JP2009009740A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素増感太陽電池に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
色素増感太陽電池は、透明基板と、透明基板の表面に形成される透明導電膜と、透明導電膜と対向して設けられる導電性基板を備え、透明導電膜と導電性基板の間に色素を吸着した多孔質半導体層と電解質を有するように構成される。
このように構成される色素増感太陽電池は、材料が安価であり、作製に大掛かりな設備を必要としないことから、低コストの太陽電池として注目されている。
The dye-sensitized solar cell includes a transparent substrate, a transparent conductive film formed on the surface of the transparent substrate, and a conductive substrate provided to face the transparent conductive film, and the dye is interposed between the transparent conductive film and the conductive substrate. It is comprised so that it may have the porous semiconductor layer which adsorb | sucked, and electrolyte.
The dye-sensitized solar cell configured as described above is attracting attention as a low-cost solar cell because it is inexpensive and does not require large-scale equipment for production.
ところが、色素増感太陽電池は、太陽光の変換効率が現状で11%程度であり、さらなる効率の向上が求められている。 However, the dye-sensitized solar cell currently has a sunlight conversion efficiency of about 11%, and further improvement in efficiency is required.
変換効率を向上するためのひとつの方法として、透明基板側から入射される光の利用効率を高めることを目的として、例えば、光透過性のある基板部材(上記透明基板に相当)の表面に凹みを形成し、この基板部材の表面上に透明電極膜(上記透明導電膜に相当)を形成することにより、透明電極膜に凹部を形成することが検討されている(特許文献1参照)。
しかしながら、通常の透明導電膜の製膜技術では0.1μmを越えるような透明基板表面の凹凸を得ることは非常に困難である。また、この凹凸を作るためには、ガラス基板自体をすりガラス状にした基板などが利用されている。透明導電膜表面の結晶尖りやガラス基板先端の尖りのため、こうした基板上に膜を形成する場合、その先端部分に膜が製膜しにくかったり、膜を突き抜けたりする問題があり、薄膜太陽電池や色素増感太陽電池の場合、その効率の低下の原因となる。また、シリカの液相製膜技術を用い、原料液成分の反応により生成するシリカをガラス基板の表面に析出させる凹凸基板作製技術があるが、この場合に得られる凹凸は0.3μm程度である。なお、上記した特許文献1では、凹凸の形状についての詳細な言及はあるものの、凹凸の程度(表面粗さ)や凹凸の形成方法については触れられていない。
このように、上記した従来技術では、透明基板の表面に形成される凹凸の程度が小さいために、色素増感太陽電池に用いる場合には透明基板側から入射される光の利用効率を高めるうえで、必ずしも十分ではない。
また、透明基板の表面に単に凹凸を形成するだけでは、必ずしも高い太陽光の変換効率を得ることはできないものと考えられる。
However, it is very difficult to obtain irregularities on the surface of the transparent substrate exceeding 0.1 μm by a normal transparent conductive film forming technique. Moreover, in order to make this unevenness | corrugation, the board | substrate etc. which used glass substrate itself in the shape of frosted glass are utilized. When forming a film on such a substrate due to the crystal sharpness on the surface of the transparent conductive film or the sharpness of the glass substrate tip, there is a problem that the film is difficult to form on the tip portion or penetrates the film, and the thin film solar cell And in the case of a dye-sensitized solar cell, this causes a decrease in efficiency. In addition, there is a concavo-convex substrate production technique in which silica produced by the reaction of raw material liquid components is deposited on the surface of a glass substrate using a liquid phase film forming technique of silica. . In addition, in the above-mentioned
As described above, since the degree of unevenness formed on the surface of the transparent substrate is small in the above-described conventional technique, when used in a dye-sensitized solar cell, the utilization efficiency of light incident from the transparent substrate side is increased. But not always enough.
