JP5204079B2 - Dye-sensitized solar cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感型太陽電池及びその製法に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized solar cell and a method for producing the same.
従来より、色素増感型太陽電池として、増感色素を含む光吸収層で被覆された電子輸送層を透明導電性基板上に備えた光電極と、この光電極に向かい合うように配置される対極との間に、正孔輸送層が介在するものが知られている。増感色素としては、ルテニウム錯体などに代表される有機系増感剤のほか、硫化カドミウム(CdS)や二硫化銅インジウム(CuInS)、硫化スズ(SnS)などに代表される無機系増感剤が知られている。このうち、SnSは光吸収係数が105cm-1、バンドギャップが1.1〜1.4eVであるため、色素増感型太陽電池に用いる増感剤として好適な光電子特性を有している。例えば、特許文献1には、このSnSを無機系増感剤とし、p型半導体であるCuSCNを正孔輸送層とする全固体色素増感型太陽電池が開示されている。
Conventionally, as a dye-sensitized solar cell, a photoelectrode provided with an electron transport layer coated with a light absorbing layer containing a sensitizing dye on a transparent conductive substrate, and a counter electrode disposed so as to face the photoelectrode There is known a structure in which a hole transport layer is interposed therebetween. As sensitizing dyes, in addition to organic sensitizers represented by ruthenium complexes and the like, inorganic sensitizers represented by cadmium sulfide (CdS), copper indium disulfide (CuInS), tin sulfide (SnS) and the like. It has been known. Among these, SnS has a photoabsorption coefficient of 10 5 cm −1 and a band gap of 1.1 to 1.4 eV, and therefore has suitable optoelectronic properties as a sensitizer for use in a dye-sensitized solar cell. . For example,
しかしながら、特許文献1に記載されたSnSを無機系増感剤とする全固体色素増感型太陽電池は、短絡電流密度Iscも開放電圧Vocも低く、その結果、極めて低い変換効率しか得られていない。その理由は、定かではないが、以下のように考察される。すなわち、SnSが光を吸収することにより生じた電子(キャリア)は電子輸送層に運び出されなければならないが、SnSと正孔輸送層であるCuSCNとの界面における準位密度が高いため、その界面で電子と正孔輸送層の正孔とが再結合してしまうからではないかと考えられる。
However, the all-solid dye-sensitized solar cell using SnS as an inorganic sensitizer described in
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、無機系増感剤を用いる色素増感型太陽電池において、光を吸収することにより生じる電流や電圧を従来と比べて増加させることを主目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and in a dye-sensitized solar cell using an inorganic sensitizer, the current and voltage generated by absorbing light are increased as compared with the prior art. The main purpose.
上述した目的を達成するために、本発明者らは、色素増感型太陽電池を作製するにあたり、透明基板に形成された電子輸送層上に増感色素である金属硫化物の膜を形成し、その後、所定条件下で加熱したところ、金属硫化物の表面が硫黄より電気陰性度の高い元素(例えば酸素とか窒素)で改質されることにより色素増感型太陽電池がダイオード特性(整流作用)を有するようになり、光吸収により発生する電流や電圧が従来に比べて高くなることを見いだし、本発明を完成するに至った In order to achieve the above-described object, the present inventors formed a metal sulfide film as a sensitizing dye on an electron transport layer formed on a transparent substrate when producing a dye-sensitized solar cell. Then, when heated under specified conditions, the surface of the metal sulfide is modified with an element having a higher electronegativity than sulfur (for example, oxygen or nitrogen), so that the dye-sensitized solar cell has diode characteristics (rectifying action). ), And found that the current and voltage generated by light absorption are higher than those of the prior art, and completed the present invention.
即ち、本発明の色素増感型太陽電池は、
増感色素を含む光吸収層で被覆された電子輸送層を透明導電性基板上に備えた光電極とこの光電極に向かい合うように配置された対極との間に正孔輸送層が介在する色素増感型太陽電池であって、
前記光吸収層は、前記正孔輸送層側の表面に硫黄より電気陰性度の高い元素が吸着した金属硫化物を含むものであり、該元素は、前記金属硫化物の最表面において原子濃度が最大となり、該最大となる原子濃度が18〜31%の範囲のものである。
That is, the dye-sensitized solar cell of the present invention is
Dye in which a hole transport layer is interposed between a photoelectrode provided with an electron transport layer coated with a light absorbing layer containing a sensitizing dye on a transparent conductive substrate and a counter electrode arranged to face the photoelectrode A sensitized solar cell,
The light absorption layer includes a metal sulfide in which an element having higher electronegativity than sulfur is adsorbed on the surface on the hole transport layer side, and the element has an atomic concentration on the outermost surface of the metal sulfide. The maximum atomic concentration is in the range of 18 to 31%.
また、本発明の色素増感型太陽電池の製法は、
増感色素を含む光吸収層で被覆された電子輸送層を透明導電性基板上に備えた光電極とこの光電極に向かい合うように配置された対極との間に正孔輸送層が介在する色素増感型太陽電池を製造する方法であって、
前記透明導電性基板に前記電子輸送層を形成し、該電子輸送層上に前記増感色素として金属硫化物の膜を形成し、その後、硫黄より電気陰性度の高い元素を含む雰囲気中で前記金属硫化物の温度が180〜210℃になるように加熱することにより前記金属硫化物の表面に前記元素を吸着させ、その後、前記金属硫化物の表面に前記正孔輸送層と前記対極とをこの順に積層するものである。
Moreover, the method for producing the dye-sensitized solar cell of the present invention is as follows:
Dye in which a hole transport layer is interposed between a photoelectrode provided with an electron transport layer coated with a light absorbing layer containing a sensitizing dye on a transparent conductive substrate and a counter electrode arranged to face the photoelectrode A method for producing a sensitized solar cell, comprising:
Forming the electron transport layer on the transparent conductive substrate, forming a metal sulfide film as the sensitizing dye on the electron transport layer, and then in an atmosphere containing an element having a higher electronegativity than sulfur; The element is adsorbed on the surface of the metal sulfide by heating so that the temperature of the metal sulfide is 180 to 210 ° C., and then the hole transport layer and the counter electrode are formed on the surface of the metal sulfide. They are stacked in this order.
本発明の色素増感型太陽電池によれば、光吸収により発生する電流や電圧が従来に比べて高くなり、ひいては変換効率も向上する。その理由は、定かではないが、次のように考察される。すなわち、金属硫化物を硫黄より電気陰性度の高い元素を含む雰囲気中で加熱することにより、金属硫化物の表面にその元素が吸着する。このように電気陰性度の高い元素が適度な原子濃度で吸着した金属硫化物を含む光吸収層と正孔輸送層との間の界面には、界面分極が形成される。その界面分極によって、光吸収層で発生し正孔輸送層側に拡散した電子は光吸収層へ追い返され、正孔輸送層で発生し光吸収層側に拡散した正孔は正孔輸送層へ追い返される。このため、正孔輸送層の正孔と光吸収により生じた光吸収層の電子とが界面付近で再結合してしまうことがない。その結果、色素増感型太陽電池が逆方向バイアス電圧に対して電流がほとんど流れず順方向バイアス電圧に対して電流が急増するダイオード特性を有するようになり、光吸収により発生する電流や電圧が従来に比べて高くなったと考えられる。 According to the dye-sensitized solar cell of the present invention, the current and voltage generated by light absorption are higher than conventional ones, and the conversion efficiency is also improved. The reason is not clear, but is considered as follows. That is, by heating a metal sulfide in an atmosphere containing an element having a higher electronegativity than sulfur, the element is adsorbed on the surface of the metal sulfide. Thus, interface polarization is formed at the interface between the light absorption layer containing the metal sulfide in which the element having high electronegativity is adsorbed at an appropriate atomic concentration and the hole transport layer. Due to the interfacial polarization, electrons generated in the light absorption layer and diffused to the hole transport layer are driven back to the light absorption layer, and holes generated in the hole transport layer and diffused to the light absorption layer are transferred to the hole transport layer. Be repulsed. For this reason, the hole of a positive hole transport layer and the electron of the light absorption layer produced by light absorption do not recombine in the interface vicinity. As a result, the dye-sensitized solar cell has a diode characteristic in which almost no current flows with respect to the reverse bias voltage, and the current rapidly increases with respect to the forward bias voltage. It is thought that it was higher than before.
