JP2008153105A - 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ものである。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
化石燃料に代わる新たなエネルギー源として、持続可能で環境負荷の無い太陽光を利用する太陽電池が注目されており、種々の研究が行われている。現在実用化されている太陽電池として、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンを用いた太陽電池が知られている。しかしながら、これらの太陽電池は、原材料であるシリコンのコストや、製造プロセスにおけるエネルギーコストが高いなどの問題がある。 As a new energy source that replaces fossil fuels, solar cells that use solar light that is sustainable and have no environmental impact have attracted attention, and various studies have been conducted. As a solar cell currently in practical use, a solar cell using single crystal silicon, polycrystalline silicon, or amorphous silicon is known. However, these solar cells have problems such as the cost of silicon as a raw material and the high energy cost in the manufacturing process.
一方、新しいタイプの太陽電池として、有機色素の光誘起電子移動を応用した湿式太陽電池である色素増感太陽電池が提案されている(特許文献1など)。これらの色素増感太陽電池は、基板上に形成された電極層と、電極層と対向して設けられる対極と、電極層と対極の間に設けられる光電変換層と、光電変換層と対極の間に設けられる電解質層とから構成されている。光電変換層は、多孔質半導体層の表面に可視光領域に吸収スペクトルを有する光増感色素が吸着されることにより構成されている。
On the other hand, as a new type of solar cell, a dye-sensitized solar cell, which is a wet solar cell to which photoinduced electron transfer of an organic dye is applied, has been proposed (
このような太陽電池の多孔質半導体層に光が照射されると、多孔質半導体層において電子が発生し、電子が電気回路を通って対極に移動し、対極に移動した電子が電解層中のイオンによって運ばれるか、P型半導体を通って多孔質半導体層に戻り、このような過程が繰り返されることにより、電気エネルギーが取り出される。 When light is irradiated to the porous semiconductor layer of such a solar cell, electrons are generated in the porous semiconductor layer, the electrons move to the counter electrode through the electric circuit, and the electrons moved to the counter electrode are in the electrolytic layer. Electric energy is taken out by being carried by ions or returning to the porous semiconductor layer through the P-type semiconductor and repeating such a process.
しかしながら、このような太陽電池においては、光照射とは関係なく、多孔質半導体層から電荷輸送材料へ逆電流(暗電流)が流れることにより逆起電力が発生し、十分な開放電圧が得られないという問題があった。実際に太陽電池をデバイスとして使用する場合、高い電圧を得るために複数のセルを直列に接続し、モジュール化する方法がとられている。そのため、1セルの開放電圧を上昇させることは、同じ所定の電圧を得るために直列に接続するセル数を減少させることができ、コストダウンにつながる。また、太陽電池をコンデンサなどの蓄電システムに組み込む場合、コンデンサの最大エネルギー密度は、充電電圧の2乗に比例するため、開放電圧を向上させることは非常に重要な要素となる。 However, in such a solar cell, a counter electromotive force is generated when a reverse current (dark current) flows from the porous semiconductor layer to the charge transport material regardless of light irradiation, and a sufficient open-circuit voltage is obtained. There was no problem. When a solar cell is actually used as a device, a method of connecting a plurality of cells in series and obtaining a module in order to obtain a high voltage is used. Therefore, increasing the open circuit voltage of one cell can reduce the number of cells connected in series to obtain the same predetermined voltage, leading to cost reduction. In addition, when a solar cell is incorporated in a power storage system such as a capacitor, the maximum energy density of the capacitor is proportional to the square of the charging voltage, and thus improving the open circuit voltage is a very important factor.
特許文献2においては、光電変換層を4−tert−ブチルピリジンで前処理することや、4−tert−ブチルピリジンを電解質に含有させることにより、上記のような暗電流の発生を抑制し、高い開放電圧が得られることが開示されている。
In
また、特許文献3においては、4−tert−ブチルピリジンの代わりに、尿素誘導体を含有する電解質溶液を用いることにより、高い開放電圧が得られる色素増感太陽電池が開示されている。 Patent Document 3 discloses a dye-sensitized solar cell in which a high open-circuit voltage can be obtained by using an electrolyte solution containing a urea derivative instead of 4-tert-butylpyridine.
