JP5882598B2 - Electrochemical capacitor - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学キャパシタ関するものである。詳しくは、光充電と放電を繰り返して電力源として使用することができ、かつフレキシブル性に優れた平板状の電気化学キャパシタに関する。 The present invention relates to an electrochemical capacitor. Specifically, the present invention relates to a flat electrochemical capacitor that can be used as a power source by repeating photocharging and discharging, and that has excellent flexibility.
近年、エネルギー原料としての化石燃料の枯渇や、その燃焼により発生する二酸化炭素等に起因する地球環境破壊などの社会問題に対応するため、自然エネルギーとして太陽光を利用した電力供給手段の必要性がますます高まりつつある。 In recent years, in order to respond to social problems such as the depletion of fossil fuels as energy raw materials and the destruction of the global environment caused by carbon dioxide generated by the combustion, there is a need for a power supply means that uses sunlight as natural energy. Increasingly increasing.
太陽光を直接電力に変換する手段の1つが太陽電池であり、シリコン結晶やアモルファスシリコン薄膜、非シリコン系の化合物半導体の多層薄膜を用いる、いわゆる固体接合型の太陽電池について、そのエネルギー変換効率を向上させる研究が活発に行われている。 One of the means for directly converting sunlight into electric power is a solar cell, and the energy conversion efficiency of a so-called solid junction solar cell using a silicon crystal, an amorphous silicon thin film, or a multilayer thin film of a non-silicon compound semiconductor is improved. Research to improve it is actively conducted.
しかし、固体接合型の太陽電池は、製造に真空工程等を必要とし高コストとなる欠点から、最近では製造コストが低く、高い効率を実現できる有機系の太陽電池、特に色素増感型太陽電池を用いる方法が注目され、実用に向けて色素増感された多孔質半導体膜を用いる光電変換方法が提案されている(例えば、「非特許文献1」、「特許文献1」、「特許文献2」参照。)。 However, solid-junction solar cells require a vacuum process or the like for manufacturing and are expensive, and recently, organic solar cells that are low in manufacturing cost and can realize high efficiency, particularly dye-sensitized solar cells. In particular, photoelectric conversion methods using a porous semiconductor film dye-sensitized for practical use have been proposed (for example, “Non-patent Document 1”, “Patent Document 1”, “Patent Document 2”). "reference.).
また、太陽電池と蓄電素子を単一の素子構成に一体化した光充電可能な素子として、「光キャパシタ」が考案され、その原理が開示されている(例えば、「非特許文献2」、「非特許文献3」参照。)。これらの光キャパシタは蓄電材料に活性炭を用い、電極基板には導電性ガラス基板を用いており、活性炭の特徴である電気二重層による静電的充電の機能を素子に内蔵したものである。しかし、ガラス基板を用いた素子は脆く柔軟性が無いために、それを設置する場所は平坦な表面にのみ限られ、曲面や形状の変化する表面に設置することができない。また、活性炭は黒色の蓄電層であるために、素子は不透明であり、光を光電極の基板が配置する側の一方向からしか利用することができない。素子の用途範囲を広げるためには、素子を軽量、フレキシブル化し、かつ、平板状素子の両面から入射する光を有効利用できるように素子を光学的に透明な構造体とすることが望まれる。 In addition, “photocapacitor” has been devised as a photochargeable element in which a solar cell and a power storage element are integrated into a single element configuration, and its principle is disclosed (for example, “Non-Patent Document 2”, “ (See Non-Patent Document 3).) These photocapacitors use activated carbon as a power storage material and a conductive glass substrate as an electrode substrate, and have a function of electrostatic charging by an electric double layer, which is a feature of activated carbon, built in the element. However, since an element using a glass substrate is fragile and not flexible, the place where the glass substrate is installed is limited to a flat surface and cannot be installed on a curved surface or a surface whose shape changes. Moreover, since activated carbon is a black electricity storage layer, the element is opaque, and light can be used only from one direction where the substrate of the photoelectrode is disposed. In order to expand the application range of the element, it is desired to make the element light and flexible, and to make the element an optically transparent structure so that light incident from both sides of the flat element can be effectively used.
本発明は、光による発電、充電及び必要時における放電を任意に行うことができ、軽量かつフレキシブルであり、さらに光学的に透明な構造によって両面の入射光を利用できる薄型フィルム状の電気化学キャパシタ(積層型光キャパシタ)、及びこれを用いた電気化学キャパシタ粘着シートを提供することを目的とする。 The present invention is a thin film electrochemical capacitor that can arbitrarily perform power generation, charging and discharging when necessary, is lightweight and flexible, and can use incident light on both sides by an optically transparent structure. An object of the present invention is to provide a (stacked optical capacitor) and an electrochemical capacitor adhesive sheet using the same.