本発明の色素増感型太陽電池の製法によれば、硫黄より電気陰性度の高い元素を含む雰囲気中で金属硫化物の温度が180〜210℃になるように加熱するという簡単な工程により、上述したダイオード特性を持つ色素増感型太陽電池を容易に作製することができる。 According to the method for producing the dye-sensitized solar cell of the present invention, by a simple process of heating the metal sulfide to 180 to 210 ° C. in an atmosphere containing an element having a higher electronegativity than sulfur, A dye-sensitized solar cell having the above-described diode characteristics can be easily produced.
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の色素増感型太陽電池10の構成を示す概略断面図、図2は、光吸収層18と正孔輸送層22との界面の様子を示す模式図であり、(a)は界面分極が生じている場合、(b)は界面分極が生じていない場合を示す。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the dye-sensitized
色素増感型太陽電池10は、無機系増感剤を含む光吸収層18で被覆された電子輸送層16を透明導電性基板14上に備えた光電極12と、この光電極12に向かい合うように配置された対極20との間に、正孔輸送層22が介在しているものである。この色素増感型太陽電池10のうち透明導電性基板14と対極20との間の領域の外周は、シール材24によって被覆されている。
The dye-sensitized
透明導電性基板14は、ガラス基板などの透明基板14aのうち電子輸送層16側に透明導電膜14bを積層した構成となっている。この透明導電性基板14の材質としては、例えば、フッ素ドープSnO2コートガラス、ITOコートガラス、ZnO:Alコートガラス、アンチモンドープ酸化スズ(SnO2−Sb)等が挙げられる。また、酸化スズや酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン又は陰イオンをドープしたものや、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板上に設けたものも透明導電性基板14として使用できる。なお、透明基板14aとしては、透明なガラス基板のほか、ガラス基板表面を適当に荒らすなどして光の反射を防止したものやすりガラス状の半透明のガラス基板などの光を透過する基板、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などを用いることもできるが、透明なガラス基板が好ましい
The transparent
電子輸送層16は、光吸収層18で発生した電子を透明導電性基板14へ輸送する層である。この電子輸送層16の材料としては、例えば、TiO2、ZnO、SnO2などに代表されるn型半導体材料が挙げられ、これらのうちTiO2が好ましい。TiO2の結晶構造としては、例えば、ルチル型、アナターゼ型が挙げられ、これらのうちアナターゼ型が好ましい。その理由は、アナターゼ型及びルチル型のバンドギャップは、それぞれ3.2eV及び3.0eVであり、アナターゼ型のほうが伝導帯の下端のエネルギー準位が高く、開放端電圧が高いという報告や、色素増感型太陽電池ではアナターゼ型がルチル型よりも効率が高いという報告があるからである(Chem.Mater., vol.14, p2930(2002))。TiO2粒子としては、アナターゼ型粒子を単独で使用してもよく、アナターゼ型とルチル型との混合粒子を使用してもよい。TiO2粒子の粒子径は5nm〜500nmとするのが好ましい。TiO2粒子の粒子径が5nm未満では、粒子径が上記範囲にある場合と比べて、電子輸送層16の細孔径が小さくなりすぎ、光吸収層18の無機系増感剤の吸着時間が増大したり正孔輸送層22の拡散が困難となって拡散抵抗が増大したりする傾向がある。一方、粒子径が500nmを超えると、粒子径が上記範囲にある場合と比べて無機系増感剤の吸着量が減少するほか、粗大粒子により電子輸送層16内の応力が増大して機械的強度が不足し電子輸送層16が剥がれやすくなる傾向がある。また、拡散抵抗をより低く抑えると共に電子輸送層16をより剥がれにくくするには、TiO2粒子の粒子径を10nm〜100nmとするのが好ましい。さらに、特開2000−106222号公報に記載されるように、粒子径の大きいTiO2粒子(10nm〜300nm)と粒子径の小さいTiO2粒子(10nm以下)とを混在させてもよい。この場合、電子輸送層16に入射する入射光が、大きい粒子によって電子輸送層16の内部で散乱されるためエネルギー変換効率が向上する。また、電子輸送層16を有する光電極12において、特開2003−142171公報に記載されるように、電子輸送層16の上にルチル型のTiO2粒子からなる光反射層を設けてもよい。この場合の電子輸送層16は平均粒子径が70nm以下のTiO2粒子と平均粒子径が150nm以上のTiO2粒子とを混合したものであってもよく、光反射層は、ルチル型のTiO2粒子(平均粒子径が150nm以上、屈折率が2.4以上)とSiO2粒子(屈折率が1.8以下)とを混合させたものであってもよい。
The
光吸収層18は、電子輸送層16を被覆する層であり、無機系増感剤として金属硫化物を含んでいる。この金属硫化物は、可視光領域および/または赤外光領域に吸収を持つものであり、例えば、SnS,Sb2S3,Cu2S,ZnS,FeS2,TiS2,MoS2からなる群より選ばれた少なくとも1つが挙げられる。このうち、SnSが好ましい。SnSは、光吸収係数が105cm-1、バンドギャップが1.1〜1.4eVであり、色素増感型太陽電池に用いる増感剤として好適な光電子特性を有しているからである。また、金属硫化物は、正孔輸送層22側の表面に硫黄より電気陰性度の高い元素(例えばO,N,F,Cl又はBr)が吸着している。そして、その元素の原子濃度は、金属硫化物の深さ方向の分布をみたときに最表面で最大となり、その最大値は18〜31%、好ましくは21〜23%である。なお、金属硫化物の表面に硫黄より電気陰性度の高い元素を吸着させる方法としては、例えば、透明導電性基板14上に形成された電子輸送層16に金属硫化物層を形成した状態で所定の条件で加熱することが挙げられるが、詳しくは後述する。このように表面に電気陰性度の高い元素が吸着した金属硫化物を含む色素増感型太陽電池は、逆方向バイアス電圧に対して電流がほとんど流れず順方向バイアス電圧に対して電流が急増するダイオード特性を備えている。
The
対極20は、電子が通過可能な導電層であり、例えばAu,Ptなどの金属薄膜や多孔質の炭素薄膜などを使用することができるほか、上述した透明導電性基板14と同じ構成のもの(この場合、透明導電膜が正孔輸送層22と接触するように配置する)を使用することもできる。
The
正孔輸送層22は、色素増感型太陽電池10の両極に負荷を接続した状態で対極20から電子を受け取る一方、光を吸収することにより光吸収層18で発生した金属硫化物の陽イオンを対極20から受け取った電子で元の中和状態に戻す層である。この正孔輸送層22の材料としては、例えば、CuI,CuSCN,LiドープしたNiOなどに代表されるp型半導体材料のほか、酸化還元種(I3-/I-系の電解質、Br3-/Br-系の電解質、ハイドロキノン/キノン系の電解質などのレドックス電解質)を含んだ電解液や公知のゲル化剤(高分子又は低分子のゲル化剤)を添加したゲル状電解質が挙げられる。
The
シール材24は、電子輸送層16や光吸収層18、正孔輸送層22が外気と接触するのを防止するためのものである。このシール材24としては、例えば、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂フィルム、あるいはエポキシ系接着剤を使用することができる。
The sealing
次に、色素増感型太陽電池10の作用について説明する。色素増感型太陽電池10の両極に負荷を接続した状態で太陽光を透明導電性基板14へ照射すると、光吸収層18の金属硫化物のうち太陽光の当たったものは電子を放出して陽イオンになる。放出された電子は電子輸送層16を経由して透明導電性基板14の透明導電膜14bに移動し、負荷へ流れていく。正孔輸送層22は、負荷を経由した電子を対極20から受け取る一方、その受け取った電子で光吸収層18で発生した金属硫化物の陽イオンを元の中和状態に戻す。このような一連の反応が起こることにより、色素増感型太陽電池10に太陽光を照射すると負荷に電流が流れる。