Further, it is considered that high sunlight conversion efficiency cannot always be obtained simply by forming irregularities on the surface of the transparent substrate.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、透明基板側から入射される光の利用効率をより高め、高い変換効率を得ることができる色素増感太陽電池を提供することを目的とする。 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 increase the utilization efficiency of light incident from the transparent substrate side and obtain high conversion efficiency. And
本発明に係る色素増感太陽電池は、透明基板と、該透明基板の表面に形成される透明導電膜と、該透明導電膜と対向して設けられる導電性基板を備え、該透明導電膜と該導電性基板の間に色素を吸着した多孔質半導体層と電解質を有する色素増感太陽電池において、
該透明基板の該透明導電膜側表面にシリカ微粒子をシリカ皮膜形成溶液に分散した液を塗布して得られるシリカ微粒子層が形成され形成され、
該多孔質半導体層が、多孔質な酸化チタン層および該多孔質な酸化チタン層と該透明導電膜の間に配置される該多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層からなる2層構造であることを特徴とする。
The dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a transparent substrate, a transparent conductive film formed on the surface of the transparent substrate, and a conductive substrate provided to face the transparent conductive film, In a dye-sensitized solar cell having a porous semiconductor layer and an electrolyte in which a dye is adsorbed between the conductive substrates,
A silica fine particle layer obtained by applying a liquid in which silica fine particles are dispersed in a silica film forming solution is formed and formed on the transparent conductive film side surface of the transparent substrate,
The porous semiconductor layer is composed of a porous titanium oxide layer and a titanium oxide layer denser than the porous titanium oxide layer disposed between the porous titanium oxide layer and the transparent conductive film It is a structure.
また、本発明に係る色素増感太陽電池は、好ましくは、前記シリカ微粒子層の該透明導電膜側表面の凹凸が算術平均値で0.3〜3μmの範囲にあることを特徴とする。 The dye-sensitized solar cell according to the present invention is preferably characterized in that the irregularities on the surface of the transparent conductive film side of the silica fine particle layer are in the range of 0.3 to 3 μm in terms of arithmetic average value.
また、本発明に係る色素増感太陽電池は、好ましくは、前記シリカ微粒子層の表面の微粒子数が10,000〜80,000個/mm2であることを特徴とする。 The dye-sensitized solar cell according to the present invention is preferably characterized in that the number of fine particles on the surface of the silica fine particle layer is 10,000 to 80,000 / mm 2 .
また、本発明に係る色素増感太陽電池は、好ましくは、前記多孔質半導体層が、多孔質な酸化チタン層および該多孔質な酸化チタン層と前記透明導電膜の間に配置される該多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層の2層構造であることを特徴とする。 In the dye-sensitized solar cell according to the present invention, preferably, the porous semiconductor layer is a porous titanium oxide layer, and the porous titanium oxide layer disposed between the porous titanium oxide layer and the transparent conductive film. It has a two-layer structure of a titanium oxide layer that is denser than a quality titanium oxide layer.
また、本発明に係る色素増感太陽電池は、好ましくは、前記多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層が、酸化チタン前駆物質の酸溶液中に前記透明導電膜を浸漬し、紫外線照射することにより形成されるものであることを特徴とする。 In the dye-sensitized solar cell according to the present invention, preferably, a titanium oxide layer denser than the porous titanium oxide layer immerses the transparent conductive film in an acid solution of a titanium oxide precursor, It is formed by irradiating.
また、本発明に係る色素増感太陽電池は、好ましくは、前記透明導電膜が、フッ素をドープした酸化スズ膜であることを特徴とする。 The dye-sensitized solar cell according to the present invention is preferably characterized in that the transparent conductive film is a tin oxide film doped with fluorine.
本発明に係る色素増感太陽電池は、透明基板の透明導電膜側表面にシリカ微粒子をシリカ皮膜形成溶液に分散した液を塗布して得られるシリカ微粒子層が形成され、多孔質半導体層が、多孔質な酸化チタン層および多孔質な酸化チタン層と透明導電膜の間に配置される多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層からなる2層構造であるため、従来よりも大きな凹凸を透明基板の表面、ひいては透明導電膜に形成することができ、透明基板側から入射される光の利用効率が高く、太陽光の変換効率が高い。
また、本発明に係る色素増感太陽電池は、さらに、多孔質半導体層が、多孔質な酸化チタン層および多孔質な酸化チタン層と前記透明導電膜の間に配置される多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層の2層構造であるため、製造時に上記凹凸と多孔質半導体層との間に生じうる空隙を減少し、あるいはまた、上記凹凸を確実に多孔質半導体層で覆うことができる。また、これにより、太陽光の変換効率が高い。
In the dye-sensitized solar cell according to the present invention, a silica fine particle layer obtained by applying a liquid in which silica fine particles are dispersed in a silica film forming solution is formed on the transparent conductive film side surface of the transparent substrate, and the porous semiconductor layer is Since it has a two-layer structure consisting of a porous titanium oxide layer and a titanium oxide layer that is denser than the porous titanium oxide layer disposed between the porous titanium oxide layer and the transparent conductive film, the unevenness is larger than before. Can be formed on the surface of the transparent substrate, and thus on the transparent conductive film, and the utilization efficiency of light incident from the transparent substrate side is high, and the conversion efficiency of sunlight is high.