すなわち本発明は、光学的に透明な色素増感された半導体層を担持して光発電能力をもつ光電極と、これに電荷輸送層を介して電気的に接合する光学的に透明な内部対極と、該内部対極にイオン性電解質層を介して電気的に接合する光学的に透明な外部対極が順次積層されて構成されて一体となった平板状の電気化学キャパシタであって、前記内部対極がその両面の1つの面において電荷輸送層に接し、他の1つの面において光学的に透明な蓄電活物質を担持してイオン性電解質層に接し、前記外部対極が光学的に透明な蓄電活物質を担持してイオン性電解質層に接し、前記電気化学キャパシタが可視光の波長領域での光透過率が16%以上であり、機械的特性においてフレキシブルであり、前記光電極と前記外部対極とを外部回路で連結して前記光電極を光照射することにより前記内部電極の蓄電活物質に正電荷を、前記外部対極の蓄電活物質に負電荷をそれぞれ蓄積して充電が行われる電気化学キャパシタを提供するものである。 That is, the present invention provides an optically transparent internal counter electrode that carries an optically transparent dye-sensitized semiconductor layer and has a photovoltaic power generation capability, and an optically transparent internal counter electrode that is electrically joined thereto via a charge transport layer. A flat plate-shaped electrochemical capacitor in which an optically transparent external counter electrode that is electrically bonded to the internal counter electrode via an ionic electrolyte layer is sequentially laminated and integrated. Is in contact with the charge transport layer on one side of the both surfaces, is in contact with the ionic electrolyte layer carrying an optically transparent power storage active material on the other side, and the external counter electrode is optically transparent A material is supported and is in contact with the ionic electrolyte layer, and the electrochemical capacitor has a light transmittance of 16% or more in a visible light wavelength region, is flexible in mechanical characteristics, and includes the photoelectrode and the external counter electrode. Are connected by an external circuit. A positive charge to the power storage active material of the internal electrode by light irradiation the photoelectrode, charge respectively accumulated negative charge in the electricity storage active material of the outer counter electrode is to provide an electrochemical capacitor to be performed.
また本発明は、上記電気化学キャパシタに、さらに粘着剤層または接着剤層を設けた電気化学キャパシタ粘着シートを提供するものである。 Moreover, this invention provides the electrochemical capacitor adhesive sheet which further provided the adhesive layer or the adhesive bond layer in the said electrochemical capacitor.
本発明により、両面からの入射光を利用した光発電、充電及び放電が可能であり、軽量、かつフレキシブルな電気化学キャパシタ、及びこれを用いた電気化学キャパシタ粘着シートを提供することが可能となる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a lightweight and flexible electrochemical capacitor capable of photovoltaic power generation, charging and discharging using incident light from both sides, and an electrochemical capacitor adhesive sheet using the same. .
次に添付図面により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto.
図1は、本発明の電気化学キャパシタの典型的な構成例を示す略解断面図である。図1において、2枚の平板電極すなわち光電極I及び内部対極IIが電荷輸送層1をはさんで積層されている。この光電極I、電荷輸送層1、内部対極IIは光発電ユニットを構成している。ここで、電荷輸送層には酸化還元剤を含むイオン電解液もしくは固体の正孔輸送材料が用いられる。また、光電極Iは光学的に透明な透明導電基板3に担持された半導体層4により構成された光電極となっている。また内部対極IIは、光学的に透明な透明導電性基板5に担持された充電可能な蓄電活物質層6から構成され、蓄電活物質層6は電荷輸送層1に対してその反対側の面に担持された構造となっている。この内部対極IIに対して、光学的に透明な基板から成る外部対極IIIが、イオン性電解質層2を中間層として挟んで対向し接合している。外部対極IIIは内部対極と同様に光学的に透明な透明導電基板7の表面に充電可能な蓄電活物質層8を担持している。ここで蓄電活物質層6、8は光学的に透明なナノ粒子の薄膜によって構成される。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a typical configuration example of the electrochemical capacitor of the present invention. In FIG. 1, two plate electrodes, that is, a photoelectrode I and an internal counter electrode II are laminated with the charge transport layer 1 interposed therebetween. The photoelectrode I, the charge transport layer 1, and the internal counter electrode II constitute a photovoltaic unit. Here, an ion electrolyte solution containing a redox agent or a solid hole transport material is used for the charge transport layer. The photoelectrode I is a photoelectrode constituted by a semiconductor layer 4 carried on an optically transparent transparent conductive substrate 3. The internal counter electrode II is composed of a chargeable storage active material layer 6 supported on an optically transparent transparent conductive substrate 5, and the storage active material layer 6 is on the opposite side of the charge transport layer 1. It is the structure supported by. An external counter electrode III made of an optically transparent substrate is opposed to and bonded to the internal counter electrode II with the ionic electrolyte layer 2 as an intermediate layer. The external counter electrode III carries a chargeable storage active material layer 8 on the surface of an optically transparent transparent conductive substrate 7 like the internal counter electrode. Here, the electricity storage active material layers 6 and 8 are formed of a thin film of optically transparent nanoparticles.
電荷輸送層1とイオン性電解質層2は、内部電極IIの挿入によって物理的に完全に接触が遮断されている。電荷輸送層1とイオン性電解質層2は、対向する電極間の電気的短絡を防止するためのセパレータ(多孔性膜等)を含む。また、3つの導電性電極I、II、IIIにはそれぞれ外部回路が結合しており、回路A、B、及びCの開閉を行うためのスイッチA、B、及びCがそれぞれ設けられている。 Contact between the charge transport layer 1 and the ionic electrolyte layer 2 is physically completely blocked by the insertion of the internal electrode II. The charge transport layer 1 and the ionic electrolyte layer 2 include a separator (such as a porous film) for preventing an electrical short circuit between the opposing electrodes. In addition, an external circuit is coupled to each of the three conductive electrodes I, II, and III, and switches A, B, and C for opening and closing the circuits A, B, and C are provided.