Next, the operation of the dye-sensitized
ここで、正孔輸送層22と金属硫化物を含む光吸収層18との間の界面について、光吸収層18中の金属硫化物がSnS、正孔輸送層22がCuIの場合を例に挙げて説明する。SnSは、正孔輸送層22側の表面に硫黄より電気陰性度の高い元素が吸着しており、その元素の原子濃度は、SnSの深さ方向の分布をみたときに最表面で最大となり、その最大値は18〜31%である。このように電気陰性度の高い元素が吸着した層を表面改質層と称する。この表面改質層が存在するため、SnSとCuIとの界面には、図2(a)に示すように、界面分極26が形成される。その界面分極26によって、光吸収層18で発生し正孔輸送層側に拡散した電子(e-)は光吸収層18へ追い返され、正孔輸送層22で発生し光吸収層側に拡散した正孔(h+)は正孔輸送層22へ追い返される。このため、正孔輸送層22の正孔と光吸収により生じた光吸収層18の電子とが界面付近で再結合してしまうことがないと考えられる。これに対して、光吸収層18が上述した表面改質層を持たない金属硫化物(つまり加熱処理を施していない状態の金属硫化物)を含む場合、図2(b)に示すように界面分極が形成されないため、光吸収層18で発生し正孔輸送層側に拡散した電子と正孔輸送層22で発生し光吸収層側に拡散した正孔とが再結合してしまうと考えられる。したがって、光吸収層18が表面改質層を有する金属硫化物からなる本実施形態では、光吸収層18が表面改質層を有さない金属硫化物からなる場合に比べて、光吸収により発生する電流や電圧が高くなる。
Here, with respect to the interface between the
次に、色素増感型太陽電池10の製法について説明する。まず、スプレーコート法等の公知の薄膜製造技術を用いてガラス基板などの透明基板14aに透明導電膜14bを形成することにより透明導電性基板14を得る。
Next, a method for producing the dye-sensitized
続いて、透明導電性基板14の透明導電膜14b上に電子輸送層16を形成する。具体的には、所定の大きさ(例えば粒子径が20〜400nm程度)のn型半導体粒子を分散させた分散液を調製し、この分散液を透明導電膜14b上にバーコーター法や印刷法などにより塗布し、乾燥後焼成することにより電子輸送層16を形成してもよい。あるいは、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はCVD(Chemical Vapor Deposition)等の化学蒸着法により透明導電膜14b上にn型半導体からなる薄膜状の電子輸送層16を形成してもよい。
Subsequently, the
続いて、電子輸送層16上に光吸収層18を形成する。具体的には、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はCVDやCBD(ChemicalBath Deposition)等の化学蒸着法により電子輸送層16上に金属硫化物からなる薄膜を形成し、その後、所定の条件下で加熱することにより光吸収層18を形成する。なお、蒸着は複数回繰り返してもよい。ここで、所定の条件は、金属硫化物が表面改質層を持つように設定する。表面改質層を備えた金属硫化物は、金属硫化物の表面に硫黄より電気陰性度の高い元素が吸着したものであり、その元素の原子濃度は、金属硫化物の深さ方向の分布をみたときに最表面で最大となり、その最大値が18〜31%の範囲にある。所定の条件は、例えば、硫黄より電気陰性度の高い元素を含む雰囲気中で金属硫化物の温度が180〜210℃になるように加熱することとしてもよい。この場合、金属硫化物からなる薄膜を形成したものを180〜210℃の加熱炉内に入れ、その薄膜の温度が加熱炉の温度と略同じになるのに要する時間が経過したあとに加熱炉から取り出すようにしてもよい。あるいは、金属硫化物からなる薄膜を形成したものを210℃を超える温度(例えば400℃とか500℃)の加熱炉内に入れ、その薄膜の温度が180〜210℃に収まるような時間が経過したあとに加熱炉から取り出すようにしてもよい。
Subsequently, the
続いて、光吸収層18上に正孔輸送層22を形成する。具体的には、所定の大きさ(例えば粒子径が20〜400nm程度)のp型半導体粒子を分散させた分散液を調製し、この分散液を光吸収層18上にバーコーター法や印刷法などにより塗布し、乾燥後焼成することにより正孔輸送層22を形成してもよい。あるいは、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はCVD等の化学蒸着法により光吸収層18上にp型半導体からなる薄膜状の正孔輸送層22を形成してもよい。
Subsequently, the
その後、対極20を正孔輸送層22上に形成する。具体的には、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、スパッタ蒸着、クラスタイオンビーム蒸着等の物理蒸着法又はCVD等の化学蒸着法により正孔輸送層22上にAuやPtなどの金属薄膜からなる対極20を形成してもよい。あるいは、上述した透明導電性基板14と同じ基板を用意し、透明導電膜14bが正孔輸送層22と接触するように積層してもよい。そして、最後に電子輸送層16,光吸収層18及び正孔輸送層22のそれぞれの側面をシール材24で被覆し、色素増感型太陽電池10が完成する。
Thereafter, the
なお、正孔輸送層22として酸化還元種を含む電解液を使用する場合には、上述した光吸収層18上に正孔輸送層22を形成する工程や対極20を正孔輸送層22上に形成する工程は実施せず、その代わり、対極20を光吸収層18上に空隙を開けて配置した状態でシール材24を形成する工程やその空隙に通じる注入口を介して電解液を注入し注入後に注入口を塞ぐ工程を実施する。
In addition, when using the electrolyte solution containing redox species as the
以上詳述した本実施形態の色素増感型太陽電池10は、表面改質層を持つ金属硫化物からなる光吸収層18を備えているため、逆方向バイアス電圧に対して電流がほとんど流れず順方向バイアス電圧に対して電流が急増するダイオード特性を有している。このため、光吸収により発生する電流や電圧が従来に比べて高くなり、ひいては変換効率も向上する。また、本実施形態の製法によれば、硫黄より電気陰性度の高い元素を含む雰囲気中で金属硫化物の温度が180〜210℃に加熱するという簡単な工程により、色素増感型太陽電池10を容易に作製することができる。更に、正孔輸送層22として電解液ではなくCuIなどのp型半導体を採用した場合には、全固体型の太陽電池となるため、液漏れなどのおそれがない。
Since the dye-sensitized
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、一つの色素増感型太陽電池10について説明したが、図3に示すように複数の色素増感型太陽電池(以下、単セルという)110を直列に接続した電池モジュール100としてもよい。単セル110は、図3で一点鎖線で囲まれた部分である。この単セル110は、透明導電性基板114の透明導電膜114bと対極120との間に、上述した実施形態の色素増感型太陽電池10の電子輸送層16,光吸収層18及び正孔輸送層22と同様の電子輸送層116,光吸収層118及び正孔輸送層122を有するものである。一つの単セル110の対極120は、セルの厚み方向に屈曲されて隣接する一方の単セル110の透明導電膜114bと電気的に接続されているが、隣接する他方の単セル110の透明導電膜114bや隣接する両方の単セル110の対極120とはシール材124により電気的に絶縁されている。透明導電性基板114のうち、透明基板114aはすべての単セル110に共通の部材であるが、透明導電膜114bは各単セル110ごとに形成されている。この電池モジュール100は、高出力が要求される場合に有効である。また、平面的なスペースに配置することが可能である。なお、電池を配置するスペースによっては、複数の色素増感型太陽電池10を縦方向に積み上げて直列接続してもよい。もちろん並列接続することも可能である。
For example, in the above-described embodiment, one dye-sensitized