また、特許文献4においては、4−tert−ブチルピリジン以外のピリジンもしくはピリジン系化合物を含有する電解質溶液を用いることにより、高い開放電圧が得られる色素増感太陽電池が開示されている。
また、特許文献5においては、非円環状糖類を含有する電解質溶液を用いることにより、高い開放電圧が得られる色素増感太陽電池が開示されている。
Moreover, in
しかしながら、上記の従来の色素増感太陽電池においても、開放電圧の向上は十分ではなく、さらに高い開放電圧が得られる色素増感太陽電池が求められている。
本発明の目的は、暗電流の発生を抑制し、高い開放電圧を得ることができる色素増感太陽電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell capable of suppressing generation of dark current and obtaining a high open-circuit voltage.
本発明は、基板上に形成された電極層と、電極層と対向して設けられる対極と、電極層と対極の間において電極層と接するように設けられる、増感色素を吸着させた多孔質半導体層からなる光電変換層と、電極層と対極の間において対極と接するように設けられる、電解質と溶媒を含有した電解質層とを備える色素増感太陽電池であって、電解質層に、溶媒に対して難溶性を示すアルカリ金属化合物が添加されていることを特徴としている。 The present invention relates to an electrode layer formed on a substrate, a counter electrode provided opposite to the electrode layer, and a porous layer adsorbed with a sensitizing dye provided to be in contact with the electrode layer between the electrode layer and the counter electrode A dye-sensitized solar cell comprising a photoelectric conversion layer composed of a semiconductor layer, and an electrolyte layer containing an electrolyte and a solvent, which is provided so as to be in contact with the counter electrode between the electrode layer and the counter electrode. In contrast, an alkali metal compound exhibiting poor solubility is added.
本発明においては、電解質層に、電解質層の溶媒に対して難溶性を示すアルカリ金属化合物が添加されている。電解質層の溶媒に難溶性を示すアルカリ金属化合物が添加されることにより、暗電流の発生を抑制し、高い開放電圧を得ることができる。 In the present invention, an alkali metal compound that is hardly soluble in the solvent of the electrolyte layer is added to the electrolyte layer. By adding an alkali metal compound that is hardly soluble in the solvent of the electrolyte layer, generation of dark current can be suppressed and a high open-circuit voltage can be obtained.
本発明において、電解質層の溶媒に難溶性を示すアルカリ金属化合物を電解質層に添加することにより、暗電流の発生を抑制し、高い開放電圧を得ることができる理由は、以下のように考えられる。 In the present invention, the reason why the generation of dark current can be suppressed and a high open-circuit voltage can be obtained by adding an alkali metal compound that is hardly soluble in the solvent of the electrolyte layer to the electrolyte layer is considered as follows. .
電解質層の溶媒に対して難溶性を示すアルカリ金属化合物が、電解質層に添加されると、このアルカリ金属化合物は、電解質溶液中に分散した状態となる。分散したアルカリ金属化合物は、増感色素が吸着していない多孔質半導体層の表面に吸着し、非常に薄いエネルギー障壁膜を形成すると考えられる。 When an alkali metal compound that is sparingly soluble in the electrolyte layer solvent is added to the electrolyte layer, the alkali metal compound is dispersed in the electrolyte solution. It is considered that the dispersed alkali metal compound is adsorbed on the surface of the porous semiconductor layer to which the sensitizing dye is not adsorbed to form a very thin energy barrier film.
