JP2008192441A - Dye-sensitized solar cell, generator utilizing the same, and output recovery method for dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する色素増感型太陽電池及びそれを利用した発電装置、色素増感型太陽電池の出力回復方法に関するものである。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell that directly converts light energy into electric energy, a power generation device using the same, and a method for recovering the output of the dye-sensitized solar cell.
現在、太陽光発電では、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びこれらを組み合わせたHIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)等を用いた太陽電池が実用化され、主力技術となっている。これらの太陽電池は、光電変換効率(発電効率)が20%近くあり、優れている。しかし、シリコン系太陽電池は素材製造にかかるエネルギーコストが高く、環境負荷などの面でも課題が多く、価格や材料供給等における制限もある。一方、近年においては、Gratzel等により提案された色素増感型太陽電池が、安価な太陽電池として注目されている(例えば、非特許文献1及び特許文献1参照。)。色素増感型太陽電池は、増感色素を担持させたチタニア多孔質電極と対極との間に電解液を介在させた構造を有している。この種の色素増感型太陽電池は、現行のシリコン系太陽電池に比べて光電変換効率が低いというデメリットを有するものの、材料や製法等の面で大幅なコストダウンが可能というメリットを有している。 At present, in solar power generation, solar cells using single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, a combination of these with HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer), etc. have been put into practical use and have become the main technology. These solar cells have excellent photoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) of nearly 20%. However, silicon-based solar cells have a high energy cost for material production, have many problems in terms of environmental impact, and have limitations in terms of price and material supply. On the other hand, in recent years, a dye-sensitized solar cell proposed by Gratzel et al. Has attracted attention as an inexpensive solar cell (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1). The dye-sensitized solar cell has a structure in which an electrolytic solution is interposed between a titania porous electrode carrying a sensitizing dye and a counter electrode. This type of dye-sensitized solar cell has the demerit that the photoelectric conversion efficiency is lower than the current silicon-based solar cell, but has the advantage that the cost can be significantly reduced in terms of materials and manufacturing method. Yes.
ここで、色素増感型太陽電池の発電メカニズムについて簡単に述べる。例えば、電解液としてレドックス対(I−とI3 −等)を含むものを使用した色素増感型太陽電池の場合、昼間などの発電時に光がチタニア多孔質電極に当たると、その光を増感色素が吸収してチタニア多孔質電極中に電子を放出する。このとき、増感色素に残されたホールは、ヨウ化物イオン(I−)を酸化して三ヨウ化物イオン(I3 −)へと変える。また、チタニア多孔質電極中に放出された電子は、回路を経て対極に移動するとともに、そこで三ヨウ化物イオン(I3 −)を還元してヨウ化物イオン(I−)へと変える。そして、このサイクルが連続して起こることにより、光エネルギーが電気エネルギーに変換されるようになっている。
Here, the power generation mechanism of the dye-sensitized solar cell will be briefly described. For example, in the case of a dye-sensitized solar cell using a redox pair (I − and I 3 − etc.) as an electrolytic solution, the light is sensitized when it hits the titania porous electrode during power generation such as daytime. The dye absorbs and emits electrons into the titania porous electrode. At this time, the holes left in the sensitizing dye, iodide ion (I -) to oxidize and triiodide (
しかしながら、色素増感型太陽電池を長期間にわたって連続的に発電状態におくと、電解液中のレドックス対の比率に偏りが生じ、これが電池の特性劣化(即ち光電変換効率の低下)を引き起こす原因となる。その理由としては以下の2つのことが考えられる。 However, when the dye-sensitized solar cell is continuously in a power generation state for a long period of time, the ratio of the redox pair in the electrolyte is biased, which causes the deterioration of the battery characteristics (that is, the decrease in photoelectric conversion efficiency). It becomes. There are two possible reasons for this.
第1の理由:電解液中には三ヨウ化物イオン(I3 −)とヨウ化物イオン(I−)とがレドックス対として存在するが、発電によりチタニア多孔質電極付近に三ヨウ化物イオン(I3 −)が偏在し、対極付近にヨウ化物イオン(I−)が偏在するようになり、電解液の導電性が低下するからである。 First reason: Although triiodide ions (I 3 − ) and iodide ions (I − ) exist as redox pairs in the electrolyte, triiodide ions (I 3 − ) is unevenly distributed, and iodide ions (I − ) are unevenly distributed in the vicinity of the counter electrode, so that the conductivity of the electrolytic solution is lowered.
第2の理由:光に紫外線が含まれているような場合、その紫外線がチタニア多孔質電極と電解液との界面にて光触媒反応を誘起する結果、ヨウ化物イオン(I−)を還元し、電解質中のイオン比率を全体的にヨウ化物イオン(I−)がリッチな状態へとシフトさせるからである。
従って、色素増感型太陽電池においては、劣化した特性を何らかの手法により回復させることが望まれるが、そのための具体的かつ実用性のある有効な手法は、従来提案されるには至っていない。 Therefore, in a dye-sensitized solar cell, it is desired to recover the deteriorated characteristics by some method, but a specific and practical effective method for that purpose has not been proposed.
参考までに、電解質を含有する有機溶媒を電解液として使用した太陽電池において、チタニア電極を塩化チタン水溶液に浸漬し、その後、再度焼成することにより、光電変換効率を向上させる方法が従来提案されている(例えば、非特許文献2参照: J.Am.Ceram.Soc.1997,80,3157)。しかしながらこの方法は、太陽電池の分解及び組立を必須とするため、大変面倒な作業が要求され、実用的なものとは言いがたい。 For reference, in a solar cell using an organic solvent containing an electrolyte as an electrolytic solution, a method for improving photoelectric conversion efficiency has been conventionally proposed by immersing a titania electrode in an aqueous titanium chloride solution and then firing again. (See, for example, Non-Patent Document 2: J. Am. Ceram. Soc. 1997, 80, 3157). However, since this method requires disassembly and assembly of the solar cell, it requires a very troublesome work and is not practical.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる色素増感型太陽電池及びそれを利用した発電装置、色素増感型太陽電池の出力回復方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell that can recover the output by eliminating the decrease in photoelectric conversion efficiency by a relatively simple method. It is an object of the present invention to provide a power generation apparatus and a method for recovering the output of a dye-sensitized solar cell.
上記課題を解決すべく本願発明者らが鋭意研究を行ったところ、色素増感型太陽電池の特性回復のための手法として今までに無い電気化学的な処理を思い付き、これを発展させて下記の新規な出力回復方法を完成させるに至ったのである。また、この新規な出力回復方法を実行するにあたって好適な構造の色素増感型太陽電池も併せて完成させるに至ったのである。 The inventors of the present invention conducted intensive research to solve the above problems, and came up with an unprecedented electrochemical treatment as a technique for restoring the characteristics of a dye-sensitized solar cell. The new output recovery method has been completed. In addition, a dye-sensitized solar cell having a structure suitable for executing this novel output recovery method has also been completed.
即ち、上記課題を解決するための手段(手段1)としては、透光性を有する第1基体(13)と、前記第1基体(13)と対向する位置に配置された第2基体(25)と、前記第1基体(13)の前記第2基体(25)に対向する側(12)に設けられた透光性導電層(14)と、前記透光性導電層(14)上に設けられた、増感色素を含む半導体電極(15)と、前記第2基体(25)の前記第1基体に対向する側(22)に設けられた触媒電極(23)と、前記第1基体(13)及び前記第2基体(25)間に存在するセル空間(32)内に充填された電解液(33)と、前記セル空間(32)に面して配置され、前記半導体電極(15)及び前記触媒電極(23)とは別に設けられた出力回復用電極(41)とを備えたことを特徴とする色素増感型太陽電池(100,120,140,160)がある。 That is, as means (means 1) for solving the above-described problems, a first base (13) having translucency and a second base (25) disposed at a position facing the first base (13). ), A translucent conductive layer (14) provided on the side (12) of the first base (13) facing the second base (25), and on the translucent conductive layer (14). A semiconductor electrode (15) containing a sensitizing dye, a catalyst electrode (23) provided on a side (22) of the second base (25) facing the first base, and the first base (13) and an electrolytic solution (33) filled in a cell space (32) existing between the second substrate (25), and the semiconductor electrode (15) disposed facing the cell space (32). And an output recovery electrode (41) provided separately from the catalyst electrode (23). There is a dye-sensitized solar cells (100,120,140,160).
従って、手段1に記載の発明によると、半導体電極及び触媒電極とは別に出力回復用電極を設けたため、例えば非発電時にその出力回復用電極に電圧を印加することで発電時とは逆方向に電流を流すような使い方が可能となる。そして、このような使い方をすると、電気化学的な作用により発電時とは逆の反応が起きるため、電解液中のイオンの偏りが解消され、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。このため、従来品に比べて実用性の高い色素増感型太陽電池を提供することができる。 Therefore, according to the invention described in the means 1, the output recovery electrode is provided separately from the semiconductor electrode and the catalyst electrode. It can be used in such a way that current flows. And, if you use it like this, the reaction opposite to that during power generation occurs due to electrochemical action, so the bias of ions in the electrolyte can be eliminated and the state of ions can be returned to the initial state. Become. Therefore, the output can be recovered by eliminating the decrease in photoelectric conversion efficiency by a relatively simple method without disassembling and assembling the apparatus. Therefore, it is possible to provide a dye-sensitized solar cell that is more practical than conventional products.