上述した実施形態では、電子輸送層16,光吸収層18及び正孔輸送層22の詳細な構造について触れなかったが、例えば、これらの層をスパッタや真空蒸着などの成膜技術を利用して順次形成した場合には、3層の膜が積層した構造となる。一方、電子輸送層16をスクリーン印刷とそれに続く加熱処理により微粒子薄膜として形成し、光吸収層18をCBD法により形成し、正孔輸送層22を真空蒸着などの成膜技術を利用して形成した場合には、図4に示すようなナノ構造となる。図4のナノ構造は、光吸収層18を担持したn型半導体の微粒子アレイ薄膜(電子輸送層16)が形成され、その微粒子アレイ間に正孔輸送層22が浸透した構造である。微粒子アレイ薄膜は、隣接する微粒子が接触しており、20−400nmの細孔を形成している構造を持っている。光吸収層18の無機系増感剤は、微粒子の表面に厚さ1−150nmで被覆されている。こうしたナノ構造を作製する具体的な手順の一例を以下に示す。まず、透明導電性基板14としてITOガラス基板を用意し、そのITOガラス基板にスクリーン印刷により電子輸送層16としてTiO2微粒子薄膜を形成し、大気中150℃で10分間加熱後、同様に大気中450℃で2時間加熱する。その後、光吸収層18としてSnS薄膜をCBD法で作製する。CBDは、以下のようにして行う。(1)TiO2微粒子薄膜が形成されたITOガラス基板を、SnCl2・2H2O水溶液(0.025M)に10秒浸漬した後、表面に吸着した余分な薬品を水洗する。(2)同様に、基板を、Na2S・9H2O水溶液(0.025M)に10秒浸漬した後、水洗する。(3)上記(1)、(2)を1サイクルとして、サイクル数を変えて膜厚を変化させる。その後、正孔輸送層としてCuIを真空蒸着法により成膜することにより、図4のナノ構造とすることができる。また、CuIを真空蒸着法で成膜する方法の他に、CuIのアセトニトリル溶液を滴下して乾燥させてCuIを形成することでも図4のナノ構造を形成することができる。実際に、CBDプロセスのサイクル数に対する膜の色の変化を観察したところ、0サイクルではTiO2微粒子薄膜は透明であり、CBDプロセスによりTiO2微粒子薄膜の領域のみ変色し、サイクル数が増えるにしたがい色が濃くなっていった。また、CBDプロセスのサイクル数に対応してXRDスペクトルを測定したところ、サイクル数が2回以上で、斜方晶SnSの結晶に起因するピークが観察された。
In the above-described embodiment, the detailed structures of the
[1]色素増感型太陽電池(以下、素子ともいう)の作製
・実験例1〜8
図5に示す積層型の素子を以下の手順にしたがって製造した。まず、表1の成膜条件Aで、透明導電性基板(ITO基板)上に厚さ50nmの電子輸送層(TiO2膜)を成膜し、第1中間基板とした。続いて、その第1中間基板を管状炉に挿入し、大気中にて30分間、500℃で加熱した。次に、表1の成膜条件Bで、第1中間基板のTiO2膜上に厚さ20nmの光吸収層(SnS膜)を成膜し、第2中間基板とした。次に、第2中間基板のSnS膜の表面改質を行った。具体的には、予め所定の温度まで加熱し、該所定の温度が安定している管状炉に第2中間基板を挿入した。その状態で第2中間基板を15分間管状炉中に放置した後、取り出した。このとき管状炉の管の両端は開放されていたため、第2中間基板のSnS膜は大気中で加熱されたとみなした。第2中間基板のSnS膜の表面改質を行うにあたり、実験例1では、SnS膜を加熱せず、実験例2〜8では、SnS膜をそれぞれ150℃,180℃,200℃,220℃,250℃,300℃及び350℃で加熱した。次に、表1の成膜条件Cで、このように表面改質を行った後の第2中間基板のSnS膜上に厚さ50nmの正孔輸送層(CuI膜)を成膜し、第3中間基板とした。その後、表1の成膜条件Dで、第3中間基板のCuI膜上に厚さ100nmの対極(Au膜)を成膜し、素子を得た。
[1] Preparation / Experimental Examples 1 to 8 of dye-sensitized solar cell (hereinafter also referred to as element)
The stacked element shown in FIG. 5 was manufactured according to the following procedure. First, an electron transport layer (TiO 2 film) having a thickness of 50 nm was formed on a transparent conductive substrate (ITO substrate) under the film formation condition A in Table 1 to obtain a first intermediate substrate. Subsequently, the first intermediate substrate was inserted into a tubular furnace and heated at 500 ° C. for 30 minutes in the atmosphere. Next, a light absorption layer (SnS film) having a thickness of 20 nm was formed on the TiO 2 film of the first intermediate substrate under the film formation condition B in Table 1 to obtain a second intermediate substrate. Next, the surface modification of the SnS film of the second intermediate substrate was performed. Specifically, the second intermediate substrate was inserted into a tubular furnace that was previously heated to a predetermined temperature and that the predetermined temperature was stable. In this state, the second intermediate substrate was left in a tubular furnace for 15 minutes and then taken out. Since both ends of the tube of the tubular furnace were open at this time, it was considered that the SnS film of the second intermediate substrate was heated in the atmosphere. In performing the surface modification of the SnS film of the second intermediate substrate, in the experimental example 1, the SnS film is not heated, and in the experimental examples 2 to 8, the SnS film is 150 ° C., 180 ° C., 200 ° C., 220 ° C., respectively. Heated at 250 ° C, 300 ° C and 350 ° C. Next, a hole transport layer (CuI film) having a thickness of 50 nm is formed on the SnS film of the second intermediate substrate after the surface modification in this manner under the film formation condition C in Table 1. Three intermediate substrates were used. Thereafter, a counter electrode (Au film) having a thickness of 100 nm was formed on the CuI film of the third intermediate substrate under the film formation condition D shown in Table 1 to obtain an element.
