(57)【要約】【課題】長期間にわたり安定供給が可能でかつ製造容易にして安価な電極材料を使用した色素増感型太陽電池およびこれに使用可能なナノカーボン電極を提供する。【解決手段】色素増感型太陽電池は一対のガラス基板１と、負電極側のガラス基板１上に形成されたＦＴＯ電極２と、この上に形成された色素を吸着させた二酸化チタン膜３と、正電極側のガラス基板１上に形成されたナノカーボン電極６と、このナノカーボン電極６と色素を吸着させた二酸化チタン膜３との間に設けられた電解質層５とから構成されている。ナノカーボン電極６はシングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーの繊維状炭素材料で作製される。【選択図】　　　　図１
2004111216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径がナノメートルサイズの繊維状炭素からなるナノカーボン膜を電極としたことを特徴とする色素増感型太陽電池。
【請求項２】
ナノカーボン電極の繊維状炭素材料は、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択された少なくとも１種の炭素材料であることを特徴とする請求項１記載の色素増感型太陽電池。
【請求項３】
直径がナノメートルサイズの微細な繊維状炭素からなることを特徴とするナノカーボン電極。
【請求項４】
繊維状炭素材料は、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択された少なくとも１種の炭素材料であることを特徴とする請求項３記載のナノカーボン電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、色素増感型太陽電池およびこの太陽電池に使用可能なナノカーボン電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
色素増感型太陽電池は原材料が安価で製造法が容易であり、さらに発電効率が高いことからシリコン電池に替わる普及型の太陽電池として期待されている。
【０００３】
図３は従来の色素増感型太陽電池の構成を示す概略断面図である。図において１は一対のガラス基板、２は各ガラス基板１上に形成されそれぞれ正電極および負電極を構成するフッ素ドープ酸化スズ電極（以下、ＦＴＯ電極という）、３は負電極側のＦＴＯ電極２上に積層した色素を吸着させた二酸化チタン膜、４は正電極側のＦＴＯ電極２上にコーティングされた白金膜、５は色素を吸着させた二酸化チタン膜３と白金膜４との間に設けられた液体または固体の電解質層である。
【０００４】
【非特許文献１】
エー．カイおよびエム．グレーツェルによる太陽エネルギー材料、太陽電池．１９９６年４４巻９９頁（Ａ．Ｋａｙ　ａｎｄ　Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌ，Ｓｏｌ．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ，　４４，９９　（１９９６））
【非特許文献２】
エム．ケイ．ナズクルディン、エー．カイ、アイ．ロジチオ、アール．ハンフリベーカー、イー．ミューラー、ピー．リスカ、エヌ．ブラチョプーロスおよびエム．グレーツェルによる米国化学会誌１９９３年１１５巻６３８２頁（Ｍ．Ｋ．Ｎａｚｃｃｒｕｄｄｉｎ，Ａ．Ｋａｙ，Ｉ．Ｒｏｄｉｃｉｏ，Ｒ．Ｈｕｍｐｈｒｙ−ｂａｋｅｒ，Ｅ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｐ．Ｌｉｓｋａ，Ｎ．Ｖｌａｃｈｏｐｏｕｌｏｓ，ａｎｄ　Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１１５，６３８２　（１９９３））
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の色素増感型太陽電池は上述のような構成を有しているので、両電極側に形成される一対のＦＴＯ電極２の作製に高価な高真空蒸着装置を用いる必要があり、色素増感型太陽電池の製造コストを押し上げているという課題があった。また、正電極側のＦＴＯ電極２上にコーティングされた白金膜４の白金は希少元素であり、白金材料が長期間にわたり安定に供給されないおそれがあるという課題もあった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、長期間にわたり安定供給が可能でかつ製造容易にして安価な電極材料を使用した色素増感型太陽電池およびこれに使用可能なナノカーボン電極を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る色素増感型太陽電池は、直径がナノメートルサイズの微細な繊維状炭素からなるナノカーボン膜を電極として構成したものである。
