JP2003264011A - 染料感応太陽電池 - Google Patents
染料感応太陽電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光転換効率の低下なしに、太陽直射光による
太陽電池の外部温度上昇などのような外部要因に対して
長期的安定性を向上させることが可能な染料感応太陽電
池を提供すること。 【解決手段】 導電性透明基板１２とこの導電性透明基
板１２上にコーティングされているナノ粒子二酸化チタ
ンよりなる遷移金属酸化物層１４とで半導体電極１０を
構成し、導電性透明基板２２とこの導電性透明基板２２
上にコーティングされている白金層２４とで対向電極２
０を構成する。そして、これらの電極（１０、２０）の
間に、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合
体またはその共重合体を３〜２０重量％の量で含有する
Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒または３−
メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒からなるゲル型
高分子電解質３０を設ける構成とした。
太陽電池の外部温度上昇などのような外部要因に対して
長期的安定性を向上させることが可能な染料感応太陽電
池を提供すること。 【解決手段】 導電性透明基板１２とこの導電性透明基
板１２上にコーティングされているナノ粒子二酸化チタ
ンよりなる遷移金属酸化物層１４とで半導体電極１０を
構成し、導電性透明基板２２とこの導電性透明基板２２
上にコーティングされている白金層２４とで対向電極２
０を構成する。そして、これらの電極（１０、２０）の
間に、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合
体またはその共重合体を３〜２０重量％の量で含有する
Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒または３−
メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒からなるゲル型
高分子電解質３０を設ける構成とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池に関し、よ
り詳細には、ゲル型高分子電解質を含む染料感応太陽電
池に関する。
り詳細には、ゲル型高分子電解質を含む染料感応太陽電
池に関する。
【０００２】
【従来の技術】化石燃料埋蔵量の枯渇により、半導体な
どを利用して太陽エネルギを電気エネルギに変換して利
用する技術への関心が高まりつつあり、この技術分野が
産業的にも非常に有望な分野であることから、研究開発
が盛んになされるようになってきている。
どを利用して太陽エネルギを電気エネルギに変換して利
用する技術への関心が高まりつつあり、この技術分野が
産業的にも非常に有望な分野であることから、研究開発
が盛んになされるようになってきている。
【０００３】このような状況にあって、二酸化炭素の発
生を抑制するための規制政策により、環境汚染物質を発
生させずに電気エネルギを発生させることを可能とする
太陽電池分野は、環境保護問題とエネルギ問題とを同時
に解決するための重要な解決策を提示している。
生を抑制するための規制政策により、環境汚染物質を発
生させずに電気エネルギを発生させることを可能とする
太陽電池分野は、環境保護問題とエネルギ問題とを同時
に解決するための重要な解決策を提示している。
【０００４】従来の染料感応太陽電池（色素増感太陽電
池や湿式太陽電池とも呼ばれることがある）のうち代表
的な例としては、グレッツェルらにより発表された太陽
電池（いわゆる「グレッツェル電池」）がある（非特許
文献１参照）。この太陽電池は、感光性染料分子とナノ
粒子二酸化チタンとよりなる酸化物半導体を利用した光
電気化学的太陽電池であり、既存のシリコン太陽電池に
比べて製造コストが低廉であるというメリットがある。
池や湿式太陽電池とも呼ばれることがある）のうち代表
的な例としては、グレッツェルらにより発表された太陽
電池（いわゆる「グレッツェル電池」）がある（非特許
文献１参照）。この太陽電池は、感光性染料分子とナノ
粒子二酸化チタンとよりなる酸化物半導体を利用した光
電気化学的太陽電池であり、既存のシリコン太陽電池に
比べて製造コストが低廉であるというメリットがある。
【０００５】このような染料感応ナノ粒子酸化物太陽電
池は、白金正極と、ナノ粒子酸化物半導体負極と、この
負極にコーティングされた染料と、有機溶媒を用いた酸
化／還元電解質とから構成されている。
池は、白金正極と、ナノ粒子酸化物半導体負極と、この
負極にコーティングされた染料と、有機溶媒を用いた酸
化／還元電解質とから構成されている。
【０００６】
【非特許文献１】B. O'Regan and M. Graetzel, "A low
cost, high efficiency solarcell based on dye sens
itized colloidal TiO2 films", Nature, 353(24), 737
-740 (1991).
cost, high efficiency solarcell based on dye sens
itized colloidal TiO2 films", Nature, 353(24), 737
-740 (1991).