・実験例9〜12
第2中間基板のSnS膜の表面改質を行う際の条件を変更した以外は、実験例1〜8と同様にして積層型の素子を得た。SnS膜の表面改質は、次のようにして行った。すなわち、予め加熱して温度が400℃で安定している管状炉に第2中間基板を挿入した。その状態で第2中間基板を所定の加熱時間だけ管状炉中に放置した後、取り出した。このとき管状炉の間の両端は開放されていたため、第2中間基板のSnS膜は実験例1〜8と同様に大気中で加熱されたとみなした。第2中間基板の管状炉中での加熱時間と第2中間基板の温度との関係を図6に示す。図6から明らかなように、第2中間基板の温度は管状炉へ挿入してから1分後に210℃、2分後に290℃、5分後に360℃、15分後に370℃程度まで昇温する。ここで、実験例9では、加熱時間を1分とし、実験例10〜12では、加熱時間をそれぞれ2分、5分及び15分とした。
Experimental examples 9-12
A stacked element was obtained in the same manner as in Experimental Examples 1 to 8, except that the conditions for modifying the surface of the SnS film on the second intermediate substrate were changed. The surface modification of the SnS film was performed as follows. That is, the second intermediate substrate was inserted into a tubular furnace heated in advance and stabilized at 400 ° C. In this state, the second intermediate substrate was left in the tubular furnace for a predetermined heating time and then taken out. Since both ends between the tubular furnaces were open at this time, it was considered that the SnS film of the second intermediate substrate was heated in the atmosphere as in Experimental Examples 1-8. FIG. 6 shows the relationship between the heating time of the second intermediate substrate in the tubular furnace and the temperature of the second intermediate substrate. As apparent from FIG. 6, the temperature of the second intermediate substrate is raised to 210 ° C. 1 minute after insertion into the tube furnace, 290 ° C. after 2 minutes, 360 ° C. after 5 minutes, and about 370 ° C. after 15 minutes. . Here, in Experimental Example 9, the heating time was 1 minute, and in Experimental Examples 10 to 12, the heating time was 2 minutes, 5 minutes, and 15 minutes, respectively.
・実験例13
第2中間基板のSnS膜の表面改質を行う際の条件を変更した以外は、実験例1〜8と同様にして積層型の素子を得た。SnS膜の表面改質は、次のようにして行った。すなわち、第2中間基板を管状炉の管内に設置した後、その管を密閉し、室温でN2ガスを流量2L/分で30分間流入させた。これにより、管内の大気はN2ガスですべて置換されたとみなした。その状態で第2中間基板を昇温速度6.7℃/分で200℃まで昇温し、その状態で30分間保持した後、加熱を終了して第2中間基板を取り出した。
Experimental example 13
A stacked element was obtained in the same manner as in Experimental Examples 1 to 8, except that the conditions for modifying the surface of the SnS film on the second intermediate substrate were changed. The surface modification of the SnS film was performed as follows. That is, after the second intermediate substrate was placed in the tube of the tubular furnace, the tube was sealed, and N 2 gas was allowed to flow in at a flow rate of 2 L / min for 30 minutes at room temperature. As a result, it was considered that the atmosphere in the tube was completely replaced with N 2 gas. In this state, the second intermediate substrate was heated to 200 ° C. at a temperature increase rate of 6.7 ° C./minute, held in that state for 30 minutes, and then the heating was terminated and the second intermediate substrate was taken out.
・実験例14,15
実験例14では、成膜条件Bで光吸収層(SnS膜)を成膜するときの光吸収層の厚さを20nmから50nmに変更したこと以外は、実験例4と同様の手法で素子を作製した。実験例15では、成膜条件Bで光吸収層(SnS膜)を成膜するときの光吸収層をの厚さを20nmから50nmに変更したこと以外は、実験例1と同様の手法で素子を作製した。
Experimental examples 14 and 15
In Experimental Example 14, the element was fabricated in the same manner as in Experimental Example 4 except that the thickness of the light absorption layer when forming the light absorption layer (SnS film) under the film formation condition B was changed from 20 nm to 50 nm. Produced. In Experimental Example 15, the element was formed in the same manner as in Experimental Example 1 except that the thickness of the light absorption layer when forming the light absorption layer (SnS film) under the film formation condition B was changed from 20 nm to 50 nm. Was made.
[2]太陽電池特性評価
実験例1,4,13で得られた素子の太陽電池特性(擬似太陽光照射時の電流−電圧特性)をソーラーシミュレータで測定した。測定は室温、大気中で行った。AM1.5擬似太陽光を素子に照射したときの太陽電池特性を図7に示す。図7では、横軸に素子に印加したバイアス電圧(図1中、透明導電性基板側の端子に対する対極側の端子の電位、以下同じ)を、縦軸に素子から発生した電流密度をプロットした。SnS膜を加熱処理しなかった実験例1の素子の短絡電流密度Iscは0.26mA/cm2であり、その後バイアス電圧を増加させると、0.04V(開放電圧Voc)で電流が流れなくなった。短絡電流密度Iscと開放電圧Vocとの積に対する、最適動作電圧と最適動作電流との積の比で定義される最大出力の比であるフィルファクター(FF)は0.26であった。一方、SnS膜を大気中200℃で加熱した実験例4の素子の短絡電流密度Iscは1.2mA/cm2、開放電圧Vocは0.11V、FFは0.23であった。以上の結果から、SnS膜を大気中200℃で加熱処理した場合、加熱処理しなかった場合に比べて、素子の短絡電流密度Iscは5倍、開放電圧Vocは3倍に向上した。また、SnS膜をN2雰囲気中200℃で加熱した実験例13の素子の短絡電流密度Iscは1.7mA/cm2、開放電圧Vocは0.12V、FFは0.19であった。以上の結果から、SnS膜をN2雰囲気中200℃で加熱した場合、加熱処理しなかった場合に比べて、素子の短絡電流密度Iscは7倍、開放電圧Vocは3倍に向上した。
[2] Evaluation of solar cell characteristics The solar cell characteristics (current-voltage characteristics during simulated sunlight irradiation) of the elements obtained in Experimental Examples 1, 4 and 13 were measured with a solar simulator. The measurement was performed at room temperature in the air. The solar cell characteristics when the device is irradiated with AM1.5 simulated sunlight are shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents the bias voltage applied to the element (in FIG. 1, the potential of the terminal on the counter electrode side with respect to the terminal on the transparent conductive substrate side, the same applies hereinafter), and the vertical axis represents the current density generated from the element. . The short-circuit current density Isc of the element of Experimental Example 1 in which the SnS film was not heat-treated was 0.26 mA / cm 2 , and when the bias voltage was increased thereafter, no current flowed at 0.04 V (open voltage Voc). . The fill factor (FF), which is the ratio of the maximum output defined by the ratio of the product of the optimum operating voltage and the optimum operating current to the product of the short-circuit current density Isc and the open circuit voltage Voc, was 0.26. On the other hand, the short-circuit current density Isc of the element of Experimental Example 4 in which the SnS film was heated in the atmosphere at 200 ° C. was 1.2 mA / cm 2 , the open circuit voltage Voc was 0.11 V, and the FF was 0.23. From the above results, when the SnS film was heat-treated at 200 ° C. in the atmosphere, the short-circuit current density Isc and the open-circuit voltage Voc were improved three times as compared with the case where the heat treatment was not performed. In addition, the short-circuit current density Isc of the element of Experimental Example 13 in which the SnS film was heated in an N 2 atmosphere at 200 ° C. was 1.7 mA / cm 2 , the open-circuit voltage Voc was 0.12 V, and FF was 0.19. From the above results, when the SnS film was heated in an N 2 atmosphere at 200 ° C., the short-circuit current density Isc of the device was improved 7 times and the open circuit voltage Voc was improved 3 times compared to the case where the heat treatment was not performed.