The dye-sensitized solar cell according to the present invention further includes a porous titanium oxide layer in which the porous semiconductor layer is disposed between the porous titanium oxide layer and the porous titanium oxide layer and the transparent conductive film. Since it has a two-layer structure of a titanium oxide layer that is denser than the layer, voids that can occur between the irregularities and the porous semiconductor layer during manufacturing are reduced, or the irregularities are reliably covered with the porous semiconductor layer. be able to. Thereby, the conversion efficiency of sunlight is high.
本発明の実施の形態について、以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
例えば図1に模式的に示すように、本実施の形態に係る色素増感太陽電池10は、透明基板12aと、透明基板12aの表面に形成される透明導電膜14aと、透明導電膜14aと対向して設けられる導電性基板(図1では、導電性基板は、導電膜14bおよび基板12bで構成される。)を備え、透明導電膜14aと導電性基板の間に色素(図1では図示せず。)を吸着した多孔質半導体層16と電解質18を有する。なお、図1中、参照符号20は電池内に電解質18を密閉するために設けられるセパレータを示す。
そして、透明基板12aの透明導電膜14a側表面にシリカ微粒子をシリカ皮膜形成溶液に分散した液を塗布して得られるシリカ微粒子層22が形成される。
また、多孔質半導体層16は、多孔質な酸化チタン層16aと多孔質な酸化チタン層16aよりも緻密な酸化チタン層16bからなる2層構造である。
For example, as schematically shown in FIG. 1, the dye-sensitized
And the silica
The
透明基板12aおよび基板12bは、例えばプラスチック板であってもよいが、ガラス板がより好適である。
透明基板12aの表面のシリカ微粒子層22は、例えば市販のシリカ粒子(株式会社日本触媒製球状微粉体 シーホスター)やシリカゲル粒子(旭硝子エスアイテック株式会社製)を、例えばソーダライムガラスのアルカリバリア皮膜として用いられるシリカ薄膜のコーティング剤(例えば東京応化工業株式会社製OCD T-2)のようなシリカ皮膜形成溶液に分散し、このシリカ微粒子分散液を例えばスピンコート法等の塗布法やスプレー法により加熱した基板上に微粒子を噴霧固定することにより透明基板12aの表面に形成される。
この場合、透明基板12aとしてガラス板を用いるときは、コストの面から、ソーダライムガラスのような建材用の低価格のガラスを用いると好適である。ソーダライムガラスは、そのままではガラスに含まれるナトリウム(ソーダ)成分が透明導電膜へ拡散し抵抗の値が上昇するが、シリカ微粒子層22で被覆することにより、拡散を防止することができる。
The
The silica
In this case, when a glass plate is used as the
シリカ微粒子層22は、塗布条件あるいはシリカ微粒子の積層状態に応じて、不均一な膜厚みに塗布されることで、透明導電膜14a側の表面に凹凸が形成される。シリカ微粒子層22の厚みは、特に限定するものではなく、例えば0.5〜8μmの範囲とすることができる。
凹凸は、算術平均値で0.3〜3μmの範囲にあると、太陽光の利用効率を高めるうえでより好適である。凹凸が0.3μmを大きく下回るとこのような凹凸の無い基板との効率上の差異がなくなるおそれがあり、凹凸が3μmを大きく上回ると太陽光の変換効率が低下するおそれがある。後者については、その理由は必ずしも明らかではないが、凹凸が極端に大きいと、シリカ微粒子をシリカの皮膜形成材で固定することが難しくなり、凹凸の上にそれぞれ薄膜状に順次積層される透明導電膜14aおよび多孔質半導体層16の剥離やボイドを生じ、例えば電解液と透明導電膜との接触のような短絡を生じる等の不具合が考えられる。
上記の凹凸を得るうえで、シリカ微粒子は、平均粒径が0.5〜5μmの範囲のものを用いることが好適である。
また、シリカ微粒子層22の表面の微粒子数が10,000〜80,000個/mm2であり、二段に重なりを生じないような密度で塗布することが望ましい。
The silica
When the unevenness is in the range of 0.3 to 3 μm in terms of arithmetic average value, it is more suitable for improving the utilization efficiency of sunlight. If the unevenness is significantly less than 0.3 μm, there is a risk that the difference in efficiency from the substrate without such unevenness may be lost, and if the unevenness is significantly greater than 3 μm, the conversion efficiency of sunlight may be reduced. The reason for the latter is not necessarily clear, but if the irregularities are extremely large, it becomes difficult to fix the silica fine particles with the silica film-forming material, and transparent conductive films are sequentially laminated in a thin film on the irregularities. The
In obtaining the above irregularities, it is preferable to use silica fine particles having an average particle size in the range of 0.5 to 5 μm.
