(57)【要約】【課題】  太陽電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】  互いに対向した第１及び第２電極と、第１及び第２電極間に介在され、色素が吸着されている多孔質膜と、第１及び第２電極間に介在された電解質と、第１電極及び多孔質膜間に介在され、少なくとも二層で備わった緩衝層とを含むことを特徴とする太陽電池である。これにより、太陽電池の光電変換効率を向上させ、このために電子・正孔再結合を防止し、多孔質膜が塗布された電極と電解質との界面特性を向上させ、これにより電子集電特性を向上させることができる。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向した第１及び第２電極と、
前記第１及び第２電極間に介在され、色素が吸着されている多孔質膜と、
前記第１及び第２電極間に介在された電解質と、
前記第１電極及び多孔質膜間に介在され、少なくとも二層で備わった緩衝層と、を含むことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記多孔質膜は、遷移属酸化物のナノ粒子で備わったことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記多孔質膜は、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｓｒ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｙｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｖ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｗ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｙ酸化物、Ｓｃ酸化物、Ｓｍ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、及びＳｒＴｉ酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物で備わったことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記ナノ粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ナノ粒子の平均粒径は、１０−４０ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記多孔質膜には、導電性微粒子及び光散乱子のうち、少なくとも一つが添加されたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記緩衝層は、
前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第１層と、
前記第１層と前記多孔質膜との間に介在され、前記第１層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第２層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第１層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記第２層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記第１層は、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記第２層は、Ｔｉ酸化物、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記第１電極は、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記第２電極は、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記第２電極は、Ｐｔまたは貴金属物質を含むことを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記色素は、前記ナノ粒子の表面に吸着されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記色素は、Ｒｕ複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１７】
第１及び第２電極を準備する段階と、
前記第１電極の一面上に少なくとも二層で備わった緩衝層を形成する段階と、
前記緩衝層上に多孔質膜を形成する段階と、
前記多孔質膜に色素を吸着させる段階と、
前記多孔質膜上に前記第２電極を配置させ、前記多孔質膜及び第２電極間に電解質を埋め込むように、前記第１及び第２電極を密封する段階と、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１８】
前記緩衝層を形成する段階は、
前記第１電極の一面上に前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第１層を形成する段階と、
前記第１層の一面上に前記第１層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第２層を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１９】
前記第１層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成することを特徴とする請求項１８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２０】