同じく実験例14,15で得られた素子の太陽電池特性をソーラーシミュレータで測定した。AM1.5擬似太陽光を素子に照射したときの太陽電池特性を図8に示す。SnS膜を加熱処理しなかった実験例15の素子の短絡電流密度Iscは1.6mA/cm2、開放電圧Vocは0.04V、FFは0.24であった。SnS膜を大気中200℃で加熱処理した実験例14の素子の短絡電流密度Iscは6.3mA/cm2、開放電圧Vocは0.10V、FFは0.29であった。以上の結果から、SnS膜を大気中200℃で加熱した場合は、加熱処理をしない場合に比べて、素子の短絡電流密度Iscは4倍弱向上し、開放電圧Vocは2倍以上向上した。 Similarly, the solar cell characteristics of the elements obtained in Experimental Examples 14 and 15 were measured with a solar simulator. The solar cell characteristics when the element is irradiated with AM1.5 simulated sunlight are shown in FIG. The short-circuit current density Isc of the element of Experimental Example 15 in which the SnS film was not heat-treated was 1.6 mA / cm 2 , the open circuit voltage Voc was 0.04 V, and FF was 0.24. The short-circuit current density Isc of the element of Experimental Example 14 in which the SnS film was heat-treated at 200 ° C. in the atmosphere was 6.3 mA / cm 2 , the open-circuit voltage Voc was 0.10 V, and the FF was 0.29. From the above results, when the SnS film was heated in the atmosphere at 200 ° C., the short-circuit current density Isc of the device was improved by a little less than 4 times and the open-circuit voltage Voc was improved by a factor of 2 or more compared to the case where the heat treatment was not performed.
[3]分光感度特性評価
実験例1,4で得られた素子の分光感度特性(特定の波長の光に対する太陽電池素子の光電変換特性)を分光感度測定装置で測定した。測定は室温、大気中で行った。SnS膜を加熱処理しなかった実験例1の素子と大気中200℃で加熱処理した実験例4の素子の分光感度特性を図9に示す。図9では、横軸に素子に照射した光の波長を、縦軸に外部量子収率(入射光の光子数に対する素子から発生した電子数)をプロットした。量子収率は波長400nmで最大値をとり、実験例1の素子で0.05,実験例4の素子で0.17であった。いずれの素子も波長400nm以上の領域で光電変換を行うことから、SnSによる増感作用を確認できた。波長300〜600nmの範囲で、実験例4の素子の外部量子収率が、実験例1の素子の外部量子収率を上回ったことから、SnS膜を大気中200℃で加熱した場合、加熱処理しなかった場合に比べて、素子の光電変換特性が向上したと判断した。
[3] Spectral Sensitivity Characteristic Evaluation Spectral sensitivity characteristics of the elements obtained in Experimental Examples 1 and 4 (photoelectric conversion characteristics of solar cell elements with respect to light of a specific wavelength) were measured with a spectral sensitivity measuring device. The measurement was performed at room temperature in the air. FIG. 9 shows spectral sensitivity characteristics of the element of Experimental Example 1 in which the SnS film was not heat-treated and the element of Experimental Example 4 in which heat-treatment was performed at 200 ° C. in the atmosphere. In FIG. 9, the wavelength of light applied to the device is plotted on the horizontal axis, and the external quantum yield (the number of electrons generated from the device with respect to the number of photons of incident light) is plotted on the vertical axis. The quantum yield reached its maximum value at a wavelength of 400 nm, and was 0.05 for the device of Experimental Example 1 and 0.17 for the device of Experimental Example 4. Since any element performs photoelectric conversion in a wavelength region of 400 nm or more, the sensitizing action by SnS could be confirmed. When the SnS film was heated in the atmosphere at 200 ° C. because the external quantum yield of the device of Experimental Example 4 exceeded the external quantum yield of the device of Experimental Example 1 in the wavelength range of 300 to 600 nm, heat treatment was performed. It was determined that the photoelectric conversion characteristics of the device were improved as compared with the case where the test was not performed.
[4]ダイオード特性評価
実験例1〜8で得られた素子のダイオード特性(暗所環境中での電流−電圧特性)をプローバで測定した。測定は室温、大気中で行った。各素子のダイオード特性を図10に示す。図10では、横軸に素子に印加したバイアス電圧を、縦軸に素子に流れた電流をプロットした。SnS膜を加熱処理しなかった実験例1の素子(図10(a))と150℃で加熱処理した実験例2の素子(図10(b))では、電流がバイアス電圧に対して一様に増加し、整流作用を示さなかった。一方、SnS膜を180℃で加熱処理した実験例3の素子(図10(c))と200℃で加熱処理した実験例4の素子(図10(d))では、順方向バイアス電圧(V>0[V])に対して電流が急激に増加するのに対し、逆方向バイアス電圧(V<0[V])に対してはほとんど電流が流れなかったことから、整流作用を示すことがわかった。また、SnS膜を220℃で加熱した実験例5の素子(図10(e))と250℃で加熱した実験例6の素子(図10(f))では、順方向バイアス電圧に対する電流の増加が小さくなり、逆方向バイアス電圧に対しても電流量が増加するようになったことから、整流作用を示さないと判断した。SnS膜を300℃で加熱した実験例7の素子(図10(g))と350℃で加熱した実験例8の素子(図10(h))では、順方向バイアス電圧に対して電流がほとんど流れないのに対し、逆方向バイアス電圧に対して電流量が急激に増加するようになった。
[4] Evaluation of diode characteristics The diode characteristics (current-voltage characteristics in a dark environment) of the elements obtained in Experimental Examples 1 to 8 were measured with a prober. The measurement was performed at room temperature in the air. FIG. 10 shows the diode characteristics of each element. In FIG. 10, the horizontal axis represents the bias voltage applied to the element, and the vertical axis represents the current flowing through the element. In the element of Experimental Example 1 where the SnS film was not heat-treated (FIG. 10A) and the element of Experimental Example 2 where the SnS film was heat-treated at 150 ° C. (FIG. 10B), the current was uniform with respect to the bias voltage. It did not show rectifying action. On the other hand, in the element of Experimental Example 3 (FIG. 10C) in which the SnS film was heat-treated at 180 ° C. and the element of Experimental Example 4 in which the SnS film was heat-treated at 200 ° C. (FIG. 10D), the forward bias voltage (V > 0 [V]), the current increases sharply, whereas almost no current flows for the reverse bias voltage (V <0 [V]). all right. In addition, in the element of Experimental Example 5 (FIG. 10E) in which the SnS film was heated at 220 ° C. and the element of Experimental Example 6 in which the SnS film was heated at 250 ° C. (FIG. 10F), an increase in current with respect to the forward bias voltage. And the amount of current also increased with respect to the reverse bias voltage, so it was determined that no rectifying action was exhibited. In the element of Experimental Example 7 (FIG. 10 (g)) in which the SnS film was heated at 300 ° C. and the element of Experimental Example 8 (FIG. 10 (h)) in which the SnS film was heated at 350 ° C., almost no current was applied to the forward bias voltage. Although it does not flow, the current amount suddenly increases with respect to the reverse bias voltage.