透光性を有する第1基体は、使用時に光が入射する側に配置されることから、ガラスや樹脂シート等のような透光性材料を用いて形成される。この第1基体が樹脂シートからなるとき、この樹脂シートの形成に用いる樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリエチリデンノルボルネン等の各種の熱可塑性樹脂が挙げられる。第1基体の厚さは材質によっても異なり、特に限定されないが、透光性の指標である下記の透過率が60%〜99%、特に85%〜99%となる厚さであることが好ましい。ここでいう透光性とは、波長400nm〜900nmの可視光の透過率が10%以上であることを意味する。この透過率は60%以上、特に85%以上であることが好ましい。以下、透光性の意味及び好ましい透過率は全て同様である。 Since the first base having translucency is disposed on the side where light enters during use, the first base is formed using a translucent material such as glass or a resin sheet. When the first substrate is formed of a resin sheet, the resin used for forming the resin sheet includes various thermoplastic resins such as polyesters such as polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polysulfone, and polyethyleneidene norbornene. Is mentioned. The thickness of the first substrate varies depending on the material and is not particularly limited. However, it is preferable that the following transmittance, which is a light-transmitting index, is 60% to 99%, particularly 85% to 99%. . Here, translucency means that the transmittance of visible light having a wavelength of 400 nm to 900 nm is 10% or more. This transmittance is preferably 60% or more, particularly 85% or more. Hereinafter, the meaning of translucency and preferable transmittance are all the same.
透過率(%)=(透過した光量/入射した光量)×100 Transmittance (%) = (transmitted light amount / incident light amount) × 100
「透光性導電層」は、第1基体の第2基体に対向する側に設けられる。透光性導電層は、透光性及び導電性を有していればよく、その材質は特に限定されない。この透光性導電層としては、導電性酸化物からなる薄膜、炭素薄膜等が挙げられる。導電性酸化物としては、酸化インジウム、スズドープ酸化インジウム、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)等が挙げられる。この透光性導電層の厚さはその材質によっても異なり、特に限定されないが、表面抵抗が100Ω/cm2以下、特に1Ω/cm2以上10Ω/cm2以下となる厚さであることが好ましい。 The “translucent conductive layer” is provided on the side of the first base facing the second base. The translucent conductive layer only needs to have translucency and conductivity, and the material is not particularly limited. Examples of the translucent conductive layer include a thin film made of a conductive oxide, a carbon thin film, and the like. Examples of the conductive oxide include indium oxide, tin-doped indium oxide, tin oxide, and fluorine-doped tin oxide (FTO). The thickness of the translucent conductive layer varies depending on the material and is not particularly limited, but the surface resistance is preferably 100 Ω / cm 2 or less, particularly 1 Ω / cm 2 or more and 10 Ω / cm 2 or less. .
なお、この透光性導電層の透光性の意味及び好ましい可視光透過率は、透光性基板の場合と同様である。 In addition, the translucency meaning and preferable visible light transmittance | permeability of this translucent conductive layer are the same as that of the translucent board | substrate.
「半導体電極」は、前記透光性導電層上に設けられ、増感色素を含む。つまり、この半導体電極は第1基体の第2基体に対向する側に設けられ、セル空間に面して配置された状態となる。 The “semiconductor electrode” is provided on the translucent conductive layer and contains a sensitizing dye. In other words, the semiconductor electrode is provided on the side of the first substrate facing the second substrate, and is disposed facing the cell space.
この半導体電極は、例えば、多孔質電極基体に増感色素を付着させた構造を有している。多孔質電極基体は、金属酸化物、金属硫化物等により形成することができる。金属酸化物としては、チタニア、酸化スズ、酸化亜鉛、五酸化二ニオブ等の酸化ニオブ、酸化タンタル及びジルコニア等が挙げられる。また、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム及びチタン酸バリウム等の複酸化物を用いることもできる。さらに、金属硫化物としては、硫化亜鉛、硫化鉛及び硫化ビスマス等が挙げられる。 This semiconductor electrode has, for example, a structure in which a sensitizing dye is attached to a porous electrode substrate. The porous electrode substrate can be formed of a metal oxide, a metal sulfide or the like. Examples of the metal oxide include titania, tin oxide, zinc oxide, niobium oxide such as niobium pentoxide, tantalum oxide, and zirconia. Also, double oxides such as strontium titanate, calcium titanate, and barium titanate can be used. Furthermore, examples of the metal sulfide include zinc sulfide, lead sulfide, and bismuth sulfide.
多孔質電極基体の形成方法は特に限定されないが、例えば、金属酸化物、金属硫化物等の半導体微粒子を含有するペーストを、透光性基板等の表面に塗布して未焼成の多孔質電極基体を形成した後、焼成するという手順を採用することができる。ペーストの塗布方法も特に限定されず、その具体例としてはスクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等がある。このようにして形成された半導体電極基体は、半導体微粒子が集合してなる集合体の形態を有したものとなる。 The method for forming the porous electrode substrate is not particularly limited. For example, a paste containing semiconductor fine particles such as a metal oxide or a metal sulfide is applied to the surface of a light-transmitting substrate or the like to form an unfired porous electrode substrate. After forming, a procedure of firing can be employed. The method for applying the paste is not particularly limited, and specific examples thereof include a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method. The semiconductor electrode substrate thus formed has a form of an aggregate formed by aggregating semiconductor fine particles.
この場合における焼成条件は特に限定されないが、例えば焼成温度については400℃以上600℃以下、特に450℃以上650℃以下に設定され、焼成時間については10分以上300分以下、特に20分以上40分以下に設定されてもよい。焼成雰囲気は、大気雰囲気等の酸化雰囲気としてもよく、あるいはアルゴン等の希ガスや窒素ガス等の不活性雰囲気としてもよい。 The firing conditions in this case are not particularly limited. For example, the firing temperature is set to 400 ° C. to 600 ° C., particularly 450 ° C. to 650 ° C., and the firing time is 10 minutes to 300 minutes, particularly 20 minutes to 40 minutes. It may be set to a minute or less. The firing atmosphere may be an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere, or may be an inert atmosphere such as a rare gas such as argon or a nitrogen gas.
半導体電極の厚さは特に限定されないが、0.1μm以上100μm以下とすることができ、1μm以上50μm以下、特に2μm以上40μm以下、さらに5μm以上30μm以下とすることが好ましい。この厚さが0.1μm以上100μm以下の範囲内であれば、光電変換が十分になされ、発電効率の向上を図ることができる。また、半導体電極は、その強度及び第1基体等との密着性を向上させるため、熱処理されることが好ましい。熱処理の温度及び時間は特に限定されないが、熱処理温度については40℃以上700℃以下、特に100℃以上500℃以下とすることが好ましく、熱処理時間については10分以上10時間以下、特に20分以上5時間以下とすることが好ましい。なお、第1基体として樹脂シートを用いる場合には、樹脂が熱で劣化しないように適温で熱処理することが好ましい。 The thickness of the semiconductor electrode is not particularly limited, but may be from 0.1 μm to 100 μm, preferably from 1 μm to 50 μm, particularly from 2 μm to 40 μm, and more preferably from 5 μm to 30 μm. If this thickness is in the range of 0.1 μm or more and 100 μm or less, photoelectric conversion is sufficiently performed, and power generation efficiency can be improved. The semiconductor electrode is preferably heat-treated in order to improve its strength and adhesion with the first substrate. The temperature and time of the heat treatment are not particularly limited, but the heat treatment temperature is preferably 40 ° C. or more and 700 ° C. or less, particularly preferably 100 ° C. or more and 500 ° C. or less, and the heat treatment time is 10 minutes or more and 10 hours or less, particularly 20 minutes or more. 5 hours or less is preferable. In addition, when using a resin sheet as a 1st base | substrate, it is preferable to heat-process at suitable temperature so that resin may not deteriorate with a heat | fever.
半導体電極が有する「増感色素」としては、光電変換の作用を向上させる役割を果たすものであって、具体的には光電変換の作用を向上させる錯体色素及び有機色素を用いることができる。錯体色素としては金属錯体色素が挙げられ、有機色素としてはポリメチン色素、メロシアニン色素等が挙げられる。金属錯体色素としてはルテニウム錯体色素及びオスミウム錯体色素等が挙げられ、ルテニウム錯体色素が特に好ましい。さらに、光電変換がなされる波長域を拡大し、光電変換効率を向上させるため、増感作用が発現される波長域の異なる2種以上の増感色素を併用することもできる。この場合、照射される光の波長域と強度分布とによって併用する増感色素の種類及びそれらの量比を設定することが好ましい。また、増感色素は半導体電極に結合するための官能基を有することが好ましい。この官能基としては、カルボキシル基、スルホン酸基、シアノ基等が挙げられる。 The “sensitizing dye” possessed by the semiconductor electrode plays a role of improving the photoelectric conversion action, and specifically, complex dyes and organic dyes that improve the photoelectric conversion action can be used. Examples of complex dyes include metal complex dyes, and examples of organic dyes include polymethine dyes and merocyanine dyes. Examples of the metal complex dye include a ruthenium complex dye and an osmium complex dye, and a ruthenium complex dye is particularly preferable. Furthermore, in order to expand the wavelength range in which photoelectric conversion is performed and improve the photoelectric conversion efficiency, two or more sensitizing dyes having different wavelength ranges in which a sensitizing action is exhibited can be used in combination. In this case, it is preferable to set the type of sensitizing dye to be used in combination and the amount ratio thereof depending on the wavelength range and intensity distribution of the irradiated light. The sensitizing dye preferably has a functional group for bonding to the semiconductor electrode. Examples of this functional group include a carboxyl group, a sulfonic acid group, and a cyano group.
多孔質電極基体に増感色素を付着させる方法は特に限定されず、例えば、増感色素を有機溶媒に溶解させた溶液に多孔質電極基体を浸漬し、溶液を含侵させた後、有機溶媒を除去するという方法が採用可能である。また、この溶液を多孔質電極基体に塗布した後、有機溶媒を除去するという方法も採用可能である。この場合の溶液塗布方法としては、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテンコート法、スピンコート法、スプレーコート法等が挙げられる。さらに、この溶液は、オフセット印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷等の印刷法により塗布することもできる。 The method for attaching the sensitizing dye to the porous electrode substrate is not particularly limited. For example, after immersing the porous electrode substrate in a solution in which the sensitizing dye is dissolved in the organic solvent and impregnating the solution, the organic solvent The method of removing can be employed. A method of removing the organic solvent after applying this solution to the porous electrode substrate can also be employed. Examples of the solution coating method in this case include a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain coating method, a spin coating method, and a spray coating method. Furthermore, this solution can also be applied by a printing method such as offset printing, gravure printing or screen printing.