Further, the number of fine particles on the surface of the silica
透明導電膜14aおよび導電膜14bは、例えばITO(スズをドープしたインジウム膜)等の適宜のものを用いてもよいが、FTO(フッ素をドープした酸化スズ膜)を用いることがより好適である。
ITOは、光透過率が高く、面積抵抗の低い透明導電性材料として好ましいものであるが、これに代えてFTOを用いることにより、比抵抗が3.5×10−4(Ωcm)程度の低いものが得られ、酸化チタン多孔質層を熱処理形成する際の熱安定性がより高い。
FTO透明導電膜を得る方法としては、スプレー法、CVD法、スパッタリング法、ディップ法など種々の方法があるが、中でもスプレー法やCVD法が、得られる膜の特性の面からも優れており、また経済性をも兼ね備える。これら方法において用いられる錫原料としては、SnCl4,(CnH2n+1)4Sn(ただしn=1〜4)、C4H9SnCl3、(CH3)2SnCl2等を使用することができる。また、フッ素をドーピングするための原料としては、スプレー法の場合、NH4F、CVD法の場合、HF、CCl2F2、CHClF2、CH3CHF2、CF3Br等を用いることができる。これら原料を用いた酸化錫の製膜により、フッ素や塩素量を最適化した透明導電膜層を形成できる。
シリカ微粒子層22の凹凸の表面に透明導電膜14aを例えば0.3〜1.5μm程度の厚みに積層することにより、透明導電膜14aはシリカ微粒子層22の凹凸に倣って表面が凹凸状に、あるいは全体として波状に形成される。
As the transparent
ITO is preferable as a transparent conductive material having a high light transmittance and a low sheet resistance, but by using FTO instead of this, a material having a specific resistance of about 3.5 × 10 −4 (Ωcm) is low. The obtained thermal stability when the titanium oxide porous layer is heat-treated is higher.
As a method for obtaining the FTO transparent conductive film, there are various methods such as a spray method, a CVD method, a sputtering method, and a dip method. Among them, the spray method and the CVD method are excellent in terms of the characteristics of the obtained film, It also has economic efficiency. As a tin raw material used in these methods, SnCl 4 , (CnH 2n + 1 ) 4 Sn (where n = 1 to 4), C 4 H 9 SnCl 3 , (CH 3 ) 2 SnCl 2 and the like can be used. As a raw material for doping fluorine, NH 4 F can be used in the spray method, HF, CCl 2 F 2 , CHClF 2 , CH 3 CHF 2 , CF 3 Br, or the like can be used in the CVD method. . By forming tin oxide using these raw materials, a transparent conductive film layer with an optimized amount of fluorine and chlorine can be formed.
By laminating the transparent
多孔質半導体層16に吸着させる色素は、400nm〜1000nmの波長に吸収を持つものであり、例えば、ルテニウム色素、フタロシアニン色素などの金属錯体、シアニン色素などの有機色素を挙げることができる。
The dye adsorbed on the
電解質(電解液)18は、ヨウ素、リチウムイオン、イオン液体、t-ブチルピリジン等を含むものであり、例えばヨウ素の場合、ヨウ化物イオンおよびヨウ素の組み合わせからなる酸化還元体を用いることができる。酸化還元体は、これを溶解可能な適宜の溶媒を含む。 The electrolyte (electrolytic solution) 18 contains iodine, lithium ions, ionic liquid, t-butylpyridine, and the like. For example, in the case of iodine, an oxidation-reduction body composed of a combination of iodide ions and iodine can be used. The redox form contains an appropriate solvent that can dissolve the redox form.