【０００８】
この発明に係る色素増感型太陽電池は、ナノカーボン電極の繊維状炭素材料として、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択された少なくとも１種の炭素材料を用いて構成したものである。
【０００９】
この発明に係るナノカーボン電極は、直径がナノメートルサイズの微細な繊維状炭素からなるものである。
【００１０】
この発明に係るナノカーボン電極は、繊維状炭素材料として、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択された少なくとも１種の炭素材料を用いるように構成したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１によるナノカーボン電極の材料としてシングルウォールカーボンナノチューブを用いて説明する。
【００１２】
（１）ナノカーボン膜の作製
カーボンナノテック（Ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｅｃｈ）社製の精製済みのシングルウォールカーボンナノチューブ（２０ｍｇ）を水（５０ｍｌ）に加え、超音波を照射して分散液を調製した。この分散液を直径３５ｍｍのメンブランフィルタ（細孔径１００ｎｍ）で濾過し、６０℃で乾燥させてナノカーボン膜を作製した（湿式法）。
【００１３】
（２）電極の電気抵抗の測定
上記（１）で作製されたナノカーボン膜を正電極としたナノカーボン電極（実施例１）、従来のＦＴＯ電極（比較例１）や白金膜をコーティングしたＦＴＯ電極（比較例２）の電気抵抗値（シート抵抗）をそれぞれ四端子法によって測定し、その結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】
2004111216.tif 000003
【００１５】
表１から明らかなように、実施例１のナノカーボン電極の電気抵抗値は比較例１または比較例２の各電極の電気抵抗値よりもかなり小さく、ナノカーボン電極が高い電気伝導性を有していることが分かる。これは、ナノチューブの一本一本が単独でも金属あるいは半導体程度の高い電気伝導性を有していることに加え、薄膜を作製する際に繊維状炭素同士が絡み合うことで電気的な接触が膜内に多数生じるためである。なお、ナノカーボン電極内で繊維状炭素同士が密接に絡まり合う様子は顕微鏡によって観察され確認されている。
【００１６】
（３）ナノカーボン膜の機械的強度
ナノカーボン膜内での繊維状炭素同士の絡み合いは電極膜の機械的強度も高めており、ナノカーボン膜は実用性の高い電極材料である。（１）の方法で作製したナノカーボン膜は引掻き耐久性があり、さらに切り抜き加工も可能である。また、ナノカーボン膜は溶液存在下ではしなやかな膜となり、折り曲げ可能な柔軟性のある電極としての応用が可能である。
【００１７】
（４）ナノカーボン材料の成膜性
この実施の形態１では、シングルウォールカーボンナノチューブを成膜する際にはバインダー等の添加物を使用していない。これは、例えばバインダーを用いることによって耐久性の高い膜を作製することが可能となる場合があるが、その一方で電池に使用される電解液へのバインダー等の添加物の溶出が懸念されるからである。この実施の形態１では、シングルウォールカーボンナノチューブをはじめとする種々の繊維状炭素材料を用いることでバインダー等の添加物を用いることなく、良質の薄膜の作製が可能である。
【００１８】
（５）ナノカーボン膜の膜質
上述のように電極としての使用が可能なナノカーボン膜は耐薬品性が高い。このため、ナノカーボン膜は、色素増感型太陽電池の電極間に配される電解質層に使用される例えば腐食性の高いヨウ素に接触しても膜質を低下させることがないことから、色素増感型太陽電池の電極材料として好適である。また、ナノカーボン膜は微細な繊維状炭素の集合体であるため弾力性に優れている。
【００１９】