増感色素の付着量は半導体電極15に対して0.01ミリモル以上1ミリモル以下、特に0.5ミリモル以上1ミリモル以下であることが好ましい。付着量が0.01ミリモル以上1ミリモル以下の範囲内に設定すれば、半導体電極において光電変換が効率よくなされる。また、半導体電極に付着しなかった増感色素が電極周辺に遊離していると、変換効率が低下することがある。そのため、増感色素を付着させる処理の後、半導体電極を洗浄して余剰の増感色素を除去することが好ましい。この除去は、洗浄槽を用いてアセトニトリル等の極性溶媒及びアルコール系溶媒などの有機溶媒で洗浄することにより行うことができる。また、電極基体に多くの増感色素を付着させるためには、半導体電極を加熱して、浸漬、塗布等の処理を行うことが好ましい。この場合、半導体電極の表面に水が吸着するのを避けるため、加熱後、常温に降温させることなく40℃以上80℃以下で速やかに処理することが好ましい。
The adhesion amount of the sensitizing dye is preferably 0.01 mmol or more and 1 mmol or less, particularly 0.5 mmol or more and 1 mmol or less with respect to the
一方、第1基体に対向して配置される「第2基体」は、その第1基体に対向する側に触媒電極を有している。 On the other hand, the “second substrate” arranged to face the first substrate has a catalyst electrode on the side facing the first substrate.
第2基体は、透光性を有していてもよいし、透光性を有していなくてもよい。透光性を有する第2基体としては、例えばガラス基板や樹脂基板等を用いることができる。透光性を有していない第2基体としては、例えばセラミック基板を用いることができる。セラミック基板は機械的強度が高く、この基板が支持基板となって優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池とすることができる。セラミック基板の形成に用いられるセラミックは特に限定されず、例えば、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック等の各種セラミックスを用いることができる。酸化物系セラミックとしては、アルミナ、ムライト、ジルコニア等が挙げられる。また、窒化物系セラミックとしては、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウム等が挙げられる。さらに、炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化アルミニウム等が挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等が好ましく、特にアルミナが好ましい。その理由は、機械的強度に優れることに加え、好適な絶縁性を有することから電極や導電層などを形成するための支持体としても好適だからである。 The second substrate may have a light-transmitting property or may not have a light-transmitting property. As the second substrate having translucency, for example, a glass substrate or a resin substrate can be used. For example, a ceramic substrate can be used as the second substrate that does not have translucency. The ceramic substrate has high mechanical strength, and this substrate can serve as a support substrate to provide a dye-sensitized solar cell having excellent durability. The ceramic used for forming the ceramic substrate is not particularly limited. For example, various ceramics such as oxide ceramics, nitride ceramics, and carbide ceramics can be used. Examples of the oxide ceramic include alumina, mullite, zirconia and the like. Examples of the nitride ceramic include silicon nitride, sialon, titanium nitride, and aluminum nitride. Further, examples of the carbide-based ceramic include silicon carbide, titanium carbide, and aluminum carbide. As the ceramic, alumina, silicon nitride, zirconia and the like are preferable, and alumina is particularly preferable. The reason is that in addition to being excellent in mechanical strength, it has suitable insulating properties, so that it is also suitable as a support for forming electrodes, conductive layers and the like.
第2基体がセラミック基板である場合、その厚さは特に限定されないが、100μm以上5mm以下とすることができ、300μm以上4mm以下、特に500μm以上2mm以下とすることができる。セラミック基板の厚さが100μm以上あれば、支持基板として要求される十分な機械的強度を付与できるため、これを用いることで優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池を得ることができる。 When the second substrate is a ceramic substrate, the thickness is not particularly limited, but can be 100 μm or more and 5 mm or less, 300 μm or more and 4 mm or less, particularly 500 μm or more and 2 mm or less. If the thickness of the ceramic substrate is 100 μm or more, sufficient mechanical strength required as a support substrate can be imparted, and therefore, by using this, a dye-sensitized solar cell having excellent durability can be obtained.
第2基体の第1基体に対向する側に設けられた「触媒電極」は、第2基体の面上に直接的に設けられてもよく、第2基体側導電層を介して間接的に設けられてもよい。第2基体側導電層としては特に限定されず、導電性を有していればその材質は問わない。この場合、例えば第1基体の第2基体に対向する側に設けられた透光性導電層と同様のものを第2基体側導電層として用いてもよい。 The “catalyst electrode” provided on the side of the second substrate facing the first substrate may be provided directly on the surface of the second substrate, or indirectly through the second substrate-side conductive layer. May be. It does not specifically limit as a 2nd base | substrate side conductive layer, The material will not ask | require if it has electroconductivity. In this case, for example, a light-transmitting conductive layer provided on the side of the first base facing the second base may be used as the second base-side conductive layer.
この触媒電極は、触媒活性を有する物質により形成することができる。触媒活性を有する物質としては、白金、金、ロジウム等の貴金属が挙げられる。銀も貴金属であるが、電解質等に対する耐腐食性が低いため好ましくない。 This catalyst electrode can be formed of a substance having catalytic activity. Examples of the substance having catalytic activity include noble metals such as platinum, gold, and rhodium. Silver is also a noble metal, but is not preferred because of its low corrosion resistance to electrolytes and the like.
触媒活性を有する物質であって貴金属以外のものとしては、カーボンブラック等が挙げられる。ここに列挙した物質は、いずれも好適な導電性を有する。貴金属は触媒活性を有しかつ電気化学的に安定であるため、触媒電極の形成用材料として好適であり、その中でも触媒活性が高くて電解質に対する耐腐食性が高い白金が特に好適である。 Examples of substances having catalytic activity other than noble metals include carbon black. Any of the substances listed here has suitable conductivity. Since noble metals have catalytic activity and are electrochemically stable, they are suitable as a material for forming a catalyst electrode. Among them, platinum having high catalytic activity and high corrosion resistance to an electrolyte is particularly suitable.
触媒電極の厚さは特に限定されないが、単層及び多層のいずれの場合も、3nm以上10μm以下、特に3nm以上2μm以下とすることができる。触媒電極の厚さが3nm以上10μm以下の範囲内であれば、十分に抵抗の低い触媒電極とすることができる。 The thickness of the catalyst electrode is not particularly limited, but can be 3 nm or more and 10 μm or less, particularly 3 nm or more and 2 μm or less in both cases of single layer and multilayer. When the thickness of the catalyst electrode is in the range of 3 nm or more and 10 μm or less, a catalyst electrode having a sufficiently low resistance can be obtained.
触媒活性を有する物質からなる触媒電極は、触媒活性を有する物質の微粒子を含有するペーストを、第2基体の表面、または第2基体側導電層の表面に塗布することにより形成することができる。 A catalytic electrode made of a substance having catalytic activity can be formed by applying a paste containing fine particles of a substance having catalytic activity to the surface of the second substrate or the surface of the second substrate-side conductive layer.
この塗布方法としては、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。さらに、この触媒電極は、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法等により第2基体の表面、または第2基体側導電層の表面に金属等を堆積させて形成することもできる。 Examples of the coating method include various methods such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method. Furthermore, this catalyst electrode can also be formed by depositing metal or the like on the surface of the second substrate or the surface of the second substrate-side conductive layer by sputtering, vapor deposition, ion plating, or the like.
なお、第2基体の第1基体に対向する側の反対側に導体層が形成されていてもよく、また、第1基体に対向する側にある導体と第1基体に対向する側の反対側にある前記導体層とを導通させるビア導体が第2基体に形成されていてもよい。このような導体層及びビア導体は、導電性を有する材料により形成されることができ、具体的には、アルミニウム、タングステン、チタン、ニッケル等といった金属の粒を含む金属ペーストを印刷しかつ焼成すること等により形成されることができる。 A conductor layer may be formed on the opposite side of the second base opposite to the first base, and the conductor on the side facing the first base and the opposite side of the side facing the first base. A via conductor that conducts to the conductor layer may be formed on the second base. Such a conductor layer and via conductor can be formed of a conductive material, and specifically, a metal paste containing metal particles such as aluminum, tungsten, titanium, nickel, etc. is printed and fired. Or the like.
第1基体及び第2基体の間には例えばスペーサが配置され、その配置の結果両者の間にセル空間が区画形成される。スペーサの材料は特に限定されず、樹脂またはガラスなどが使用可能であるが、耐腐食性のある材料を選択することが好ましい。このスペーサの厚さは、所望の高さのセル空間を形成するために、例えば10μm以上100μm以下、好ましくは20μm以上80μm以下に設定される。 For example, a spacer is arranged between the first substrate and the second substrate, and as a result of the arrangement, a cell space is defined between the two. The material of the spacer is not particularly limited, and resin or glass can be used, but it is preferable to select a material having corrosion resistance. The thickness of the spacer is set to, for example, 10 μm or more and 100 μm or less, preferably 20 μm or more and 80 μm or less in order to form a cell space having a desired height.
「電解液」は、第1基体及び第2基体間に存在する上記のセル空間内に充填され、少なくとも半導体電極と触媒電極との間に介在している。セル空間への電解液の注入は、第1基体側から行ってもよく、第2基体側から行ってもよい。この場合、穿孔しやすい側に注入口を設け、この注入口から電解液を注入することが好ましい。注入口は1個でよいが、空気抜きのためさらに別の孔を設けておいてもよい。このように空気抜きのための孔を設けておけば、電解液をより容易にかつ確実に注入することができる。 The “electrolytic solution” is filled in the cell space existing between the first base and the second base, and is interposed at least between the semiconductor electrode and the catalyst electrode. The electrolyte solution may be injected into the cell space from the first substrate side or from the second substrate side. In this case, it is preferable to provide an injection port on the side where it is easy to perforate and to inject the electrolytic solution from this injection port. One injection port may be provided, but another hole may be provided for venting air. Thus, if the hole for venting air is provided, the electrolyte can be injected more easily and reliably.