多孔質半導体層16は、半導体材料として、例えば、チタン、スズ、ジルコニウム、亜鉛、インジウム、タングステン、鉄、ニッケルあるいは銀等の金属の酸化物を用いることができるが、このうち、チタン酸化物(酸化チタン:チタニア)がより好ましい。
多孔質半導体層16は、例えば20〜30nm程度の径(直径)の微粒子を用いて製膜して得られる多孔質な酸化チタン層16aと、多孔質な酸化チタン層16aと透明導電膜14aの間に例えば10nm以下程度の径(直径)の微粒子を用いて製膜して得られる多孔質な酸化チタン層16aよりも緻密な酸化チタン層16bからなる2層構造である。
これにより、透明導電膜14aの凹凸をカバレッジよく覆うことができ、すなわち、製造時に上記凹凸と多孔質半導体層との間に生じうる空隙を解消し、あるいはまた、上記凹凸を確実に多孔質半導体層で覆うことができる。また、透明導電膜14aの上に緻密な酸化チタン層16bを設けることにより、透明導電膜14aが電解質18と接触して逆電子反応を生じるおそれを抑制することができる。
多孔質半導体層16の各層の厚みは、特に限定するものではなく、多孔質な酸化チタン層16aについては例えば5〜30μm程度の厚みとすることができ、緻密な酸化チタン層16bについては例えば0.05〜0.3μm程度の厚みとすることができる。
For example, titanium, tin, zirconium, zinc, indium, tungsten, iron, nickel, silver, or other metal oxide can be used as the
The
Thereby, the unevenness | corrugation of the transparent
The thickness of each layer of the
多孔質半導体層16の各層は、周知の適宜の方法により製膜することができ、特に、緻密な酸化チタン層16bについては、例えば、スパッタ法や電着法等により製膜することができる。しかしながら、前者のスパッタ法の場合、例えば10nmよりも厚みの大きな膜を形成すると、直列抵抗分が大きくなり電池としての動作が悪くなるおそれがある。一方、後者の電着法の場合、得られる膜の導電性は、スパッタリングにより得られる膜と比較して優れているものの、この方法の場合、電極に平等な電界がかかることで良好な特性が得られるものであるため、用いる透明導電膜は例えば表面を研磨等した平坦な膜であることが望ましい。
このため、透明導電膜14aあるいは透明基板12aの表面に形成する従来のものに比べて大きな凹凸を緻密な酸化チタン層16bでカバレッジよく覆うには、緻密な酸化チタン層16bを、より好ましくは以下の方法により形成する。
すなわち、原料となる酸化チタン前駆物質としては、水酸化チタン、チタンイソプロポキシド、硫酸チタニルや硝酸チタニルなどを用いる。この酸化チタン前駆物質を例えば2-プロパノールと蒸留水で希釈し、pHを、硫酸、硝酸、塩酸などの酸によりに調整した溶液に凹凸がある酸化スズ透明導電膜がついたガラス基板を浸漬し、その上部より紫外線を照射する。PHの調整により得られる結晶の形態や結晶性が制御でき、500℃での焼成後アナターゼが製膜するpH1.5付近がより望ましい。例えば約20時間紫外線を照射することで、例えば約0.1〜0.2μm程度の緻密な酸化チタン層16bが形成される。この酸化チタン層16bの皮膜が0.2μmを大きく超える厚みに形成されると、光透過率が減少するおそれがある。
Each layer of the
For this reason, in order to cover large irregularities with a dense
That is, titanium hydroxide, titanium isopropoxide, titanyl sulfate, titanyl nitrate, or the like is used as a raw material titanium oxide precursor. This titanium oxide precursor is diluted with, for example, 2-propanol and distilled water, and a glass substrate with a tin oxide transparent conductive film with unevenness is immersed in a solution whose pH is adjusted with an acid such as sulfuric acid, nitric acid or hydrochloric acid. Irradiate ultraviolet rays from the top. The form and crystallinity of crystals obtained by adjusting the pH can be controlled, and the pH around 1.5 at which anatase is formed after baking at 500 ° C. is more desirable. For example, by irradiating with ultraviolet rays for about 20 hours, a dense
なお、多孔質な酸化チタン層16aとして、緻密な酸化チタン層16b側に透過性の高い多孔質膜を製膜し、その上に散乱性の高い多孔質膜を製膜すると、より好適である。
透過性の高い多孔質膜は、例えばHTペースト(Solaronix社製)やPST-NR18ペースト(触媒化成工業株式会社製)等の原料を用いてスクリーンプリントやスキージ等の方法で製膜することにより得ることができ、また、散乱性の高い多孔質膜は、例えばDペースト(Solaronix社製)やPST-200Cペースト(触媒化成工業株式会社製)等の原料を用いてスクリーンプリントやスキージ等の方法で製膜することにより得ることができる。
As the porous
A highly permeable porous membrane is obtained by forming a film by a method such as screen printing or squeegee using raw materials such as HT paste (manufactured by Solaronix) and PST-NR18 paste (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.). In addition, a porous film having high scattering properties can be obtained by a method such as screen printing or squeegee using a raw material such as D paste (manufactured by Solaronix) or PST-200C paste (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd.). It can be obtained by forming a film.