本発明の電気化学キャパシタ全体の厚さは特に限定されないが、例えば、約1mm〜約10mm、約1mm〜約5mm、または約1.5mm〜約3mmとすることができる。中でも、厚さを約2mmとすることが好ましい。 The thickness of the entire electrochemical capacitor of the present invention is not particularly limited, and can be, for example, about 1 mm to about 10 mm, about 1 mm to about 5 mm, or about 1.5 mm to about 3 mm. Of these, the thickness is preferably about 2 mm.
本発明の電気化学キャパシタは、透明導電基板3または透明導電基板7の外側の少なくとも一面に、粘着剤層または接着剤層を設けてもよい。これら粘着剤層または接着剤層は、従来公知の粘着剤または接着剤から構成される層である。粘着剤層または接着剤層を設けることにより、電気化学フォトキャパシタを、窓やパネル、パーティションなどの表面に容易に設置することができる。 In the electrochemical capacitor of the present invention, an adhesive layer or an adhesive layer may be provided on at least one outer surface of the transparent conductive substrate 3 or the transparent conductive substrate 7. These pressure-sensitive adhesive layers or adhesive layers are layers composed of conventionally known pressure-sensitive adhesives or adhesives. By providing the pressure-sensitive adhesive layer or the adhesive layer, the electrochemical photocapacitor can be easily installed on the surface of a window, a panel, a partition or the like.
粘着剤層または接着剤層を設ける場合は、その外側に公知の素材からなる剥離ライナーを設けてもよい。剥離ライナーは、電気化学フォトキャパシタの製造過程、または輸送過程で、粘着剤層または接着剤層の表面を保護する。 When an adhesive layer or an adhesive layer is provided, a release liner made of a known material may be provided on the outside thereof. The release liner protects the surface of the pressure-sensitive adhesive layer or the adhesive layer during the manufacturing process or transportation process of the electrochemical photocapacitor.
次に、本発明の電気化学キャパシタの作用原理について説明する。本発明のキャパシタでは、光吸収によって電気化学的に卑な電位に励起される光感応性の電極(以下、「光電極」ということがある。)において、光励起下で電子と正孔の電荷分離が起こる。生じた正孔は、電荷輸送層によって内部対極に移動し、内部対極の表面に担持された蓄電活物質層6に蓄えられる。電荷輸送層は酸化還元剤を含むイオン性電解液や正孔輸送材によって構成される。蓄電活物質層6は、酸化還元反応によって電荷を蓄積する固体の活物質材料、具体的には金属の荷電が変化することで蓄電を行う金属酸化物、もしくはイオンのドープによって酸化還元状態が変化し蓄電を行うポリマー材料によって構成される。 Next, the operation principle of the electrochemical capacitor of the present invention will be described. In the capacitor according to the present invention, charge separation of electrons and holes is performed under light excitation in a light-sensitive electrode (hereinafter sometimes referred to as “photoelectrode”) that is excited to a base potential electrochemically by light absorption. Happens. The generated holes move to the internal counter electrode by the charge transport layer and are stored in the electricity storage active material layer 6 supported on the surface of the internal counter electrode. The charge transport layer is composed of an ionic electrolyte containing a redox agent or a hole transport material. The power storage active material layer 6 is a solid active material that accumulates charges by oxidation-reduction reaction, specifically, a metal oxide that stores power by changing the charge of the metal, or a redox state changes by ion doping. It is made of a polymer material that stores electricity.
光電極で生じた電子は、外部回路を経て外部対極に移動し、外部対極に担持された蓄電活物質層8に蓄えられる。外部対極の蓄電活物質層8は、蓄電活物質層6と同様の活物質材料によって構成される。このようにして光電極の光照射下で内部対極側に正の電気量、外部対極側に負の電気量が充電される。 Electrons generated at the photoelectrode move to the external counter electrode through an external circuit, and are stored in the power storage active material layer 8 supported on the external counter electrode. The electricity storage active material layer 8 of the external counter electrode is composed of an active material similar to that of the electricity storage active material layer 6. In this way, a positive amount of electricity is charged on the inner counter electrode side and a negative amount of electricity is charged on the outer counter electrode side under light irradiation of the photoelectrode.
本発明の電気化学キャパシタ(以下、「光キャパシタ」ということがある。)の充放電は次のように行われる。充電においては、図1の回路AとBを閉じ、回路Cを開いて、光電極Iと外部対極IIIを結ぶ回路A〜Bを短絡状態にし、光電極Iに光照射を行う。この光照射によって内部対極IIに正電荷、外部対極IIIに負電荷が蓄積されて充電が進行する(この過程を以下、「光充電」ということがある。)。光充電の完了は、充電電流が限りなくゼロに近づき、光電極と外部対極間の開回路電圧が飽和する現象によって知ることができる。放電においては、素子を暗中に置いて、回路Aを開き、回路BとCを閉じて、内部対極IIと外部対極IIIをつなげた状態で放電を行う。このとき、回路Cに置かれた負荷(図1の抵抗)を電流が通過しここで電気的仕事が行われる。負荷は、充電された光キャパシタの電力を用いて駆動しようとする目的の電気機器等を意味する。また、放電特性の計測においては、負荷抵抗値を電気的に制御することで、一定の放電電流に制御した条件、いわゆるガルバノスタティックな条件下で、電圧の変化を計測する。 Charging / discharging of the electrochemical capacitor of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “photocapacitor”) is performed as follows. In charging, the circuits A and B in FIG. 1 are closed, the circuit C is opened, the circuits A to B connecting the photoelectrode I and the external counter electrode III are short-circuited, and the photoelectrode I is irradiated with light. By this light irradiation, a positive charge is accumulated in the internal counter electrode II and a negative charge is accumulated in the external counter electrode III, and charging proceeds (hereinafter, this process may be referred to as “photo charge”). Completion of photocharging can be known by the phenomenon that the charging current approaches zero as much as possible, and the open circuit voltage between the photoelectrode and the external counter electrode is saturated. In discharging, the element is placed in the dark, the circuit A is opened, the circuits B and C are closed, and discharging is performed with the internal counter electrode II and the external counter electrode III connected. At this time, a current passes through a load (resistor in FIG. 1) placed in the circuit C, and electrical work is performed here. The load means a target electric device or the like intended to be driven using the power of the charged optical capacitor. In the measurement of the discharge characteristics, the load resistance value is electrically controlled to measure a change in voltage under a condition where the discharge current is controlled to a constant discharge current, a so-called galvanostatic condition.
