JP5511490B2 - Method for forming photocatalytic film in dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a photocatalytic film in a dye-sensitized solar cell.
一般に、色素増感型太陽電池は、ガラス板などの透明基板上に透明導電膜が形成されてなる透明電極と、同様に透明基板の表面に透明導電膜が形成されてなる対向電極と、これら両電極間に配置されるヨウ素系の電解質層と、上記両電極間で且つ上記透明電極の表面に配置される光触媒膜とから構成され、且つこの光触媒膜としては、酸化チタン(TiO2)などの金属酸化物を形成した後、ルテニウムなどの光増感色素を吸着させたものが知られている。 Generally, a dye-sensitized solar cell includes a transparent electrode in which a transparent conductive film is formed on a transparent substrate such as a glass plate, a counter electrode in which a transparent conductive film is similarly formed on the surface of the transparent substrate, and these It is composed of an iodine-based electrolyte layer disposed between both electrodes, and a photocatalytic film disposed between the two electrodes and on the surface of the transparent electrode. The photocatalytic film includes titanium oxide (TiO 2 ) and the like. It is known that after forming the metal oxide, a photosensitizing dye such as ruthenium is adsorbed.
そして、上記光触媒として酸化チタンの微粒子が用いられるとともに、性能を向上させるために酸化チタンの前駆体を混合させたものがある(例えば、特許文献1参照)。 In addition, titanium oxide fine particles are used as the photocatalyst, and a titanium oxide precursor is mixed in order to improve performance (for example, see Patent Document 1).
ところで、上記特許文献1のものによると、光触媒を形成する際に、酸化チタンとその前駆体との混合物を透明電極側に塗布した後、全体を焼成するようにしているが、その焼成温度は450℃程度と高いものであった。
By the way, according to the thing of the said
このように、焼成温度が高いため、透明基板として軽量で且つ安価な合成樹脂を用いることができないという問題があった。なお、低温で焼成を行うものについては、光触媒膜に高温用ペーストなど、高い焼成温度を前提としたバインダが含まれていないため、多孔質な膜が得られず、したがって光触媒膜中に光増感色素を吸着させる際の吸着量が減少し、電池性能が低下するという問題がある。 As described above, since the firing temperature is high, there is a problem that a lightweight and inexpensive synthetic resin cannot be used as the transparent substrate. For those that are fired at low temperatures, the photocatalyst film does not contain a binder premised on a high firing temperature, such as a paste for high temperatures, and therefore a porous film cannot be obtained. There is a problem that the amount of adsorption at the time of adsorbing the dye is reduced, and the battery performance is lowered.
そこで、本発明は、基板として合成樹脂などの高温に弱い材料を用いることができるとともに、電池性能の向上を図り得る色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for forming a photocatalyst film in a dye-sensitized solar cell that can use a material that is weak at high temperature such as a synthetic resin as a substrate and can improve battery performance.
上記課題を解決するため、本発明の色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法は、透明電極と、対向電極と、これら両電極間に配置される電解質層と、両電極間で且つ透明電極側に配置される光触媒膜とを具備する色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法であって、
光触媒微粒子および当該光触媒微粒子の前駆体を含む混合物を、上記透明電極の表面に塗布するとともに、また塗布した後、過熱水蒸気を噴霧して焼成することにより、光触媒膜を形成する方法であり、
また上記混合物を透明電極の表面に塗布する際に、静電スプレー法を用いる方法である。
In order to solve the above-described problems, a method for forming a photocatalytic film in a dye-sensitized solar cell of the present invention includes a transparent electrode, a counter electrode, an electrolyte layer disposed between both electrodes, and a transparent electrode between both electrodes. A method of forming a photocatalyst film in a dye-sensitized solar cell comprising a photocatalyst film disposed on the side,
A method of forming a photocatalyst film by applying a mixture containing photocatalyst fine particles and a precursor of the photocatalyst fine particles to the surface of the transparent electrode, and spraying superheated water vapor after firing.
Moreover, when applying the said mixture to the surface of a transparent electrode, it is the method of using an electrostatic spray method.
さらに、上記形成方法において、光触媒微粒子が酸化チタン、酸化タングステン、酸化スズ、酸化亜鉛または酸化ニオブであり、
また前駆体が金属アルコキシド、金属アセチルアセトネートまたは金属カルボキシレートとする方法である。
Further, in the above formation method, the photocatalytic fine particles are titanium oxide, tungsten oxide, tin oxide, zinc oxide or niobium oxide,
Further, the precursor is a metal alkoxide, metal acetylacetonate or metal carboxylate.