以上説明した本実施の形態に係る色素増感太陽電池は、透明基板の透明導電膜側表面にシリカ微粒子をシリカ皮膜形成溶液に分散した液を塗布して得られるシリカ微粒子層が形成されているため、従来よりも大きな凹凸を透明基板の表面、ひいては透明導電膜に形成することができ、透明基板側から入射される光の利用効率が高い。
また、本実施の形態に係る色素増感太陽電池は、多孔質半導体層が、多孔質な酸化チタン層および多孔質な酸化チタン層と前記透明導電膜の間に配置される多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層の2層構造であるため、製造時に上記凹凸と多孔質半導体層との間に生じうる空隙を減少し、あるいはまた、上記凹凸を確実に多孔質半導体層で覆うことができる。
これにより、本実施の形態に係る色素増感太陽電池は、太陽光の変換効率が高い。
In the dye-sensitized solar cell according to the present embodiment described above, a silica fine particle layer obtained by applying a liquid in which silica fine particles are dispersed in a silica film forming solution is formed on the transparent conductive film side surface of a transparent substrate. Therefore, it is possible to form a larger unevenness than the conventional one on the surface of the transparent substrate, and thus on the transparent conductive film, and the utilization efficiency of light incident from the transparent substrate side is high.
Further, the dye-sensitized solar cell according to the present embodiment includes a porous titanium oxide layer in which the porous semiconductor layer is disposed between the porous titanium oxide layer and the porous titanium oxide layer and the transparent conductive film. Since it has a two-layer structure of a titanium oxide layer that is denser than the layer, voids that can occur between the irregularities and the porous semiconductor layer during manufacturing are reduced, or the irregularities are reliably covered with the porous semiconductor layer. be able to.
Thereby, the dye-sensitized solar cell which concerns on this Embodiment has high conversion efficiency of sunlight.
実施例を挙げて、本発明をさらに説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。 The present invention will be further described with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the Example demonstrated below.
(ガラス基板の調製)
平面寸法が25mm×25mm、厚さ1mmのホウケイ酸ガラスを十分洗浄乾燥し、ガラス基板とした。この基板上に以下のようにして凹凸を形成した。
エチレングリコール中に分散したシリカ粒子(シーホスタ 株式会社日本触媒製)とシリカ膜を形成する溶液(OCD T-2 東京応化工業株式会社製)を質量比で1:1の割合で混合した溶液100μLを、ピペットで5000rpmで回転しているスピンコーターに置かれたガラス基板に滴下し、凹凸膜を形成した。なお、シリカの微粒子は、0.5、1.5、2.5、5μmの4水準のものを使用した。
(Preparation of glass substrate)
A borosilicate glass having a planar size of 25 mm × 25 mm and a thickness of 1 mm was sufficiently washed and dried to obtain a glass substrate. Unevenness was formed on this substrate as follows.
100 μL of a solution prepared by mixing silica particles dispersed in ethylene glycol (Chihosta, Nippon Shokubai Co., Ltd.) and a solution that forms a silica film (OCD T-2, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) at a mass ratio of 1: 1. The concavo-convex film was formed by dropping on a glass substrate placed on a spin coater rotating at 5000 rpm with a pipette. Silica fine particles having four levels of 0.5, 1.5, 2.5, and 5 μm were used.
