下で0.1時間以上50時間以下程度行う。一方、マイクロ波照射による加熱は、通常、常圧の場合は30℃以上120℃以下で、加圧の場合は30℃以上200℃以下で、前記混合物が加熱されるようにマイクロ波の出力を設定して、0.01時間以上24時間以下程度行う。いずれの場合も、加熱は一段階で行っても二段階以上で行ってもよい。また、加熱時には、前記混合物を任意の撹拌手段により撹拌するのが好ましい。なお、加圧は通常、常圧から30MPaまでの範囲で実施される。
以上の操作により、原料CNTの表面が硝酸処理されるが、当該処理終了後の混合物は非常に高温であるため、室温まで冷却する。次いで、硝酸を、例えば、デカンテーションにより除去し、処理後のCNTを、例えば、水で洗浄する。当該洗浄は、通常、洗浄排水が中性になるまで行う。
なお、「カーボンナノチューブの平均直径(Av)」および「カーボンナノチューブの直径の標準偏差(σ:標本標準偏差)」は、それぞれ、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択したカーボンナノチューブ100本の直径(外径)を測定して求めることができる。そして、CNTの平均直径(Av)および標準偏差(σ)は、CNTの製造方法や製造条件を変更することにより調整してもよいし、異なる製法で得られたCNTを複数種類組み合わせることにより調整してもよい。
なお、「BET比表面積」とは、BET法を用いて測定した窒素吸着比表面積を指す。
ここで、「マイクロ孔容積(Vp)」は、CNTの液体窒素温度(77K)での窒素吸着等温線を測定し、相対圧P/P0=0.19における窒素吸着量をVとして、式(I):Vp=(V/22414)×(M/ρ)より、算出することができる。なお、Pは吸着平衡時の測定圧力、P0は測定時の液体窒素の飽和蒸気圧であり、式(I)中、Mは吸着質(窒素)の分子量28.010、ρは吸着質(窒素)の77Kにおける密度0.808g/cm3である。マイクロ孔容積は、例えば、「BELSORP(登録商標)−mini」(日本ベル(株)製)を使用して求めることができる。
触媒層が任意に含有し得る導電性カーボンは、上述したカーボンナノチューブ(A)とは異なる導電性カーボンである。すなわち、導電性カーボンとしては、カーボンナノチューブ(A)以外の(換言すれば、上述した脱離量を有さない)カーボンナノチューブ;カーボン粒子(例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛等)、カーボンナノホーン、及びカーボンナノファイバーなどの、カーボンナノチューブ以外の他の導電性カーボン;が挙げられる。
なお、導電性カーボンの製造方法は特に限定されるものではなく、一般的な方法により製造することができる。
本発明において触媒層は、カーボンナノチューブ(A)を構成材料とするため、金属を含まないものであっても、充分な活性を有する。したがって、触媒層は、金属を含まないものであってもよい。但し、触媒層の構成材料は、カーボンナノチューブ(A)にナノサイズの微量な白金等を担持したものでもよく、その場合、触媒効果の向上が期待される。カーボンナノチューブへの金属の担持は公知の方法に従って行うことができる。
また、触媒層に含まれるカーボンナノチューブ(A)の量は、好ましくは0.1mg/m2以上、より好ましくは0.5mg/m2以上、さらに好ましくは5mg/m2以上であり、好ましくは2×104mg/m2以下、より好ましくは5×103mg/m2以下、さらに好ましくは1×103mg/m2以下である。
更に、触媒層は、固体ゼータ電位が−20mV以上+20mV以下であることが好ましく、−10mV以上+10mV以下であることがより好ましい。また、固体ゼータ電位は一般にマイナスであるのが好適である。触媒層の固体ゼータ電位がこの範囲であると、電解液との親和性が良好で、触媒性能や耐久性などに優れる。
触媒層の厚みと、触媒層に含まれるカーボンナノチューブ(A)の量と、触媒層の固体ゼータ電位との何れか一つ以上を上記範囲内とすれば、触媒層の触媒活性を更に向上させることができるので好ましい。
なお、上述した触媒層の固体ゼータ電位は、例えば、固体試料用ゼータ電位測定装置(アントンパール社製、製品名「SurPASS」)を用いて測定することができる。そして、触媒層の固体ゼータ電位は、触媒層に使用するCNTの種類および量を変更することにより調整することができる。
本発明の対向電極は、例えば、カーボンナノチューブ(A)を含有する分散液を調製し、この分散液を支持体上に塗布し、得られた塗膜を乾燥させて触媒層を形成することで、製造することができる。なお、分散液は、任意に、上述したナノ粒子やポリチオフェン系ポリマーの他、カーボンナノチューブ(A)とは異なる導電性カーボンを更に含有していてもよい。
ここで、分散液の塗布方法は、バーコーター、転写法、スピンコート、スプレーコート、インクジェット、スクリーン印刷法など公知の方法を使用すればよく、特に限定されない。