電解液における電解質としては、(1)I2とヨウ化物、(2)Br2と臭化物、(3)フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩、フェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、(4)ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、(5)ビオロゲン色素、(6)ヒドロキノン−キノン、などを含有する電解質が挙げられる。(1)におけるヨウ化物としては、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2等の金属ヨウ化物、及びテトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物のヨウ素塩などが挙げられる。また、(2)における臭化物としては、LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2等の金属臭化物、及びテトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の4級アンモニウム化合物の臭素塩などが挙げられる。これらの電解質のうちでは、I2と、LiI及びピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物のヨウ素塩と、を組み合わせてなる電解質が特に好ましい。これらの電解質は1種のみを用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。 Examples of the electrolyte in the electrolytic solution include (1) I 2 and iodide, (2) Br 2 and bromide, (3) metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate, ferrocene-ferricinium ion, (4) Examples include electrolytes containing sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol-alkyldisulfides, (5) viologen dyes, (6) hydroquinone-quinone, and the like. As iodide in (1) is, LiI, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2, and tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide iodine salt of quaternary ammonium compounds such as id, etc. Is mentioned. As the bromide in (2), LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr 2 , etc. of the metal bromide, and tetra-alkyl ammonium bromide, bromine salts of quaternary ammonium compounds such as pyridinium bromide and the like. Among these electrolytes, an electrolyte obtained by combining I 2 and an iodine salt of a quaternary ammonium compound such as LiI, pyridinium iodide, and imidazolium iodide is particularly preferable. These electrolytes may use only 1 type and may use 2 or more types.
電解質は、各種の添加剤等とともに溶媒に配合し、電解液として用いることができる。この溶媒は、粘度が低く、イオン易動度が高く、十分なイオン伝導性を有するものであることが好ましい。このような溶媒としては、(1)エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート類、(2)3−メチル−2−オキサゾリジノン等の複素環化合物、(3)ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル類、(4)エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等の鎖状エーテル類、(5)メタノール、エタノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のモノアルコール類、(6)エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類、(7)アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類、(8)ジメチルスルフォキシド、スルフォラン等の非プロトン極性物質などが挙げられる。これらの溶媒は1種のみを用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。 The electrolyte can be blended in a solvent together with various additives and used as an electrolytic solution. This solvent preferably has a low viscosity, a high ion mobility, and sufficient ion conductivity. Examples of such solvents include (1) carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, (2) heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, (3) ethers such as dioxane and diethyl ether, (4 ) Chain ethers such as ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, (5) methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl Monoalcohols such as ether and polypropylene glycol monoalkyl ether, (6) ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene Polyhydric alcohols such as polyglycol, polypropylene glycol and glycerin, (7) nitriles such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, and (8) aprotic such as dimethyl sulfoxide and sulfolane. Examples include polar substances. These solvent may use only 1 type and may use 2 or more types.
さらに、電解質として常温溶融塩を用いることができ、この場合には溶媒を用いて電解液とすることができる。また、電解質を単独で用いることもできる。この常温溶融塩としては、ヨウ化物の常温溶融塩を用いることができる。このヨウ化物の常温溶融塩としては、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、ピロリジニウム塩、ピラゾリジウム塩、イソチアゾリジニウム塩、イソオキサゾリジニウム塩等の各種の常温溶融塩が挙げられる。ヨウ化物の常温溶融塩のうちではイミダゾリウム塩が好ましい。これらの常温溶融塩としては種類の異なる2種以上を併用することもできる。 Furthermore, a normal temperature molten salt can be used as the electrolyte, and in this case, an electrolyte can be obtained using a solvent. Also, the electrolyte can be used alone. As this room temperature molten salt, a room temperature molten salt of iodide can be used. Examples of room temperature molten salts of iodide include various room temperature molten salts such as imidazolium salts, pyridinium salts, pyrrolidinium salts, pyrazolidium salts, isothiazolidinium salts, isoxazolidinium salts, and the like. Of the room temperature molten salts of iodide, imidazolium salts are preferred. These room temperature molten salts can be used in combination of two or more different types.
「出力回復用電極」は、主として太陽電池の出力を回復させる処理を行う際に使用される電極であって、前記セル空間に面して配置され、前記半導体電極及び前記触媒電極とは別に設けられる。言い換えると、出力回復用電極は、少なくともセル空間において半導体電極及び前記触媒電極とは離間し、電気的に絶縁した状態で設けられる。 The “output recovery electrode” is an electrode mainly used for performing a process for recovering the output of the solar cell, and is disposed facing the cell space, and is provided separately from the semiconductor electrode and the catalyst electrode. It is done. In other words, the output recovery electrode is provided in a state of being electrically insulated from the semiconductor electrode and the catalyst electrode at least in the cell space.
出力回復用電極は、セル空間に面した態様であれば任意の位置に設けられることが可能であるが、例えば触媒電極よりも半導体電極に近い位置に設けられていることが好ましい。半導体電極からの離間距離が短くなると、非発電時にイオンが電解液中を移動する距離が短くなることから、イオンの偏りを短時間で効率よく解消することが可能となる。上記離間距離としては例えば5μm以上40μm以下がよく、特には5μm以上20μm以下がよりよい。離間距離が小さすぎると、組付誤差等によって出力回復用電極が半導体電極に接触して短絡してしまうおそれがあるからである。一方、離間距離が大きすぎると、非発電時にイオンが電解液中を移動する距離が十分に短くならないからである。 The output recovery electrode can be provided at any position as long as it faces the cell space. For example, the output recovery electrode is preferably provided at a position closer to the semiconductor electrode than the catalyst electrode. When the separation distance from the semiconductor electrode is shortened, the distance that ions move through the electrolyte during non-power generation is shortened, so that the ion bias can be efficiently eliminated in a short time. The separation distance is preferably 5 μm or more and 40 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 20 μm or less. This is because if the separation distance is too small, the output recovery electrode may come into contact with the semiconductor electrode and short-circuit due to an assembly error or the like. On the other hand, if the separation distance is too large, the distance that ions move through the electrolyte during non-power generation is not sufficiently shortened.
出力回復用電極は、第1基体及び第2基体のいずれの側に設けられることも可能であるが、しいて言えば第2基体側に設けられることがよい。仮に第1基体側に出力回復用電極を設けた場合には、第1基体側に配線構造を設ける必要性が生じ、その配線構造が光を遮ることに加えて、半導体電極の面積の減少により光電変換効率が低下するという欠点がある。これに対して、仮に第2基体側に出力回復用電極を設けた場合には、配線構造による遮光といった不利益が解消されるため、光電変換効率の低下を回避することができる。 The output recovery electrode can be provided on either side of the first base or the second base, but in other words, it is preferably provided on the second base. If the output recovery electrode is provided on the first substrate side, it is necessary to provide a wiring structure on the first substrate side. In addition to blocking the light, the wiring structure reduces the area of the semiconductor electrode. There is a disadvantage that the photoelectric conversion efficiency is lowered. On the other hand, if the output recovery electrode is provided on the second substrate side, the disadvantage of light shielding due to the wiring structure is eliminated, so that a decrease in photoelectric conversion efficiency can be avoided.
出力回復用電極を第2基体側に設けた構造の具体例としては、例えば、出力回復用電極を第2基体の第1基体に対向する面に突設された凸部上に設けた構造が好適である。この構造であると、出力回復用電極を半導体電極に対向させた状態で近接配置することができ、それゆえ非発電時にイオンを効率よく移動させることができる。 As a specific example of the structure in which the output recovery electrode is provided on the second base side, for example, a structure in which the output recovery electrode is provided on a convex portion protruding from the surface of the second base facing the first base. Is preferred. With this structure, the output recovery electrode can be disposed close to the semiconductor electrode so as to face the semiconductor electrode, and therefore ions can be efficiently moved during non-power generation.
かかる凸部としては特に限定されず、例えば第2基体に一体的に設けられたものでもよく、あるいは第2基体と別体で形成されたものを取り付けてもよい。第2基体の第1基体に対向する面を基準とした凸部の突出量は特に限定されないが、例えば、セル空間の高さの50%以上90%以下とすることがよい。 Such a convex portion is not particularly limited, and for example, it may be provided integrally with the second base body, or may be formed separately from the second base body. The protrusion amount of the convex portion with respect to the surface of the second base body facing the first base body is not particularly limited, but may be, for example, 50% to 90% of the height of the cell space.
出力回復用電極を第2基体側に設けた構造を採用した場合、第2基体の第1基体に対向する側の反対側に導体層及びビア導体を設け、ビア導体と出力回復用電極とを導通させてもよい。この構成であると、導体層及びビア導体を介して、第2基体の第1基体に対向する側に設けられた出力回復用電極から配線を引き出すことができる。従って、配線を引き出すために出力回復用電極を平面方向に沿って大きく形成する必要がなく、それゆえ第2基体の小型化、ひいては太陽電池の小型化を達成しやすくなる。 When the structure in which the output recovery electrode is provided on the second base side is adopted, the conductor layer and the via conductor are provided on the opposite side of the second base opposite to the first base, and the via conductor and the output recovery electrode are provided. You may make it conduct. With this configuration, the wiring can be drawn out from the output recovery electrode provided on the side of the second base facing the first base via the conductor layer and the via conductor. Accordingly, it is not necessary to form a large output recovery electrode along the plane direction in order to draw out the wiring, and therefore, it is easy to achieve miniaturization of the second base and hence miniaturization of the solar cell.
出力回復用電極の配設数及びレイアウトは特に限定されないが、例えば、出力回復用電極は複数個かつ散点状に設けられていることが好適である。この構成によると、非発電時にイオンを満遍なく還元してその偏りを解消できるため、効率よくイオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。 The number and layout of the output recovery electrodes are not particularly limited. For example, it is preferable that a plurality of output recovery electrodes are provided in the form of dots. According to this configuration, ions can be reduced evenly during non-power generation and the bias can be eliminated, so that the ion state can be efficiently returned to the initial state.
