(57)【要約】【課題】本発明は、電子伝送速度が高い染料増感太陽電池の作用電極、その製造方法及び染料増感太陽電池を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る染料増感太陽電池の作用電極は、導電基板と、前記導電基板の上に形成されている金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に形成されているイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層と、前記柱状ナノ構造体層の上に形成された染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜と、を備える。本発明は、前記作用電極の製造方法及び前記作用電極を有する染料増感太陽電池を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電基板と、
前記導電基板の上に形成されている金属酸化物層と、
前記金属酸化物層の上に形成されているイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層と、
前記柱状ナノ構造体層の上に形成された染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜と、
を備えることを特徴とする染料増感太陽電池の作用電極。
【請求項２】
前記導電基板と前記金属酸化物層との間には、第一金属層が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の染料増感太陽電池の作用電極。
【請求項３】
導電基板を提供するステップと、
前記導電基板の上に第一金属層を形成するステップと、
前記第一金属層の上に第二金属層を形成するステップと、
前記第二金属層の上に二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層を形成するステップと、
真空条件で前記二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムを還元して、イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層を獲得し、前記第二金属層が金属酸化物層に酸化されるステップと、
前記イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層の上に染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜を形成するステップと、
を備えることを特徴とする染料増感太陽電池の作用電極の製造方法。
【請求項４】
前記二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムの還元反応の温度は、５００℃〜６００℃であることを特徴とする請求項３に記載の染料増感太陽電池の作用電極の製造方法。
【請求項５】
導電基板と、前記導電基板の上に形成されている金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に形成されているイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層と、前記柱状ナノ構造体層の上に形成された染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜と、を備えてなる作用電極と、
対向電極と、
前記対向電極と前記染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜との間に位置する電解質と、
を備えることを特徴とする染料増感太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関するものであって、特に染料増感太陽電池の作用電極、その製造方法及び染料増感太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、光合成原理を応用した電池である。染料増感太陽電池は既存のシリコン太陽電池に比べて工程が容易で製造単価が安いという長所がある。
【０００３】
染料増感太陽電池は、互いに対向した作用電極と対向電極を有する。染料増感太陽電池の作用電極として、導電基板の一面には、ナノ粒子から形成された多孔質膜が塗布されており、多孔質膜のナノ粒子表面には、光増感染料が吸着されている。染料増感太陽電池の作動原理を説明すれば、次の通りである。太陽光熱が染料分子に吸収されれば、染料分子は、基底状態から励起状態に電子遷移して電子ホール対を作り、励起状態の電子は、多孔質膜の粒子界面の伝導帯に注入され、注入された電子は、作用電極の界面を通じて作用電極に伝えられ、外部回路を通じて対向電極に移動する。電子遷移の結果酸化された染料は、電解質内の酸化−還元カップルのヨウ素イオン（Ｉ−）により還元され、酸化された三ヨウ素イオン（Ｉ３−）は、電荷中性をなすために対向電極の界面に到達した電子と、還元反応して作動する。従って電子の伝送過程を完了する。
【０００４】
染料増感太陽電池の光電変換効率に影響する要因は、光電気化学反応の後に電子が導電基板に遷移する速度である。目下、導電基板の一面に塗布されているナノ粒子から形成された多孔質膜の膜厚を下げることにより、電子移動経路を短縮して電子注入速度を向上し、従って電子を外部回路に迅速に伝送する。しかし、多孔質膜の厚さを良く制御しなければ、結晶粒界（ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）反応を招くため、電子伝送速度が低下し、更に光電変換効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、前記課題を解決し、電子伝送速度が高い染料増感太陽電池の作用電極、その製造方法及び染料増感太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る染料増感太陽電池の作用電極は、導電基板と、前記導電基板の上に形成されている金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に形成されているイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層と、前記柱状ナノ構造体層の上に形成された染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜と、を備える。
【０００７】
本発明に係る染料増感太陽電池の作用電極の製造方法は、導電基板を提供するステップと、前記導電基板の上に第一金属層を形成するステップと、前記第一金属層の上に第二金属層を形成するステップと、前記第二金属層の上に二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層を形成するステップと、真空条件で前記二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムを還元して、イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層を獲得し、前記第二金属層が金属酸化物層に酸化されるステップと、前記イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層の上に染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜を形成するステップと、を備える。
【０００８】
本発明に係る染料増感太陽電池は、導電基板と、前記導電基板の上に形成されている金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に形成されているイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層と、前記柱状ナノ構造体層の上に形成された染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜と、を備えてなる作用電極と、対向電極と、前記対向電極と前記染料が吸着されている半導体ナノ多孔質膜との間に位置する電解質と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る染料増感太陽電池のイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層は、１次元ナノ構造体であるため、普通の薄膜より電子を更に迅速に導電基板に注入することができ、電子伝送速度を向上させ、従って前記染料増感太陽電池の光電変換効率を高める。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る染料増感太陽電池の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１を参照すると、本発明の実施形態に係る染料増感太陽電池１００は、作用電極２０、対向電極４０及び電解質６０を備える。