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、有機溶
媒を利用した電解質を含む従来の染料感応太陽電池は、
太陽光により太陽電池の外部温度が高まる際に電解質溶
媒が太陽電池本体から揮発する可能性があり、太陽電池
としての長期的安定性及び実用化に非常に不利であると
いう問題がある。
媒を利用した電解質を含む従来の染料感応太陽電池は、
太陽光により太陽電池の外部温度が高まる際に電解質溶
媒が太陽電池本体から揮発する可能性があり、太陽電池
としての長期的安定性及び実用化に非常に不利であると
いう問題がある。
【０００８】本発明は、このような従来の染料感応太陽
電池の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、既存の染料感応太陽電池のようなレベルのエ
ネルギー変換効率を提供しつつ、ゲル型高分子電解質を
構成する溶媒の揮発可能性を最小化して太陽電池の外部
温度の上昇などのような外部環境の変化に対しても安定
的な光電気化学的特性を有する染料感応太陽電池を提供
することにある。
電池の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、既存の染料感応太陽電池のようなレベルのエ
ネルギー変換効率を提供しつつ、ゲル型高分子電解質を
構成する溶媒の揮発可能性を最小化して太陽電池の外部
温度の上昇などのような外部環境の変化に対しても安定
的な光電気化学的特性を有する染料感応太陽電池を提供
することにある。
【０００９】
【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、請求項１に記載の発明は、染料感
応太陽電池であって、半導体電極と対向電極との間に、
ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体また
はその共重合体を含有する溶媒で構成されているゲル型
高分子電解質を備えていることを特徴とする。
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、染料感
応太陽電池であって、半導体電極と対向電極との間に、
ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体また
はその共重合体を含有する溶媒で構成されているゲル型
高分子電解質を備えていることを特徴とする。
【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の染料感応太陽電池において、前記ゲル型高分子電解質
は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒にポリ
ビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはそ
の共重合体が所定濃度で溶解されているものであること
を特徴とする。
の染料感応太陽電池において、前記ゲル型高分子電解質
は、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒にポリ
ビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはそ
の共重合体が所定濃度で溶解されているものであること
を特徴とする。
【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の染料感応太陽電池において、前記ゲル型高分子電解質
は、３−メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒にポリ
ビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはそ
の共重合体が所定濃度で溶解されているものであること
を特徴とする。
の染料感応太陽電池において、前記ゲル型高分子電解質
は、３−メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒にポリ
ビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはそ
の共重合体が所定濃度で溶解されているものであること
を特徴とする。
【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の染料感応太陽電池において、前記ゲル型高分子電解質
は、前記ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重
合体またはその共重合体が、前記溶媒の総重量を基準に
３〜２０重量％の量で混合されて構成されたものである
ことを特徴とする。
の染料感応太陽電池において、前記ゲル型高分子電解質
は、前記ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重
合体またはその共重合体が、前記溶媒の総重量を基準に
３〜２０重量％の量で混合されて構成されたものである
ことを特徴とする。
【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４
の何れかに記載の染料感応太陽電池において、前記半導
体電極は、導電性透明基板と当該導電性透明基板上にコ
ーティングされている遷移金属酸化物層とで構成されて