上記形成方法によると、光触媒膜を透明電極の表面に形成する際に、光触媒微粒子および当該光触媒微粒子の前駆体を含む混合物を透明電極の表面に塗布するとともに、また塗布した後、過熱水蒸気を噴霧するようにしたので、電極全体を加熱する必要がなく、したがって透明電極の基板材料として合成樹脂などの耐熱性の低い材料を用いることができるので、太陽電池そのものの軽量化および低価格化を図ることができる。 According to the above formation method, when the photocatalyst film is formed on the surface of the transparent electrode, the mixture containing the photocatalyst fine particles and the precursor of the photocatalyst fine particles is applied to the surface of the transparent electrode, and after the application, the superheated steam is sprayed. Therefore, it is not necessary to heat the entire electrode, and therefore, a material having low heat resistance such as a synthetic resin can be used as a substrate material for the transparent electrode, thereby reducing the weight and cost of the solar cell itself. be able to.
また、光触媒膜に過熱水蒸気を噴霧するため、光触媒膜に含まれる高温用ペーストなどの高い焼成温度を前提としたバインダを除去することができ、したがってフィルム基板を用いた場合でも、光触媒膜における光触媒微粒子同士の結合性が向上して多孔質性を確保することができるので、光触媒膜中への光増感色素の吸着量が増加し、電池性能の向上を図ることができる。 Also, since superheated water vapor is sprayed onto the photocatalyst film, binders premised on a high firing temperature such as high-temperature paste contained in the photocatalyst film can be removed, so even when a film substrate is used, the photocatalyst in the photocatalyst film can be removed. Since the bonding property between the fine particles is improved and the porous property can be ensured, the amount of the photosensitizing dye adsorbed in the photocatalyst film is increased, and the battery performance can be improved.
以下、本発明の実施の形態に係る色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法を、具体的に示した実施例に基づき説明する。 Hereinafter, a method for forming a photocatalyst film in a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention will be described based on specific examples.
まず、実施例1に係る色素増感太陽電池の概略構成を図1に基づき説明する。
この色素増感太陽電池は、図1に示すように、負極としての透明電極1と、正極としての対向電極2と、これら両電極1,2間に配置される電解質層3と、両電極1,2間で且つ透明電極1側に配置される光触媒膜(光触媒層または発電層ともいう)4とが具備されている。
First, a schematic configuration of the dye-sensitized solar cell according to Example 1 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell includes a
上記透明電極1は、透明基板11およびこの透明基板11の表面に形成(配置)された透明導電膜12から構成されており、また対向電極2は、透明基板21およびこの透明基板21の表面に形成(配置)された透明導電膜22から構成されている。
The
上記各透明基板11,21としては、合成樹脂板、ガラス板などが適宜使用されるが、軽量化および低価格化の点で、ポリエチレン・ナフタレート(PEN)フィルムなどの熱可塑性樹脂が好ましい。なお、ポリエチレン・ナフタレートの他に、ポリエチレン・テレフタレート、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィンなどを使用することもできる。
As each of the
また、透明導電膜12,22として、好ましくは、スズ添加酸化インジウム(ITO)が使用され、この他に、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO2)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)などの導電性金属酸化物を含む薄膜を使用することができる。
Further, as the transparent
上記電解質層3としては、例えばヨウ素系電解液が使用される。具体的には、ヨウ素、ヨウ化物イオン、ターシャリーブチルピリジンなどの電解質成分が、エチレンカーボネートやメトキシアセトニトリルなどの有機溶媒に溶解されたものが用いられる。なお、電解質層3は、電解液に限られるものではなく、固体電解質であってもよい。
As the
上記固体電解質としては、例えば、DMPImI(ジメチルプロピルイミダゾリウムヨウ化物)が例示され、この他、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2などの金属ヨウ化物、テトラアルキルアンモニウムヨーダイドなど4級アンモニウム化合物のヨウ素塩などのヨウ化物とI2とを組み合わせたもの、LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2などの金属臭化物、およびテトラアルキルアンモニウムブロマイドなど4級アンモニウム化合物の臭素塩などの臭化物とBr2とを組み合わせたものなどを適宜使用することができる。 As the solid electrolyte, for example, is illustrated DMPImI (dimethylpropyl imidazolium iodide), but this addition, LiI, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2, tetraalkylammonium iodide and quaternary ammonium compounds Bromide such as a combination of iodide such as iodine salt and I 2 , metal bromide such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr and CaBr 2 , and bromide salt of quaternary ammonium compound such as tetraalkylammonium bromide and Br 2 And the like can be used as appropriate.