前記第２層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成することを特徴とする請求項１８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２１】
前記第１層は、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２２】
前記第２層は、Ｔｉ酸化物、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２１に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２３】
前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング、化学気相蒸着、蒸気蒸着、熱酸化、電気化学的蒸着のうち、いずれか一つの方法によることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２４】
前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング方法により常温ないし４００℃の温度で１ないし４００ｎｍの厚さに蒸着することを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２５】
前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を遷移属酸化物のナノ粒子で形成する段階であることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２６】
前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を構成する粒子の分散液を塗布した後で乾燥させることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２７】
前記多孔質膜は、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｓｒ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｙｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｖ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｗ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｙ酸化物、Ｓｃ酸化物、Ｓｍ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、及びＳｒＴｉ酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物で備わることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２８】
前記多孔質膜を形成する段階は、前記分散液に導電性微粒子を添加するか、または前記多孔質膜と同じ物質であって平均粒径が１５０ｎｍ以上である光散乱子を添加するか、または導電性微粒子及び光散乱子のいずれをも添加する段階がさらに含まれることを特徴とする請求項２６に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項２９】
前記色素を吸着させる段階は、前記色素を前記ナノ粒子の表面に吸着させることを特徴とする請求項２５に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３０】
前記色素を吸着させる段階は、前記色素にＲｕ複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含む段階を含むことを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３１】
前記第１電極を準備する段階は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む伝導性フィルムをコーティングすることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３２】
前記第２電極を準備する段階は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む第１伝導性フィルムをコーティングし、前記第１伝導性フィルム上にＰｔまたは貴金属物質を含んだ第２伝導性フィルムをコーティングすることを特徴とする請求項１７に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池及びその製造方法に係り、さらに詳細には電気化学的原理を利用した色素感応太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
色素感応太陽電池は、可視光線を吸収して電子・正孔対を生成できる感光性色素分子と、生成された電子を伝達する酸化チタンからなる酸化物半導体電極とを利用した光電気化学的太陽電池である。
【０００３】
図１は、このような色素感応太陽電池を概略的に図示したものであり、第１及び第２電極１，２が備わっており、その間に色素５が吸着された多孔質膜３と、電解質４とが介在されている。
【０００４】
既存のシリコン太陽電池は、太陽エネルギーの吸収過程と、電子・正孔対の分離による起電力生産過程とがシリコン半導体内で同時に起こるが、これに比べて色素感応太陽電池では、太陽エネルギーの吸収過程と電荷移動過程とが分離される。具体的には、色素感応太陽電池では、太陽エネルギーの吸収は色素が担当し、電荷の移動は半導体が担当する。
【０００５】
図１で、色素感応太陽電池内に太陽光熱が入射されれば、光量子は、まず色素５に吸収され、励起状態になった色素が電子を多孔質膜３をなす遷移属酸化物の伝導帯に送る。ここで、電子は、第１電極１に移動した後、外部回路に流れて電気エネルギーを伝達し、エネルギーを伝達しただけ低いエネルギー状態になって第２電極２に移動する。