図2は、本発明における作用効果を説明するための、太陽電池における各層のエネルギーバンドレベルを模式的に示す図である。基板上には電極層1が形成されており、電極層1と接するように多孔質半導体層2が設けられている。電極層1と対向するように、対極5が設けられており、対極5と接するように、電解質層4が設けられている。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the energy band level of each layer in the solar cell in order to explain the function and effect of the present invention. An
多孔質半導体層2に吸着した増感色素によって励起され、電荷分離した電子e−は、多孔質半導体層2のフェルミ準位Efに移動し、電極層1に移動することにより、太陽電池としての機能を果たす。しかしながら、アルカリ金属化合物層3が設けられていない場合、電子e−が、電解質層4の酸化還元準位Eredoxに移動すると、逆起電力すなわち暗電流が発生し、結果的に開放電圧が低下する。なお、図2において、多孔質半導体層2のCBは伝導帯を示し、VBは価電子帯を示す。
Electrons e − excited and excited by the sensitizing dye adsorbed on the
本発明に従い、電解質層4にアルカリ金属化合物を添加すると、上述のように、アルカリ金属化合物は、多孔質半導体層2の増感色素が吸着していない表面に吸着し、アルカリ金属化合物層3を形成する。多孔質半導体層2と電解質層4の間に、アルカリ金属化合物層3が存在することにより、多孔質半導体層のフェルミ準位Efに移動した電子e−は、アルカリ金属化合物層3の電位障壁を超えにくくなり、電解質層4の酸化還元準位Eredoxに直接移動しにくくなる。このようにして、アルカリ金属化合物層3が電子ブロック層として働くことにより、暗電流の発生を抑制し、開放電圧を向上することができると考えられる。
When an alkali metal compound is added to the
本発明におけるアルカリ金属化合物は、電解質層の溶媒に対して難溶性を示すものである。難溶性を示すアルカリ金属化合物としては、溶媒に対して1×10−4mol/l以下の溶解度を示すものであることが好ましい。 The alkali metal compound in the present invention is hardly soluble in the solvent of the electrolyte layer. It is preferable that the alkali metal compound exhibiting poor solubility exhibits a solubility of 1 × 10 −4 mol / l or less with respect to the solvent.
本発明において、電解質層の溶媒に添加するアルカリ金属化合物の量は、溶媒に対するアルカリ金属化合物の溶解度などにより適宜選択されるものであるが、一般に、1×10−4〜1×10−2mol/lの範囲であることが好ましく、1×10−3〜5×10−3mol/lの範囲であることがさらに好ましい。添加するアルカリ金属化合物の量が少なすぎると、暗電流の発生を抑制し、高い開放電圧を得ることができるという本発明の効果が十分に得られない場合がある。また、アルカリ金属化合物の添加量を多くしすぎても、添加量に相当する効果が十分に得られなくなる場合がある。 In the present invention, the amount of the alkali metal compound added to the solvent of the electrolyte layer is appropriately selected depending on the solubility of the alkali metal compound in the solvent, etc., but generally 1 × 10 −4 to 1 × 10 −2 mol. / L is preferable, and 1 × 10 −3 to 5 × 10 −3 mol / l is more preferable. If the amount of the alkali metal compound to be added is too small, the effect of the present invention that the generation of dark current can be suppressed and a high open-circuit voltage can be obtained may not be sufficiently obtained. Moreover, even if the addition amount of the alkali metal compound is excessively increased, the effect corresponding to the addition amount may not be sufficiently obtained.
本発明において用いるアルカリ金属化合物としては、アルカリ金属の酸化物、炭酸塩、アセチルアセトネートなどが挙げられる。アルカリ金属としては、リチウム、セシウム、カリウム、ナトリウムなどが挙げられるが、本発明のアルカリ金属化合物はリチウム化合物であることが特に好ましい。 Examples of the alkali metal compound used in the present invention include alkali metal oxides, carbonates, and acetylacetonates. Examples of the alkali metal include lithium, cesium, potassium, sodium and the like, and the alkali metal compound of the present invention is particularly preferably a lithium compound.
アルカリ金属化合物の形態は、特に限定されるものではないが、微細な粉末の形態で添加されることが好ましい。 The form of the alkali metal compound is not particularly limited, but it is preferably added in the form of a fine powder.