(透明導電膜の調製)
上記の基板に以下の方法でフッ素ドープ酸化スズ透明導電膜を形成した。
フッ素ドープ酸化スズ膜は、n−ブチル錫トリクロライド、水とエタノールの混合溶液に、フッ素ドープのためにフッ化アンモニウムを加え、キャリアガスとしての窒素ガスに酸素ガスを混合してスプレーガンにて霧化、450℃に熱したガラス基板に搬送、熱分解により製膜した。こうして得られたFTO膜付きガラスを十分に洗浄乾燥した。
(Preparation of transparent conductive film)
A fluorine-doped tin oxide transparent conductive film was formed on the above substrate by the following method.
The fluorine-doped tin oxide film is prepared by adding ammonium fluoride for fluorine doping to a mixed solution of n-butyltin trichloride, water and ethanol, mixing oxygen gas with nitrogen gas as a carrier gas, and using a spray gun. Atomized and transported to a glass substrate heated to 450 ° C. to form a film by pyrolysis. The glass with FTO film thus obtained was sufficiently washed and dried.
(酸化チタン層の調製)
フッ素ドープ酸化スズ膜の上に酸化チタンの緻密層を以下の方法で形成した。
チタン金属を過酸化水素水で溶解することにより得られたゲルを硝酸にて溶解することにより得られた硝酸チタニル溶液を、2-プロパノールと蒸留水で希釈し、pHを1.6に調整した溶液にフッ素ドープ酸化スズ膜がついたガラス基板を浸漬し、その上部より紫外線を照射した。約20時間の照射後、約0.1から0.2μm程度の皮膜(酸化チタン層)が形成された。
上記の酸化チタンの緻密層の上に酸化チタンの多孔質層を以下の方法で形成した。
酸化チタン微粒子ペーストを0.5cm×0.5cmの面積にスキージ法により塗布した。酸化チタン多孔質膜は、透過性の高い多孔質膜を6μm程度、その上に散乱性の高い微粒子を7μm程度製膜した。500℃で1時間の間、電気炉で熱処理を行った。得られた膜厚は、ほぼ13μmであった。
上記の酸化チタン膜をN719((RuL2(NCS)2:2TBA)、L=2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarboxylic acid)色素を含むエタノール溶液中に13時間程度浸して、色素を吸着させた。
(Preparation of titanium oxide layer)
A dense layer of titanium oxide was formed on the fluorine-doped tin oxide film by the following method.
The titanyl nitrate solution obtained by dissolving the gel obtained by dissolving titanium metal with hydrogen peroxide solution with nitric acid was diluted with 2-propanol and distilled water to obtain a solution adjusted to pH 1.6. A glass substrate with a fluorine-doped tin oxide film was immersed and irradiated with ultraviolet rays from the top. After irradiation for about 20 hours, a film (titanium oxide layer) of about 0.1 to 0.2 μm was formed.
A porous layer of titanium oxide was formed on the titanium oxide dense layer by the following method.
The titanium oxide fine particle paste was applied to an area of 0.5 cm × 0.5 cm by a squeegee method. As the titanium oxide porous membrane, a highly permeable porous membrane was formed to about 6 μm, and a highly scattering fine particle was formed to about 7 μm. Heat treatment was performed in an electric furnace at 500 ° C. for 1 hour. The film thickness obtained was approximately 13 μm.
The titanium oxide film is immersed in an ethanol solution containing N719 ((RuL 2 (NCS) 2 : 2TBA), L = 2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid) dye for about 13 hours, Was adsorbed.
(セルの調製)
上記の色素を吸着した膜酸化チタン膜をスパッタ法により製膜した白金を持つFTOを対極として、50μmのスペーサにより封止した。このセルのなかに、アセトニトリル中、I2 250 ml、t-BuPy 580 mMを調整した電解質を注入して、セルを作製した。
(Cell preparation)
The film was sealed with a 50 μm spacer using, as a counter electrode, an FTO having platinum in which the above-described dye-adsorbed titanium oxide film was formed by sputtering. Into this cell, an electrolyte prepared by adjusting 250 ml of I 2 and 580 mM of t-BuPy in acetonitrile was injected to produce a cell.