実験例9〜12で得られた素子のダイオード特性を図11に示す。なお、横軸、縦軸は図9と同じである。また、実験例1の結果も図11(a)として併せて示す。400℃で1分放置して素子温度が210℃になるまで加熱した実験例9の素子(図11(b))では、順方向バイアス電圧(V>0[V])に対して電流が急激に増加するのに対し、逆方向バイアス電圧(V<0[V])に対してはほとんど電流が流れなかったことから、整流作用を示すと判断した。また、400℃で2分放置して素子温度が290℃になるまで加熱した実験例10の素子(図11(c))では、順方向バイアス電圧に対する電流の増加が小さくなり、電流がバイアス電圧に対して一様に増加し、整流作用を示さなかった。SnS膜を400℃で5分放置して素子温度が360℃になるまで加熱した実験例11の素子(図11(d))と15分放置して素子温度が370℃になるまで加熱した実験例12の素子(図11(e))では、順方向バイアス電圧に対して電流がほとんど流れないのに対し、逆方向バイアス電圧に対して電流量が増加するようになった。 The diode characteristics of the elements obtained in Experimental Examples 9 to 12 are shown in FIG. The horizontal axis and the vertical axis are the same as those in FIG. Moreover, the result of Experimental Example 1 is also shown in FIG. In the element of Experimental Example 9 (FIG. 11B) that was heated to 400 ° C. for 1 minute and heated until the element temperature reached 210 ° C., the current rapidly increased with respect to the forward bias voltage (V> 0 [V]). On the other hand, almost no current flowed with respect to the reverse bias voltage (V <0 [V]). Further, in the element of Experimental Example 10 (FIG. 11 (c)) that was heated at 400 ° C. for 2 minutes and heated until the element temperature reached 290 ° C., the increase in current with respect to the forward bias voltage was small, and the current was bias voltage. Increased uniformly and showed no rectifying effect. An experiment in which the SnS film was allowed to stand at 400 ° C. for 5 minutes and heated until the element temperature reached 360 ° C. and the element of Experimental Example 11 (FIG. 11D) was left for 15 minutes and heated until the element temperature reached 370 ° C. In the element of Example 12 (FIG. 11 (e)), almost no current flows with respect to the forward bias voltage, but the amount of current increases with respect to the reverse bias voltage.
[5]SnS膜の構造評価
SnS膜の構造評価には、表1の成膜条件Bと同じ条件でガラス基板上に成膜したSnS膜を用いた。作製したSnS膜を実験例1,4,6と同じ条件で大気中で加熱処理した後、X線回折装置で回折パターンを測定した。加熱処理温度別のSnS膜のX線回折パターンを図12に示す。加熱処理していないSnS膜と実験例4と同様に200℃で加熱したSnS膜と実験例6と同様に250℃で加熱したSnS膜のいずれの回折パターンも2θ=31.5°近辺に回折線を示した。この回折線はSnS(111)面からの回折線と考えられる。SnS膜の加熱処理によって、回折線の位置が31.32°(加熱処理していない膜(図12(a))から31.66°(250℃で加熱処理した膜(図12(c))まで変化した。しかし、加熱処理によってこの回折線は消失せず、回折パターン中に新しい回折線は示されなかった。以上のことから、SnS膜を加熱処理しても、SnS以外の結晶は生成されず、SnSの斜方晶が保持されたと考えられる。
[5] Structural Evaluation of SnS Film For the structural evaluation of the SnS film, a SnS film formed on a glass substrate under the same conditions as the film forming conditions B in Table 1 was used. The produced SnS film was heat-treated in the atmosphere under the same conditions as in Experimental Examples 1, 4, and 6, and then the diffraction pattern was measured with an X-ray diffractometer. FIG. 12 shows X-ray diffraction patterns of the SnS film according to the heat treatment temperature. The diffraction patterns of the unheated SnS film, the SnS film heated at 200 ° C. as in Experimental Example 4, and the SnS film heated at 250 ° C. as in Experimental Example 6 are diffracted around 2θ = 31.5 °. A line is shown. This diffraction line is considered to be a diffraction line from the SnS (111) plane. By the heat treatment of the SnS film, the position of the diffraction line is 31.32 ° (the film not heat-treated (FIG. 12A) to 31.66 ° (heat-treated at 250 ° C. (FIG. 12C)). However, this diffraction line was not lost by the heat treatment, and no new diffraction line was shown in the diffraction pattern.From the above, even if the SnS film was heat treated, crystals other than SnS were formed. It is considered that the orthorhombic crystal of SnS was retained.
[6]SnS膜の組成分析
SnS膜の組成分析には、表1の成膜条件Bと同じ条件でSi基板上に成膜したSnS膜を用いた。作製したSnS膜を実験例1,4,6と同じ条件で大気中で加熱処理した後、XPSで光電子スペクトルを測定した。光電子スペクトルから求めたSnS膜内のO(酸素)原子濃度深さ分布を、加熱処理温度別に図13に示す。図13の横軸には、スペクトル測定時のAr+イオンエッチング時間から求めた深さを示した。1分間のAr+イオンエッチングをした後にスペクトルを測定した地点(図13の点線部)において、Sn起源の信号強度が十分に得られたことから、この地点をSnS膜の最表面とみなした。最表面の酸素量は、加熱処理をしていない場合は13%だが、200℃で20%、250℃で32%と温度の上昇と共に増加した。また、図13中の深さ3nm程度までの部分を見ても明らかなように、内部の酸素量も加熱処理温度と共に増加した。以上より、SnS膜は加熱処理によって、SnS膜の表面に酸素が入り込んで吸着することと、加熱処理温度が上昇すると酸素含有量が増加することが明らかとなった。図13(d)は実験例1,4,6の酸素原子濃度を比較したグラフである。図13(d)から、いずれの実験例でも、酸素原子濃度はSnS膜の最表面において最大値をとり、深さが深くなるにつれて小さくなることがわかる。加熱処理をしていない素子と200℃で加熱処理した素子につき、こうした酸素量の測定を複数回繰り返したところ、図14に示すように、加熱処理をしていない素子は15±2%、200℃で加熱処理した素子は22±1%であった。図9のダイオード特性の評価結果を参照すると、SnS膜を大気中200℃で加熱処理した素子(最表面の酸素原子濃度21〜23%)はダイオードとして機能したが、SnS膜を加熱処理していない素子(最表面の酸素原子濃度13〜17%)や250℃以上で加熱処理した素子(最表面の酸素原子濃度32%)はダイオードとして機能しなかったことから、最表面での酸素原子濃度が17%以下の場合や32%以上の場合は好ましくなく、最表面での酸素原子濃度がそれ以外の場合つまり18〜31%の場合が好ましく、21〜23%の場合がより好ましい。また、図12(d)の実験例4の結果から、最表面から深さ1〜3nmの範囲において酸素原子濃度が5〜23%、特に5〜16%となるようにするのが好ましく、最表面から深さ3nmを超えて最深部に至る各領域において、酸素原子濃度が0〜5%となるようにするのが好ましい。
[6] Composition analysis of SnS film For the composition analysis of the SnS film, an SnS film formed on the Si substrate under the same conditions as the film formation conditions B in Table 1 was used. The prepared SnS film was heat-treated in the atmosphere under the same conditions as in Experimental Examples 1, 4, and 6, and then the photoelectron spectrum was measured by XPS. FIG. 13 shows the O (oxygen) atom concentration depth distribution in the SnS film obtained from the photoelectron spectrum for each heat treatment temperature. The horizontal axis of FIG. 13 shows the depth obtained from the Ar + ion etching time at the time of spectrum measurement. Since the signal intensity originating from Sn was sufficiently obtained at the point where the spectrum was measured after performing Ar + ion etching for 1 minute (dotted line portion in FIG. 13), this point was regarded as the outermost surface of the SnS film. The amount of oxygen on the outermost surface was 13% when no heat treatment was performed, but increased with increasing temperature, 20% at 200 ° C. and 32% at 250 ° C. Further, as is apparent from the portion up to a depth of about 3 nm in FIG. 13, the amount of oxygen inside increased with the heat treatment temperature. As described above, it has been clarified that the SnS film is subjected to heat treatment so that oxygen enters and adsorbs on the surface of the SnS film and the oxygen content increases as the heat treatment temperature rises. FIG. 13D is a graph comparing the oxygen atom concentrations of Experimental Examples 1, 4, and 6. From FIG. 13D, it can be seen that the oxygen atom concentration takes the maximum value on the outermost surface of the SnS film and decreases as the depth increases in any of the experimental examples. When the measurement of the amount of oxygen was repeated a plurality of times for the element that was not heat-treated and the element that was heat-treated at 200 ° C., as shown in FIG. The element heat-treated at ° C. was 22 ± 1%. Referring to the evaluation results of the diode characteristics shown in FIG. 9, the element (the outermost surface oxygen atom concentration of 21 to 23%) obtained by heating the SnS film at 200 ° C. in the atmosphere functioned as a diode, but the SnS film was heated. No element (the oxygen atom concentration on the outermost surface of 13 to 17%) or an element heated at 250 ° C. or higher (the oxygen atom concentration on the outermost surface of 32%) did not function as a diode. Is less than 17% or more than 32%, the oxygen atom concentration on the outermost surface is preferably other than that, that is, 18 to 31%, more preferably 21 to 23%. From the result of Experimental Example 4 in FIG. 12D, it is preferable that the oxygen atom concentration be 5 to 23%, particularly 5 to 16% in the range of 1 to 3 nm in depth from the outermost surface. It is preferable that the oxygen atom concentration is 0 to 5% in each region from the surface to the deepest part exceeding the depth of 3 nm.