【０００６】
色素５は、多孔質膜３の遷移属酸化物に伝達した個数の電子が電解質４から供給され元来の状態に戻る。電解質４は、酸化還元により第２電極２から電子を受けて色素５に伝達する役割を担当する。
【０００７】
このような色素感応太陽電池は、既存のシリコン太陽電池に比べて製造コストが低くて環境的に馴染みやすく、フレキシブルに製作できるという利点があるが、エネルギー変換効率（ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が低く、実際の適用においては、制限があるという実情がある。
【０００８】
太陽電池において、エネルギー変換効率、すなわち、光電変換効率は、太陽光の吸収により生成された電子の量に比例するが、この効率を高めるためには、太陽光の吸収を増加させるか、または色素の吸着量を増やして電子の生成量を増やすこともあり、または生成された励起電子が電子・正孔再結合により消滅することを防ぐこともある。
【０００９】
単位面積当たりの色素の吸着量を増やすために、酸化物半導体の粒子をナノレベルで製造する方法などが開発されており、太陽光の吸収を増やすために、白金電極の反射率を高めたり、または数ミクロンサイズの半導体酸化物の光散乱子を混ぜたりして製造する方法などが開発されている。
【００１０】
しかし、かかる従来方法では、太陽電池の光電変換効率の向上に限界があり、従って効率向上のための新しい技術開発が切実に要請されているというのが実情である。
【００１１】
一方、前記図１に図示されたような色素感応太陽電池では、太陽電池特性を劣化させる界面が存在するが、このうち、代表的なものとしては、多孔質膜３をなす遷移属酸化物の粒子と電解質４との界面と、多孔質膜３が塗布された第１電極１と電解質４との界面とを挙げることができる。
【００１２】
遷移属酸化物の粒子と電解質との界面は、色素分子から遷移属酸化物粒子に伝えられた電子が電解質内の酸化ヨウ素イオンと還元反応するように作用し、遷移属酸化物から電極に伝えられる電子濃度を低くし、その結果、太陽電池の開放電圧（Ｖｏｃ：ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）、短絡電流（Ｉｓｃ：ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）、充密度（ＦＦ：Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ）特性を劣化させる。
【００１３】
多孔質膜が塗布された第１電極と電解質との界面は、電荷集電特性に影響を及ぼすことがある。電荷集電特性は、再結合速度と集電速度の二要因により左右される。再結合速度の場合、電極内の電子と電解質内の酸化ヨウ素イオンとの還元反応に起因する。これと共に、電極と電解質との界面特性を改善するにおいて、再結合界面反応を弱めるだけでなく、集電速度を向上させることもまた非常に重要な技術的要求である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、前述の課題を解決するためのものであり、本発明の目的は、色素感応太陽電池の光電変換効率を向上させることである。
【００１５】
本発明の他の目的は、色素感応太陽電池の光電変換効率を向上させるために電子・正孔再結合を防止することである。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、多孔質膜が塗布された電極と電解質との界面特性を向上させ、これにより電子集電特性を向上させようとするところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の目的を達成するために、本発明は、互いに対向した第１及び第２電極と、前記第１及び第２電極間に介在され、色素が吸着されている多孔質膜と、前記第１及び第２電極間に介在された電解質と、前記第１電極及び多孔質膜間に介在され、少なくとも二層で備わった緩衝層とを含むことを特徴とする太陽電池を提供する。
【００１８】
前記多孔質膜は、遷移属酸化物のナノ粒子で備わりうる。
【００１９】
前記多孔質膜は、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｓｒ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｙｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｖ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｗ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｙ酸化物、Ｓｃ酸化物、Ｓｍ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、及びＳｒＴｉ酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物で備わりうる。
【００２０】
前記ナノ粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以下であって、望ましくは１０−４０ｎｍでありうる。
【００２１】
前記多孔質膜には、導電性微粒子及び光散乱子のうち、少なくとも一つが添加されうる。
【００２２】
前記緩衝層は、前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第１層と、前記第１層と前記多孔質膜との間に介在され、前記第１層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第２層とを含むことができる。
【００２３】
前記第１層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することができる。
【００２４】