いることを特徴とする。
の何れかに記載の染料感応太陽電池において、前記半導
体電極は、導電性透明基板と当該導電性透明基板上にコ
ーティングされている遷移金属酸化物層とで構成されて
いることを特徴とする。
【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の染料感応太陽電池において、前記半導体電極は、前記
遷移金属酸化物層に化学的に吸着されている染料分子層
をさらに備えていることを特徴とする。
の染料感応太陽電池において、前記半導体電極は、前記
遷移金属酸化物層に化学的に吸着されている染料分子層
をさらに備えていることを特徴とする。
【００１５】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の染料感応太陽電池において、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。
の染料感応太陽電池において、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。
【００１６】請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７
の何れかに記載の染料感応太陽電池において、前記遷移
金属酸化物層は、ナノ粒子二酸化チタンよりなることを
特徴とする。
の何れかに記載の染料感応太陽電池において、前記遷移
金属酸化物層は、ナノ粒子二酸化チタンよりなることを
特徴とする。
【００１７】請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８
の何れかに記載の染料感応太陽電池において、前記対向
電極は、導電性透明基板と当該導電性透明基板上にコー
ティングされている白金層とで構成されていることを特
徴とする。
の何れかに記載の染料感応太陽電池において、前記対向
電極は、導電性透明基板と当該導電性透明基板上にコー
ティングされている白金層とで構成されていることを特
徴とする。
【００１８】染料感応太陽電池を上記のように構成する
ことにより、従来技術による太陽電池に比べて高い光電
圧が得られる。また、光転換効率の低下なしに溶媒の揮
発が抑制され、太陽直射光による太陽電池の外部温度上
昇などのような外部要因に対して長期的安定性を向上さ
せることが可能となる。
ことにより、従来技術による太陽電池に比べて高い光電
圧が得られる。また、光転換効率の低下なしに溶媒の揮
発が抑制され、太陽直射光による太陽電池の外部温度上
昇などのような外部要因に対して長期的安定性を向上さ
せることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】図１は、本発明の染料感応太陽電池の構成
例を概略的に説明するための図である。本発明の染料感
応太陽電池は、半導体電極１０と、対向電極２０と、そ
れらの間に介在されているゲル型高分子電解質３０とを
含む。
例を概略的に説明するための図である。本発明の染料感
応太陽電池は、半導体電極１０と、対向電極２０と、そ
れらの間に介在されているゲル型高分子電解質３０とを
含む。
【００２１】ゲル型高分子電解質３０は、ポリビニリデ
ンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはその共重合
体を、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）
または３−メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒に溶
かした混合物より構成されている。望ましくは、上記の
ＰＶＤＦ系重合体またはその共重合体の高分子は、溶媒
（例えば、ＮＭＰ溶媒またはＭＰ溶媒）の総重量を基準
にして３〜２０重量％の量で混合される。また、ゲル型
高分子電解質３０は、酸化還元種であってヨード系酸化
／還元（Ｉ３ −／Ｉ−）電解質よりなる。
ンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはその共重合
体を、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）
または３−メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒に溶
かした混合物より構成されている。望ましくは、上記の
ＰＶＤＦ系重合体またはその共重合体の高分子は、溶媒
（例えば、ＮＭＰ溶媒またはＭＰ溶媒）の総重量を基準
にして３〜２０重量％の量で混合される。また、ゲル型
高分子電解質３０は、酸化還元種であってヨード系酸化
／還元（Ｉ３ −／Ｉ−）電解質よりなる。
【００２２】半導体電極１０は、導電性透明基板である
導電性ガラス基板１２（例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）またはＳｎＯ２がコーティング
されている透明な導電性ガラス基板）上に遷移金属酸化
物層１４がコーティングされている構成を有する。遷移
金属酸化物層１４は約５〜３０ｎｍ径のサイズのナノ粒
子二酸化チタンよりなり、この遷移金属酸化物層１４は
約５〜３０ｎｍの厚さを有することが望ましい。遷移金
属酸化物層１４内では、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。