出力回復用電極は、導電性を有していればその材質は問わないが、電解液中のイオンを還元する触媒活性を有する材料からなる触媒電極であることが好適である。その理由は、触媒活性を有するものであると、非発電時にイオンを効率よく還元してその偏りを確実に解消することができからである。この場合における出力回復用電極は、触媒電極と同様のものであればよく、触媒活性を有する物質により形成することができる。電極形成材料の具体例については、触媒電極の説明箇所において列挙したので、ここでは省略する。なお、生産性やコスト性の観点から、出力回復用電極は、触媒電極と同じ材料を用いて同じ工程で形成されることがよい。 The output recovery electrode is not particularly limited as long as it has conductivity, but is preferably a catalyst electrode made of a material having catalytic activity to reduce ions in the electrolytic solution. The reason for this is that if it has catalytic activity, ions can be efficiently reduced during non-power generation to reliably eliminate the bias. The output recovery electrode in this case may be the same as that of the catalyst electrode, and can be formed of a substance having catalytic activity. Since specific examples of the electrode forming material are listed in the description of the catalyst electrode, they are omitted here. From the viewpoint of productivity and cost, the output recovery electrode is preferably formed in the same process using the same material as the catalyst electrode.
上記課題を解決するための別の手段(手段2)としては、手段1に記載の色素増感型太陽電池(100,120,140,160)と、負荷(90)の正極側と前記触媒電極(23)とを電気的に接続し、前記負荷(90)の負極側と前記半導体電極(15)とを電気的に接続する第1回路(C1)と、直流電源(91)の正極側と前記出力回復用電極(41)とを電気的に接続し、直流電源(91)の負極側と前記半導体電極(15)とを接続する第2回路(C2)と、前記第1回路(C1)及び前記第2回路(C2)のいずれか一方を選択的に閉状態に切り換えるためのスイッチ(S11,S12)とを備えることを特徴とする発電装置がある。 As another means (means 2) for solving the above problems, the dye-sensitized solar cell (100, 120, 140, 160) described in means 1, the positive electrode side of the load (90), and the catalyst electrode A first circuit (C1) electrically connecting the negative electrode side of the load (90) and the semiconductor electrode (15), and a positive electrode side of the DC power source (91) A second circuit (C2) for electrically connecting the output recovery electrode (41) and connecting a negative electrode side of a DC power source (91) and the semiconductor electrode (15); and the first circuit (C1). And a switch (S11, S12) for selectively switching one of the second circuits (C2) to a closed state.
従って、手段2に記載の発明によると、発電時においては第1回路が閉状態となるようにスイッチが切り換えられる結果、触媒電極側から負荷へ電力が供給される。非発電時においては第2回路が閉状態となるようにスイッチが切り換えられる結果、直流電源から出力回復用電極側へ電力が供給される。このとき、セル空間内の電解液中にて発電時とは逆方向に電流が流れるため、電気化学的な作用により発電時とは逆の反応が起きる。よって、電解液中のイオンの偏りが解消され、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。このため、従来品に比べて実用性の高い発電装置を提供することができる。 Therefore, according to the invention described in the means 2, at the time of power generation, the switch is switched so that the first circuit is closed, so that electric power is supplied from the catalyst electrode side to the load. As a result of switching the switch so that the second circuit is closed during non-power generation, power is supplied from the DC power source to the output recovery electrode side. At this time, since a current flows in the electrolyte solution in the cell space in the opposite direction to that during power generation, a reaction opposite to that during power generation occurs due to electrochemical action. Therefore, the bias of ions in the electrolytic solution is eliminated, and the ion state can be returned to the initial state. Therefore, the output can be recovered by eliminating the decrease in photoelectric conversion efficiency by a relatively simple method without disassembling and assembling the apparatus. For this reason, it is possible to provide a power generator that is more practical than conventional products.
上記課題を解決するための別の手段(手段3)としては、色素増感型太陽電池(1,100,120,140,160)の劣化時にその出力を回復させる方法であって、非発電時に発電時とは逆方向に電流が流れるように電圧を印加することを特徴とする色素増感型太陽電池の出力回復方法がある。 As another means (means 3) for solving the above-mentioned problem, there is a method for recovering the output when the dye-sensitized solar cell (1, 100, 120, 140, 160) is deteriorated, and during non-power generation There is an output recovery method for a dye-sensitized solar cell, in which a voltage is applied so that a current flows in a direction opposite to that during power generation.
従って、手段3に記載の発明によると、非発電時においては発電時とは逆方向に電圧が印加されることで、電気化学的な作用によりイオンの偏りが解消される結果、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。このような出力回復を行う場合、半導体電極及び触媒電極とは別に設けた出力回復用電極を用いてそれに電圧を印加してもよいが、出力回復用電極を設けずに既存の触媒電極に電圧を印加してもよい。
Therefore, according to the invention described in the
上記課題を解決するための別の手段(手段4)としては、手段1に記載の色素増感型太陽電池(100,120,140,160)の劣化時にその出力を回復させる方法であって、非発電時に前記半導体電極(15)から前記出力回復用電極(41)に向けて電流が流れるように電圧を印加することを特徴とする色素増感型太陽電池の出力回復方法がある。 Another means (means 4) for solving the above problem is a method of recovering the output when the dye-sensitized solar cell (100, 120, 140, 160) described in means 1 is deteriorated, There is an output recovery method for a dye-sensitized solar cell, wherein a voltage is applied so that a current flows from the semiconductor electrode (15) toward the output recovery electrode (41) during non-power generation.
従って、手段4に記載の発明によると、非発電時においては発電時とは逆方向に電圧が印加されることで、電気化学的な作用によりイオンの偏りが解消される結果、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。しかも、触媒電極とは別に設けられた出力回復用電極を用いることで、効率よく出力を回復させることができる。 Therefore, according to the invention described in the means 4, when non-power generation is performed, a voltage is applied in a direction opposite to that during power generation. It is possible to return to the initial state. Therefore, the output can be recovered by eliminating the decrease in photoelectric conversion efficiency by a relatively simple method without disassembling and assembling the apparatus. In addition, the output can be efficiently recovered by using the output recovery electrode provided separately from the catalyst electrode.
ここで「色素増感型太陽電池の劣化」とは、製品出荷時における色素増感型太陽電池の出力値(初期出力値)よりも出力が低下した状態のことを指す。この方法による出力回復は、例えば、出力が初期出力値の40%以下、あるいは60%以下となった場合に実施される。 Here, “degradation of the dye-sensitized solar cell” refers to a state in which the output is lower than the output value (initial output value) of the dye-sensitized solar cell at the time of product shipment. The output recovery by this method is performed, for example, when the output is 40% or less or 60% or less of the initial output value.
非発電時において印加すべき電圧は、太陽電池の劣化の度合いに応じて適宜設定されるが、例えば、半導体電極の面積に対して1mA/cm2以上200mA/cm2以下の電流が100秒間以下流れるように電圧を印加することが好ましい。電流密度及び通電時間をこの範囲に設定して電圧を印加すれば、比較的短時間であっても、劣化した出力を確実に回復させることができる。電流密度が1mA/cm2未満であると、イオンの偏りを十分に解消できないおそれがある。また、電流密度が200mA/cm2超あるいは通電時間が100秒超であると、必要以上に大きな電気エネルギーを投入することになるので、無駄が多くなり好適ではない。また、過大な電流が流れるように設定すると、かえって太陽電池の性能を低下させる原因となるばかりか、破壊の原因にもなるので、好ましくない。 Voltage to be applied during the non power is appropriately set according to the degree of degradation of the solar cell, for example, 1 mA / cm 2 or more 200 mA / cm 2 or less current than 100 seconds with respect to the area of the semiconductor electrode It is preferable to apply a voltage so as to flow. If a voltage is applied with the current density and energization time set in this range, the degraded output can be reliably recovered even in a relatively short time. If the current density is less than 1 mA / cm 2 , the ion bias may not be sufficiently eliminated. Further, if the current density exceeds 200 mA / cm 2 or the energization time exceeds 100 seconds, electric energy that is larger than necessary is input, which is wasteful and is not preferable. Further, setting so that an excessive current flows is not preferable because it not only causes a decrease in the performance of the solar cell but also causes a breakdown.
[第1の実施形態] [First Embodiment]
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図1〜図3に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図1には、本実施形態において用いる色素増感型太陽電池1が示されている。この色素増感型太陽電池1は、スペーサ31を介して第1基体13と第2基体25とを対向配置した構造を備えている。第1基体13と第2基体25との間にはセル空間32が形成され、このセル空間内には電解液33が充填されている。透光性を有する第1基体13の第2基体25に対向する側12には、透光性導電層14がほぼ全面にわたって形成されている。さらにその透光性導電層14上には、増感色素を含む半導体電極15が設けられている。一方、透光性を有する第2基体25の第1基体13に対向する側22には、第2基体側導電層24がほぼ全面にわたって形成されている。その第2基体側導電層24上には、半導体電極15に対向して触媒電極23が設けられている。触媒電極23は内側面22の全面にわたって形成されていてもよく、その一部に形成されていてもよい。半導体電極15及び触媒電極23は、いずれもセル空間32に面して配置されており、結果としてセル空間32内に充填された電解液33に晒されている。また、本実施形態においては、半導体電極23と出力回復用電極とが一体である。
FIG. 1 shows a dye-sensitized solar cell 1 used in the present embodiment. The dye-sensitized solar cell 1 has a structure in which a
図2,図3には、上記の色素増感型太陽電池1を構成要素とする発電装置が示されている。この発電装置は、図1の色素増感型太陽電池1と負荷90と直流電源91とスイッチS1とにより構成されている。触媒電極23はスイッチS1の第1接点T1に電気的に接続されている。スイッチS1の第2接点T2は負荷90の正極側に電気的に接続され、スイッチS1の第3接点T3は直流電源91の正極側に電気的に接続されている。一方、半導体電極15は負荷90の負極側及び直流電源91の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。このような接続の結果、色素増感型太陽電池1と負荷90とを互いに接続する第1回路C1と、色素増感型太陽電池1と直流電源91とを互いに接続する第2回路C2とが形成されている。スイッチS1を切り換えて第1接点T1及び第2接点T2間を閉じると(図2参照)、第1回路C1が閉じて第2回路C2が開き、色素増感型太陽電池1から負荷90に電流が供給されるようになっている。逆に、スイッチS1を切り換えて第1接点T1及び第3接点T3間を閉じると(図3参照)、第1回路C1が開いて第2回路C2が閉じ、直流電源91から色素増感型太陽電池1に電流が供給されるようになっている。
2 and 3 show a power generation device including the dye-sensitized solar cell 1 as a constituent element. This power generator is constituted by the dye-sensitized solar cell 1, the
次に、本実施形態の色素増感型太陽電池1の作製手順について説明する。 Next, the preparation procedure of the dye-sensitized solar cell 1 of the present embodiment will be described.