また、塗布した分散液の乾燥方法は、風乾などの自然乾燥、オーブンなどを用いた熱風乾燥、ホットプレートなどの加熱板を用いた乾燥、赤外加熱法、真空乾燥など特に限定されず、これらを組み合わせて用いてもよい。乾燥温度は通常室温から300℃以下、好ましくは200℃以下、より好ましくは150℃以下である。乾燥湿度は温度と合わせて適時選択すればよく、特に限定されないが、例えば室温付近なら20〜80%の相対湿度になる。また、乾燥雰囲気は、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下や真空下、大気下など適時選択すればよい。
混合処理や分散処理には、公知の処理方法を利用することができる。処理方法としては、例えば、ナノマイザー、アルティマイザー、超音波分散機、ボールミル、サンドグラインダー、ダイノミル、スパイクミル、DCPミル、バスケットミル、ペイントコンディショナー、高速攪拌装置等を用いる方法が挙げられる。
本発明の対向電極は、カーボンナノチューブ(A)を構成材料とする触媒層を有するため、触媒活性に優れる。
また、この触媒層は高価な金属を必ずしも必要とせず、本発明の対向電極は、低コストで製造することができる。また、例えば、分散液を用いた簡単な操作で、高品質な触媒層を効率よく形成することができる。したがって、本発明の対向電極は、量産性にも優れる。
本発明の色素増感型太陽電池は、光電極、電解質層、および対向電極をこの順に有し、この対向電極として、本発明の対向電極を用いるものである。
図1に示す色素増感型太陽電池は、光電極(透明電極)10、電解質層20、対向電極30がこの順に並んでなる構造を有する。また、矢印は電子の動きを示す。
光電極基板10aとしては、例えば、対向電極に用いる支持体として挙げた透明樹脂やガラスのシートよりなる支持体10dの上に、インジウム−スズ酸化物(ITO)やインジウム−亜鉛酸化物(IZO)等の複合金属酸化物;カーボンナノチューブ〔対向電極の触媒層に用いられるカーボンナノチューブ(A)と同一でも異なっていてもよい〕やグラフェン等の炭素材料;銀ナノワイヤーや金属メッシュ配線等の金属材料;などからなる導電膜10eを積層してなるものが挙げられる。
半導体微粒子としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ等の金属酸化物の粒子が挙げられる。酸化チタンとしては、アナターゼ型が好ましい。
半導体微粒子の粒子径(一次粒子の平均粒子径)は、好ましくは2nm以上80nm以下、より好ましくは2nm以上60nm以下である。粒子径が小さいことで、抵抗を低下させることができる。半導体微粒子は、同一の粒子径のものを単独で用いても、または相異なる粒子径のものを組み合わせて用いてもよい。
多孔質半導体微粒子層10bの厚みは、特に限定されないが、通常、0.1μm以上50μm以下、好ましくは5μm以上30μm以下である。これらは1層だけではなく、複数層から形成されていてもよい。
多孔質半導体微粒子層10bは、プレス法、水熱分解法、泳動電着法、バインダーフリーコーティング法等の公知の方法により形成することができる。
また、多孔質半導体微粒子層10bと導電膜10eとの間に、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法などで、チタン、亜鉛、スズなどを含む半導体緻密層を形成してもよい。
増感色素としては、アゾ色素、シアニン色素、メロシアニン色素、オキソノール色素、キサンテン色素、スクワリリウム色素、ポリメチン色素、クマリン色素、リボフラビン色素、ペリレン色素等の有機色素;鉄、銅、ルテニウム等の金属のフタロシアニン錯体やポルフィリン錯体、ジ−テトラブチルアンモニウム−シス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)(通称N−719)などのルテニウムビピリジン錯体等の金属錯体色素;等が挙げられる。これらは一種単独もしくは二種以上を組み合わせて用いてもよい。
増感色素層10cは、例えば、増感色素の溶液中に多孔質半導体微粒子層10bを浸漬する方法や、増感色素の溶液を多孔質半導体微粒子層10b上に塗布する方法等の公知の方法により形成することができる。また、この時の浸漬温度や乾燥時間などは適時選択すればよい。増感色素の溶液の水分や乾燥雰囲気の湿度は、少ない方が好ましい。
増感色素の溶液に用いる溶媒は、増感色素の溶解性に応じて適時選択できる。例えばエタノール、イソプロパノールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、アセトンなどのケトン類、アセトニトニルなどのニトニル類、ジメチルスルホキシドなどのスルホン類、N−メチルピロリドンなどのアミン類、ジメチルホルムアミドなどのアミド類などがある。これらは一種単独もしくは二種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、色素の会合などを低減するためコール酸、デオキシコール酸などカルボン酸類を共吸着剤として色素溶液に含んでいてもよい。