本発明における電解質層は、電解質と溶媒を含有している。電解質は、酸化還元系電解質であることが好ましく、例えば、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2などの金属ヨウ化物、およ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など4級アンモニウム化合物のヨウ素塩などのヨウ化物と、I2との組み合わせ;LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2などの金属臭化物、およ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など4級アンモニウム化合物の臭素塩などの臭化物と、Br2との組み合わせ;フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオンなどの金属錯体;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などのイオウ化合物;ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノンなどが挙げられる。これらの中でも、LiI、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドとI2との組み合わせが好ましい。上記の電解質は2種以上を混合して用いてもよい。 The electrolyte layer in the present invention contains an electrolyte and a solvent. The electrolyte is preferably a redox electrolyte, for example, LiI, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2, and tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide and quaternary ammonium Combinations of iodides such as iodine salts of compounds and I 2 ; metal bromides such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr 2 , and bromides such as bromine salts of quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium bromide and pyridinium bromide In combination with Br 2 ; metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions; sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol-alkyl disulfides; viologen dyes, Examples include droquinone-quinone. Among these, LiI, pyridinium iodide, and a combination of imidazolium iodide and I 2 are preferable. Two or more of the above electrolytes may be mixed and used.
また、電解質層の溶媒としては、電解質を溶解し、イオン伝導性に優れた溶媒であることが好ましい。溶媒としては、電解質を安定化するため、有機溶媒が特に好ましい。このような溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物;3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物;ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル化合物;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などの鎖状エーテル類;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などのアルコール類;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、グリセリンなどの多価アルコール類;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、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物;γ−ブチロラクトンやバレロラクトンのようなラクトン化合物;ジメチルスルフォキシド、スルフォランなど非プロトン性の極性物質等の有機溶剤等が挙げられる。このなかでも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネードなどのカーボネート化合物;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、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物;γ−ブチロラクトンやバレロラクトンのようなラクトン化合物が特に好ましい。これらは、単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。 The solvent for the electrolyte layer is preferably a solvent that dissolves the electrolyte and has excellent ion conductivity. As the solvent, an organic solvent is particularly preferable in order to stabilize the electrolyte. Examples of such solvents include carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate; heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone; ether compounds such as dioxane and diethyl ether; ethylene glycol dialkyl ether and propylene glycol dialkyl ether. Chain ethers such as polyethylene glycol dialkyl ether and polypropylene glycol dialkyl ether; alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether and polypropylene glycol monoalkyl ether; ethylene Glycol, propylene glycol, polyethylene glycol Polyhydric alcohols such as polypropylene glycol and glycerol; Nitrile compounds such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, and benzonitrile; Lactone compounds such as γ-butyrolactone and valerolactone; Dimethyl sulfoxide, sulfolane, etc. Examples include organic solvents such as aprotic polar substances. Of these, carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate; nitrile compounds such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, and benzonitrile; and lactone compounds such as γ-butyrolactone and valerolactone are particularly preferable. These can be used alone or in combination of two or more.
本発明における多孔質半導体層の材料としては、無機系半導体および有機系半導体が挙げられる。無機系半導体としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウムなどが挙げられ、これらの中でも、安定性、安全性の点から、酸化チタンが特に好ましい。なお、酸化チタンとは、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、オルソチタン酸などの各種の酸化チタン、あるいは水酸化チタン、含水酸化チタンを意味する。これらの無機系半導体は、単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。有機系半導体としては、例えば、ポルフィン誘導体、フタロシアニン誘導体、シアニン誘導体などが挙げられる。 Examples of the material for the porous semiconductor layer in the present invention include inorganic semiconductors and organic semiconductors. Examples of the inorganic semiconductor include titanium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, barium titanate, strontium titanate, cadmium sulfide, etc. Among these, titanium oxide is particularly preferable from the viewpoint of stability and safety. . Titanium oxide means anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide, amorphous titanium oxide, various titanium oxides such as metatitanic acid and orthotitanic acid, or titanium hydroxide and hydrous titanium oxide. These inorganic semiconductors can be used alone or in combination of two or more. Examples of organic semiconductors include porphine derivatives, phthalocyanine derivatives, and cyanine derivatives.