(1)第1基体13、透光性導電層14、半導体電極15の作製
(1) Production of the
まず透光性を有する第1基体13(日本板硝子社製のガラス基板、縦25mm、横15mm、厚さ1mm)を用意し、その透光性を有する第1基体13の片側面全体にわたってFTOからなる厚さ300nmの透光性導電層14を形成した。次に、透光性を有する第1基体13における透光性導電層14上に、粒径が10nm〜300nmのチタニア粒子を含有するペースト(Ti-Nanoxide D/SP 13nm/300nm)をスクリーン印刷法によって塗布し、厚さ20μmの塗膜を形成した。その後、120℃で30分間予備乾燥し、次いでマッフル炉を用いて500℃で30分間保持して焼成し、半導体電極15を作製するための多孔質電極基体を形成した。
First, a
一方、氷冷した水に四塩化チタンを溶解させ、0.05モル/リットル濃度の水溶液を調製した。その後、この四塩化チタン水溶液に多孔質電極基体形成済みの上記透光性を有する第1基体13を浸漬し、水溶液を昇温させて70℃で30分間保持することで、塩化チタン処理を行った。次いで、処理済みの透光性を有する第1基体13を水溶液から取り出した後、蒸留水で十分に洗浄し、室温で30分間乾燥した。その後、塩化チタン処理された多孔質電極基体を、マッフル炉を用いて500℃で30分間保持して再度焼成した。
また、ルテニウム錯体(小島化学社製、商品名「N−719」)を、アセトニトリルとtert−ブタノールとの混合溶媒に溶解させ、5×10−4モル/リットル濃度のアセトニトリル/tert−ブタノール溶液を調製した。次いで、このルテニウム錯体溶液に、塩化チタン処理された多孔質電極基体及び透光性を有する第1基体13を18時間浸漬した。その結果、多孔質電極基体に増感色素であるルテニウム錯体を付着させて厚さ20μmの半導体電極15を形成した。
On the other hand, titanium tetrachloride was dissolved in ice-cooled water to prepare an aqueous solution having a concentration of 0.05 mol / liter. Thereafter, the
Further, a ruthenium complex (trade name “N-719” manufactured by Kojima Chemical Co., Ltd.) is dissolved in a mixed solvent of acetonitrile and tert-butanol, and an acetonitrile / tert-butanol solution having a concentration of 5 × 10 −4 mol / liter is obtained. Prepared. Next, the porous electrode substrate treated with titanium chloride and the
(2)第2基体25、第2基体側導電層24、触媒電極23の作製
(2) Production of
まず透光性を有する第2基体25(日本板硝子社製のガラス基板、縦25mm、横15mm、厚さ1mm)を用意し、その透光性を有する第2基体25の片側面全体にわたってFTOからなる厚さ300nmの第2基体側導電層24を形成した。次に、第2基体側導電層24上にスパッタ法により白金(Pt)を堆積させて厚さ200nmの触媒電極23を形成した。ここでは、透光性を有する第2基体25及び第2基体側導電層24はともに透光性を有しているが、必ずしも透光性は必須ではないので、透光性を有しない材料を用いてこれらを形成しても構わない。
First, a
(3)基体同士の接合 (3) Bonding of substrates
電解液注入穴をあけた透光性を有する第2基体25において、触媒電極23が形成されていない部分に、熱可塑性樹脂からなる厚さ50μmのスペーサ31(三井デュポンポリケミカル社製、商品名「ハイミラン1702」)を配設した。その後、半導体電極15が触媒電極23と対向するように透光性を有する第1基体13を配置し、100℃で4秒間の熱圧着を行い、封止した。次いで対極側に空いた穴から電解液を注入し、その後UV硬化樹脂にて封止することにより、図1に示す色素増感太陽電池1を完成させた。なお、本実施形態では、ヨウ素電解液33として、有機溶媒であるプロピレンカーボネートに、I2を1.5モル、LiIを0.1モル、4−tert−ブチルピリジンを0.5モル、ジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイドを0.6モル混入し、調製したものを用いることとした。
次に、作製した色素増感型太陽電池1を図2,図3のように配線することで発電装置を構成し、これを日光が当たる場所にセットして使用した。
In the
Next, the produced dye-sensitized solar cell 1 was wired as shown in FIGS. 2 and 3 to constitute a power generation device, which was used by setting it in a place exposed to sunlight.
まず日光が当たる昼間には、図2に示す状態にスイッチS1を切り替えて第1回路C1を閉じておく。第1基体13の第2基体25に対向する側12の反対側から入射した光は、透光性を有する第1基体13及び透光性導電層14を通過して半導体電極15に到達する。すると、半導体電極15では、増感色素が光を吸収して半導体電極15中に電子を放出する。このとき、増感色素に残されたホールは、ヨウ化物イオン(I−)を酸化して三ヨウ化物イオン(I3 −)へと変える。一方、対極である触媒電極23には、半導体電極15に電気的に接続されている負荷90を経由して、電子が移動してくる。そしてこの電子は、三ヨウ化物イオン(I3 −)を還元してヨウ化物イオン(I−)へと変える。その結果、色素増感型太陽電池1において光エネルギーが電気エネルギーに変換される(即ち発電される)とともに、発生した電力が負荷90に供給される。例えば負荷90を蓄電池としておけば、そこに電気を溜めておくことができる。なお、発電時においては、触媒電極23側が高電位となり、半導体電極15側が低電位となる。
First, in the daytime when the sunlight hits, the switch S1 is switched to the state shown in FIG. 2 to close the first circuit C1. The light incident from the side of the
そして、色素増感型太陽電池1が劣化した場合には、以下のようにしてその出力を回復させる。この場合には、スイッチS1を切り替えて第2回路C2を閉じ、非発電状態とする。すると、負荷90に代わり直流電源91が電気的に接続される結果、発電時とは逆方向に電流が流れるように電圧が印加される。つまり、半導体電極15側から直流電源91を経由して触媒電極23へ電流が供給され、これにより触媒電極23側が低電位となり、半導体電極15側が高電位となる。なお本実施形態では、半導体電極15の面積に対して約120mA/cm2の電流が約5秒間流れるように電圧を印加した。
And when the dye-sensitized solar cell 1 deteriorates, the output is recovered as follows. In this case, the switch S1 is switched to close the second circuit C2, and a non-power generation state is set. Then, as a result of electrically connecting the
すると、半導体電極15に直流電源91から電子が移動し、その電子が三ヨウ化物イオン(I3 −)を還元してヨウ化物イオン(I−)へと変える。一方、触媒電極23にてホールが生じ、そのホールがヨウ化物イオン(I−)を酸化して三ヨウ化物イオン(I3 −)へと変える。つまり、発電時とは逆の電気化学反応が起こるようになる。
Then, electrons move from the
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)上述したとおり、非発電時においては発電時とは逆方向に電圧が印加されることで、逆の電気化学反応が起こることから、ヨウ素電解液33中のレドックス対の偏りを解消することができる。その結果、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。
[第2の実施形態]
(1) As described above, when non-power generation is performed, a reverse electrochemical reaction occurs when a voltage is applied in the direction opposite to that during power generation, thereby eliminating the bias of the redox pair in the
[Second Embodiment]
次に、本発明を具体化した第2の実施形態を図4〜図7に基づき詳細に説明する。なお、第1の実施形態と共通する部分については説明を簡略化し、相違する部分を中心に述べる。 Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. Note that description of parts common to the first embodiment will be simplified, and differences will be mainly described.