そして、上記光触媒膜4は、光増感色素42が吸着された酸化物半導体層41により形成されており、その製造に際しては、光触媒微粒子つまり金属酸化物微粒子である酸化物半導体を含むペーストを透明電極1の表面に塗布し、焼成した後、光増感色素を酸化物半導体に吸着させることにより得られる。
The photocatalyst film 4 is formed of an
また、上記酸化物半導体としては、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化タングステン(WO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)などの金属酸化物が用いられ、光増感色素としては、ビピリジン構造若しくはターピリジン構造を含む配位子を有するルテニウム錯体や鉄錯体、ポルフィリン系やフタロシアニン系の金属錯体、またはエオシン、ローダミン、メロシアニン、クマリンなどの有機色素などが用いられる。 Examples of the oxide semiconductor include metal oxides such as titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), and niobium oxide (Nb 2 O 5 ). As photosensitizing dyes used, ruthenium complexes and iron complexes having a ligand containing a bipyridine structure or a terpyridine structure, metal complexes of porphyrins or phthalocyanines, or organic dyes such as eosin, rhodamine, merocyanine, coumarin, etc. Is used.
次に、本発明の要旨である光触媒膜4の製造方法、つまり形成方法について説明する。
まず、光触媒である金属酸化物微粒子、その前駆体、粘性剤およびバインダをアルコール液に溶かしてペースト状の混合物となし、次にこのペースト状の混合物を透明電極1の表面に、例えばスキージ法またはスクリーン印刷法により塗布した後、この表面に過熱水蒸気を噴霧して焼成(焼結ともいえる)することにより、光触媒膜4が得られる。
Next, a manufacturing method of the photocatalyst film 4 that is the gist of the present invention, that is, a forming method will be described.
First, metal oxide fine particles that are photocatalysts, their precursors, a viscous agent and a binder are dissolved in an alcohol solution to form a paste-like mixture, and then this paste-like mixture is formed on the surface of the
ここで、過熱水蒸気により焼成する方法を具体的に説明すると、図2に示すように、例えば水平断面形状が矩形状である所定高さの(所定幅で且つ所定長さの開口を有する箱形状)の蒸気噴霧ノズル51から、350〜550℃の温度範囲の過熱水蒸気を透明基板11であるフィルム基板の表面に塗布された光触媒膜となるペースト状の混合物の表面に噴霧(緩やかに供給する状態)させる。このとき、蒸気噴霧ノズル51と透明基板11との相対移動速度は、数mm〜1000mm/secの範囲内である。具体的には、矢印aで示すように、透明基板11が数mm〜1000mm/secの範囲内の適正な速度でもって移動される。この場合、透明基板11に連続して光触媒膜4を形成することができる。勿論、透明基板11に対して蒸気噴霧ノズル51を移動させることもできる。
Here, the method of baking with superheated steam will be described in detail. As shown in FIG. 2, for example, the horizontal cross-sectional shape is a rectangular shape having a predetermined height (a predetermined width and a predetermined length opening) ) From the
また、蒸気噴霧ノズル51は、下面が開放され且つ上部側面に飽和水蒸気Sの噴出用開口部(供給口ともいえる)が設けられた細長い箱型形状にされるとともに内部に電気ヒータ(図示せず)が配置されたものである。具体的には、蒸気噴霧ノズル51の噴出用開口部は、透明基板11の前後の移動方向と直交する幅方向で長くされている。
Further, the
したがって、100℃の飽和水蒸気Sが蒸気噴霧ノズル51に供給されると電気ヒータにより所定温度に、例えば350〜550℃の温度に加熱されて、その下面の噴出用開口部から過熱水蒸気Hが光触媒膜4の表面に供給されることになる。この意味で、蒸気噴霧ノズル51は、過熱蒸気発生装置付きといえる。
Accordingly, when saturated steam S of 100 ° C. is supplied to the
上記粘性剤としては、エチレングリコール、アセチルアセトンなどが用いられ、バインダとしては、ポリエチレングリコールなどが用いられる。
また、上記対向電極2として、透明基板21の表面に透明導電膜22を形成したものとして説明したが、アルミニウム、銅、スズなどの金属シートを用いることもできる。この他、アルミニウム、銅、スズなどの金属またはカーボン製のメッシュ状電極にゲル状固体電解質を保持させることにより当該対向電極を構成してもよく、さらに透明基板21の片面に且つ導電性接着剤層を当該透明基板21を覆うように形成し、この接着剤層を介して、別途形成されたブラシ状カーボンナノチューブ群を当該透明基板21側に転写することで、対向電極2を構成してもよい。
As the viscosity agent, ethylene glycol, acetylacetone or the like is used, and as the binder, polyethylene glycol or the like is used.