導電性ガラス基板１２（例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）またはＳｎＯ２がコーティング
されている透明な導電性ガラス基板）上に遷移金属酸化
物層１４がコーティングされている構成を有する。遷移
金属酸化物層１４は約５〜３０ｎｍ径のサイズのナノ粒
子二酸化チタンよりなり、この遷移金属酸化物層１４は
約５〜３０ｎｍの厚さを有することが望ましい。遷移金
属酸化物層１４内では、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。
【００２３】対向電極２０は、導電性ガラス基板２２
（例えば、ＩＴＯまたはＳｎＯ２がコーティングされて
いる透明な導電性ガラス基板）の上に白金層２４がコー
ティングされている構成を有する。対向電極２０の白金
層２４は、半導体電極１０の遷移金属酸化物層１４と対
向すべく配されている。
（例えば、ＩＴＯまたはＳｎＯ２がコーティングされて
いる透明な導電性ガラス基板）の上に白金層２４がコー
ティングされている構成を有する。対向電極２０の白金
層２４は、半導体電極１０の遷移金属酸化物層１４と対
向すべく配されている。
【００２４】上記の通りに構成された本発明による染料
感応太陽電池において、半導体電極１０と対向電極２０
との間の空間に充填されているゲル型高分子電解質３０
を構成するゲル型高分子溶媒は、以下で詳細に説明する
ように溶液の粘性が向上するため、従来技術による染料
感応太陽電池にて採用されていた溶媒に比べて揮発性が
非常に低く、太陽電池の長期的外部要因による揮発性問
題を解決できて高い安定性が得られる。
感応太陽電池において、半導体電極１０と対向電極２０
との間の空間に充填されているゲル型高分子電解質３０
を構成するゲル型高分子溶媒は、以下で詳細に説明する
ように溶液の粘性が向上するため、従来技術による染料
感応太陽電池にて採用されていた溶媒に比べて揮発性が
非常に低く、太陽電池の長期的外部要因による揮発性問
題を解決できて高い安定性が得られる。
【００２５】次に、本発明の染料感応太陽電池の製造方
法について説明する。
法について説明する。
【００２６】負極である半導体電極１０を製造するため
に、まず遷移金属酸化物を製造する。このために、チタ
ニウムIＶイソプロポキシドとアセト酸とを使用して２
２０℃に保持されるオートクレーブにて水熱合成法によ
り二酸化チタンコロイド溶液を合成する。得られた溶液
内で二酸化チタンの含量が１０〜１５重量％になるまで
上述の合成された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のナノサイズを有するナノ粒
子二酸化チタンコロイド溶液を得る。このような方法で
得られた二酸化チタンコロイド溶液に、ポリエチレング
リコールとポリエチレンオキシドとを二酸化チタンコロ
イド溶液の総重量を基準に約３０〜５０重量％の量で添
加して粘性のあるナノ粒子二酸化チタン混合物を製造す
る。
に、まず遷移金属酸化物を製造する。このために、チタ
ニウムIＶイソプロポキシドとアセト酸とを使用して２
２０℃に保持されるオートクレーブにて水熱合成法によ
り二酸化チタンコロイド溶液を合成する。得られた溶液
内で二酸化チタンの含量が１０〜１５重量％になるまで
上述の合成された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のナノサイズを有するナノ粒
子二酸化チタンコロイド溶液を得る。このような方法で
得られた二酸化チタンコロイド溶液に、ポリエチレング
リコールとポリエチレンオキシドとを二酸化チタンコロ
イド溶液の総重量を基準に約３０〜５０重量％の量で添
加して粘性のあるナノ粒子二酸化チタン混合物を製造す
る。
【００２７】このようにして得られた混合物を、ＩＴＯ
またはＳｎＯ２のコーティングされている透明な導電性
ガラス基板１２上に約６μｍの厚さにコーティングした
後、約４５０〜５５０℃の温度に加熱してポリエチレン
グリコールとポリエチレンオキシドとを除去し、ナノ粒
子酸化物間の接触及び充填を行う。さらに、ナノ粒子二
酸化チタンをコーティングした導電性ガラス基板１２
を、ルテニウム錯体よりなる染料溶液内に２４時間以上
つけておくことにより、染料がコーティングされた遷移
金属酸化物層１４を含む負極が完成する。
またはＳｎＯ２のコーティングされている透明な導電性
ガラス基板１２上に約６μｍの厚さにコーティングした
後、約４５０〜５５０℃の温度に加熱してポリエチレン
グリコールとポリエチレンオキシドとを除去し、ナノ粒
子酸化物間の接触及び充填を行う。さらに、ナノ粒子二
酸化チタンをコーティングした導電性ガラス基板１２
を、ルテニウム錯体よりなる染料溶液内に２４時間以上
つけておくことにより、染料がコーティングされた遷移
金属酸化物層１４を含む負極が完成する。
【００２８】正極の対向電極２０を形成するためには、
先ず、ＩＴＯまたはＳｎＯ２のコーティングされている
透明な導電性ガラス基板２２上に白金層２４をコーティ
ングする。正極と負極とを組立てる際には、正極及び負
極の各々の導電性表面がセルの内側にくるようにして白
金層２４と遷移金属酸化物層１４とを対向させる。この
とき、正極と負極との間に、例えばＳＵＲＬＹＮ（登録
商標）よりなる約３０〜５０μｍの厚さの高分子層４０
を設けて約１００〜１４０℃の加熱板上にて約１〜３気
圧でこれら２つの電極を密着させる。このときの熱及び