前記第２層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有することができる。
【００２５】
前記第１層は、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【００２６】
前記第２層は、Ｔｉ酸化物、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【００２７】
前記第１電極は、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【００２８】
前記第２電極は、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【００２９】
前記第２電極は、Ｐｔまたは貴金属物質を含むことができる。
【００３０】
前記色素は、前記ナノ粒子の表面に吸着されているものでありうる。
【００３１】
前記色素は、Ｒｕ複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含むことができる。
【００３２】
本発明は、また、前述した目的を達成するために、第１及び第２電極を準備する段階と、前記第１電極の一面上に少なくとも二層で備わった緩衝層を形成する段階と、前記緩衝層上に多孔質膜を形成する段階と、前記多孔質膜に色素を吸着させる段階と、前記多孔質膜上に前記第２電極を配置させ、前記多孔質膜及び第２電極間に電解質を埋め込むように、前記第１及び第２電極を密封する段階とを含むことを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する。
【００３３】
前記緩衝層を形成する段階は、前記第１電極の一面上に前記多孔質膜の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する第１層を形成する段階と、前記第１層の一面上に前記第１層の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第２層を形成する段階とを含むことができる。
【００３４】
前記第１層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成できる。
【００３５】
前記第２層は、前記多孔質膜よりさらに緻密な組織を有するように形成できる。
【００３６】
前記第１層は、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【００３７】
前記第２層は、Ｔｉ酸化物、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【００３８】
前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、蒸気蒸着、熱酸化、電気化学的蒸着のうち、いずれか一つの方法によるものでありうる。
【００３９】
前記緩衝層を形成する段階は、スパッタリング方法により常温ないし４００℃の温度で１ないし４００ｎｍの厚さに蒸着することでありうる。
【００４０】
前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を遷移属酸化物のナノ粒子で形成する段階でありうる。
【００４１】
前記多孔質膜を形成する段階は、前記多孔質膜を構成する粒子の分散液を塗布した後で乾燥させる段階でありうる。
【００４２】
前記多孔質膜は、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｓｒ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｙｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｖ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｗ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｙ酸化物、Ｓｃ酸化物、Ｓｍ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、及びＳｒＴｉ酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物で備わりうる。
【００４３】
前記多孔質膜を形成する段階は、前記分散液に導電性微粒子を添加するか、または前記多孔質膜と同じ物質であって平均粒径が１５０ｎｍ以上である光散乱子を添加するか、または導電性微粒子及び光散乱子いずれをも添加する段階がさらに含まれうる。
【００４４】
前記色素を吸着させる段階は、前記色素を前記ナノ粒子の表面に吸着させる段階でありうる。
【００４５】
前記色素を吸着させる段階は、前記色素にＲｕ複合体を含んで可視光を吸収できる物質を含む段階を含むことができる。
【００４６】
前記第１電極を準備する段階は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド（ＰＩ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）のうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む伝導性フィルムをコーティングすることでありうる。
【００４７】
前記第２電極を準備する段階は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板またはガラス基板上に、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む第１伝導性フィルムをコーティングし、前記第１伝導性フィルム上にＰｔまたは貴金属物質を含んだ第２伝導性フィルムをコーティングすることでありうる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば次のような効果を得ることができる。
【００４９】