光キャパシタを実際に光量変化の多い屋外等で用いる場合、充電時の光電流の急激な変化による電流の逆流が起こることを防止する目的で、回路には整流器、ダイオード、スイッチなどの各種のデバイスを装着することができる。 When using an optical capacitor outdoors, where the amount of light changes significantly, various devices such as rectifiers, diodes, and switches are used in the circuit to prevent reverse current flow due to sudden changes in photocurrent during charging. Can be worn.
光電極に担持される半導体層4の半導体材料には、有機半導体、無機半導体の各種材料を用いることができる。また、半導体材料は結晶性であっても非晶質であってもよい。好ましいものは結晶性の無機半導体であり、無機半導体材料としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、金属酸化物、そして金属カルコゲナイド(例えば硫化物、セレン化物等)に代表されるいわゆる化合物半導体又はペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。この中でも好ましいものは金属酸化物および金属カルコゲナイドの半導体である。 As a semiconductor material of the semiconductor layer 4 carried on the photoelectrode, various materials such as an organic semiconductor and an inorganic semiconductor can be used. The semiconductor material may be crystalline or amorphous. Preferred is a crystalline inorganic semiconductor, and as the inorganic semiconductor material, a so-called compound semiconductor represented by a single semiconductor such as silicon or germanium, a metal oxide, and a metal chalcogenide (for example, sulfide, selenide, etc.) or A compound having a perovskite structure can be used. Among these, preferred are metal oxide and metal chalcogenide semiconductors.
半導体層4の半導体材料は、微粒子の凝集したものもしくは多孔性のものが好ましい。このような多孔膜は、その表面粗さ係数が500以上であることが好ましい。ここで、表面粗さ係数R(roughness factor)とは見かけの投影面積に対する材料が実際にもつ表面積の比を意味する。この比は材料の比表面積S(m2/g)と該材料の電極基板上の担持量M(g/m2)を用いて、R=SMで示される。 The semiconductor material of the semiconductor layer 4 is preferably one in which fine particles are aggregated or porous. Such a porous membrane preferably has a surface roughness coefficient of 500 or more. Here, the surface roughness coefficient R (roughness factor) means the ratio of the actual surface area of the material to the apparent projected area. This ratio is represented by R = SM using the specific surface area S (m 2 / g) of the material and the amount M (g / m 2 ) of the material supported on the electrode substrate.
金属酸化物及び金属カルコゲナイドの半導体として好ましいものには、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ又はタンタルのなどの金属の酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物、ガリウムヒ素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等が挙げられる。 Preferred examples of metal oxide and metal chalcogenide semiconductors include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxides such as cadmium , Zinc, lead, silver, antimony, bismuth sulfide, cadmium, lead selenide, cadmium telluride, phosphide such as zinc, gallium, indium, cadmium, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper- Examples include indium sulfide.
上記の半導体の中で本発明に好ましく用いられる半導体は、n型の金属酸化物半導体であり、たとえば、TiO2、TiSrO3、ZnO、Nb2O3、SnO2、またはWO3などが用いられる。これらの酸化物半導体の2種以上を複合させて半導体層として用いてもよい。 Among the above semiconductors, a semiconductor preferably used in the present invention is an n-type metal oxide semiconductor, and for example, TiO 2 , TiSrO 3 , ZnO, Nb 2 O 3 , SnO 2 , or WO 3 is used. . Two or more of these oxide semiconductors may be combined and used as a semiconductor layer.
本発明の電気化学キャパシタの光電極に半導体が単独で用いられる場合は、半導体は400nm以上の可視光の波長領域に少なくとも光吸収を持つn型半導体であることが好ましい。具体的には、400nm以上の可視光の波長領域に半導体のバンドギャップに相当する吸収の立ち上がりを持つn型半導体もしくは400nm以上の波長において光感応性を持つように増感された半導体であることが好ましい。可視光とは、400nm以上、かつ850nm以下の波長に相当する光を意味し、本発明のキャパシタの光電極はこのような波長範囲の光の一部を少なくとも吸収しなければならない。単独で可視光を吸収する半導体の材料としては、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化亜鉛、またはセレン化亜鉛などのカルコゲナイド系化合物半導体があげられる。 When a semiconductor is used alone for the photoelectrode of the electrochemical capacitor of the present invention, the semiconductor is preferably an n-type semiconductor having at least light absorption in a visible light wavelength region of 400 nm or more. Specifically, it is an n-type semiconductor having an absorption rise corresponding to the band gap of the semiconductor in the visible light wavelength region of 400 nm or more, or a semiconductor sensitized to have photosensitivity at a wavelength of 400 nm or more. Is preferred. Visible light means light corresponding to a wavelength of 400 nm or more and 850 nm or less, and the photoelectrode of the capacitor of the present invention must absorb at least part of light in such a wavelength range. Examples of the semiconductor material that absorbs visible light alone include chalcogenide-based compound semiconductors such as cadmium sulfide, cadmium selenide, zinc sulfide, and zinc selenide.