圧力により、高分子層４０が２つの電極の表面に強く固
着する。
先ず、ＩＴＯまたはＳｎＯ２のコーティングされている
透明な導電性ガラス基板２２上に白金層２４をコーティ
ングする。正極と負極とを組立てる際には、正極及び負
極の各々の導電性表面がセルの内側にくるようにして白
金層２４と遷移金属酸化物層１４とを対向させる。この
とき、正極と負極との間に、例えばＳＵＲＬＹＮ（登録
商標）よりなる約３０〜５０μｍの厚さの高分子層４０
を設けて約１００〜１４０℃の加熱板上にて約１〜３気
圧でこれら２つの電極を密着させる。このときの熱及び
圧力により、高分子層４０が２つの電極の表面に強く固
着する。
【００２９】正負２つの電極が高分子層４０を介して固
着された後に、正極に形成された微細孔２６を通じて２
電極間の空間にゲル型高分子電解質３０を充填する。ゲ
ル型高分子電解質３０としては、上述したようにＰＶＤ
Ｆ系重合体またはその共重合体をＮＭＰまたはＭＰ溶媒
に溶かした混合物を使用する。ゲル型高分子電解質３０
がすっかり充填された後、ＳＵＲＬＹＮ（登録商標）と
薄いガラスとを瞬間的に加熱することにより微細孔２６
を塞ぐ。
着された後に、正極に形成された微細孔２６を通じて２
電極間の空間にゲル型高分子電解質３０を充填する。ゲ
ル型高分子電解質３０としては、上述したようにＰＶＤ
Ｆ系重合体またはその共重合体をＮＭＰまたはＭＰ溶媒
に溶かした混合物を使用する。ゲル型高分子電解質３０
がすっかり充填された後、ＳＵＲＬＹＮ（登録商標）と
薄いガラスとを瞬間的に加熱することにより微細孔２６
を塞ぐ。
【００３０】このような方法で製造された本発明の染料
感応太陽電池の光転換効率を評価するために、以下のよ
うな方法で光電圧及び光電流を測定した。測定時の光源
としてはキセノンランプ（Ｏｒｉｅｌ、９１１９３）を
使用した。このキセノンランプの太陽条件（ＡＭ１．
５）は、標準太陽電池（Ｆｒｕｎｈｏｆｅｒ Ｉｎｓｔ
ｉｔｕｔｅ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｉｅ Ｓｙｓｔｅ
ｍ，Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ Ｎｏ．Ｃ−ＩＳＥ３６
９，Ｔｙｐｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｍｏｎｏ−Ｓ
ｉ＋ＫＧ ｆｉｌｔｅｒ）を使用して補正した。
感応太陽電池の光転換効率を評価するために、以下のよ
うな方法で光電圧及び光電流を測定した。測定時の光源
としてはキセノンランプ（Ｏｒｉｅｌ、９１１９３）を
使用した。このキセノンランプの太陽条件（ＡＭ１．
５）は、標準太陽電池（Ｆｒｕｎｈｏｆｅｒ Ｉｎｓｔ
ｉｔｕｔｅ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｉｅ Ｓｙｓｔｅ
ｍ，Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ Ｎｏ．Ｃ−ＩＳＥ３６
９，Ｔｙｐｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ：Ｍｏｎｏ−Ｓ
ｉ＋ＫＧ ｆｉｌｔｅｒ）を使用して補正した。
【００３１】図２は、本発明の染料感応太陽電池のゲル
型高分子電解質において、ＰＶＤＦ高分子の添加量によ
る光電気的特性の変化を測定した結果を説明するための
図である。この評価のために、ＮＭＰ溶媒にＰＶＤＦ高
分子をＮＭＰ溶媒の総重量を基準にそれぞれ０重量％、
３重量％、６重量％及び９重量％の濃度で添加した混合
物でゲル型高分子電解質を構成し、それから得られた染
料感応太陽電池の光電気的特性変化を観察した。ここ
で、電解質としてはヨード系酸化／還元種（ＬｉＩ：
０．５Ｍ，Ｉ２：０．１Ｍ）を使用した。ＰＶＤＦ高分
子添加による光電流電圧曲線から計算された電流密度
（Ｊｓｃ）、電圧（Ｖｏｃ）、光転換効率、及び、充密
係数（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ；ｆｆ）を表１に示し
た。
型高分子電解質において、ＰＶＤＦ高分子の添加量によ
る光電気的特性の変化を測定した結果を説明するための
図である。この評価のために、ＮＭＰ溶媒にＰＶＤＦ高
分子をＮＭＰ溶媒の総重量を基準にそれぞれ０重量％、
３重量％、６重量％及び９重量％の濃度で添加した混合
物でゲル型高分子電解質を構成し、それから得られた染
料感応太陽電池の光電気的特性変化を観察した。ここ
で、電解質としてはヨード系酸化／還元種（ＬｉＩ：
０．５Ｍ，Ｉ２：０．１Ｍ）を使用した。ＰＶＤＦ高分
子添加による光電流電圧曲線から計算された電流密度
（Ｊｓｃ）、電圧（Ｖｏｃ）、光転換効率、及び、充密
係数（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ；ｆｆ）を表１に示し
た。
【００３２】
【表１】
【００３３】表１に示した結果から、本発明の染料感応
太陽電池のようにＮＭＰ溶媒を使用してヨード系酸化／
還元電解質溶液を構成し、これにＰＶＤＦ高分子を添加
してゲル型高分子電解質を形成することにより、電流密
度（Ｊｓｃ）と電圧（Ｖｏｃ）の低下なしに充密係数
（ｆｆ）を大幅に向上させることができることが分か
る。
太陽電池のようにＮＭＰ溶媒を使用してヨード系酸化／
還元電解質溶液を構成し、これにＰＶＤＦ高分子を添加
してゲル型高分子電解質を形成することにより、電流密