多孔質半導体層を形成する方法としては、従来より公知の方法を用いることでき、半導体粒子を含有する懸濁液を塗布し、加熱して形成する方法や、CVD法、PVD法、蒸着法、スパッタリング法などで形成してもよい。またゾルゲル法で形成してもよい。 As a method for forming a porous semiconductor layer, a conventionally known method can be used, a method of applying a suspension containing semiconductor particles and heating, a CVD method, a PVD method, a vapor deposition method, You may form by sputtering method etc. Further, it may be formed by a sol-gel method.
本発明における増感色素としては、可視光領域および/または赤外光領域に吸収スペクトルを有する化合物であって、多孔質半導体層に色素を強固に吸着させるために、色素分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基などのインターロック基を有するものが好ましい。なお、インターロック基は、励起状態の色素と多孔性半導体の導電帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供するものである。 The sensitizing dye in the present invention is a compound having an absorption spectrum in the visible light region and / or the infrared light region, and in order to strongly adsorb the dye to the porous semiconductor layer, a carboxyl group in the dye molecule, Those having an interlock group such as an alkoxy group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, an ester group, a mercapto group, and a phosphonyl group are preferred. The interlock group provides an electrical bond that facilitates electron transfer between the excited dye and the conductive band of the porous semiconductor.
上記の色素としては、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素などが挙げられる。 Examples of the above dyes include ruthenium bipyridine dyes, azo dyes, quinone dyes, quinone imine dyes, quinacridone dyes, squarylium dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, triphenylmethane dyes, xanthene dyes. Porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, perylene dyes, indigo dyes, naphthalocyanine dyes, and the like.
また、色素としては、Cu、Ni、Fe、Co、V、Sn、Si、Ti、Ge、Cr、Zn、Ru、Mg、Al、Pb、Mn、In、Mo、Y、Zr、Nb、Sb、La、W、Pt、Ta、Ir、Pd、Os、Ga、Tb、Eu、Rb、Bi、Se、As、Sc、Ag、Cd、Hf、Re、Au、Ac、Tc、Te、Rhなどの金属を用いた金属錯体色素が挙げられる。 Examples of the dye include Cu, Ni, Fe, Co, V, Sn, Si, Ti, Ge, Cr, Zn, Ru, Mg, Al, Pb, Mn, In, Mo, Y, Zr, Nb, Sb, Metals such as La, W, Pt, Ta, Ir, Pd, Os, Ga, Tb, Eu, Rb, Bi, Se, As, Sc, Ag, Cd, Hf, Re, Au, Ac, Tc, Te, Rh And metal complex dyes.
多孔質半導体層に色素を吸着させる方法としては、例えば、色素を含有する溶液に多孔質半導体層を浸漬する方法が挙げられる。 Examples of the method for adsorbing the dye on the porous semiconductor layer include a method of immersing the porous semiconductor layer in a solution containing the dye.
本発明における電極層は、例えば、基板上に金、銀、アルミニウム、インジウム、酸化錫、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素をドープした酸化錫(FTO)などを基板上に成膜することにより形成することができる。同様に対極も、基板上に上記導電性薄膜を成膜することにより形成することができる。電極層及び対極は少なくともいずれか一方が透明であることが好ましく、この場合、基板も透明基板を用いることが好ましい。基板としては、ガラス基板、プラスチック基板、フィルムシート、金属基板などを用いることができる。なお、金属基板を用いる場合には、この金属基板を電極層または対極とすることができる。 The electrode layer in the present invention is formed, for example, by depositing gold, silver, aluminum, indium, tin oxide, indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO) or the like on the substrate. can do. Similarly, the counter electrode can be formed by depositing the conductive thin film on a substrate. At least one of the electrode layer and the counter electrode is preferably transparent. In this case, it is preferable to use a transparent substrate as the substrate. As the substrate, a glass substrate, a plastic substrate, a film sheet, a metal substrate, or the like can be used. When a metal substrate is used, this metal substrate can be used as an electrode layer or a counter electrode.