本発明の光電極の半導体層4としては、色素分子によって表面を被覆され該色素分子によって光学的に分光増感された多孔性半導体が好ましく用いられる。ここで、多孔質半導体には、ナノサイズの平均粒径を有する一次粒子が結合して形成されるメソポーラスな半導体薄膜が特に有効である。このようなナノ多孔性半導体層を構成する半導体粒子は、その平均粒径を約5〜約100nm、または約10〜約80nmとすることができる。光電極を構成する半導体層4は、その厚みを、約5μm以上約30μm以下、または約7μm以上約20μm以下とすることができる。半導体層4の空孔率は、約40%以上、または約60%以上とすることができる。 As the semiconductor layer 4 of the photoelectrode of the present invention, a porous semiconductor whose surface is coated with dye molecules and optically spectrally sensitized with the dye molecules is preferably used. Here, a mesoporous semiconductor thin film formed by bonding primary particles having a nano-sized average particle diameter is particularly effective for the porous semiconductor. The semiconductor particles constituting such a nanoporous semiconductor layer can have an average particle size of about 5 to about 100 nm, or about 10 to about 80 nm. The semiconductor layer 4 constituting the photoelectrode can have a thickness of about 5 μm to about 30 μm, or about 7 μm to about 20 μm. The porosity of the semiconductor layer 4 can be about 40% or more, or about 60% or more.
半導体層4を色素によって増感する場合、多孔質半導体に被覆する増感色素分子には、有機色素分子、金属錯体色素分子など各種の増感色素が用いられる。このような色素としては、例えばシアニン系、メロシアニン系、オキソノール系、ローダニン系、インドレニン系、キサンテン系、スクワリリウム系、ポリメチン系、クマリン系、リボフラビン系、ペリレン系などの有機色素、Ru錯体や金属フタロシアニン誘導体、金属ポルフィリン誘導体、クロロフィル誘導体などの錯体系色素などがある。そのほか「機能材料」,2003年,6月号,P5−18に記載されている合成色素や天然色素や「ジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス(J.Chem.Phys.)」,2003年,B第107巻,P597に記載されるクマリンを中心とする有機色素を用いることもできる。 When the semiconductor layer 4 is sensitized with a dye, various sensitizing dyes such as an organic dye molecule and a metal complex dye molecule are used as the sensitizing dye molecule coated on the porous semiconductor. Examples of such dyes include organic dyes such as cyanine, merocyanine, oxonol, rhodamine, indolenine, xanthene, squarylium, polymethine, coumarin, riboflavin and perylene, Ru complexes and metals. There are complex dyes such as phthalocyanine derivatives, metal porphyrin derivatives, and chlorophyll derivatives. In addition, synthetic dyes and natural dyes described in “Functional Materials”, June 2003, P5-18, “J. Chem. Phys.”, 2003, B No. Organic dyes centered on coumarin described in Vol. 107, P597 can also be used.
半導体層4には、上記の無機半導体材料と色素増感された半導体材料のほかに、可視光を吸収する有機の半導体材料ならびに有機の導電材料を用いることができる。有機半導体の例としては、メロシアニン類の色素、シアニン類の色素とそのJ凝集体、クマリン類の色素、ポリエン類の色素、金属フタロシアニンとその誘導体、ポルフィリンとその誘導体、ペリレンとその誘導体などがあげられる。また有機導電材料の例としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ポリチオフェンなどの高分子とその誘導体、ポリ(p−フェニレン)とその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)とその誘導体、ポリトルイジンとその誘導体等の導電性高分子、フラーレンとその誘導体などを用いることができる。これらの有機導電材料は光感応性に加えて正孔輸送材料としての機能も同時に備えて用いることもできる。 In addition to the inorganic semiconductor material and dye-sensitized semiconductor material described above, an organic semiconductor material that absorbs visible light and an organic conductive material can be used for the semiconductor layer 4. Examples of organic semiconductors include merocyanine dyes, cyanine dyes and their J aggregates, coumarin dyes, polyene dyes, metal phthalocyanine and its derivatives, porphyrin and its derivatives, perylene and its derivatives, etc. It is done. Examples of the organic conductive material include polymers such as polyaniline, polypyrrole, polyacene, polythiophene and derivatives thereof, poly (p-phenylene) and derivatives thereof, poly (p-phenylene vinylene) and derivatives thereof, and polytoluidine and derivatives thereof. Conductive polymers such as fullerene and derivatives thereof can be used. These organic conductive materials can be used with a function as a hole transport material in addition to photosensitivity.
本発明の電気化学キャパシタの内部対極および外部対極に用いられる蓄電活物質層を構成する材料(以下、「蓄電用材料」ということがある。)は、内部対極および外部対極において共通の種類の材料であっても良く、また異種の材料であっても良い。 The material constituting the storage active material layer used for the internal counter electrode and the external counter electrode of the electrochemical capacitor of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “storage material”) is a common type of material for the internal counter electrode and the external counter electrode. It may be a different material.