度（Ｊｓｃ）と電圧（Ｖｏｃ）の低下なしに充密係数
（ｆｆ）を大幅に向上させることができることが分か
る。
【００３４】本発明の染料感応太陽電池においてゲル型
高分子電解質にＰＶＤＦ高分子を添加した目的は、電解
質溶媒の揮発性を低下させるためのものであったが、Ｐ
ＶＤＦ高分子を添加することにより揮発性の低下のみな
らず、ＮＭＰ溶媒だけを使用した場合よりも充密係数
（ｆｆ）が向上するという結果も得られ、これにより光
転換効率が向上している。具体的には、ＰＶＤＦ高分子
を６重量％の量で添加した場合には、ＰＶＤＦ高分子を
添加しない場合に比べて充密係数（ｆｆ）が６７％向上
し、ＰＶＤＦ高分子を９重量％の量で添加した場合に
は、充密係数（ｆｆ）が低下する傾向を示している。か
ような結果から、ＮＭＰ溶媒の総重量を基準にＰＶＤＦ
高分子を約６重量％の量で添加して得られた電解質が最
適の光電気化学的特性を示すことが判明した。
高分子電解質にＰＶＤＦ高分子を添加した目的は、電解
質溶媒の揮発性を低下させるためのものであったが、Ｐ
ＶＤＦ高分子を添加することにより揮発性の低下のみな
らず、ＮＭＰ溶媒だけを使用した場合よりも充密係数
（ｆｆ）が向上するという結果も得られ、これにより光
転換効率が向上している。具体的には、ＰＶＤＦ高分子
を６重量％の量で添加した場合には、ＰＶＤＦ高分子を
添加しない場合に比べて充密係数（ｆｆ）が６７％向上
し、ＰＶＤＦ高分子を９重量％の量で添加した場合に
は、充密係数（ｆｆ）が低下する傾向を示している。か
ような結果から、ＮＭＰ溶媒の総重量を基準にＰＶＤＦ
高分子を約６重量％の量で添加して得られた電解質が最
適の光電気化学的特性を示すことが判明した。
【００３５】図３は、本発明の染料感応太陽電池の電流
電圧特性を評価した結果を説明するための図である。こ
こでは、本発明の染料感応太陽電池のゲル型高分子電解
質として、ＮＭＰ溶媒に６重量％のＰＶＤＦ高分子を添
加した混合物を使用している。また、比較のために、従
来一般的に用いられる溶媒であるアセトニトリル（Ａ
Ｎ）及び３−メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）、並び
に、ＰＶＤＦ高分子の添加なしのＮＭＰ溶媒（ＮＭＰ）
をそれぞれ使用して電解質を構成した染料感応太陽電池
を製造して同じ評価を行った。用いたヨード系電解質
は、ＬｉＩ：１．０Ｍ、Ｉ２：０．１Ｍである。溶媒の
種類による電流電圧曲線から計算された光電気化学的特
性（電流密度（Ｊｓｃ）、電圧（Ｖｏｃ）、光転換効
率、及び、充密係数（ｆｆ））を表２に示した。
電圧特性を評価した結果を説明するための図である。こ
こでは、本発明の染料感応太陽電池のゲル型高分子電解
質として、ＮＭＰ溶媒に６重量％のＰＶＤＦ高分子を添
加した混合物を使用している。また、比較のために、従
来一般的に用いられる溶媒であるアセトニトリル（Ａ
Ｎ）及び３−メトキシプロピオニトリル（ＭＰ）、並び
に、ＰＶＤＦ高分子の添加なしのＮＭＰ溶媒（ＮＭＰ）
をそれぞれ使用して電解質を構成した染料感応太陽電池
を製造して同じ評価を行った。用いたヨード系電解質
は、ＬｉＩ：１．０Ｍ、Ｉ２：０．１Ｍである。溶媒の
種類による電流電圧曲線から計算された光電気化学的特
性（電流密度（Ｊｓｃ）、電圧（Ｖｏｃ）、光転換効
率、及び、充密係数（ｆｆ））を表２に示した。
【００３６】
【表２】
【００３７】表２の結果から分かるように、同条件のヨ
ード系電解質条件にて、公知のＡＮまたはＭＰに比べて
ＮＭＰ溶媒を使用すれば電圧（Ｖｏｃ）が３０％以上向
上する。ＰＶＤＦ高分子を含んでいないＮＭＰ溶媒を使
用した場合には電圧（Ｖｏｃ）は高まったが、充密係数
（ｆｆ）が低くなって光転換効率がＡＮ及びＭＰに比べ
て好ましくない結果が得られた。一方、ＮＭＰ溶媒にＰ
ＶＤＦ系高分子をＮＭＰ溶媒の総重量を基準に６重量％
の量で使用した場合には、ＮＭＰ溶媒だけを使用した場
合に比べて電圧（Ｖｏｃ）及び電流密度（Ｊｓｃ）が低
下することなく充密係数（ｆｆ）が急激に向上し、これ
により光転換効率が約５０％向上した。すなわち、ゲル
型高分子溶媒の光化学的特性を比較した結果、既存に使
われた溶媒と比較すれば、ＰＶＤＦ高分子をＮＭＰ溶媒
の総重量を基準に６重量％の量で使用した場合には、電
流密度（Ｊｓｃ）は若干低下するものの、電圧
（Ｖｏｃ）が大幅に高まってエネルギ変換効率が既存の
溶媒と似た光化学的特性を示すことが分かる。
ード系電解質条件にて、公知のＡＮまたはＭＰに比べて
ＮＭＰ溶媒を使用すれば電圧（Ｖｏｃ）が３０％以上向
上する。ＰＶＤＦ高分子を含んでいないＮＭＰ溶媒を使
用した場合には電圧（Ｖｏｃ）は高まったが、充密係数
（ｆｆ）が低くなって光転換効率がＡＮ及びＭＰに比べ
て好ましくない結果が得られた。一方、ＮＭＰ溶媒にＰ
ＶＤＦ系高分子をＮＭＰ溶媒の総重量を基準に６重量％
の量で使用した場合には、ＮＭＰ溶媒だけを使用した場
合に比べて電圧（Ｖｏｃ）及び電流密度（Ｊｓｃ）が低
下することなく充密係数（ｆｆ）が急激に向上し、これ
により光転換効率が約５０％向上した。すなわち、ゲル
型高分子溶媒の光化学的特性を比較した結果、既存に使
われた溶媒と比較すれば、ＰＶＤＦ高分子をＮＭＰ溶媒
の総重量を基準に６重量％の量で使用した場合には、電
流密度（Ｊｓｃ）は若干低下するものの、電圧
（Ｖｏｃ）が大幅に高まってエネルギ変換効率が既存の
溶媒と似た光化学的特性を示すことが分かる。
【００３８】このように、本発明の染料感応太陽電池に