図4,図5には、本実施形態において用いる色素増感型太陽電池100が示されている。第1の実施形態と比較すると、この色素増感型太陽電池100では、透光性を有する第1基体13の第2基体25に対向する側12においてその中央部には、平行に延びる一対の絶縁溝部102が形成されている。そして、これら一対の絶縁溝部102間には、白金触媒電極からなる出力回復用電極41が帯状に形成されている。出力回復用電極41も、セル空間32に面して配置されており、結果としてセル空間32内に充填された電解液33に晒されている。出力回復用電極41の両側には半導体電極15が配置されている。従って、半導体電極15と出力回復用電極41とは、隣接しているものの絶縁されている。
4 and 5 show a dye-sensitized
図6,図7には、上記の色素増感型太陽電池100を構成要素とする発電装置が示されている。この発電装置は、図4の色素増感型太陽電池100と負荷90と直流電源91と2つのスイッチS11,S12とにより構成されている。触媒電極23はスイッチS11の第1接点T1aに電気的に接続されている。スイッチS11の第2接点T1bは負荷90の正極側に電気的に接続されている。一方、半導体電極15は負荷90の負極側及び直流電源91の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。また、出力回復用電極41はスイッチS12の第1接点T2aに電気的に接続されている。スイッチS12の第2接点T2bは直流電源91の正極側に電気的に接続されている。このような接続の結果、色素増感型太陽電池100と負荷90とを互いに接続する第1回路C1と、色素増感型太陽電池1と直流電源91とを互いに接続する第2回路C2とが形成されている。
6 and 7 show a power generation device including the dye-sensitized
スイッチS11をオンに切り換えて第1接点T1a及び第2接点T2a間を閉じ、スイッチS12をオフに切り換えて第1接点T2a及び第2接点T2b間を開くと(図6参照)、第1回路C1が閉じて第2回路C2が開き、色素増感型太陽電池100から負荷90に電流が供給されるようになっている。逆に、スイッチS11をオフに切り換えて第1接点T1a及び第2接点T2a間を開き、スイッチS12をオンに切り換えて第1接点T2a及び第2接点T2b間を閉じると(図7参照)、第1回路C1が開いて第2回路C2が閉じ、直流電源91から色素増感型太陽電池100の出力回復用電極41に電流が供給されるようになっている。
When the switch S11 is turned on to close the first contact T1a and the second contact T2a, and the switch S12 is turned off to open the first contact T2a and the second contact T2b (see FIG. 6), the first circuit C1. Is closed and the second circuit C2 is opened, and current is supplied from the dye-sensitized
次に、本実施形態の色素増感型太陽電池100の作製手順について説明する。なお、第2基体25、第2基体側導電層24、触媒電極23の作製及び両基体同士の接合については、第1の実施形態と何ら変わらないので、第1基体13、透光性導電層14、半導体電極15の作製についてのみ詳細に述べる。
Next, a manufacturing procedure of the dye-sensitized
(1)第1基体13、透光性導電層14、半導体電極15の作製
(1) Production of the
まず透光性を有する第1基体13(日本板硝子社製のガラス基板、縦25mm、横15mm、厚さ1mm)を用意し、その透光性を有する第1基体13の片側面全体にわたってFTOからなる厚さ300nmの透光性導電層14を形成した。次に、透光性導電層14が形成されている透光性を有する第1基体13の第2基体25に対向する側12に対する溝加工を行い、平行な一対の絶縁溝部102を形成した。溝加工工程を経ると、一対の絶縁溝部102間に位置する透光性導電層14が、その両脇にある透光性導電層14から分断される。次に、透光性を有する第1基体13の第2基体25に対向する側12上に所定のマスクを設けて一対の絶縁溝部102の外側領域を覆い、この状態でスパッタ法により白金(Pt)を堆積させて厚さ200nmの出力回復用電極41を形成した。次に、マスクを除去した後、第1の実施形態の方法に準じて前記外側領域に厚さ20μmの半導体電極15を形成した。
First, a
そして、第1の実施形態に準じて作製した第2基体25と、この第1基体13とを接合し、ヨウ素電解液33の注入を行って、図4に示す色素増感型太陽電池100を完成させた。
And the 2nd base |
次に、作製した色素増感型太陽電池100を図6,図7のように配線することで発電装置を構成し、これを日光が当たる場所にセットして使用した。
Next, the produced dye-sensitized
まず日光が当たる昼間には、図6に示すようにスイッチS11,S12を切り替えて第1回路C1を閉じておく。このとき、第1の実施形態と同様の電気化学反応が進み、色素増感型太陽電池100において光エネルギーが電気エネルギーに変換される。このような発電時においては、触媒電極23側が高電位となり、半導体電極15側が低電位となる。なお、発電時において出力回復用電極41は、半導体電極15及び触媒電極23のいずれにも電気的に接続されておらず、切り離されているため、電流が流れない。
First, during the daytime when sunlight is applied, the switches S11 and S12 are switched to close the first circuit C1 as shown in FIG. At this time, the electrochemical reaction similar to that in the first embodiment proceeds, and light energy is converted into electrical energy in the dye-sensitized
色素増感型太陽電池100の劣化時には、以下のようにしてその出力を回復させる。この場合には、図7に示すようにスイッチS11,S12を切り替えて第2回路C2を閉じ、非発電状態とする。すると、負荷90に代わり直流電源91が電気的に接続される結果、発電時とは逆方向に電流が流れるように電圧が印加される。つまり、半導体電極15側から直流電源91を経由して出力回復用電極41へ電流が供給され、これにより出力回復用電極41側が低電位となり、半導体電極15側が高電位となる。なお本実施形態では、半導体電極15の面積に対して約60mA/cm2の電流が約1秒間流れるように電圧を印加した。
When the dye-sensitized
すると、半導体電極15に直流電源91から電子が移動し、その電子が三ヨウ化物イオン(I3 −)を還元してヨウ化物イオン(I−)へと変える。一方、出力回復用電極41にてホールが生じ、そのホールがヨウ化物イオン(I−)を酸化して三ヨウ化物イオン(I3 −)へと変える。つまり、半導体電極15においては発電時とは逆の電気化学反応が起こるようになる。
Then, electrons move from the
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)上述したとおり、非発電時においては発電時とは逆方向に電圧が印加されることで、逆の電気化学反応が起こることから、ヨウ素電解液33中のレドックス対の偏りを解消することができる。その結果、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。ちなみに、本実施形態では出力が初期出力値の30%以下になったときに上記条件で回復処理を行うことにより、初期出力値の約70%程度まで回復させることが可能であった。
(1) As described above, when non-power generation is performed, a reverse electrochemical reaction occurs when a voltage is applied in the direction opposite to that during power generation, thereby eliminating the bias of the redox pair in the
(2)特に本実施形態では、出力回復用電極41が第1基体13の第2基体25に対向する側12(言い換えると半導体電極15と同一面上)にあるため、対極である触媒電極23よりも半導体電極15の近くに位置している。よって、第1の実施形態の構造と比較すると、非発電時にイオンが電解液中を移動する距離が短い。しかも、第1の実施形態に比べて電極間抵抗が1/20〜1/30程度に小さくなる。ゆえに、イオンの偏りを短時間で効率よく解消することが可能となる。
[第3の実施形態]
(2) Particularly in this embodiment, since the
[Third Embodiment]
次に、本発明を具体化した第3の実施形態を図8〜図11に基づき詳細に説明する。なお、第1の実施形態と共通する部分については説明を簡略化し、相違する部分を中心に述べる。 Next, a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. Note that description of parts common to the first embodiment will be simplified, and differences will be mainly described.
図8,図9には、本実施形態において用いる色素増感型太陽電池120が示されている。第1の実施形態と比較すると、この色素増感型太陽電池120では、アルミナ製の第2基体25の第1基体13に対向する側22においてその中央部には、1本の絶縁溝部122が形成されている。そして、この絶縁溝部122の底面には、帯状に延びる高さ20μm〜30μm程度の突条121(凸部)が設けられている。突条121の上面には、白金触媒電極からなる出力回復用電極41が同じく帯状に形成されている。この出力回復用電極41も、セル空間32に面して配置されており、結果としてセル空間32内に充填された電解液33に晒されている。出力回復用電極41の両側には触媒電極23が配置されている。従って、触媒電極23と出力回復用電極41とは、隣接しているものの絶縁されている。
8 and 9 show the dye-sensitized
図10,図11には、上記の色素増感型太陽電池120を構成要素とする発電装置が示されている。この発電装置は、図8の色素増感型太陽電池120と負荷90と直流電源91と2つのスイッチS11,S12とにより構成されている。なお、これら相互の接続関係については第2の実施形態と等しいので、詳細な説明を省略する。
10 and 11 show a power generation device including the dye-sensitized
次に、本実施形態の色素増感型太陽電池120の作製手順について説明する。なお、第1基体13、透光性導電層14、半導体電極15の作製及び両基体同士の接合については、第1の実施形態と何ら変わらないので、第2基体25、第2基体側導電層24、触媒電極23の作製についてのみ詳細に述べる。
Next, a manufacturing procedure of the dye-sensitized
(2)第2基体25、第2基体側導電層24、触媒電極23の作製
(2) Production of
まず第2基体25(アルミナ基板、縦25mm、横15mm、厚さ1mm)を用意し、その第1基体13に対向する側22に対する溝加工を行い、絶縁溝部122を形成した。次に、絶縁溝部122の底面に対し、導電金属(アルミニウム、タングステン、チタン、ニッケル等)の粒子を含む導電性ペーストを塗布した後、所定温度でそのペーストを焼成することにより、導電性を有する突条121を形成した。塗布法に代えて例えばめっき法、貼付法、スタンプ法などにより突条121を形成してもよい。なお、本実施形態の突条121は必ずしも導電性を有していなくてもよいため、樹脂、ガラス、セラミック等のような非導電性材料を用いて形成してもよい。次に、第2基体25の第1基体13に対向する側22及び突条121の上にスパッタ法により白金(Pt)を堆積させて、厚さ200nmの触媒電極23及び出力回復用電極41を形成した。
First, a second substrate 25 (alumina substrate,
そして、第1の実施形態に準じて作製した第1基体13と、この第2基体25とを接合し、ヨウ素電解液33の注入を行って、図8に示す色素増感型太陽電池120を完成させた。
And the 1st base |
次に、作製した色素増感型太陽電池120を図10,図11のように配線することで発電装置を構成し、これを日光が当たる場所にセットして第2の実施形態のときと同様にして使用した。
Next, the produced dye-sensitized
まず日光が当たる昼間には、図10に示すようにスイッチS11,S12を切り替えて第1回路C1を閉じておく。このとき、第1の実施形態と同様の電気化学反応が進み、色素増感型太陽電池120において光エネルギーが電気エネルギーに変換される。このような発電時においては、触媒電極23側が高電位となり、半導体電極15側が低電位となる。なお、発電時において出力回復用電極41は、半導体電極15及び触媒電極23のいずれにも電気的に接続されておらず、切り離されているため、電流が流れない。
First, during the daytime when sunlight is applied, the switches S11 and S12 are switched to close the first circuit C1 as shown in FIG. At this time, the electrochemical reaction similar to that in the first embodiment proceeds, and light energy is converted into electrical energy in the dye-sensitized