The
ここで、色素増感太陽電池(光電変換素子でもある)を組み立てる場合について簡単に説明すると、表面に上述の方法により光触媒膜4が形成された透明電極1と対向電極2とを位置合わせした後、両電極1,2間を熱融着フィルムや封止材などで密封し、そして透明電極1または対向電極2に予め設けておいた孔や隙間から、液体の電解質を両電極1,2間に注入すればよい。
Here, the case where a dye-sensitized solar cell (which is also a photoelectric conversion element) is assembled will be briefly described. After the
なお、固体電解質を用いる場合には、両電極1,2間に光触媒膜4および電解質層3が挟まれるように重ね合わせた後、その周縁部同士を加熱し接着すればよい。
以下、上記実施例1を、より具体的に示した複数の具体例に係る色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法について説明する。
[具体例1]
まず、具体例1に係る光触媒膜の形成方法について説明すると、粒径20nmの酸化チタン微粒子(日本アエロジル製:P−25)6.0g、pH2に調整した硝酸水14.0g、アセチルアセトン2.2g、ポリエチレングリコール(#20,000)0.6gおよび界面活性剤(オクチルフェノールエトキシレート:具体例としては、TritonX−100などがある)を純水で100倍に希釈したもの0.6gをペイントシェーカなどで約6時間程度混練し、酸化チタンペーストを得た。
In addition, when using a solid electrolyte, after superposing | stacking so that the photocatalyst film | membrane 4 and the
Hereinafter, a method for forming a photocatalyst film in a dye-sensitized solar cell according to a plurality of specific examples in which Example 1 is shown more specifically will be described.
[Specific Example 1]
First, a method for forming a photocatalytic film according to Example 1 will be described. Titanium oxide fine particles having a particle diameter of 20 nm (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd .: P-25) 6.0 g, nitrated water 14.0 g adjusted to
そして、この酸化チタンペーストを透明電極1であるPEN−ITOフィルムの表面に塗布した後、350〜550℃の過熱水蒸気をその表面に噴霧する(曝す、または照射ともいえる)。噴霧速度、つまり蒸気噴霧ノズル51に対する透明電極1の移動速度は、上述したように、数mm〜1000mm/secの範囲内とされる。なお、温度の高い過熱水蒸気を熱に弱いフィルム基板に対して移動しながら(言い換えれば、両者は相対的に移動する)噴霧することになり、したがってフィルム基板が熱による悪影響を受けるのを防止し得る。
And after apply | coating this titanium oxide paste to the surface of the PEN-ITO film which is the
また、1回の過熱水蒸気の噴霧では、焼成が不十分である場合には、複数回噴霧してもよい。
さらに、本実施例1においては、塗布するペーストにポリエチレングリコールなどのバインダが入っているため、これらのバインダを除去できる程度の過熱水蒸気噴霧による焼成が好ましい。また、ポリエチレングリコールの代わりに、エチレングリコールを用いることで、より低温で焼成することができる。
[具体例2]
次に、具体例2に係る光触媒膜の形成方法について説明する。
Moreover, in the case where firing is insufficient by one spraying of superheated steam, spraying may be performed a plurality of times.
Furthermore, in Example 1, since a paste such as polyethylene glycol is contained in the paste to be applied, baking by superheated steam spraying that can remove these binders is preferable. Further, by using ethylene glycol in place of polyethylene glycol, baking can be performed at a lower temperature.
[Specific Example 2]
Next, a method for forming a photocatalytic film according to specific example 2 will be described.
この形成方法における酸化チタンペーストとしては、上述した具体例1で得た酸化チタンペーストに、光触媒の前駆体として、金属アルコキシドつまりチタンアルコキシドであるチタン(IV)イソプロポキシド(TTIP)0.20gとプロパノール37.50gを混合したものを用いた。 As the titanium oxide paste in this forming method, the titanium oxide paste obtained in the specific example 1 described above was used as a photocatalyst precursor, with a metal alkoxide, that is, titanium alkoxide titanium (IV) isopropoxide (TTIP) 0.20 g. A mixture of 37.50 g of propanol was used.
なお、塗布する混合物としてはこのものに限定されるものでもなく、例えば光触媒の前駆体としてTTIPを用いる代わりに、チタンテトラエトキシド、四塩化チタン、水酸化チタンなどを使用することができる。 The mixture to be applied is not limited to this, and for example, titanium tetraethoxide, titanium tetrachloride, titanium hydroxide or the like can be used instead of TTIP as a photocatalyst precursor.
また、チタン以外の酸化物半導体として、酸化スズ(SnO2)、酸化タングステン(WO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)などを用いる場合には、それぞれの前駆体が用いられる。なお、光触媒の前駆体については光触媒膜の材質に必ずしも一致する必要はなく、例えば光触媒が酸化チタンである場合、前駆体として酸化ニオブの前駆体を用いることができる。 In the case where tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), or the like is used as an oxide semiconductor other than titanium, the respective precursors are Used. The photocatalyst precursor does not necessarily match the material of the photocatalyst film. For example, when the photocatalyst is titanium oxide, a niobium oxide precursor can be used as the precursor.