用いられるゲル型高分子溶媒は、既存の溶媒に比べて揮
発性が非常に低く太陽電池製造のプロセスにおいて極め
て有利であり、さらに、太陽電池の長期的外部要因によ
る揮発性問題を解決できるという優秀な特性を有する電
解質であることが判明した。
用いられるゲル型高分子溶媒は、既存の溶媒に比べて揮
発性が非常に低く太陽電池製造のプロセスにおいて極め
て有利であり、さらに、太陽電池の長期的外部要因によ
る揮発性問題を解決できるという優秀な特性を有する電
解質であることが判明した。
【００３９】以上説明したように、本発明で用いられる
ゲル型高分子電解質は、高分子を含んでいて溶液の粘性
が向上するために揮発性を抑制できることが判った。し
かし、ゲル型高分子電解質溶液において、ヨード系酸化
／還元剤は染料感応太陽電池の正極から電子を受け取っ
て半導体電極に電子を注入し、酸化した染料分子に効果
的に電子を供給せねばならない。従って、ゲル型高分子
電解質溶液の粘性向上がヨード系酸化／還元剤の反応に
及ぼす影響を評価する必要がある。
ゲル型高分子電解質は、高分子を含んでいて溶液の粘性
が向上するために揮発性を抑制できることが判った。し
かし、ゲル型高分子電解質溶液において、ヨード系酸化
／還元剤は染料感応太陽電池の正極から電子を受け取っ
て半導体電極に電子を注入し、酸化した染料分子に効果
的に電子を供給せねばならない。従って、ゲル型高分子
電解質溶液の粘性向上がヨード系酸化／還元剤の反応に
及ぼす影響を評価する必要がある。
【００４０】図４は、ゲル型高分子電解質溶液の粘性向
上がヨード系酸化／還元剤の反応に及ぼす影響を評価し
た結果を説明するための図である。この図では、本発明
の染料感応太陽電池のゲル型高分子電解質として、ＮＭ
Ｐ溶媒の総重量を基準に６重量％のＰＶＤＦ高分子を含
むＮＭＰ溶媒を使用してヨード系酸化／還元種にＬｉＩ
／Ｉ２（１．０Ｍ／０．１Ｍ）を使用し、光度により光
電気化学的特性（電流）を評価した結果を示している。
上がヨード系酸化／還元剤の反応に及ぼす影響を評価し
た結果を説明するための図である。この図では、本発明
の染料感応太陽電池のゲル型高分子電解質として、ＮＭ
Ｐ溶媒の総重量を基準に６重量％のＰＶＤＦ高分子を含
むＮＭＰ溶媒を使用してヨード系酸化／還元種にＬｉＩ
／Ｉ２（１．０Ｍ／０．１Ｍ）を使用し、光度により光
電気化学的特性（電流）を評価した結果を示している。
【００４１】図４の結果より分かるように、本発明の染
料感応太陽電池のゲル型高分子電解質としてＮＭＰ溶媒
の総重量を基準に６重量％のＰＶＤＦ高分子を含むＮＭ
Ｐ溶媒を使用してヨード系酸化／還元種にＬｉＩ／Ｉ２
（１．０Ｍ／０．１Ｍ）を使用して光度により電流を測
定した結果、光度を高めるに伴って電流密度（Ｊｓｃ）
はほとんど直線的に高くなっている。この結果は、光度
向上により染料から生じる電子が一定に増加していると
いうことを意味しており、また、白金電極から酸化／還
元種が円滑に電子を受け取って還元され、還元された還
元種は酸化された染料を円滑に還元させていることが分
かる。上記の結果から、ＮＭＰ溶媒にＰＶＤＦ系高分子
を添加して得られたゲル型高分子電解質の粘性が向上し
ても、酸化／還元種による太陽電池内の酸化／還元反応
は円滑に進んで染料感応太陽電池の性能に影響を与えな
いということが分かる。
料感応太陽電池のゲル型高分子電解質としてＮＭＰ溶媒
の総重量を基準に６重量％のＰＶＤＦ高分子を含むＮＭ
Ｐ溶媒を使用してヨード系酸化／還元種にＬｉＩ／Ｉ２
（１．０Ｍ／０．１Ｍ）を使用して光度により電流を測
定した結果、光度を高めるに伴って電流密度（Ｊｓｃ）
はほとんど直線的に高くなっている。この結果は、光度
向上により染料から生じる電子が一定に増加していると
いうことを意味しており、また、白金電極から酸化／還
元種が円滑に電子を受け取って還元され、還元された還
元種は酸化された染料を円滑に還元させていることが分
かる。上記の結果から、ＮＭＰ溶媒にＰＶＤＦ系高分子
を添加して得られたゲル型高分子電解質の粘性が向上し
ても、酸化／還元種による太陽電池内の酸化／還元反応
は円滑に進んで染料感応太陽電池の性能に影響を与えな
いということが分かる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の染料感応
太陽電池では、半導体電極と対向電極間に介在されてい
るゲル型高分子電解質としてＮＭＰまたはＭＰ溶媒と、
この溶媒に所定濃度に溶解されているＰＶＤＦ系重合体
またはその共重合体より構成されている電解質を採用す
ることとしたので、既存の有機溶媒での揮発性による問
題を改善し、溶媒の揮発性を抑制し、それにより長期的
に安定した光電気化学的特性を提供でき、光度に比例す
る光電気化学的特性を提供できる。また、本発明による
染料感応太陽電池は従来技術による太陽電池に比べて光
電圧を高められ、光転換効率の減少なくして溶媒の揮発
性を抑制することにより、太陽直射光による太陽電池の
外部温度上昇などのような外部要因に対して長期的な安
定性を向上させられる。
太陽電池では、半導体電極と対向電極間に介在されてい
るゲル型高分子電解質としてＮＭＰまたはＭＰ溶媒と、
この溶媒に所定濃度に溶解されているＰＶＤＦ系重合体
またはその共重合体より構成されている電解質を採用す
ることとしたので、既存の有機溶媒での揮発性による問
題を改善し、溶媒の揮発性を抑制し、それにより長期的
に安定した光電気化学的特性を提供でき、光度に比例す
