(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５〜３０ｎｍの粒子サイズを有するナノ粒子二酸化チタンと、該ナノ粒子二酸化チタンの総重量を基準にして５〜２０重量％のチタノシリカライト−２との混合物層を含む半導体電極と、
対向電極と、
前記半導体電極と前記対向電極との間に充填されている電解質溶液とを含み、
前記半導体電極は、前記遷移金属酸化物に化学的に吸着されている染料分子層をさらに含むことを特徴とする染料感応型太陽電池。
【請求項２】
前記半導体電極は、伝導性透明基板と前記透明基板上にコーティングされている前記混合物層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の染料感応型太陽電池。
【請求項３】
前記染料分子層はルテニウム錯体よりなることを特徴とする請求項１に記載の染料感応型太陽電池。
【請求項４】
前記混合物層は１０〜３０μｍの膜厚を有することを特徴とする請求項１に記載の染料感応型太陽電池。
【請求項５】
前記対向電極は、伝導性透明基板と前記透明基板上にコーティングされている白金層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の染料感応型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、染料感応型太陽電池に関し、より詳細には、遷移金属酸化物半導体電極を含む染料感応型太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の染料感応型太陽電池のうち代表的なものとして、１９９１年スイスのグラツェルらによって開発された太陽電池がある。グラツェルらによる光電気化学的な太陽電池は、感光性染料分子及びナノ粒子二酸化チタンよりなる酸化物半導体を利用したものである。これは、既存のシリコン太陽電池に比べて製造コストが低いという利点があるが、エネルギー変換効率の高い太陽電池を製造し難いという短所がある。
【０００３】
従来の他の染料感応型太陽電池として、エネルギー変換効率を高めるために、ナノ粒子二酸化チタンに二酸化チタンを添加してなる酸化物半導体を利用した太陽電池が提案されている。しかし、このような太陽電池は、光電流の増大効果は得られるものの、光電圧は下がるということが知られている。このために、エネルギー変換効率を高めるには限界があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製造コストが安く、しかも、高いエネルギー変換効率を得ることができる染料感応型太陽電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、染料感応型太陽電池は、５〜３０ｎｍの粒子サイズを有するナノ粒子二酸化チタンと、該ナノ粒子二酸化チタンの総重量を基準にして５〜２０重量％のチタノシリカライト−２との混合物層を含む半導体電極と、対向電極と、前記半導体電極と対向電極との間に充填されている電解質溶液とを含み、前記半導体電極は、前記遷移金属酸化物に化学的に吸着されている染料分子層をさらに含む。
【０００６】
望ましくは、前記半導体電極は伝導性透明基板と、前記透明基板上にコーティングされている前記混合物層とを含む。
【０００８】
さらに、望ましくは、前記染料分子層はルテニウム錯体よりなる。
【００１１】
さらに、望ましくは、前記混合物層は１０〜３０μｍの膜厚を有する。
【００１２】
さらに、望ましくは、前記対向電極は伝導性透明基板と、前記透明基板上にコーティングされている白金層を含む。
【００１３】
このような構成により、本発明によれば、前記染料感応型太陽電池は、安定した光電流特性を得ることができる。さらに、光電圧の減少無しに光電流を増やせることから、従来の技術による太陽電池に比べて光転換効率を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明による染料感応型太陽電池の構成を概略的に示した図である。本発明による染料感応型太陽電池は、半導体電極１０と、対向電極２０と、これらの間に充填されている電解質溶液３０とを備えている。
【００１５】
半導体電極１０は、伝導性ガラス基板１２、例えばＩＴＯ又はＳｎＯ２がコーティングされている透明な伝導性ガラス基板上に遷移金属酸化物及びチタノシリカライト−２が混合されてなる混合物層１４がコーティングされているような構成を有する。
【００１６】
混合物層１４をなしている遷移金属酸化物は、約５〜３０ｎｍのナノ粒子二酸化チタンよりなる。混合物層１４内に含まれるチタノシリカライト−２は、多孔性ゼオライトの一種であって、望ましくは、混合物層１４内に遷移金属酸化物の総重量を基準として約５〜２０重量％混合される。
【００１７】