電解質層20は、通常、支持電解質、酸化還元対(酸化還元反応において可逆的に酸化体および還元体の形で相互に変換しうる一対の化学種)、溶媒等を含有する。
また、電解質層を増粘・ゲル化する目的で、ゲル化剤、ポリマー、架橋性モノマー、チタン等の無機粒子などを溶媒中に溶解・分散させてもよい。
本発明の色素増感型太陽電池は、太陽を光源とするものに限定されず、例えば屋内照明を光源とするものであってもよい。
上記特性が特に活かされることから、本発明の色素増感型太陽電池は、携帯型太陽電池や屋内用太陽電池として好ましく用いられる。
本発明の太陽電池モジュールは、複数の本発明の色素増感型太陽電池が直列及び/又は並列に接続されてなるものである。モジュール構造としては、Z型、W型、並列型、集電配線型、モノリシック型など公知の構造がある。
本発明の太陽電池モジュールは、例えば、本発明の色素増感型太陽電池を平面状または曲面状に配列し、各電池間に非導電性の隔壁を設けるとともに、各電池の光電極や対向電極を導電性の部材を用いて電気的に接続することで得ることができる。
用いる色素増感型太陽電池の数は特に限定されず、目的の電圧に応じて適宜決定することができる。
日本ベル社製の全自動昇温脱離スペクトル装置「TPD−1−ATw」にサンプル(CNTまたはカーボンブラック)を設置し、キャリヤーガス(He)を50mL/分で流通させた。CO及びCO2の脱離量は、5℃/分の昇温速度で150℃から950℃に昇温してサンプルを加熱し、その間に生じたCO及びCO2を四重極質量分析計で検出し、得られたCO及びCO2のガス量からサンプルの1gあたりから生ずるガスの量(μmol)を計算して求めた。
<触媒層の密着性>
作製した対向電極を使用し、触媒層の密着性について以下の基準で評価した。
〔評価基準〕
良:トルエンにて洗浄しても触媒層の状態に変化がない
不良:トルエンにて洗浄すると触媒層が剥がれてくる
<触媒層の固体ゼータ電位>
触媒層の形成に用いた水分散液をポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムに塗布し、50℃で5分間乾燥させ、サンプルを得た。得られたサンプルを1cm×2cmにカットし、固体試料用ゼータ電位測定装置〔アントンパール社製、製品名「SurPASS」(平面形状サンプル用クランプセル)〕を用い、室温にて、pH6の溶液中で固体ゼータ電位を測定した。そして、以下の基準で評価した。
〔評価基準〕
A:固体ゼータ電位が−10mV以上0mV以下
B:固体ゼータ電位が−20mV以上−10mV未満
C:固体ゼータ電位が−20mV未満
<電池性能>
光源として、150Wキセノンランプ光源にAM1.5Gフィルタを装着した擬似太陽光照射装置(PEC−L11型、ペクセル・テクノロジーズ社製)を用いた。光量は、1sun(AM1.5G、100mW/cm2(JIS C8912のクラスA))に調整した。作製した色素増感型太陽電池をソースメータ(2400型ソースメータ、Keithley社製)に接続し、以下の電流電圧特性の測定を行なった。
1sunの光照射下、バイアス電圧を0Vから0.8Vまで0.01V単位で変化させながら出力電流を測定した。出力電流の測定は、各電圧ステップにおいて、電圧を変化させた後、0.05秒後から0.15秒後までの値を積算することで行った。バイアス電圧を、逆方向に0.8Vから0Vまで変化させる測定も行い、順方向と逆方向の測定の平均値を光電流とした。
上記の電流電圧特性の測定結果より、開放電圧(V)、曲線因子およびエネルギー変換効率(%)を算出した。また、短絡電流密度(mA/cm2)を測定した。
<CNTの調製>
国際公開第2006/011655号の記載に従って、スーパーグロース法によりSGCNTを調製した。
次に、容積500mLの三口フラスコに、温度計、水流式還流冷却器及び撹拌機を取り付け、当該三口フラスコに、上記のSGCNTを1gと、硫酸(東京化成社製、純度96%)80mLとを加えた。この三口フラスコを155℃のオイルバスにつけ、内温が130℃になってから6時間加熱撹拌し、反応させた。
反応終了後、室温まで放冷し、イオン交換水を加え、上澄みをデカンテーションし、さらにイオン交換水を加え、洗浄排水が中性(pH=6.8)になるまでこの操作を繰り返した。以上により、ウェットの状態で29.6gの硫酸処理SGCNTを得た。
また、得られた硫酸処理SGCNTを100℃で1時間乾燥させ、CO及びCO2の脱離量を測定した。評価結果を表1に示す。