さらに、溶媒であるアルコール液についても、プロパノールだけでなく、t−ブチルアルコール、エトキシエタノール、エタノールなどを用いてもよい。また、加水分解を抑制する目的として、ジエタノールアミンやアセチルアセトンなどを加えてもよい。 Furthermore, not only propanol but also t-butyl alcohol, ethoxyethanol, ethanol or the like may be used for the alcohol liquid as a solvent. Moreover, you may add diethanolamine, acetylacetone, etc. for the purpose of suppressing hydrolysis.
ここで、具体的な数値について説明すると、過熱水蒸気による光触媒膜の焼成を行わずに、市販の低温用酸化チタンペーストを用いて、膜厚が数μm程度、有効径φが6mmの色素増感太陽電池を作成すると、1Sun、AMが1.5下で、電流密度は8.67mA/cm2、開放電圧は0.70V、フィルファクタは0.61、変換効率は3.68%だったのに対して、上記具体例1に係る場合では、電流密度は13.2mA/cm2、開放電圧は0.72V、フィルファクタは0.61、変換効率は5.79%であった。すなわち、本発明に係る光触媒膜の形成方法により得られたものが優れているのが分かる。 Here, specific numerical values will be described. Dye sensitization with a film thickness of about several μm and an effective diameter φ of 6 mm using a commercially available low-temperature titanium oxide paste without firing the photocatalytic film with superheated steam. When you create a solar cell, 1 sUN, the AM is under 1.5, the current density is 8.67mA / cm 2, the open circuit voltage is 0.70 V, the fill factor is 0.61, the conversion efficiency was 3.68% On the other hand, in the case of the specific example 1, the current density was 13.2 mA / cm 2 , the open circuit voltage was 0.72 V, the fill factor was 0.61, and the conversion efficiency was 5.79%. That is, it can be seen that the photocatalytic film forming method according to the present invention is excellent.
この実施例1の光触媒膜の形成方法によると、光触媒膜4を透明電極1の表面に形成する際に、光触媒としての金属酸化物微粒子とアルコール液との混合液を作成した後、水、粘性剤およびバインダを添加してペースト状の混合物を得、そしてこの混合物を透明電極1の表面に塗布した後、この塗布膜に350〜550℃の温度範囲の過熱水蒸気を噴霧して焼成するようにしたので、電極全体を加熱する必要がない。すなわち、透明電極1の基板材料として合成樹脂などの耐熱性の低い材料を用いることができるので、太陽電池そのものの軽量化および低価格化を図ることができ、しかも基板全体を加熱する必要がないため大掛かりな加熱装置も必要としないので、製造設備コストの低減化も図ることができる。
According to the photocatalyst film forming method of Example 1, when the photocatalyst film 4 is formed on the surface of the
また、光触媒膜に過熱水蒸気を噴霧するため、光触媒膜に含まれる高温用ペーストなどの高い焼成温度を前提としたバインダを除去することができ、したがってフィルム基板を用いた場合でも、光触媒膜における光触媒微粒子同士の結合性が向上して多孔質性を確保することができるので、光触媒膜中への光増感色素の吸着量が増加し、電池性能の向上を図り得る。 Also, since superheated water vapor is sprayed onto the photocatalyst film, binders premised on a high firing temperature such as high-temperature paste contained in the photocatalyst film can be removed, so even when a film substrate is used, the photocatalyst in the photocatalyst film can be removed. Since the bonding property between the fine particles is improved and the porous property can be secured, the amount of the photosensitizing dye adsorbed in the photocatalyst film is increased, and the battery performance can be improved.
次に、本発明の実施例2に係る色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法について説明する。
上記実施例1においては、光触媒である金属酸化物微粒子およびその前駆体が含まれたペースト状の混合物を、透明電極の表面に、例えばスキージ法により塗布した後に、過熱水蒸気を噴霧させて焼成するように説明したが、本実施例2においては、このペースト状の混合物を静電スプレー法を用いて塗布し、且つこの塗布と同時に過熱水蒸気を噴霧させるようにしたものである。
Next, a method for forming a photocatalyst film in a dye-sensitized solar cell according to Example 2 of the present invention will be described.
In Example 1 described above, a paste-like mixture containing metal oxide fine particles as a photocatalyst and its precursor is applied to the surface of the transparent electrode by, for example, a squeegee method, and then sprayed with superheated steam and baked. As described above, in Example 2, this paste-like mixture was applied using an electrostatic spray method, and superheated steam was sprayed simultaneously with this application.