本発明によれば、暗電流の発生を抑制し、高い開放電圧を得ることができる。 According to the present invention, generation of dark current can be suppressed and a high open circuit voltage can be obtained.
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
電極層としてのFTO膜(フッ素ドープされた酸化錫膜)が形成されたガラス基板(旭硝子社製、商品名「A11DU80」)を2−プロパノール(IPA)で5分間超音波洗浄した後、UVオゾンで5分間表面処理を行った。
(Example 1)
A glass substrate (trade name “A11DU80” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., product name) on which an FTO film (fluorine-doped tin oxide film) as an electrode layer has been ultrasonically cleaned with 2-propanol (IPA) for 5 minutes, then UV ozone For 5 minutes.
表面処理を行ったFTO基板に125μmのスペーサを取り付け、その上に酸化チタン(TiO2)のペースト(Solaronix社製:Ti-Nanoxide T/SP)をドクターブレード法で塗布し、大気中500℃で30分間アニールして、多孔質半導体層を形成した。 A 125 μm spacer is attached to the surface-treated FTO substrate, and a titanium oxide (TiO 2 ) paste (manufactured by Solaronix: Ti-Nanoxide T / SP) is applied on the FTO substrate by the doctor blade method at 500 ° C. in the atmosphere. Annealing was performed for 30 minutes to form a porous semiconductor layer.
その後、上記多孔質半導体層を形成した基板を色素吸着溶液に浸漬させた。40℃の恒温槽内で40分間浸漬することにより、多孔質半導体層のTiO2表面にRu錯体色素(N719色素)(Peccell社製:PECC−D07)を吸着させ、光電変換層を形成した。なお、Ru錯体色素は、以下の構造を有している。 Thereafter, the substrate on which the porous semiconductor layer was formed was immersed in the dye adsorption solution. By immersing in a constant temperature bath at 40 ° C. for 40 minutes, a Ru complex dye (N719 dye) (Peccell: PECC-D07) was adsorbed on the TiO 2 surface of the porous semiconductor layer to form a photoelectric conversion layer. The Ru complex dye has the following structure.
上記の色素吸着溶液は、アセトニトリルとt−ブチルアルコールを体積比で1:1に混合した溶媒に、Ru錯体色素を3×10−4mol/lの濃度となるように溶解させて作製した。 The dye adsorbing solution was prepared by dissolving the Ru complex dye in a solvent in which acetonitrile and t-butyl alcohol were mixed at a volume ratio of 1: 1 so as to have a concentration of 3 × 10 −4 mol / l.
色素を吸着させた後、基板の上にスペーサを置き、その間にヨウ素レドックス電解液を注入して電解質層を形成した。その上に、対極を貼り合わせ、色素増感太陽電池を完成させた。対極は上記と同様のFTO基板の表面に、白金(Pt)を堆積させて触媒機能を持たせたものを用いた。 After adsorbing the dye, a spacer was placed on the substrate, and an iodine redox electrolyte was injected between them to form an electrolyte layer. On top of that, a counter electrode was bonded to complete a dye-sensitized solar cell. The counter electrode used was a platinum surface (Pt) deposited on the surface of the same FTO substrate as described above to have a catalytic function.
上記のヨウ素レドックス電解液は、アセトニトリル溶液にヨウ素を0.05mol/l、ヨウ化リチウムを0.1mol/l、4−tert−ブチルピリジンを0.5mol/l、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを0.6mol/lとなるように溶解させて作製した。 The above iodine redox electrolyte is an acetonitrile solution containing 0.05 mol / l iodine, 0.1 mol / l lithium iodide, 0.5 mol / l 4-tert-butylpyridine, 1,2-dimethyl-3- Propyl imidazolium iodide was prepared by dissolving at 0.6 mol / l.