第一に、第１電極と電解質との界面特性を改善させ、界面での電子・正孔再結合を減らして電子集電特性を向上させることができる。
【００５０】
第二に、緩衝層と多孔質膜との界面での熱ストレスを緩和させ、緩衝層と多孔質膜との界面特性を優秀にできる。
【００５１】
第三に、第１電極と多孔質膜との接着力をさらに向上させることができる。
【００５２】
第四に、電解質が第１電極に直接着くことを防止する役割を行わせ、切断防止による効率向上の効果をもたらす。
【００５３】
第五に、高効率色素感応太陽電池の製造及び製造コストを節減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、本発明を添付された図面を参照してさらに詳細に説明する。
【００５５】
図２は、本発明の望ましい一実施形態による色素感応太陽電池の構造を図示した断面図である。
【００５６】
本発明の一実施形態による色素感応太陽電池の基本構造は、図２に図示されているように、２枚のプレート状電極である第１及び第２電極１０，２０が互いに対向したサンドイッチ構造であり、第１電極１０の一面にはナノ粒子からなる多孔質膜３０が塗布されており、多孔質膜３０のナノ粒子表面には、可視光吸収で電子が励起される光感応色素が吸着されている。前記第１及び第２電極１０，２０は、支持台６０により接合されて固定され、それらの間の空間は酸化還元用の電解質４０で充填されている。図２では、電解質４０が多孔質膜３０と第２電極２０の間に位置すると図示されているが、それは製造過程を説明するためのものであり、必ずしもそれに限定されず、電解質４０は、第１及び第２電極１０，２０間の空間に満たされうる。
【００５７】
前記第１電極１０は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板、またはガラス基板１１上にＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む伝導性フィルム１２がコーティングされたものを使用する。
【００５８】
前記第１電極１０の一面には、少なくとも２層で備わった緩衝層５０が形成される。
【００５９】
緩衝層５０は、その上に形成される多孔質膜３０の伝導帯エネルギー準位以下の伝導帯エネルギー準位を有する物質からなる第１層５１と、前記第１層５１の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有する第２層５２とを備える。それら第１及び第２層５１，５２は、多孔質膜３０のナノ粒子よりさらに小粒を有して組織がさらに緻密である。
【００６０】
前記第１層５１により、第１電極１０と電解質４０との界面特性を改善させ、界面での電子・正孔再結合を減らして電子集電特性を向上させる。
【００６１】
ところで、前記緩衝層５０は、後述の如く、多孔質膜３０との熱膨張係数の差により、その製造過程で多孔質膜３０との界面に熱ストレスを受けて界面劣化現象が起こりうる。
【００６２】
本発明は、かかる緩衝層５０での熱ストレスを緩和するために、第１層５１と多孔質膜３０との間に第２層５２を介在させる。この第２層５２は、第１層５１と同様に、多孔質膜３０より緻密に形成し、緩衝層５０としての機能を行わせ、第１層５１の伝導帯エネルギー準位以上の伝導帯エネルギー準位を有させ、むしろ多孔質膜３０と同じ物質より形成することにより、製造過程で第１層５１と多孔質膜３０との界面での熱ストレスを緩和する。これにより、第１電極１０と多孔質膜３０との接着力をさらに向上させ、電解質４０が第１電極１０に直接着くことを防止する役割を行い、切断防止による効率向上の効果をもたらす。
【００６３】
緩衝層５０のうち、第１層５１は、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つで備わりうる。
【００６４】
前記第２層５２は、Ｔｉ酸化物、Ｗ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、ＳｒＴｉ酸化物、ＦｅＴｉ酸化物、ＭｎＴｉ酸化物、ＢａＴｉ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つで備わりうる。
【００６５】
かかる緩衝層５０の第１及び第２層５１，５２は、スパッタリング、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、蒸気蒸着、熱酸化、電気化学的蒸着などの方法により形成できるが、この他にも膜を緻密に形成できるものであるならば、いかなる方法によってもよい。第１及び第２層５１，５２の製造方法の一例として、スパッタリング方法により、常温ないし４００℃の温度で、１ないし４００ｎｍの厚さに形成できる。
【００６６】
前記緩衝層５０の一面に備わった多孔質膜３０は、遷移属酸化物のナノ粒子からなり、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｓｒ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｙｒ酸化物、Ｌａ酸化物、Ｖ酸化物、Ｍｏ酸化物、Ｗ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｎｂ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｙ酸化物、Ｓｃ酸化物、Ｓｍ酸化物、Ｇａ酸化物、Ｉｎ酸化物、及びＳｒＴｉ酸化物のうち、一つまたは二つ以上の複合物からなりうる。
【００６７】
これは、前述の遷移属酸化物を含むペーストを緩衝層５０の一面にコーティングした後、熱処理することにより多孔質膜を形成する。コーティング法によって要求されるペーストの物性も少しずつ変わる。一般的に、ドクターブレードまたはスクリーンプリントなどの方法によりペーストをコーティングし、透明膜形成のためには、スピンコーティングまたはスプレー方法を利用することもある。この他にも、スクイズを含んで一般的な湿式コーティング方法を適用できる。
【００６８】