なお、この実施の形態１では、ナノカーボン電極の繊維状炭素材料としてシングルウォールカーボンナノチューブを用いたが、これに代えて、マルチウォールカーボンナノチューブまたはカーボンナノファイバーを使用することも可能である。これらの材料を用いることで上述の湿式法で例えば色素増感型太陽電池に使用可能なナノカーボン電極を作成することが可能である。また、各ナノカーボン材料は単独あるいは適宜組み合わせて所望のナノカーボン電極の作製に供される。
【００２０】
以上のように、この実施の形態１によれば、ナノカーボン膜が高い機械的強度を有し、しなやかで柔軟性に富み、引掻き耐久性、切り抜き加工性および耐薬品性に優れているので、例えば色素増感型太陽電池の電極材料に好適に使用することができるという効果がある。
【００２１】
実施の形態２．
図１はこの発明の実施の形態２による色素増感型太陽電池の構成を示す概略断面図である。なお、この実施の形態１の構成要素のうち、図３に示した従来の色素増感型太陽電池の構成要素と共通するものについては同一符号を付し、その部分の説明を省略する。
【００２２】
この実施の形態２の特徴は、図３に示した従来の色素増感型太陽電池の正電極側の高価なＦＴＯ電極２に代えて、正電極側のガラス基板１上に、実施の形態１で作製したナノカーボン電極６を設けた点にある。
【００２３】
（１）ナノカーボン電極を用いた色素増感型太陽電池の作製
この実施の形態２では、ナノカーボン電極６の作製を除いて、色素増感型太陽電池の組立を前述した非特許文献１および非特許文献２に開示された公知の方法に従って行っている。即ち、負電極はソーラロニックス（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ）社製のチタンナノキシドＤ（Ｔｉ−Ｎａｎｏｘｉｄｅ　Ｄ）をＦＴＯ電極２上にドクターブレード法によって塗布し、５００℃で３０分間焼成することにより作製した。なお、焼成前の二酸化チタン薄膜上には光反射膜として酸化ジルコニウム／二酸化チタン（ＺｒＯ２　／ＴｉＯ２　）の混合物を塗布した。二酸化チタン膜の染色にはソーラロニックス（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ）社製のシスービス（イソチオシアナート）ビス（２，２’−ビピリジルー４，４’−ジカーボキシラート）―ルテニウム（ＩＩ）（慣用名Ｎ７１９）を使用した。正電極は実施の形態１における（１）の方法で作製したナノカーボン電極を用いた。電解質層５には、ヨウ素０．０５ｍｏｌ／Ｌ、ヨウ化リチウム０．１０ｍｏｌ／Ｌ、ヨウ化―１，２−ジメチルー３−プロピルイミダゾリウム０．３０ｍｏｌ／Ｌ、０．５０ｍｏｌ／Ｌの４−ブチルピリジンを含むメトキシアセトニトリル溶液を用いた。
【００２４】
（２）色素増感型太陽電池の変換効率の測定
この実施の形態２では、上記実施例１、比較例１および比較例２についてＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２　の擬似太陽光を用いて光電流―電圧特性を調べると共に、変換効率を測定した。測定に用いた二酸化チタン電極の面積は０．２５ｃｍ２　（５ｍｍ×５ｍｍ）である。上記実施例１、比較例１および比較例２に係る色素増感型太陽電池における光電流密度―電圧特性曲線を図２に示し、光電特性を表２に示す。
【００２５】
【表２】
2004111216.tif 000004
【００２６】
図２および表２から明らかなように、対向電極（正電極）にＦＴＯ電極を用いた比較例１は変換効率やフィルファクタ（曲線因子）が低いが、ナノカーボン電極を用いた実施例１は白金膜をコーティングしたＦＴＯ電極を用いた比較例２とほぼ同等の変換効率やフィルファクタを示しているのが分かる。なお、本発明者らは第５回産総研　光反応制御・光機能材料　国際シンポジウムにおいて平成１４年３月１８日発行の講演予稿集（第１３４頁―第１３５頁）をもって、この発明に係る色素増感型太陽電池について発表しているが、上述の図２および表２中の測定データと講演予稿集に掲載された測定データとは異なっている。これは、発表時の測定の際に照射する擬似太陽光を上述のようにＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２　とすべきところ、ＡＭ１．５、１５０ｍＷ／ｃｍ２　としたためである。
【００２７】