なお、得られた硫酸処理SGCNTは、主に単層CNTから構成され、BET比表面積が900m2/g、マイクロ孔容積が0.45mL/gであった。また、平均直径(Av)が3.2nm、直径分布(3σ)が1.9nm、それらの比(3σ/Av)が0.59であった。
<対向電極の製造>
30mLのガラス容器に、水5g、エタノール1g、及び硫酸処理SGCNT0.0025gを加えた。
このガラス容器の内容物に対して、バス型超音波洗浄機(BRANSON社製、5510J−MT(42kHz、180W))を用いて、2時間分散処理を行い、水分散液を得た。
次に、インジウム−スズ酸化物(ITO)をスパッタ処理したポリエチレンナフタレートフィルム(ITO−PENフィルム、フィルム厚み200μm、ITO厚み200nm、シート抵抗15Ω/□)のITO面に、低圧水銀灯を用いて、照射距離3cmで5分間UV/オゾン処理を行った。その後、UV/オゾン処理したITO面上に、前記水分散液を、バーコーター(テスター産業社製、SA−203、No.10)を用いて、塗布厚み22.9μmとなるように塗布した。得られた塗膜を、温度23℃、相対湿度60%で2時間乾燥させて、対向電極を得た。
そして、触媒層の密着性および固体ゼータ電位を評価した。評価結果を表1に示す。
<光電極の製造>
インジウム−スズ酸化物(ITO)をスパッタ処理したポリエチレンナフタレートフィルム(ITO−PENフィルム、フィルム厚み200μm、ITO厚み200nm、シート抵抗15Ω/□)のITO面上に、バインダーフリーの酸化チタンペースト(PECC−C01−06、ペクセル・テクノロジーズ社製)を、ベーカー式アプリケーターを用いて、塗布厚み150μmとなるように塗布した。得られた塗膜を常温で10分間乾燥させた後、150℃の恒温層中でさらに5分間加熱乾燥して、ITO−PENフィルムと多孔質半導体微粒子層とからなる積層体を得た。
この積層体を幅1.2cm、長さ2.0cmの大きさにカットし、さらに積層体の短辺の2mm内側より、多孔質半導体微粒子層を直径6mmの円になるように成形した。これを増感色素溶液〔増感色素:ルテニウム錯体(N719、ソラロニクス社製)、溶媒:アセトニトリル、tert−ブタノール、濃度:0.4mM〕に、40℃で2時間浸漬させることで、増感色素を多孔質半導体微粒子層に吸着させた。浸漬処理の後、積層体をアセトニトリルで洗浄し、乾燥させることで光電極を得た。
<電解液の調製>
各成分の濃度がヨウ素0.05mol/L、ヨウ化リチウム0.1mol/L、t−ブチルピリジン0.5mol/L、および、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド0.6mol/Lとなるように、上記各成分をメトキシアセトニトリルに溶解して、電解液を得た。
<色素増感型太陽電池の製造>
サーリンフィルム(厚み25μm、デュポン社製)を、14mm四方に切り取り、さらに中心部を直径9mmにくり抜き、スペーサーフィルムを作製した。前記対向電極と光電極とを、このスペーサーフィルムをはさんで導電面が内側になるように対向させて貼り合せ、110℃に加熱したホットプレートの上で1分間熱圧着させた。
放冷後、対向電極に穴をあけ、この穴から上記電解液を注液した。電解液を注液後、サーリンフィルム(厚み25μm、デュポン社製)を用いて、電解液の注入に用いた穴を封じることで色素増感型太陽電池を得た。
そして、色素増感型太陽電池の電池性能を評価した。評価結果を表1に示す。
ITO/PENフィルムをPENフィルムにした点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
ITO/PENフィルムをPENフィルムに替え、当該PENフィルム上に前記水分散液を塗布し乾燥させる操作を3回繰り返した点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
硫酸処理SGCNTに替えて未処理のSGCNTを使用し、且つ、ITO/PENフィルムをPENフィルムにした点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
硫酸処理SGCNTに替えて硫酸処理SGCNTと導電性カーボンであるケッチェンブラック(ライオン社製、EC600JD)との混合物(硫酸処理SGCNT:ケッチェンブラック(KB)=80:20(質量比))を使用した点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
硫酸処理SGCNTに替えて未処理のSGCNTと導電性カーボンであるケッチェンブラック(ライオン社製、EC600JD)との混合物(未処理SGCNT:ケッチェンブラック(KB)=80:20(質量比))を使用した点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