すなわち、本実施例2に係る光触媒膜の形成方法は、光触媒である金属酸化物微粒子、当該金属酸化物微粒子の前駆体、粘性剤およびバインダをアルコール液に溶かしてなるペースト状の混合物を、透明電極の表面に塗布しながら(同時に)過熱水蒸気を噴霧して焼成する方法であり、また混合物の塗布方法として静電スプレー法が用いられる。 That is, the method for forming a photocatalyst film according to Example 2 is a method for producing a transparent mixture of a metal oxide fine particle that is a photocatalyst, a precursor of the metal oxide fine particle, a viscosity agent, and a binder in an alcohol liquid. This is a method in which superheated steam is sprayed and fired while (simultaneously) being applied to the surface of the electrode, and an electrostatic spray method is used as a method for applying the mixture.
ここで、静電スプレー法の原理について簡単に説明しておく。
この静電スプレー法は、図3に示すように、透明電極1に向かって溶液を噴霧する液噴霧ノズル61の中心に針状電極62を配置するとともに、この針状電極62と透明電極1を載置する印加用電極63との間に所定電圧の直流電源64を接続し、噴霧時に、針状電極62側に正の電圧を印加することにより、噴霧液を帯電させて負の印加用電極63上に配置された透明電極1の表面に噴霧して付着させる方法である。なお、上記透明電極1は、平面移動装置65上に載置されて、任意の位置に移動し得るように構成されている。なお、光触媒膜を実際に且つ連続的に形成する場合には、当然に、液噴霧ノズル61についても透明電極1の幅に対応し得るような形状および大きさにされるとともに、透明電極1を所定方向に連続して移動し得る移動装置が用いられることになる。例えば、透明電極1がベルトコンベヤ式(無端帯状式)の移動装置に載置される。
Here, the principle of the electrostatic spray method will be briefly described.
In this electrostatic spray method, as shown in FIG. 3, a
上記静電スプレー法による塗布条件としては、液噴霧ノズルの種類、塗布溶液の粘度、霧化エアー圧、パターン幅、吐出量、吐出圧、移動速度、重ね幅、液噴霧ノズルと透明電極との距離、印加電圧などが挙げられるが、これらの条件は、使用する機器によって異なるため、所望の膜厚が得られるように、適宜、塗布条件が選択される。 Application conditions by the electrostatic spraying method include: type of liquid spray nozzle, viscosity of coating solution, atomizing air pressure, pattern width, discharge amount, discharge pressure, moving speed, overlap width, liquid spray nozzle and transparent electrode The distance, the applied voltage, and the like can be mentioned, but these conditions vary depending on the equipment to be used. Therefore, the coating conditions are appropriately selected so that a desired film thickness can be obtained.
次に、本発明の要旨である光触媒膜の形成方法について説明する。
まず、光触媒となる金属酸化物微粒子、その前駆体、粘性剤およびバインダをアルコール液に溶かしてペースト状になし、次にこのペースト状にされた混合物を透明電極1の表面に噴霧スプレー法により塗布するとともに、この表面に蒸気噴霧ノズルから、350〜550℃の温度範囲の過熱水蒸気を透明基板11であるフィルム基板の表面に塗布された光触媒膜4の表面に噴霧(緩やかに供給する状態)させる。この蒸気噴霧ノズルからの過熱水蒸気の熱により、光触媒膜が形成される。また、粘性剤としては、上述したように、エチレングリコール、エチレンゴリコール、またはアセチルアセトンなどが用いられる。
[具体例1]
以下、具体例1について説明する。
Next, a method for forming a photocatalytic film that is the gist of the present invention will be described.
First, the metal oxide fine particles used as a photocatalyst, its precursor, a viscous agent and a binder are dissolved in an alcohol solution to form a paste, and then the paste-like mixture is applied to the surface of the
[Specific Example 1]
Specific example 1 will be described below.
なお、ここでは、液噴霧ノズルから酸化チタンペーストを噴霧した直後に、つまりほぼ同時に蒸気噴霧ノズルから過熱水蒸気を噴霧する場合について説明するとともに、透明電極1に対して両噴霧ノズル51,61を移動させる場合について説明する。
Here, the case where the superheated steam is sprayed from the steam spray nozzle immediately after spraying the titanium oxide paste from the liquid spray nozzle is described, and the
まず、図4(a)に示すように、透明電極1であるPEN−ITOフィルムに、静電スプレー法を用いて、液噴霧ノズル61から光触媒微粒子を含む酸化チタンペーストを透明基板12の表面に塗布する(フィルム基板の代わりにガラス基板を用いてもよい)。
First, as shown in FIG. 4A, a titanium oxide paste containing photocatalyst fine particles is applied to the surface of the
この静電スプレー法に用いる塗布溶液としては、例えば粒径が20nmの酸化チタン微粒子(日本アエロジル製:P−25)をエタノールに混合したものを用いた。ここで、溶媒をエタノールとしたが、他のアルコール系の溶媒、プロパノールやt−ブタノールなどを用いてもよい。 As a coating solution used in this electrostatic spraying method, for example, a mixture of titanium oxide fine particles having a particle diameter of 20 nm (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd .: P-25) in ethanol was used. Here, although ethanol was used as the solvent, other alcohol solvents such as propanol and t-butanol may be used.