なお、従来の色素増感型太陽電池では溶媒中にイオン性物質などを溶解させた液体電解質を用いる場合があるが、電池の信頼性を高めるため固体電解質を用いることが望ましい。固体電解質を用いた場合でも、ナノカーボン膜からなる電極は弾力性を有しているので固体電解質の微細な凹凸状表面にもナノカーボン膜が密着して電気的接触を良好な状態に保持することができる。この電気的接触は、熱や外力による基板の歪により固体電解質と電極との間に隙間が生じた場合でもナノカーボン膜の弾力性によって保持可能である。
【００２８】
また、ナノカーボン膜のしなやかな性質はフレキシブルな色素増感型太陽電池の電極への応用を可能にする。このフレキシブルな色素増感型太陽電池は、例えば従来のガラス基板に代えてプラスチック基板を用いることで折り曲げ可能に作製することが可能である。
【００２９】
以上のように、この実施の形態２によれば、上述のナノカーボン膜を電極として構成したので、従来の色素増感型太陽電池とほぼ同等の高い変換効率を示す安価で色素増感型太陽電池を長期間にわたり安定供給することができるという効果がある。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、直径がナノメートルサイズの微細な繊維状炭素からなるナノカーボン膜を電極として構成したので、従来の色素増感型太陽電池とほぼ同等の高い変換効率を示す色素増感型太陽電池を得ることができるという効果がある。また、この発明によれば、従来の色素増感型太陽電池の高価な一対のＦＴＯ電極の一方を低コストのナノカーボン電極に代えることができるので、色素増感型太陽電池の製造コストを大幅に低減することができるという効果がある。さらに、この発明によれば、白金等の希少元素に代えて豊富な繊維状炭素材料を用いるので、高変換効率で安価なナノカーボン膜を正電極に用いた色素増感型太陽電池を長期間にわたり安定供給することができるという効果がある。
【００３１】
この発明によれば、ナノカーボン電極の繊維状炭素材料として、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択された少なくとも１種の炭素材料を用いて構成したので、固体電解質を用いた場合でも、ナノカーボン電極の弾力性により固体電解質の微細な凹凸状表面にもナノカーボン膜が密着して電気的接触を良好な状態に保持することができるという効果がある。また、この発明によれば、ヨウ素等の腐食性の高い物質が電解質に含まれた場合でも、ナノカーボン電極の耐薬品性により太陽電池の電極として良好な膜質を維持することができるという効果がある。さらに、この発明によれば、ナノカーボン電極が耐薬品性や柔軟性を有しているので、可撓性基板を用いることで折り曲げ可能な色素増感型太陽電池を得ることができるという効果がある。
【００３２】
この発明によれば、直径がナノメートルサイズの微細な繊維状炭素材料から構成したので、高い電気伝導性を示し、従来の色素増感型太陽電池とほぼ同等の高い変換効率を示し、簡易な方法で製造でき、製造コストを大幅に低減し、長期間にわたり安定供給可能なナノカーボン電極を得ることができるという効果がある。
【００３３】
この発明によれば、ナノカーボン電極の繊維状炭素材料として、シングルウォールカーボンナノチューブ、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群より選択された少なくとも１種の炭素材料を用いて構成したので、高い機械的強度を有し、しなやかで柔軟性に富み、引掻き耐久性、切り抜き加工性および耐薬品性に優れたナノカーボン膜を、例えば色素増感型太陽電池の電極材料に好適に使用することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態２による色素増感型太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１に示した色素増感型太陽電池や比較例としての色素増感型太陽電池における光電流密度―電圧特性曲線を示すグラフである。
【図３】従来の色素増感型太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　ガラス基板
２　フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）電極
３　色素を吸着させた二酸化チタン膜
４　白金膜
５　電解質層
６　ナノカーボン電極
【図１】
2004111216.tif 000005
【図２】
2004111216.tif 000006
【図３】
2004111216.tif 000007