【００１３】
前記対向電極４０は、導電基板４０２及び該導電基板４０２の上に形成されている金属層４０４を備える。前記導電基板４０２は、一般的に導電ガラスであって、平板ガラスの表面に酸化インジウムすず（ｉｎｄｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ，ＩＴＯ）又はフッ素ドープ酸化すず（ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ，ＦＴＯ）のような透明導電酸化物薄膜をめっきしたものである。
【００１４】
前記金属層４０４は、金、プラチナなどのような不活性金属からなり、めっき法により前記導電基板４０２の前記作用電極２０に対向する表面に形成される。前記対向電極４０は、金、プラチナなどのような不活性金属からなる金属電極でもよい。
【００１５】
前記電解質６０は、酸化還元液状電解質であるが、固体状態電解質又は凝集状態電解質であることもできる。
【００１６】
前記作用電極２０は、導電基板２０２と、該導電基板２０２の上に形成されている第一金属層２０３と、該第一金属層２０３の上に形成されている金属酸化物層２０４と、該金属酸化物層２０４の上に形成されているイリジウム（Ｉｒ）‐二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）又はルテニウム（Ｒｕ）‐二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）の柱状ナノ構造体（ｎａｎｏｒｏｄ）層２０５と、該柱状ナノ構造体層２０５の上に形成された染料２０７が吸着されている半導体ナノ多孔質膜２０６と、を備える。前記電解質６０は、前記対向電極４０と前記染料２０７が吸着されている半導体ナノ多孔質膜２０６との間に位置する。
【００１７】
前記第一金属層２０３の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）である。前記第一金属層２０３は、触媒作用を有する。
【００１８】
前記金属酸化物層２０４の材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は酸化銀（Ａｇ２Ｏ）である。
【００１９】
前記柱状ナノ構造体層２０５は、１次元柱状ナノ構造体である。前記柱状ナノ構造体層２０５は、優れた耐腐食性及び電流安定性を有する。
【００２０】
前記染料２０７が吸着されている半導体ナノ多孔質膜２０６において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化錫（ＳｎＯ２）又は五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）を半導体材料とする。本実施形態において、前記半導体材料は、ＴｉＯ２を選択する。本実施形態において、前記染料２０７は、亜鉛フタロシアニン（Ｚｎｉｃ  Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ，ＺｎＰｃ）を採用する。
【００２１】
前記作用電極２０の製造方法は、以下のステップを備える。
【００２２】
ステップ１：マグネトロンスパッタリング（Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）により前記導電基板２０２の上に第一金属層２０３を形成する。
【００２３】
ステップ２：マグネトロンスパッタリング（Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）により前記第一金属層２０３の上に第二金属層（図示せず）を形成する。前記第二金属層の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）又は銀（Ａｇ）である。
【００２４】
ステップ３：化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）法により前記第二金属層の上に二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層（図示せず）を形成する。前記ＣＶＤ法として、好ましくは有機金属化学気相蒸着（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＯＣＶＤ）法を採用する。
【００２５】
ステップ４：５００℃〜６００℃の温度、６．６７×１０−３Ｐａ未満の真空度で、前記第一金属層２０３を触媒として、前記二酸化イリジウム又は二酸化ルテニウムを還元して、イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層２０５を獲得し、前記第二金属層を触媒酸化により金属酸化物層２０４に変換する。
【００２６】
ステップ５：超音波噴霧熱分解法（ｓｐｒａｙ  ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）により前記イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層２０５の上に半導体ナノ多孔質膜を形成する。
【００２７】
ステップ６：ＺｎＰｃを所定濃度の溶液又はゾルに調合してから、浸漬コーティング（Ｄｉｐ  Ｃｏａｔｉｎｇ）法により前記半導体ナノ多孔質膜に吸着させて、染料２０７が吸着されている半導体ナノ多孔質膜２０６を形成する。
【００２８】
前記イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層２０５が１次元柱状ナノ構造体であるため、前記半導体ナノ多孔質膜２０６は、前記柱状ナノ構造体に依存して１次元成長を形成することができ、且つ前記イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層２０５が損傷されるか又は湿り気を受けることを免れる。
【００２９】
太陽光が前記染料増感太陽電池１００を照射すると、適する光子を吸収して励起されたＺｎＰｃ染料２０７は、電子を二酸化チタンの伝導帯に注入する。その注入された電子は、前記イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層２０５、前記金属酸化物層２０４、前記第一金属層２０３に注入され、且つ前記導電基板２０２に迅速に伝えられ、外部回路を通じて対向電極４０に移動する。電子遷移の結果酸化されたＺｎＰｃ染料は、電解質により還元され、酸化された電解質は、前記対向電極４０に到達した電子と還元反応して、電子の伝送過程が完了する。
【００３０】
従来の技術に比べて、前記染料増感太陽電池１００のイリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層は、１次元ナノ構造体であるため、普通の薄膜より電子を更に迅速に導電基板２０２に注入することができ、電子伝送速度を向上させ、従って前記染料増感太陽電池１００の光電変換効率を高める。
【００３１】
以上本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種種変更可能であることは勿論であって、本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲から決まる。
【符号の説明】
【００３２】
２０  作用電極
４０  対向電極
６０  電解質
１００  染料増感太陽電池
２０２，４０２  導電基板
２０３  第一金属層
２０４  金属酸化物層
２０５  イリジウム‐二酸化イリジウム又はルテニウム‐二酸化ルテニウムの柱状ナノ構造体層
２０６  半導体ナノ多孔質膜
２０７  染料
４０４  金属
【図１】
2010129541.tif 000003