[7]まとめ
以上の結果を表2にまとめた。実験例4,13は、太陽電池特性が良好であり、逆方向バイアス電圧に対して電流がほとんど流れず順方向バイアス電圧に対して電流が急増するダイオード特性を示したため、本発明の実施例に相当する。実験例3,9は、太陽電池特性は未測定であるが、実験例4,13と同様のダイオード特性を示したことから、これらと同様のメカニズムにより太陽電池特性が良好であると予測されるため、本発明の実施例に相当する。その他の実験例は比較例に相当する。
[7] Summary The above results are summarized in Table 2. Since Experimental Examples 4 and 13 have good solar cell characteristics, and the diode characteristics in which current hardly increases with respect to the reverse bias voltage and current rapidly increases with respect to the forward bias voltage are shown in the examples of the present invention. Equivalent to. Although the solar cell characteristics were not measured in Experimental Examples 3 and 9, since the same diode characteristics as in Experimental Examples 4 and 13 were shown, it is predicted that the solar cell characteristics are good by the same mechanism as these. Therefore, it corresponds to an embodiment of the present invention. Other experimental examples correspond to comparative examples.
本発明の色素増感型太陽電池は、例えば家庭用、オフィス用、工場用の各種電化製品の電源や電気自動車、ハイブリッド自動車、電動自転車などのバッテリのほか、ソーラーパネルなどに利用可能である。 The dye-sensitized solar cell of the present invention can be used, for example, as a power source for various electric appliances for home use, office use, and factory use, batteries for electric vehicles, hybrid vehicles, electric bicycles, and solar panels.
10 色素増感型太陽電池、12 光電極、14 透明導電性基板、14a 透明基板、14b 透明導電膜、16 電子輸送層、18 光吸収層、20 対極、22 正孔輸送層、24 シール材、26 界面分極、100 電池モジュール、110 単セル、114 透明導電性基板、114a 透明基板、114b 透明導電膜、116 電子輸送層、118 光吸収層、120 対極、122 正孔輸送層、124 シール材、Isc 短絡電流密度、Voc 開放電圧 10 Dye-sensitized solar cell, 12 Photoelectrode, 14 Transparent conductive substrate, 14a Transparent substrate, 14b Transparent conductive film, 16 Electron transport layer, 18 Light absorption layer, 20 Counter electrode, 22 Hole transport layer, 24 Sealing material, 26 Interfacial polarization, 100 Battery module, 110 Single cell, 114 Transparent conductive substrate, 114a Transparent substrate, 114b Transparent conductive film, 116 Electron transport layer, 118 Light absorption layer, 120 Counter electrode, 122 Hole transport layer, 124 Sealing material, Isc Short-circuit current density, Voc open circuit voltage
Claims (6)
前記光吸収層は、前記正孔輸送層側の表面に硫黄より電気陰性度の高い元素が吸着した金属硫化物を含むものであり、該元素は、前記金属硫化物の最表面において原子濃度が最大となり、該最大となる原子濃度が18〜31%の範囲である、
色素増感型太陽電池。 Dye in which a hole transport layer is interposed between a photoelectrode provided with an electron transport layer coated with a light absorbing layer containing a sensitizing dye on a transparent conductive substrate and a counter electrode arranged to face the photoelectrode A sensitized solar cell,
The light absorption layer includes a metal sulfide in which an element having higher electronegativity than sulfur is adsorbed on the surface on the hole transport layer side, and the element has an atomic concentration on the outermost surface of the metal sulfide. The maximum atomic concentration is in the range of 18-31%,
Dye-sensitized solar cell.
請求項1に記載の色素増感型太陽電池。 The metal sulfide is at least one selected from the group consisting of Sn, Sb, Cu, Zn, Fe, Ti, and Mo as a metal element.
The dye-sensitized solar cell according to claim 1.
請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池。 The maximum atomic concentration is in the range of 21 to 23%.
The dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池。 The element is at least one selected from the group consisting of O, N, F, Cl and Br.
The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 3.
前記正孔輸送層は、p型半導体であるCuI,CuSCN,LiをドープしたNiO、酸化還元種を含んだ電解液及びゲル化剤を添加したゲル状電解質からなる群より選ばれた1つである、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の色素増感型太陽電池。 The electron transport layer is one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO and SnO 2 which are n-type semiconductors,
The hole transport layer is one selected from the group consisting of NiO doped with CuI, CuSCN, Li, which is a p-type semiconductor, an electrolyte containing a redox species, and a gel electrolyte added with a gelling agent. is there,
The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 4.
前記透明導電性基板に前記電子輸送層を形成し、該電子輸送層上に前記増感色素として金属硫化物の膜を形成し、その後、硫黄より電気陰性度の高い元素を含む雰囲気中で前記金属硫化物の温度が180〜210℃になるように加熱することにより前記金属硫化物の表面に前記元素を吸着させ、その後、前記金属硫化物の表面に前記正孔輸送層と前記対極とをこの順に積層する、
色素増感型太陽電池の製法。 Dye in which a hole transport layer is interposed between a photoelectrode provided with an electron transport layer coated with a light absorbing layer containing a sensitizing dye on a transparent conductive substrate and a counter electrode arranged to face the photoelectrode A method for producing a sensitized solar cell, comprising:
Forming the electron transport layer on the transparent conductive substrate, forming a metal sulfide film as the sensitizing dye on the electron transport layer, and then in an atmosphere containing an element having a higher electronegativity than sulfur; The element is adsorbed on the surface of the metal sulfide by heating so that the temperature of the metal sulfide is 180 to 210 ° C., and then the hole transport layer and the counter electrode are formed on the surface of the metal sulfide. Laminate in this order,
A method for producing a dye-sensitized solar cell.
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