また、望ましくは、混合物層１４は、約１０〜３０μｍの膜厚を有する。混合物層１４内をなしている遷移金属酸化物、すなわちナノ粒子二酸化チタンにはルテニウム錯体よりなる染料分子層が化学的に吸着されている。
【００１８】
対向電極２０は、伝導性ガラス基板２２、例えばＩＴＯ又はＳｎＯ２がコーティングされている透明な伝導性ガラス基板上に白金層２４がコーティングされているような構成を有する。対向電極２０の白金層２４は、半導体電極１０の混合物層１４と対向するように配置されている。
【００１９】
半導体電極１０と対向電極２０との間に充填されている電解質溶液としては、０．８Ｍの１，２−ジメチル−３−オクチル−イミダゾリウムアイオダイド及び４０ｍＭのヨウ素（Ｉ２）を３−メトキシプロピオニトリルに溶解させた
【００２０】
【外１】
0004226837.tif 000002
【００２１】
の電解質溶液が使用できる。
【００２２】
次に、本発明による染料感応型太陽電の製造方法について説明する。
負極である半導体電極１０を製造するために、遷移金属酸化物及びチタノシリカライト−２の混合物を以下のように製造する。
【００２３】
先ず、チタニウム（ＩＶ）イソプロポキシド及びアセト酸を２２０℃に保たれるオートクレーブ内に仕込み、これを水熱合成方法によって合成して二酸化チタンコロイド溶液を得る。次に、得られた溶液内の二酸化チタンの含量が１０〜１５重量％になるまで二酸化チタンコロイド溶液から溶媒を蒸発させて約５〜３０ｎｍのナノ粒子入り二酸化チタンコロイド溶液を得る。
【００２４】
次に、得られたコロイド溶液にチタノシリカライト−２を添加する。この時、チタノシリカライト−２の添加量は、ナノ粒子二酸化チタンの総重量を基準として約５〜２０重量％である。ここで、添加されるチタノシリカライト−２は、以下のように製造できる。
【００２５】
まず、テトラブチルアンモニウムヒドロキシドとし、テトラエチルオルトシリケート及びテトラブチルオルトチタネートを１７５℃に保たれるオートクレーブにおいて２４時間反応させて結晶化させる。次に、得られた結晶をろ過して洗浄した後、これを５００℃に保たれる電気炉に入れて加熱する。このようにして製造されたチタノシリカライト−２はナノ粒子二酸化チタン溶液に添加された時に一様に混合できる。
【００２６】
次に、以上のようにして得られた二酸化チタン及びチタノシリカライト−２の混合溶液にポリエチレングリコール及びポリエチレンオキシドを二酸化チタンの総重量を基準として約３０〜５０重量％添加して粘性のある二酸化チタン及びチタノシリカライト−２の混合物を完成する。
【００２７】
次に、この混合物をＩＴＯ又はＳｎＯ２がコーティングされている透明な伝導性ガラス基板１２上に約１０〜３０μｍの膜厚にコーティングした後、約４５０〜５５０℃の温度に加熱して有機高分子を除去し、ナノ粒子酸化物間の接触及び充填がなされるようにする。次に、二酸化チタン及びチタノシリカライト−２の混合物がコーティングされているガラス基板１２をルテニウム錯体よりなる染料溶液内に２４時間以上浸漬して染料がコーティングされている前記混合物層１４を含む負極を完成する。
【００２８】
続けて、正極である対向電極２０を製造するために、ＩＴＯ又はＳｎＯ２がコーティングされている透明な伝導性ガラス基板２２上に白金層２４をコーティングする。
【００２９】
次に、負極と正極との組立て時、正極及び負極の各々において伝導性表面を内側に位置させて白金層２４と混合物層１４とを互いに対向させる。またこの時、正極と負極との間に、例えばサーリン（商品名：デュポン社製）よりなる約３０〜５０μｍの膜厚の高分子層４０を挟持し、約１００〜１４０℃の加熱板上において約１〜３気圧にて両電極を密着させる。熱及び圧力によって高分子層４０が両電極の表面に強く付着される。
【００３０】
次に、正極に形成された微細孔２６を介して両電極間に電解質溶液３０を充填する。このような電解質溶液３０としては、前述したような物質が使用できる。次に、サーリン及び薄いガラスを瞬間的に加熱することにより微細孔２６を閉塞する。
【００３１】
以上のようにして得られた本発明による染料感応型太陽電池の光転換効率を評価するために、光電圧及び光電流を以下のように測定した。
【００３２】
光源としては、キセノンランプ（Ｏｒｉｅｌ、９１１９３）を使用し、キセノンランプの太陽条件（ＡＭ １．５）は、標準太陽電池（Ｆｒｕｎｈｏｆｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｓｏｌａｒｅ Ｅｎｇｅｒｉｅｓｓｙｓｔｅｍｅ、Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ Ｎｏ． Ｃ−ＩＳＥ３６９， Ｔｙｐｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｍｏｎｏ−Ｓｉ＋ＫＧ ｆｉｌｔｅｒ）を使って補正した。