ここで内部対極および外部対極の蓄電用材料には、酸化還元活性があり酸化還元反応すなわちファラデー反応によって電気エネルギーを蓄えることのできる蓄電活物質が用いられる。 Here, a power storage active material that has redox activity and can store electric energy by a redox reaction, that is, a Faraday reaction, is used as the power storage material for the internal counter electrode and the external counter electrode.
蓄電活物質層に電荷を酸化還元反応すなわちファラデー反応によって蓄えるための蓄電用材料としては、無機材料、有機材料の各種の電極活物質を用いることができる。無機の電極活物質としては、黒鉛、メソフェーズピッチ、繊維状炭素、カーボンナノチューブなどの炭素材料が挙げられ、これらはカチオンやアニオンの挿入と酸化還元反応によって活性を与える。また、ルテニウム、イリジウム、ニッケル、スズ、コバルト、バナジウム、ジルコニウム、チタン、マンガン、タングステンなどの多価の金属の酸化物、遷移金属酸化物、金属硫化物なども電極活物質に用いることができる。また、有機の電極活物質としては、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ポリチオフェン、ポリインドールなどの導電性高分子とその誘導体、ポリキノキサリンとその誘導体、有機電荷移動錯体とそのオリゴマーなどを用いることができる。これらの電極活物質は、内部対極と外部対極のいずれか一方あるいは両方に担持することができる。また、これらの電極活物質を電気二重層蓄電層用の炭素材料と混合して用いることもできる。 As an electricity storage material for storing electric charge in the electricity storage active material layer by an oxidation-reduction reaction, that is, a Faraday reaction, various electrode active materials of inorganic materials and organic materials can be used. Examples of the inorganic electrode active material include carbon materials such as graphite, mesophase pitch, fibrous carbon, and carbon nanotube, and these give activity by insertion of a cation or anion and an oxidation-reduction reaction. In addition, polyvalent metal oxides such as ruthenium, iridium, nickel, tin, cobalt, vanadium, zirconium, titanium, manganese, and tungsten, transition metal oxides, metal sulfides, and the like can also be used as the electrode active material. As the organic electrode active material, for example, conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polyacene, polythiophene, and polyindole and derivatives thereof, polyquinoxaline and derivatives thereof, organic charge transfer complexes and oligomers thereof, and the like can be used. . These electrode active materials can be carried on one or both of the internal counter electrode and the external counter electrode. Moreover, these electrode active materials can also be used by mixing with a carbon material for the electric double layer electricity storage layer.
蓄電用材料に金属酸化物を用いる場合は、ルテニウム、ニッケル、マンガンから選ばれる酸化物とその混合物を用いることが高い充電容量を与える点で好ましい。充電容量の点では、色素増感多孔質半導体が生じることのできる発電電圧の上限に近い1Vの電圧の範囲内において、高い電荷蓄積量を達成することのできる材料が好ましい。また、光学的透明性の点で、光透過率の高い薄膜を与えることのできる材料が好ましい。これらの点から、ルテニウムの酸化物はナノ粒子化することによって、光透過性を持つと同時に、単位重量当たりの充電容量が高い特徴をもつことから特に好ましい。 In the case of using a metal oxide for the power storage material, it is preferable to use an oxide selected from ruthenium, nickel, and manganese and a mixture thereof from the viewpoint of providing a high charge capacity. In terms of charge capacity, a material that can achieve a high charge accumulation amount within a voltage range of 1 V that is close to the upper limit of the generated voltage at which the dye-sensitized porous semiconductor can be produced is preferable. Moreover, the material which can give the thin film with a high light transmittance at the point of optical transparency is preferable. From these points, the ruthenium oxide is particularly preferable because it is light-transmitted and has a high charge capacity per unit weight.
内部電極と外部対極を構成する蓄電活物質層には、層を固定化する目的で各種のバインダーを添加することができる。バインダーとしては、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフロロエチレン、フッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合体、ポリ三フッ化塩化エチレン、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネートなどが挙げられる。 Various binders can be added to the electricity storage active material layer constituting the internal electrode and the external counter electrode for the purpose of fixing the layer. As the binder, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polytrifluoroethylene chloride, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, nitrile rubber, butadiene rubber, Examples include chloroprene rubber, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, polyester, polyamide, and polycarbonate.
本発明の電気化学キャパシタにおいて、半導体層4に接する電荷輸送層1には、酸化還元化合物を含むイオン性電解質を用いることができる。これらは、たとえば揮発性の有機溶媒を用いる液体電解液、不揮発性のイオン性液体(常温溶融塩)などを用いる液体電解液、ポリマー電解質やポリマーゲルを用いる高粘度の擬固体電解質、無機や有機の微粒子やナノ粒子の分散物をマトリックスとして含む擬固体電解質などが含まれる。また。電荷輸送層には正孔(正電荷)を移動する能力のある各種の有機、無機の固体導電材料を用いることもできる。 In the electrochemical capacitor of the present invention, an ionic electrolyte containing a redox compound can be used for the charge transport layer 1 in contact with the semiconductor layer 4. These include, for example, liquid electrolytes using volatile organic solvents, liquid electrolytes using non-volatile ionic liquids (room temperature molten salts), high viscosity quasi-solid electrolytes using polymer electrolytes and polymer gels, inorganic and organic Quasi-solid electrolyte containing a fine particle or nanoparticle dispersion as a matrix. Also. Various organic and inorganic solid conductive materials capable of moving holes (positive charges) can also be used for the charge transport layer.