熱処理は、バインダを添加した場合、４５０−６００℃で３０分ほど行い、バインダを添加しない場合、２００℃でも可能である。
【００６９】
また、多孔質膜３０の多孔性を維持するための目的として、多孔質膜３０に高分子を添加して熱処理（４００〜６００℃）すれば、多孔性の強い塗布膜が得られるが、このときには、熱処理後に有機物が残存しない高分子を選択しなければならない。
【００７０】
適した高分子としては、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピリドン（ＰＶＰ）などがある。このうち、塗布法を含んだ塗布条件を考慮し、適した分子量を有するものに選択して添加すればよい。かかる高分子を添加すれば、多孔性向上以外にも、分散性向上、粘度上昇で、成膜性及び基盤との付着力も向上させることができる。
【００７１】
多孔質膜３０は、ナノミリメートルレベルの粒径を有するナノ粒子が均一に分布して多孔性を維持しつつ、表面に適当な粗度を有するように形成することが重要である。ナノ粒子は、平均粒径１００ｎｍ以下であり、望ましくは１０−４０ｎｍの粒径を有し、また表面粗度は、２０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００７２】
多孔質膜３０をなす代表的な物質として、ＴｉＯ２の粒径別効率を検討してみれば、ＴｉＯ２の粒径が１０ｎｍ以下と小さければ、成膜後の熱処理時に、基盤との密着性が低下して剥離が起きる。一方、ＴｉＯ２の粒径が４０ｎｍ超過と大きくなれば、表面積の減少で色素吸着ポイントが減少して光電変換効率が下降する。従って、工程性と効率とを同時に考慮した結果、１０〜４０ｎｍ粒径のＴｉＯ２を利用して多孔質膜を形成することが望ましい。
【００７３】
かかる多孔質膜３０には、電子移動を容易にするために、ＩＴＯのような導電性微粒子を添加することもあり、または光路を延長させて効率を向上させる目的として光散乱子を添加することもでき、または導電性微粒子及び光散乱子いずれをも添加することもできる。光散乱子は、多孔質膜をなす物質と同じものであり、平均粒径が１５０ｎｍ以上と大きいものが使われうる。
【００７４】
多孔質膜３０のナノ粒子の表面に吸着されている色素としては、Ｒｕ複合体を含んで可視光を吸収できる物質からなる。Ｒｕは、白金族に属する元素であり、多くの有機金属複合化合物を作ることができる元素である。
【００７５】
太陽電池用に適した色素として、最も一般的なものは、Ｒｕ（ｅｔｃ ｂｐｙ）２（ＮＣＳ）２２ＣＨ３ＣＮタイプが多用されている。ここで、ｅｔｃは（ＣＯＯＥｔ）２ ｏｒ （ＣＯＯＨ）２であり、孔質膜３０、例えばＴｉＯ２表面と結合可能な反応基である。この他にも、可視光内の長波長吸収を改善して効率を向上させる色素、及び電子放出の容易な新しいタイプの色素を開発しており、色素の反応基を改善して電子と正孔との再結合を防止して効率を向上させようとするのである。
【００７６】
また、多様なカラーの有機色素は、低価格ながらも素材が豊富であって活用可能性の高い素材として、効率向上のための検討が活発に進行中である。有機色素としては、キュマリン（Ｃｕｅｍａｒｉｎｅ）、ポリフィリンの一種であるｐｈｅｏｐｈｏｒｂｉｄｅ ａなどを、単独、またはＲｕ複合体と混合使用し、長波長の可視光吸収を改善して効率を向上させることができる。
【００７７】
かような色素の吸着は、色素を溶解させたアルコール溶液に多孔質膜を浸漬させた後、１２時間ほど過ぎれば、自然吸着される。
【００７８】
第２電極２０は、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣのうち、いずれか一つを含む透明なプラスチック基板、またはガラス基板２１上に、ＩｎＳｎ酸化物、Ｉｎ酸化物、Ｓｎ酸化物、Ｚｎ酸化物、Ｓ酸化物、Ｆ酸化物、及びそれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む第１伝導性フィルム２２がコーティングされており、第１伝導性フィルム２２上に、Ｐｔまたは貴金属物質を含んだ第２伝導性フィルム２３がコーティングされたものを使用する。Ｐｔは、反射度にすぐれるために好まれる。
【００７９】
第１及び第２電極１０，２０は、接着フィルムや、またはその他商品名ｓｕｒｌｙｎのような熱可塑性高分子フィルムなどの支持台６０を使用して互いに接合され、これによりその内部が密封される。その後、第１及び第２電極１０，２０を貫通する微細ホールを形成し、このホールを介して二電極間の空間に電解質溶液を注入した後、再びホールの内部を接着剤で充填して密封する。
【００８０】
前記支持台６０以外に、エポキシ樹脂または紫外線（ＵＶ）硬化性などの接着剤を利用して第１及び第２電極１０，２０を直接接合、密封でき、この場合、熱処理またはＵＶ処理後に硬化させることもできる。
【００８１】
電解質４０は、図２で、説明の便宜上一層で図示されているが、実際には、第１及び第２電極１０，２０間の空間で、多孔質膜３０の内部で均一に分散されている。
【００８２】
電解質４０は、ヨウ化物／ｔｒｉｏｄｉｄｅ対であり、酸化、還元により相対電極から電子を受けて色素に伝達する役割を行い、開放回路電圧は、多孔質膜のフェルミエネルギー準位と電解質の酸化、還元準位との差により決定される。
【００８３】
以下、前述のような本発明による色素感応太陽電池の製造方法について詳細に説明する。
【００８４】
まず、透光性物質からなる第１及び第２電極１０，２０を準備し、その後第１電極１０の一面上に第１層５１を形成した後、その一面上に第２層５２を形成し、緩衝層５０を形成する。その後、緩衝層５０上に多孔質膜３０を形成する。緩衝層５０及び多孔質膜３０の形成方法は、前述の如くである。
【００８５】
次に、多孔質膜３０に色素を吸着させた後、第１電極１０の多孔質膜３０と対面するように第２電極２０を配置させ、多孔質膜３０及び第２電極２０間に電解質４０を埋め込んで密封することにより、色素感応太陽電池の製造を完了する。
【００８６】
以下、実施例１及び２を介して、本発明をさらに詳細に説明する。それら実施例１及び２は、本発明を詳細に説明する一例であり、本発明がそれら実施例に限定されるものではない。