色素増感型太陽電池120の劣化時には、以下のようにしてその出力を回復させる。この場合には、図11に示すようにスイッチS11,S12を切り替えて第2回路C2を閉じ、非発電状態とする。すると、負荷90に代わり直流電源91が電気的に接続される結果、発電時とは逆方向に電流が流れるように電圧が印加される。つまり、半導体電極15側から直流電源91を経由して出力回復用電極41へ電流が供給され、これにより出力回復用電極41側が低電位となり、半導体電極15側が高電位となる。なお、本実施形態では、半導体電極15の面積に対して約40mA/cm2の電流が約1秒間流れるように電圧を印加した。
When the dye-sensitized
すると、半導体電極15に直流電源91から電子が移動し、その電子が三ヨウ化物イオン(I3 −)を還元してヨウ化物イオン(I−)へと変える。一方、出力回復用電極41にてホールが生じ、そのホールがヨウ化物イオン(I−)を酸化して三ヨウ化物イオン(I3 −)へと変える。つまり、半導体電極15においては発電時とは逆の電気化学反応が起こるようになる。
Then, electrons move from the
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)上述したとおり、非発電時においては発電時とは逆方向に電圧が印加されることで、逆の電気化学反応が起こることから、ヨウ素電解液33中のレドックス対の偏りを解消することができる。その結果、イオンの状態を初期の状態に戻すことが可能となる。ゆえに、装置の分解及び組立を伴うこともなく、比較的簡単な方法で光電変換効率の低下を解消して出力を回復させることができる。ちなみに、本実施形態では出力が初期出力値の30%以下になったときに上記条件で回復処理を行うことにより、初期出力値の約70%程度まで回復させることが可能であった。
(1) As described above, when non-power generation is performed, a reverse electrochemical reaction occurs when a voltage is applied in the direction opposite to that during power generation, thereby eliminating the bias of the redox pair in the
(2)特に本実施形態では、出力回復用電極41が第2基体25の第1基体13に対向する側22(言い換えると半導体電極15と対向する面側)にあるものの、突条121の上面にそれを設けたことにより、対極である触媒電極23よりも半導体電極15の近くに位置している。よって、第1の実施形態の構造と比較すると、非発電時にイオンが電解液中を移動する距離が短い。しかも、第1の実施形態に比べて電極間抵抗が1/20〜1/30程度に小さくなる。ゆえに、イオンの偏りを短時間で効率よく解消することが可能となる。
(2) Particularly in this embodiment, the
(3)また、出力回復用電極41を第2基体25側に設けた結果、配線構造による遮光と半導体電極15の面積減少とによる光電変換効率の低下を回避することができる。
[第4の実施形態]
(3) As a result of providing the
[Fourth Embodiment]
次に、本発明を具体化した第4の実施形態を図12,図13に基づき詳細に説明する。 Next, a fourth embodiment embodying the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
本実施形態において用いる色素増感型太陽電池140は、基本的に第3の実施形態に最も類似しているが、アルミナ製の第2基体25において、その第1基体13に対向する側22には、浅い円形状の窪み145が散点状に複数形成されている。そしてこれらの窪み145内には、平面視で円形状かつ高さ20μm〜30μm程度の突起146(凸部)が設けられている。突起146の上面には、白金触媒電極からなる出力回復用電極41が形成されている。この出力回復用電極41も、セル空間32に面して配置されており、結果としてセル空間32内に充填された電解液33に晒されている。出力回復用電極41の周囲には触媒電極23が配置されている。従って、触媒電極23と出力回復用電極41とは、隣接しているものの絶縁されている。また、各窪み145の中央部には、アルミナ製の第2基体25の第1基体13に対向する側22と第1基体13に対向する側22の反対側27とを連通させるビア孔141が形成されている。このビア孔141内には、突起146と同じ導電性材料からなるビア導体142が設けられている。このようなビア導体142は、例えば突起146と同時に形成される。具体的には、窪み145の中央部にあらかじめビア孔141を形成しておき、次いで窪み145上及びビア孔141内に導電性ペーストを塗布及び充填してから焼成する。アルミナ製の第2基体25の第1基体13に対向する側22の反対側27には導体層143がパターン形成されていて、ビア導体142を介してその導体層143と突起146(及び出力回復用電極41)とが導通されている。なお、上記の色素増感型太陽電池140を構成要素とする発電装置については、第3の実施形態と同様であるので説明を省略する。
The dye-sensitized
従って、本実施形態の構成を採用した場合であっても、第3実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、第1基体13に対向する側22の反対側27上の導体層143及びビア導体142を設け、ビア導体142と出力回復用電極41とを導通させているので、第2基体25の第1基体13に対向する側22に設けられた出力回復用電極41から配線を容易に引き出すことができる。このため、配線を引き出すために出力回復用電極41を平面方向に沿って大きく形成する必要がなく、色素増感型太陽電池140の小型化を達成しやすくなる。
[第5の実施形態]
Therefore, even when the configuration of the present embodiment is adopted, the same effects as those of the third embodiment can be achieved. Further, the
[Fifth Embodiment]
次に、本発明を具体化した第5の実施形態を図14に基づき詳細に説明する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図14には、本実施形態において用いる色素増感型太陽電池160が示されている。第3の実施形態と比較すると、この色素増感型太陽電池160では下記の点で相違している。まず、アルミナ製の第2基体25の第1基体13に対向する側162上においてその中央部には、帯状に延びる高さ20μm〜30μm程度の突条163(凸部)が設けられている。この突条163は、例えばアルミナグリーンシートを外側面から治具等で押圧すること等により容易に形成可能である。突条163の上面には、白金触媒電極からなる出力回復用電極41が同じく帯状に形成されている。この出力回復用電極41も、セル空間32に面して配置されており、結果としてセル空間32内に充填された電解液33に晒されている。出力回復用電極41の両側には触媒電極23が配置されている。ゆえに、触媒電極23と出力回復用電極41とは、隣接しているものの絶縁されている。なお、上記の色素増感型太陽電池160を構成要素とする発電装置については、第3の実施形態と同様であるので説明を省略する。
FIG. 14 shows a dye-sensitized
従って、本実施形態の構成を採用した場合であっても、第3実施形態と同様の作用効果を奏することができる。 Therefore, even when the configuration of the present embodiment is adopted, the same effects as those of the third embodiment can be achieved.
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
・上記実施形態において発電装置を構成している第1回路C1及び第2回路C2は、太陽電池1,100,120,140,160とは別に設けられたものであったが、太陽電池1,100,120,140,160の一部に形成されていてもよい。また、スイッチS1,S11,S12についても同様である。 -Although the 1st circuit C1 and 2nd circuit C2 which comprise the electric power generating apparatus in the said embodiment were provided separately from the solar cells 1,100,120,140,160, 100, 120, 140, 160 may be formed in a part. The same applies to the switches S1, S11, and S12.
・上記実施形態においては負荷90として蓄電池を例示したが、蓄電池以外のもの(例えば各種アクチュエータや各種センサ類など)を使用してもよい。
In the above embodiment, a storage battery is illustrated as the
・上記実施形態では非発電時において直流電源91からの電流を用いて出力回復を行っていたが、例えば直流電源91を省略する代わりに、負荷90である蓄電池に蓄えられている電力の一部を利用してもよい。
In the above embodiment, the output recovery is performed using the current from the
・上記実施形態では、第1基体13の第2基体25に対向する側12の反対側は何も覆われていなかったが、例えばその面を紫外線カットフィルムで覆うようにしてもよい。
In the above embodiment, nothing is covered on the opposite side of the
12…第1基体の第2基体に対向する側
13…透光性を有する第1基体
14…透光性導電層
15…半導体電極
22,162…第2基体の第1基体に対向する側
23…触媒電極
25…第2基体
27…第2基体の第1基体に対向する側の反対側
32…セル空間
33…電解液
41…出力回復用電極
90…負荷
91…直流電源
100,120,140,160…色素増感型太陽電池
121…凸部としての突条
142…ビア導体
143…導体層
146…凸部としての突起
163…凸部としての突条
C1…第1回路
C2…第2回路
S11,S12…スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第1基体と対向する位置に配置された第2基体と、
前記第1基体の前記第2基体に対向する側に設けられた透光性導電層と、
前記透光性導電層上に設けられた、増感色素を含む半導体電極と、
前記第2基体の前記第1基体に対向する側に設けられた触媒電極と、
前記第1基体及び前記第2基体間に存在するセル空間内に充填された電解液と、
前記セル空間に面して配置され、前記半導体電極及び前記触媒電極とは別に設けられた出力回復用電極と
を備えたことを特徴とする色素増感型太陽電池。 A first substrate having translucency;
A second base disposed at a position facing the first base;
A translucent conductive layer provided on a side of the first substrate facing the second substrate;
A semiconductor electrode containing a sensitizing dye provided on the translucent conductive layer;
A catalyst electrode provided on a side of the second substrate facing the first substrate;
An electrolyte filled in a cell space existing between the first substrate and the second substrate;
A dye-sensitized solar cell, which is disposed facing the cell space and includes an output recovery electrode provided separately from the semiconductor electrode and the catalyst electrode.
負荷の正極側と前記触媒電極とを電気的に接続し、前記負荷の負極側と前記半導体電極とを電気的に接続する第1回路と、
直流電源の正極側と前記出力回復用電極とを電気的に接続し、直流電源の負極側と前記半導体電極とを接続する第2回路と、
前記第1回路及び前記第2回路のいずれか一方を選択的に閉状態に切り換えるためのスイッチと
を備えることを特徴とする発電装置。 The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 7,
A first circuit electrically connecting a positive electrode side of a load and the catalyst electrode, and electrically connecting a negative electrode side of the load and the semiconductor electrode;
A second circuit for electrically connecting a positive electrode side of a DC power source and the output recovery electrode, and connecting a negative electrode side of the DC power source and the semiconductor electrode;
A power generator comprising: a switch for selectively switching one of the first circuit and the second circuit to a closed state.
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