上記静電スプレー法による塗布の条件として、例えば二流体用の液噴霧ノズルを用い、霧化エアー圧を0.2MPa、吐出量を15g/min、液噴霧ノズルと透明電極との距離を20cm、印加電圧を20kV、液噴霧ノズルの移動速度bを100m/minとした。 As the application conditions by the electrostatic spray method, for example, a two-fluid liquid spray nozzle is used, the atomizing air pressure is 0.2 MPa, the discharge amount is 15 g / min, the distance between the liquid spray nozzle and the transparent electrode is 20 cm, The applied voltage was 20 kV, and the moving speed b of the liquid spray nozzle was 100 m / min.
そして、静電スプレー法による膜の形成直後に、液噴霧ノズル61に下流側に隣接して配置された蒸気噴霧ノズル51から550℃の過熱水蒸気を膜表面に噴霧して焼成を行い、厚さが約5〜6μm程度の光触媒膜を得た。勿論、蒸気噴霧ノズル51も同一方向で且つ同一速度で移動される。なお、上記液噴霧ノズル51は、実施例1で説明した蒸気噴霧ノズル61とほぼ同じ長さ(移動方向と直交する幅方向)の噴出用開口部を有するようにされている。
[具体例2]
次に、具体例2について説明する。
Then, immediately after formation of the film by the electrostatic spray method, 550 ° C. superheated steam is sprayed on the film surface from the
[Specific Example 2]
Next, specific example 2 will be described.
この具体例2における塗布溶液である混合物として、光触媒微粒子として粒径が20nmの酸化チタン微粒子(日本アエロジル製:P−25)および光触媒の前駆体溶液であるチタン(IV)イソプロポキシド(TTIP)0.20gをプロパノール液37.50gに混合させたものを用いるとともに、液噴霧ノズル61として二流体噴霧ノズルを用いて試験を行った。但し、塗布溶液はこれに限られるものではなく、光触媒の前駆体として、例えばチタンテトラエトキシド、四塩化チタン、水酸化チタンなどを使用することもできる。また、光触媒微粒子もチタンに限られるものではなく、酸化亜鉛、酸化ニオブ、酸化タングステンなども使用することができる。溶媒もプロパノールだけでなく、t−ブチルアルコール、エトキシエタノール、エタノールなどを用いてもよい。また、加水分解を抑制する目的として、ジエタノールアミン、アセチルアセトンなどを加えてもよい。そして、この具体例2では、図4(b)に示すように、静電スプレー法による膜形成と同時に過熱水蒸気を噴霧して焼成することで、約5〜6μm程度の光触媒膜を得た。勿論、この具体例2においては、液噴霧ノズル61からの噴霧範囲と、蒸気噴霧ノズル51からの噴霧範囲とが丁度重なるように、両噴霧ノズル51,61が配置される。また、具体例1と同様に、両噴霧ノズル51,61は同一方向で且つ同一速度で移動される。
As a mixture which is a coating solution in the specific example 2, titanium oxide fine particles (manufactured by Nippon Aerosil: P-25) having a particle size of 20 nm as photocatalyst fine particles and titanium (IV) isopropoxide (TTIP) which is a photocatalyst precursor solution A test was performed using 0.20 g mixed with 37.50 g of propanol liquid and using a two-fluid spray nozzle as the
ところで、上記具体例1および2における過熱水蒸気の噴霧は、その温度が350〜550℃程度となる箇所に、上記光触媒膜を曝すことで行われる。過熱水蒸気の噴霧条件(噴霧速度)は、膜の状態や用いるフィルム基板の耐熱性などによっても異なるが、例えば数mm〜1000mm/secの範囲内とされる。また、1回のスプレー塗布・過熱水蒸気の噴霧で光触媒膜の厚みが十分得られない場合には、複数回行われる。 By the way, spraying of the superheated steam in the specific examples 1 and 2 is performed by exposing the photocatalyst film to a place where the temperature is about 350 to 550 ° C. The superheated steam spraying condition (spraying speed) varies depending on the state of the film and the heat resistance of the film substrate to be used, but is in the range of several mm to 1000 mm / sec, for example. Further, when the thickness of the photocatalyst film cannot be sufficiently obtained by one spray application / superheated steam spray, the process is performed a plurality of times.