る光電気化学的特性を提供できる。また、本発明による
染料感応太陽電池は従来技術による太陽電池に比べて光
電圧を高められ、光転換効率の減少なくして溶媒の揮発
性を抑制することにより、太陽直射光による太陽電池の
外部温度上昇などのような外部要因に対して長期的な安
定性を向上させられる。
【００４３】以上、本発明の実施の形態を例として説明
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発
明の技術的思想の範囲内で当分野にて当業者によりさま
ざまな変形が可能である。
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発
明の技術的思想の範囲内で当分野にて当業者によりさま
ざまな変形が可能である。
【図１】本発明の染料感応太陽電池の構成例を概略的に
説明するための図である。
説明するための図である。
【図２】本発明の染料感応太陽電池のゲル型高分子電解
質において、ＰＶＤＦ高分子の添加量による光電気的特
性の変化を測定した結果を説明するための図である。
質において、ＰＶＤＦ高分子の添加量による光電気的特
性の変化を測定した結果を説明するための図である。
【図３】本発明の染料感応太陽電池の電流電圧特性を評
価した結果を説明するための図である。
価した結果を説明するための図である。
【図４】ゲル型高分子電解質溶液の粘性向上がヨード系
酸化／還元剤の反応に及ぼす影響を評価した結果を説明
するための図である。
酸化／還元剤の反応に及ぼす影響を評価した結果を説明
するための図である。
１０ 半導体電極
１２ 導電性ガラス基板
１４ 遷移金属酸化物層
２０ 対向電極
２２ 導電性ガラス基板
２４ 白金層
２６ 微細孔
３０ ゲル型高分子電解質
４０ 高分子層
─────────────────────────────────────────────────────
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(72)発明者 パク ナムギュ
大韓民国 テジョン ユソング シンスン
ドン 160−１ ハンウル アパートメン
ト 101−603
(72)発明者 キム クァンマン
大韓民国 テジョン ユソング シンスン
ドン 138−12 401
(72)発明者 チャン スンホ
大韓民国 テジョン ユソング シンスン
ドン 160−１ ハンウル アパートメン
ト 106−502
Ｆターム(参考） 5F051 AA07 AA14 BA18 CB13 FA03
FA04 FA06 GA03
5H032 AA06 AS06 AS16 BB05 CC17
EE01 EE02 EE05 EE07 EE16
EE17 HH01
Claims (9)
- 【請求項１】 半導体電極と対向電極との間に、ポリビ
ニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはその
共重合体を含有する溶媒で構成されているゲル型高分子
電解質を備えていることを特徴とする染料感応太陽電
池。 - 【請求項２】 前記ゲル型高分子電解質は、Ｎ−メチル
−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒にポリビニリデンフル
オライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはその共重合体が所
定濃度で溶解されているものであることを特徴とする請
求項１に記載の染料感応太陽電池。 - 【請求項３】 前記ゲル型高分子電解質は、３−メトキ
シプロピオニトリル（ＭＰ）溶媒にポリビニリデンフル
オライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはその共重合体が所
定濃度で溶解されているものであることを特徴とする請
求項１に記載の染料感応太陽電池。 - 【請求項４】 前記ゲル型高分子電解質は、前記ポリビ
ニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）系重合体またはその
共重合体が、前記溶媒の総重量を基準に３〜２０重量％
の量で混合されて構成されたものであることを特徴とす
る請求項１に記載の染料感応太陽電池。 - 【請求項５】 前記半導体電極は、導電性透明基板と当
該導電性透明基板上にコーティングされている遷移金属
酸化物層とで構成されていることを特徴とする請求項１
乃至４の何れかに記載の染料感応太陽電池。 - 【請求項６】 前記半導体電極は、前記遷移金属酸化物
層に化学的に吸着されている染料分子層をさらに備えて
いることを特徴とする請求項５に記載の染料感応太陽電
池。 - 【請求項７】 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６に記載の染料感応太陽電
池。 - 【請求項８】 前記遷移金属酸化物層は、ナノ粒子二酸
化チタンよりなることを特徴とする請求項５乃至７の何
れかに記載の染料感応太陽電池。 - 【請求項９】 前記対向電極は、導電性透明基板と当該
導電性透明基板上にコーティングされている白金層とで
構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れ
かに記載の染料感応太陽電池。
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