これらの液体、擬固体の電解質に含ませる酸化還元剤としては、I2とヨウ化物の組合せ(ヨウ化物としてはLiI、NaI、KIなどの金属ヨウ化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなど第四級アンモニウム化合物のヨウ素塩など)を含む電解液、Br2と臭化物の組合せ(臭化物としてはLiBr、NaBr、KBrなどの金属臭化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイドなど第四級アンモニウム化合物の臭素塩など)を含む電解液のほか、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオンなどの金属錯体、ポリ硫化ナトリウムなどの硫黄化合物、などを用いることができる。この中でもI2とLiIやピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなど第四級アンモニウム化合物のヨウ素塩を組み合わせた電解質が高い性能を出す点で好ましい。 As a redox agent to be contained in these liquid and quasi-solid electrolytes, a combination of I 2 and iodide (as iodide, metal iodide such as LiI, NaI, KI, tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, etc.) Electrolyte solution containing quaternary ammonium compounds such as imidazolium iodide, combinations of Br 2 and bromides (metal bromides such as LiBr, NaBr and KBr as bromides, or tetraalkylammonium bromides and pyridinium bromides) In addition to electrolyte solutions containing quaternary ammonium compound bromine salts, etc., metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, sulfur compounds such as sodium polysulfide, etc. may be used. it can. Among these, an electrolyte in which an iodine salt of a quaternary ammonium compound such as I 2 and LiI, pyridinium iodide, imidazolium iodide or the like is combined is preferable in terms of obtaining high performance.
上記の酸化還元化合物を含むイオン性液体電解質に用いる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、エチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテルなどを含むアルコール類、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール類、ジオキサン、エチレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテルなどのエーテル類、γ‐ブチロラクトン、α‐メチル‐γ‐ブチロラクトン、β‐メチル‐γ‐ブチロラクトン、γ‐バレロラクトン、3‐メチル‐γ‐バレロラクトンなどのラクトン類、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物、ジメチルスルホキシドなど非プロトン極性物質などが用いられる。これらは単独で用いてもよいし、また2種以上混合して用いてもよい。 Examples of the organic solvent used in the ionic liquid electrolyte containing the redox compound include carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate, alcohols including ethylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, ethylene glycol, Polyhydric alcohols such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, ethers such as dioxane, ethylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, γ-butyrolactone, α-methyl-γ-butyrolactone, β-methyl-γ-butyrolactone, Lactones such as γ-valerolactone, 3-methyl-γ-valerolactone, acetonitrile, methoxyacetonitrile, propionite Le, nitrile compounds such as benzonitrile and aprotic polar substances such as dimethylsulfoxide are used. These may be used alone or in combination of two or more.
上記不揮発性のイオン性液体(常温溶融塩)としては各種のアルキルイミダゾリウム塩、例えばジメチルイミダゾリウム、メチルプロピルイミダゾリウム、メチルブチルイミダゾリウム、メチルヘキシルイミダゾリウムとその四フッ化ホウ素塩、三フッ化メタンスルホニルイミド塩、ヨウ化物などを挙げることができる。そのほかピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩なども用いることができる。これらの溶融塩は、機能材料2004年11月号(シーエムシー出版)、大野弘幸監修、イオン性液体―開発の最前線と未来―(シーエムシー出版、2003年)、特開2002−190323号公報、特開2001−199961号公報、特開2001−196105号公報などに記載されている公知の溶融塩を用いることもできる。 The non-volatile ionic liquid (room temperature molten salt) includes various alkyl imidazolium salts such as dimethyl imidazolium, methyl propyl imidazolium, methyl butyl imidazolium, methyl hexyl imidazolium and its boron tetrafluoride salt, trifluoride. Methanesulfonylimide salt, iodide and the like. In addition, pyridinium salts, imidazolium salts, triazolium salts, and the like can also be used. These molten salts are the functional materials November 2004 issue (CMC Publishing), supervised by Hiroyuki Ohno, ionic liquids-the forefront and future of development (CMC Publishing, 2003), JP 2002-190323 A Also, known molten salts described in JP 2001-199961 A, JP 2001-196105 A, and the like can be used.
電荷輸送層1に、正孔輸送材料を用いる場合は、有機又は無機あるいはこの両者を組み合わせた固体の正孔輸送材料を使用することができる。有機の正孔輸送材料としては、芳香族アミン類、オリゴチオフェン化合物などのほか高分子化合物として、ポリビニルカルバゾール、ポリピロール、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリ(p−フェニレン)及びその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリトルイジン及びその誘導体、ポリシランとその誘導体なども用いることができる。また上記の化合物を含め、有機EL素子の正孔輸送層に用いられる各種の正孔輸送材を用いることができる。 When a hole transport material is used for the charge transport layer 1, organic, inorganic, or a solid hole transport material that combines both can be used. Organic hole transport materials include aromatic amines, oligothiophene compounds, and other polymer compounds such as polyvinyl carbazole, polypyrrole, polyacetylene and derivatives thereof, poly (p-phenylene) and derivatives thereof, and poly (p-phenylene). Vinylene) and derivatives thereof, polythienylene vinylene and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, polytoluidine and derivatives thereof, polysilane and derivatives thereof, and the like can also be used. Moreover, the various hole transport materials used for the hole transport layer of an organic EL element including said compound can be used.