【００３３】
図２は、本発明による染料感応型太陽電池の電流及び電圧特性をグラフに示した図である。負極をなす半導体層としてナノ粒子二酸化チタンにチタノシリカライト−２（図中には「ＴＳ−２」にて表示）を添加した場合（２）、（３）及び（４）にはチタノシリカライト−２を添加せずにナノ粒子二酸化チタンだけを使用した場合（１）に比べて光電流が高まったということが分かる。
【００３４】
ここで、光電流が高まった理由は、二酸化チタンに吸着された染料が光を吸収して励起された染料分子が二酸化チタンの伝導帯に電子を注入する過程で光の散乱によって染料の光吸収が増えるからである。
【００３５】
図３は、チタノシリカライト−２の添加量による光電流の変化をグラフに示した図である。これを参照すれば、チタノシリカライト−２の添加量を二酸化チタンの総重量を基準として各々５重量％、１０重量％及び１５重量％にして負極を形成した時、各々の場合に製造された染料感応型太陽電池に対してチタノシリカライト−２の増加量による光電流の変化を測定したところ、チタノシリカライト−２の量が増えるに伴い光電流が高まってから、添加量が一定値を超えれば光電流がさらに低まるということが分かる。
【００３６】
ここで、チタノシリカライト−２の添加量が１０重量％である時に最高の光電流が得られた。このような現象が現れる理由について説明すれば、次の通りである。すなわち、チタノシリカライト−２の添加量が増えるに伴い、太陽電池への入射光の散乱が増えるとともに二酸化チタンの分率が下がり、その結果、表面積が狭まる。
【００３７】
従って、二酸化チタンの表面に吸着される染料の量も減り、光電流が低まる結果となるのである。この理由から、チタノシリカライト−２の最適の添加量が存在するのである。
【００３８】
一般に、ナノ粒子二酸化チタンに二酸化チタンを添加して製造された負極を有する従来の太陽電池では、光電流は高まるものの光電圧が下がると知られている。しかしながら、本発明による染料感応型太陽電池でのように、ナノ粒子二酸化チタンにチタノシリカライト−２を添加した場合には、その添加量の変化に関係せずに一定した光電圧が得られるということが分かる。これは、電極の表面エネルギー状態と関係があると判断される。
【００３９】
すなわち、比較的に大きい粒径を有するチタノシリカライト−２をナノ粒子二酸化チタンに添加すれば、電極の表面積が狭まって再結合エネルギー状態が減少され、その結果、光電圧が高くなる。しかし、一方では、チタノシリカライト−２の添加量が増えるに伴い二酸化チタンの表面積が狭まるとともに吸着染料量が減り、その結果、伝導帯の電子密度が低まる。
【００４０】
従って、光電圧が低まると予測できる。結果的に、光電圧を高めるのに寄与する表面積の減少と、光電圧を低めるのに寄与する吸着染料量の減少が同時に起こってこれらが互いに相殺されるために、チタノシリカライト−２の添加量が増えても光電圧が低まることなく一定に保たれるのである。
【００４１】
図４は、光の照射時間による光電流特性をグラフに示した図である。光の照射時間によって安定した光電流特性が得られるということが分かる。
【００４２】
以上、本発明を望ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に限定されることなく、本発明の技術的な思想の範囲内であれば、当業者によって各種の変形が可能であるということは言うまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、染料感応型太陽電池は、負極として遷移金属酸化物とチタノシリカライト−２との混合物層を含む半導体電極を含んでいることから、安定した光変換特性を得ることができ、光電圧を一定に保てるほか、高まった光電流を得ることができる。従って、太陽光から電気エネルギーへの光転換効率、すなわちエネルギー変換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による染料感応型太陽電池の構成を概略的に示した図である。
【図２】本発明による染料感応型太陽電池の電流電圧特性をグラフに示した図である。
【図３】本発明による染料感応型太陽電池において、チタノシリカライト−２の添加量による光電流の変化をグラフに示した図である。
【図４】光の照射時間による光電流特性をグラフに示した図である。
【符号の説明】
１０  半導体電極
１２  ガラス基板
１４  混合物層
２０  対向電極
２２  伝導性ガラス基板
２４  白金層
２６  微細孔
３０  電解質溶液
４０  高分子層
【図１】
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【図２】
0004226837.tif 000004
【図３】
0004226837.tif 000005
【図４】
0004226837.tif 000006