(太陽電池の特性評価)
太陽電池の特性は、ソーラーシミュレータを用いAM1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を色素増感太陽電池に照射し、測定した。太陽電池の変換効率は、ガラス基板にシリカ微粒子を積層して凹凸を形成することを省略したほかは実施例と同様の構成とした太陽電池(参考例:実験No1)と比較した。
(Characteristic evaluation of solar cells)
The characteristics of the solar cell were measured by irradiating a dye-sensitized solar cell with AM1.5 and 100 mW / cm 2 pseudo-sunlight using a solar simulator. The conversion efficiency of the solar cell was compared with that of a solar cell having the same configuration as that of the example (reference example: Experiment No1) except that the formation of irregularities by laminating silica particles on a glass substrate was omitted.
1.5μmのシリカ粒子を用い、シリカ粒子の積層(固着)個数を変えて凹凸を形成した太陽電池について、短絡電流、開放電圧、F.F.(フィルファクター:形状係数)および変換効率の各特性を測定した結果をまとめて表1に示す。 A solar cell in which 1.5 μm silica particles are used and irregularities are formed by changing the number of laminated (fixed) silica particles, the short-circuit current, the open-circuit voltage, F.R. F. Table 1 summarizes the results of measuring the characteristics of (fill factor: shape factor) and conversion efficiency.
シリカ粒子の積層(固着)個数が5万個/mm2のものについて、シリカ微粒子の粒径を変えて各特性を測定した結果を表2に示す。数値は、参考例との比(実験例/参考例)で示す。 Table 2 shows the results of measuring the various characteristics of the silica particles with the number of laminated (fixed) particles of 50,000 / mm 2 by changing the particle size of the silica fine particles. The numerical value is shown as a ratio to the reference example (experimental example / reference example).
比較例として、ガラス基板に凹凸を形成せず、また、チタニア緻密層を設けなかったほかは上記の実施例と同様の方法で作成した太陽電池の各特性を測定した結果を表3に示す。 As a comparative example, Table 3 shows the results of measuring the characteristics of the solar cell prepared by the same method as in the above example except that the glass substrate was not formed with irregularities and the titania dense layer was not provided.
(チタニア多孔質膜の断面の透過電子顕微鏡写真)
実験No7のチタニア多孔質膜(酸化チタン多孔質膜)の断面の透過電子顕微鏡写真を図2〜図4に示す。
図2〜図4より、FTO膜の表面の全体にわたって、緻密なチタニア層が形成されていることがわかる。また、FTO膜の表面の凹凸の深さ、言い換えれば波(うねり)の高さが1〜2μm程度であることがわかる。
(Transmission electron micrograph of cross section of titania porous membrane)
Transmission electron micrographs of a cross section of the titania porous membrane (titanium oxide porous membrane) of Experiment No. 7 are shown in FIGS.
2 to 4, it can be seen that a dense titania layer is formed over the entire surface of the FTO film. It can also be seen that the depth of the irregularities on the surface of the FTO film, in other words, the height of the wave (swell) is about 1 to 2 μm.
10 色素増感太陽電池
12a 透明基板
12b 基板
14a 透明導電膜
14b 導電膜
16 多孔質半導体層
16a 多孔質な酸化チタン層
16b 緻密な酸化チタン層
18 電解質
20 セパレータ
22 シリカ微粒子層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該透明基板の該透明導電膜側表面にシリカ微粒子をシリカ皮膜形成溶液に分散した液を塗布して得られるシリカ微粒子層が形成され、
該多孔質半導体層が、多孔質な酸化チタン層および該多孔質な酸化チタン層と該透明導電膜の間に配置される該多孔質な酸化チタン層よりも緻密な酸化チタン層からなる2層構造であることを特徴とする色素増感太陽電池。 A transparent substrate, a transparent conductive film formed on the surface of the transparent substrate, and a conductive substrate provided opposite to the transparent conductive film are provided, and a dye is adsorbed between the transparent conductive film and the conductive substrate. In a dye-sensitized solar cell having a porous semiconductor layer and an electrolyte,
A silica fine particle layer obtained by applying a liquid in which silica fine particles are dispersed in a silica film forming solution is formed on the transparent conductive film side surface of the transparent substrate,
The porous semiconductor layer is composed of a porous titanium oxide layer and a titanium oxide layer denser than the porous titanium oxide layer disposed between the porous titanium oxide layer and the transparent conductive film A dye-sensitized solar cell having a structure.
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