硫酸処理SGCNTに替えて単層カーボンナノチューブ(商品名:HiPco(登録商標)、NanoIntegris Inc.社製、平均直径(Av):1.1nm、直径の標準偏差(σ):0.067nm、3σ/Av:0.18)を用いた点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
なお、比較例1では固体ゼータ電位の測定中に単層カーボンナノチューブ(HiPco)が脱落し、固体ゼータ電位を測定できなかった。
対向電極の製造時に、分散剤としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC−Na)を単層カーボンナノチューブ100質量部に対して300質量部の割合で使用して水分散液を調製し、オーブン(ヤマト科学製、DN410I)で100℃、10分間乾燥することで対向電極を得た点を除き、比較例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
硫酸処理SGCNTに替えてカーボンブラック(商品名:デンカブラック(登録商標)、電気化学工業社製)を用いた点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
なお、比較例3では固体ゼータ電位の測定中にカーボンブラックが脱落し、固体ゼータ電位を測定できなかった。
硫酸処理SGCNTに替えて以下のようにして調製したオゾン処理SGCNTを使用した点を除き、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池を評価した。評価結果を表1に示す。
<オゾン処理SGCNTの調製>
500mL容積のナスフラスコに、スーパーグロース法により調製した上記のSGCNTを1g入れ、ナスフラスコをエバポレーターに接続した。エバポレーターのガス流路に、オゾン発生装置からオゾンと空気の混合ガスを、常圧で、オゾン濃度20g/Nm3で流量600mL/分にて流し、室温で2.5時間、エバポレーターによりナスフラスコを回転させながら反応させて、オゾン処理SGCNTを得た。そして、実施例1と同様にしてオゾン処理SGCNTのCO及びCO2の脱離量を測定した。
なお、特に表1の実施例1〜6および比較例2より、所定のCO脱離量及びCO2脱離量を有するCNTを使用した実施例1〜6では、分散剤を使用しなくてもCNTが良好に分散し、触媒活性に優れる触媒層を形成することができることが分かる。
10a・・・光電極基板
10b・・・多孔質半導体微粒子層
10c・・・増感色素層
10d・・・支持体
10e・・・導電膜
20・・・電解質層
30・・・対向電極
30a・・・支持体
30b・・・触媒層
30c・・・導電膜
40・・・外部の回路
Claims (9)
- 支持体と、前記支持体上に形成された触媒層とを有し、
前記触媒層が、昇温脱離法における150〜950℃での、一酸化炭素の脱離量が400〜1000μmol/gであり、かつ二酸化炭素の脱離量が200〜600μmol/gであるカーボンナノチューブを少なくとも含む、色素増感型太陽電池用対向電極。 - 前記触媒層の固体ゼータ電位が+20mV〜−20mVである、請求項1に記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
- 前記カーボンナノチューブは、平均直径(Av)と直径の標準偏差(σ)とが、関係式:0.20<(3σ/Av)<0.60を満たす、請求項1または2に記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
- 前記触媒層の厚みが、0.005〜100μm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用対向電極。
- 前記触媒層に含まれるカーボンナノチューブの量が、0.1mg/m2〜2×104mg/m2である、請求項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
- 前記触媒層が、前記カーボンナノチューブとは異なる導電性カーボンを更に含む、請求項1〜5のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
- 前記カーボンナノチューブと前記導電性カーボンとの含有割合が、質量比(カーボンナノチューブ/導電性カーボン)で1/99〜99/1である、請求項6に記載の色素増感型太陽電池用対向電極。
- 光電極、電解質層、および対向電極をこの順に有する色素増感型太陽電池であって、前記対向電極が、請求項1〜7のいずれかに記載の色素増感型太陽電池用対向電極である色素増感型太陽電池。
- 請求項8に記載の色素増感型太陽電池が直列及び/又は並列に接続されてなる太陽電池モジュール。
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