4−tert−ブチルピリジンは以下に示す構造を有している。 4-tert-butylpyridine has the structure shown below.
1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドは、以下に示す構造を有している。 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide has the structure shown below.
以上のようにして作製したヨウ素レドックス電解液に、本実施例においては、酸化リチウム(I)(Li2O)を0.005mol/lとなるように添加した。 In this example, lithium (I) (Li 2 O) was added to the iodine redox electrolyte solution produced as described above so as to be 0.005 mol / l.
図1は、以上のようにして作製した色素増感太陽電池を示す模式的断面図である。図1を参照して、基板8の上には電極層1が形成されている。電極層1の上には、多孔質半導体層2が形成されており、多孔質半導体層2の表面には増感色素6が吸着している。多孔質半導体層2と増感色素6から光電変換層7が構成されている。対極5は、電極層1と対向するように設けられている。対極5と接触するように、電極層1と対極5との間には電解質層4が設けられている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the dye-sensitized solar cell produced as described above. Referring to FIG. 1,
図1には図示されていないが、電解質層4には、本発明のアルカリ金属化合物としての酸化リチウム(I)(Li2O)が添加されており、多孔質半導体層2の表面上の増感色素6が吸着していない表面に、添加した酸化リチウムの一部が吸着していると考えられる。
Although not shown in FIG. 1, lithium (I) (Li 2 O) as an alkali metal compound of the present invention is added to the
(比較例1)
ヨウ素レドックス電解液にLi2Oを添加しないこと以外は、上記実施例1と同様にして色素増感太陽電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that Li 2 O was not added to the iodine redox electrolyte.
〔電池特性の評価〕
実施例1及び比較例1の太陽電池について、ソーラーシミュレータを用いて、エアマス(AM)1.5で強度100mW/cm2の疑似太陽光を照射して、電池特性を評価した。図3は、実施例1及び比較例1の電圧−電流特性を示す図である。
[Evaluation of battery characteristics]
About the solar cell of Example 1 and Comparative Example 1, the solar simulator was used to irradiate pseudo-sunlight with an intensity of 100 mW / cm 2 with an air mass (AM) of 1.5, and the battery characteristics were evaluated. FIG. 3 is a graph showing voltage-current characteristics of Example 1 and Comparative Example 1.
図3に示すように、比較例1の開放電圧は0.707Vであるのに対し、実施例1の開放電圧は0.75Vであり、開放電圧が大幅に上昇していることが確認された。 As shown in FIG. 3, the open circuit voltage of Comparative Example 1 was 0.707V, whereas the open circuit voltage of Example 1 was 0.75V, and it was confirmed that the open circuit voltage was significantly increased. .
(実施例2)
Li2Oの代わりに酸化リチウム(II)(Li2O2)を0.005mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Example 2)
Except that the lithium oxide in place of Li 2 O (II) (Li 2 O 2) was added 0.005 mol / l was prepared a solar cell in the same manner as in Example 1.
(実施例3)
Li2Oの代わりにリチウムアセチルアセトネート(Li(acac))を0.003mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Example 3)
A solar cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that 0.003 mol / l of lithium acetylacetonate (Li (acac)) was added instead of Li 2 O.
(実施例4)
Li2Oの代わりに炭酸リチウム(Li2CO3)を0.003mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
Example 4
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.003 mol / l of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) was added instead of Li 2 O.
(比較例2)
Li2Oの代わりに、電解質層の溶媒であるアセトニトリル対して可溶性を示すフッ化リチウム(LiF)を0.05mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Comparative Example 2)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.05 mol / l of lithium fluoride (LiF), which was soluble in acetonitrile as the solvent of the electrolyte layer, was added instead of Li 2 O.