さらに、塗布溶液には、適量のポリエチレングリコールなどのバインダが混入されるが、これらのバインダは過熱水蒸気で除去されるので、光触媒膜の多孔質化、厚膜化を図ることができ、したがって電池性能が向上する。 Furthermore, an appropriate amount of a binder such as polyethylene glycol is mixed in the coating solution, but since these binders are removed by superheated steam, the photocatalyst film can be made porous and thick, and thus the battery Performance is improved.
ところで、過熱水蒸気による光触媒膜の焼成を行わずに、市販の低温用酸化チタンペーストを用いて有効径φが6mmの色素増感太陽電池を作製すると、光触媒膜の形成に要する時間は20〜30分程度で、電池性能は1sun、AM1.5下で、電流密度は8.67mA/cm2、開放電圧は0.70V、フィルファクタは0.61、変換効率は3.6%であったのに対し、上記具体例1に係る場合では、光触媒膜の形成に要する時間は数分程度であり、また電流密度は9.80mA/cm2、開放電圧は0.67V、フィルファクタは0.69、変換効率は5.15%であった。 By the way, when a dye-sensitized solar cell having an effective diameter φ of 6 mm is produced using a commercially available low-temperature titanium oxide paste without firing the photocatalyst film with superheated steam, the time required for forming the photocatalyst film is 20-30. The battery performance was about 1 minute under AM 1.5, the current density was 8.67 mA / cm 2 , the open-circuit voltage was 0.70 V, the fill factor was 0.61, and the conversion efficiency was 3.6%. On the other hand, in the case of the specific example 1, the time required for forming the photocatalytic film is about several minutes, the current density is 9.80 mA / cm 2 , the open-circuit voltage is 0.67 V, and the fill factor is 0.69. The conversion efficiency was 5.15%.
なお、上記各具体例においては、液噴霧ノズル51および蒸気噴霧ノズル61を幅方向で長くされた噴出用開口部を有するものとして説明したが、勿論、通常の円形の噴出用開口部を有するノズルを用いてもよく、この場合、前後の移動に加えて、幅方向で往復移動されることになる。
In each of the above specific examples, the
この実施例2に係る光触媒膜の形成方法によれば、自然乾燥やヒータなどによる焼成工程を省いても光触媒膜を形成することができる。また、過熱水蒸気を用いることで、フィルムや透明導電膜にダメージを与えずに焼成することができるため、光触媒膜に含まれる高温用ペーストなどの高い焼成温度を前提としたバインダを熱によって除去でき、したがってフィルム基板を用いた場合でも、光触媒膜における光触媒微粒子同士の結合性が向上して多孔質性を確保することができるので、光触媒膜中への光増感色素の吸着量が増加し、電池性能の向上を図り得る。 According to the method for forming a photocatalyst film according to the second embodiment, the photocatalyst film can be formed even without natural drying or a firing step using a heater or the like. In addition, by using superheated steam, the film and transparent conductive film can be baked without damaging them, so binders premised on a high baking temperature such as high-temperature paste contained in the photocatalyst film can be removed by heat. Therefore, even when a film substrate is used, the connectivity between the photocatalyst fine particles in the photocatalyst film can be improved and the porous property can be secured, so that the amount of photosensitizing dye adsorbed in the photocatalyst film increases. The battery performance can be improved.
1 透明電極
2 対向電極
3 電解質層
4 光触媒膜
11 透明基板
12 透明電導膜
21 透明基板
22 透明電導膜
41 酸化物半導体層
42 光増感色素
51 蒸気噴霧ノズル
61 液噴霧ノズル
DESCRIPTION OF
Claims (4)
光触媒微粒子および当該光触媒微粒子の前駆体を含む混合物を、上記透明電極の表面に塗布するとともに、また塗布した後、過熱水蒸気を噴霧して焼成することにより、光触媒膜を形成することを特徴とする色素増感太陽電池における光触媒膜の形成方法。 A method for forming a photocatalyst film in a dye-sensitized solar cell comprising a transparent electrode, a counter electrode, an electrolyte layer disposed between both electrodes, and a photocatalyst film disposed between both electrodes and on the transparent electrode side There,
A mixture containing photocatalyst fine particles and a precursor of the photocatalyst fine particles is applied to the surface of the transparent electrode, and after the application, a photocatalytic film is formed by spraying superheated steam and baking. A method for forming a photocatalytic film in a dye-sensitized solar cell.
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