【００８７】
＜実施例＞
第１電極１０のＩＴＯからなる伝導性フィルム１２上にＲＦマグネトロンスパッタリング装備を利用し、１０ｎｍ厚さの緻密なＷ酸化物の第１層５１を蒸着した。蒸着条件は、Ｗ酸化物をスパッタリングターゲットとして、１００Ｗ、Ａｒ雰囲気、１０ｍＴｏｒｒの作業圧力下で常温蒸着した。
【００８８】
次に、前記第１層５１ｍｐ上に、稠密なＴｉ酸化物第２層５２を１５ｎｍ厚さに蒸着した。Ｔｉ酸化物第２層５２の蒸着条件は、Ｔｉ酸化物をスパッタリングターゲットとして、３００Ｗ、Ａｒ雰囲気、１０ｍＴｏｒｒの作業圧力下で常温蒸着した。
【００８９】
このように蒸着された稠密なＴｉ酸化物の第２層５２上に、粒径５−１５ｎｍほどのサイズのＴｉ酸化物の粒子分散液をドクターブレード法を利用して１ｃｍ２の面積に塗布し、４５０℃で３０分間熱処理焼成工程を行い、１０μｍ厚さの多孔質膜３０を製作した。
【００９０】
その後、８０℃で試片を保持した後、エタノールに溶解された０．３ｍＭ Ｒｕ（４，４’−ｄｉｃａｒｂｏｘｙ−２，２’−ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ）２（ＮＣＳ）２色素の色素液に浸漬し、色素吸着処理を１２時間以上行った。その後、色素吸着された多孔質膜３０をエタノールを利用して洗い落として常温乾燥した。
【００９１】
第２電極２０は、ＩＴＯからなる第１伝導性フィルム２２上にスパッタリングを利用し、Ｐｔからなる第２伝導性フィルム２３を蒸着し、電解液１６注入のために０．７５ｍｍ径のドリルを利用して微細穴を作った。
【００９２】
６０μｍ厚さの熱可塑性高分子フィルムからなる支持台６０を多孔質膜３０の形成された第１及び第２電極１０，２０間に置き、１００℃で９秒圧着させることにより二電極を接合させた。
【００９３】
そして、第２電極２０に形成された微細穴を介して酸化・還元電解質４０を注入し、カバーガラスと熱可塑性高分子フィルムとを利用し、微細穴を塞ぐことにより色素感応太陽電池を製作した。
【００９４】
このとき利用された酸化・還元電解質１６は、２１．９２８ｇのテトラプロピルアンモニウムヨウ化物と１．９３１ｇのＩ２とをエチレンカーボネート８０％、アセトニトリル２０％からなる溶媒に溶解させたものを利用した。
【００９５】
このように製造された実施例１による太陽電池の効率、開放電圧、短絡電流、充填比は、１００ｍＷ／ｃｍ２光度の光源とＳｉ標準セルとを利用して測定した電流・電圧曲線から評価された。図３のＩは、実施例１により製作された太陽電池の電流・電圧曲線を示し、効率４．４６％、開放電圧０．７４Ｖ、短絡電流１１ｍＡ／ｃｍ２、充填比０．５５を示した。
【００９６】
＜比較例１＞
第１電極１０の伝導性フィルム１２上に実施例２と同じ過程でＲＦマグネトロンスパッタリング装備を利用し、１０ｎｍ厚さの稠密なＷ酸化物第１層５１を蒸着した後、第１層５１上にＴｉ酸化物粒子分散液を利用して多孔質膜３０を形成し、この後、実施例１と同じ過程を経て太陽電池を製作した。
【００９７】
電流・電圧特性は、図３のＩＩに表したが、特性値は、効率３．３９％、開放電圧０．７２Ｖ、短絡電流１１ｍＡ／ｃｍ２、充填比０．４３を示した。
【００９８】
＜比較例２＞
第１電極１０の伝導性フィルムＩ２上にＴｉ酸化物粒子分散液を利用して多孔質膜３０を形成し、この後実施例１と同じ過程を経て太陽電池を製作した。
【００９９】
電流・電圧特性は、図３のＩＩＩに表したが、特性値は、効率３．２７％、開放電圧０．７１Ｖ、短絡電流１０．６ｍＡ／ｃｍ２、充填比０．４４を示した。
【０１００】
このように、本発明による実施例と比較例１，２の特性値を比較する時、本発明のように、多層膜緩衝層を利用することにより高効率色素感応太陽電池を製作できることが分かる。
【０１０１】
図４Ａ及び図４Ｂは、緩衝層５０と多孔質膜３０との界面特性を知るためのものであり、前記の実施例と比較例１とで、Ｗ酸化物の第１層５１を厚さ４０ｎｍに蒸着して光負極を完成した後で多孔質膜の上部から観察した表面イメージを表したものである。
【０１０２】
図４Ａ及び図４Ｂで分かるように、本発明による実施例の場合が界面特性がさらに優秀であって多孔質膜３０が均一に形成されているが、比較例１の場合は、４５０℃の焼成過程中に緩衝層５０と多孔質膜３０との熱膨張係数差（Ｔｉ酸化物：３．７６×１０−６／℃、Ｗ酸化物：８．１９×１０−６／℃）に起因し、界面特性が劣化することが分かる。
【０１０３】
本明細書では、本発明を限定された実施形態を中心に説明したが、本発明の範囲内で多様な実施形態が可能である。また、説明されていないが、均等な手段もまた本発明にそのまま結合されるであろう。よって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の太陽電池、並びに該製造方法は、例えば太陽光の光電変換関連技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】従来の色素感応太陽電池の概略図である。
【図２】本発明の望ましい実施形態によって製造された色素感応太陽電池を概略的に図示した断面図である。
【図３】本発明の実施例による色素感応太陽電池について、交流インピーダンス特性を測定した結果を図示したグラフである。
【図４Ａ】本発明の実施例と比較例１の表面イメージ写真である。
【図４Ｂ】本発明の実施例と比較例１の表面イメージ写真である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０，２０    第１及び第２電極
１１，２１    ガラス基板
１２    伝導性フィルム
２２，２３    第１及び第２伝導性フィルム
３０    多孔質膜
４０    電解質
５０    緩衝層
５１，５２    第１及び第２層
６０    支持台
【図１】
2005347245.tif 000003
【図２】
2005347245.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2005347245.tif 000007