(実施例5)
Li2Oの代わりに炭酸セシウム(Ce2CO3)を0.002mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Example 5)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.002 mol / l of cesium carbonate (Ce 2 CO 3 ) was added instead of Li 2 O.
(実施例6)
Li2Oの代わりに炭酸カリウム(K2CO3)を0.003mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Example 6)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that potassium carbonate (K 2 CO 3 ) was added in an amount of 0.003 mol / l instead of Li 2 O.
(実施例7)
Li2Oの代わりに酸化ナトリウム(Na2O)を0.004mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Example 7)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.004 mol / l of sodium oxide (Na 2 O) was added instead of Li 2 O.
(比較例3)
Li2Oの代わりに酸化モリブデン(MoO3)を0.003mol/l添加したこと以外は上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Comparative Example 3)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.003 mol / l of molybdenum oxide (MoO 3 ) was added instead of Li 2 O.
(実施例8)
電解質層の溶媒として、アセトニトリルに代えてγ−ブチルラクトンを用いる以外は、上記実施例1と同様にして太陽電池を作製した。
(Example 8)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that γ-butyllactone was used instead of acetonitrile as the solvent for the electrolyte layer.
(比較例4)
Li2Oを添加しない以外は、実施例8と同様にして太陽電池を作製した。
(Comparative Example 4)
A solar cell was produced in the same manner as in Example 8 except that Li 2 O was not added.
〔電池特性の評価〕
実施例1と同様にして、上記実施例2〜8及び比較例2〜4の太陽電池について、開放電圧を測定し、表1に測定結果を示した。また、短絡電流密度、フィルファクタ、及び光電変換効率を測定し、その結果を表1に示した。なお、表1には実施例1及び比較例1の結果を併せて示す。
[Evaluation of battery characteristics]
In the same manner as in Example 1, the open-circuit voltage was measured for the solar cells of Examples 2 to 8 and Comparative Examples 2 to 4, and Table 1 shows the measurement results. Moreover, the short circuit current density, the fill factor, and the photoelectric conversion efficiency were measured, and the results are shown in Table 1. Table 1 also shows the results of Example 1 and Comparative Example 1.
表1に示す結果から明らかなように、本発明に従う実施例1〜8は、比較例1〜4に比べ、高い開放電圧を示しており、高い光電変換効率が得られている。 As is clear from the results shown in Table 1, Examples 1 to 8 according to the present invention show higher open-circuit voltages than Comparative Examples 1 to 4, and high photoelectric conversion efficiency is obtained.
1…電極層
2…多孔質半導体層
3…アルカリ金属化合物層
4…電解質層
5…対極
6…増感色素
7…光電変換層
8…基板
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記電極層と対向して設けられる対極と、
前記電極層と前記対極の間において前記電極層と接するように設けられる、増感色素を吸着させた多孔質半導体層からなる光電変換層と、
前記電極層と前記対極の間において前記対極と接するように設けられる、電解質と溶媒を含有した電解質層とを備える色素増感太陽電池であって、
前記電解質層に、前記溶媒に対して難溶性を示すアルカリ金属化合物が添加されていることを特徴とする色素増感太陽電池。 An electrode layer formed on the substrate;
A counter electrode provided facing the electrode layer;
A photoelectric conversion layer comprising a porous semiconductor layer adsorbed with a sensitizing dye, provided so as to be in contact with the electrode layer between the electrode layer and the counter electrode;
A dye-sensitized solar cell provided with an electrolyte and a solvent-containing electrolyte layer provided so as to be in contact with the counter electrode between the electrode layer and the counter electrode;
A dye-sensitized solar cell, wherein an alkali metal compound that is hardly soluble in the solvent is added to the electrolyte layer.
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Cited By (2)
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WO2010017115A2 (en) * | 2008-08-04 | 2010-02-11 | University Of Washington | Dye-sensitized solar cell employing zinc oxide aggregates grown in the presence of lithium |
JP2012209243A (en) * | 2011-03-17 | 2012-10-25 | Rohm Co Ltd | Dye-sensitized solar cell |
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