無機の正孔輸送材料としては、p型無機化合物半導体を用いることができる。好ましいp型無機化合物半導体は一価の銅を含む化合物半導体であり、一価の銅を含む化合物半導体の例としてはCuI,CuSCN,CuInSe2,Cu(In,Ga)Se2,CuGaSe2,Cu2O,CuS,CuGaS2,CuInS2,CuAlSe2などが挙げられる。この中でもCuI及びCuSCNが好ましく、CuIが最も好ましい。このほかのp型無機化合物半導体として、GaP、NiO、CoO、FeO、Bi2O3、MoO2、Cr2O3等を用いることができる。 As the inorganic hole transport material, a p-type inorganic compound semiconductor can be used. A preferable p-type inorganic compound semiconductor is a compound semiconductor containing monovalent copper, and examples of the compound semiconductor containing monovalent copper include CuI, CuSCN, CuInSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 , CuGaSe 2 , Cu. 2 O, CuS, and the like CuGaS 2, CuInS 2, CuAlSe 2 . Among these, CuI and CuSCN are preferable, and CuI is most preferable. As other p-type inorganic compound semiconductors, GaP, NiO, CoO, FeO, Bi 2 O 3 , MoO 2 , Cr 2 O 3 and the like can be used.
本発明の電気化学キャパシタにおいて内部対極と外部対極との間に用いるイオン性電解質層に用いる電解液は特に制限はなく、有機電解液、水溶液系電解液、溶融塩系電解液、ポリマー型電解液を含め、電気化学キャパシタに用いることのできる各種の電解液が用いられる。水溶液電解液としては、各種の酸溶液、塩の水溶液、アンモニウム塩を含めるアルカリ性水溶液を用いることができる。 The electrolytic solution used for the ionic electrolyte layer used between the internal counter electrode and the external counter electrode in the electrochemical capacitor of the present invention is not particularly limited, and is an organic electrolyte, an aqueous electrolyte, a molten salt electrolyte, or a polymer electrolyte. Various electrolyte solutions that can be used for electrochemical capacitors are used. As the aqueous electrolyte solution, various acid solutions, aqueous salt solutions, and alkaline aqueous solutions containing ammonium salts can be used.
上記のイオン性電解質層に有機電解液を用いる場合、その有機溶媒は特に限定されるものではないが、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート類、アセトニトリル、プロピオニトリルなどのニトリル類、γ−ブチロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、β−メチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、3−メチル−γ−バレロラクトンなどのラクトン類、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのスルホキシド類、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミドなどのアミド類、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル類、ジメチルスルホラン、スルホランなどを挙げることができる。これらの有機溶媒は、1種又は2種以上の混合溶媒として用いることもできる。 When an organic electrolytic solution is used for the ionic electrolyte layer, the organic solvent is not particularly limited. For example, carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, acetonitrile, propionitrile Nitriles such as γ-butyrolactone, α-methyl-γ-butyrolactone, β-methyl-γ-butyrolactone, γ-valerolactone, lactones such as 3-methyl-γ-valerolactone, dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, etc. Examples thereof include sulfoxides, amides such as dimethylformamide and diethylformamide, ethers such as tetrahydrofuran and dimethoxyethane, dimethylsulfolane and sulfolane. These organic solvents can also be used as a 1 type, or 2 or more types of mixed solvent.
水溶液系電解液を用いる場合、例えば、硫酸、塩酸などの酸や水酸化カリウムなどの塩基、そしてこれらの塩を用いることができる。この場合、高電流密度下での充放電特性に優れる少なくとも一つのランタノイド元素の塩の水溶液を酸の共存下で電解液として用いることが好ましい。 In the case of using an aqueous electrolyte, for example, an acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid, a base such as potassium hydroxide, or a salt thereof can be used. In this case, it is preferable to use an aqueous solution of at least one lanthanoid element salt having excellent charge / discharge characteristics under a high current density as an electrolyte in the presence of an acid.
本発明の電気化学キャパシタの内部対極と外部対極で挟まれるイオン性電解質層には、溶媒を構成する物質を除き、酸化還元活性な化合物が含まれないことが好ましい。すなわち、イオン性電解質層は電気化学的に安定な支持塩とこれを溶解する極性溶媒のみによって構成されることが好ましい。ただし、ここで、支持塩と極性溶媒は、それが電離した結果与えるイオン種の一部が、蓄電を行う蓄電活物質の酸化還元の平衡反応にかかわることによって充放電の酸化還元反応を助ける役目を担う。たとえば、極性溶媒に水を用いる場合、水素イオンが、活物質である金属酸化物に対して付加と脱離を行うことにより、金属酸化物中の金属イオンの酸化還元平衡反応にかかわる場合がある。 It is preferable that the ionic electrolyte layer sandwiched between the internal counter electrode and the external counter electrode of the electrochemical capacitor of the present invention does not contain an oxidation-reduction active compound except for the substance constituting the solvent. That is, the ionic electrolyte layer is preferably composed only of an electrochemically stable supporting salt and a polar solvent that dissolves the supporting salt. However, the supporting salt and the polar solvent serve to assist the redox reaction of charge / discharge by a part of the ion species given as a result of the ionization involved in the redox equilibrium reaction of the power storage active material that performs power storage. Take on. For example, when water is used as a polar solvent, hydrogen ions may be involved in a redox equilibrium reaction of metal ions in the metal oxide by addition and desorption from the metal oxide as the active material. .
本発明の電気化学キャパシタの光電極、内部対極、外部対極の透明導電基板に用いる導電材料には光学的に透明な材料が用いられる。このような導電材料は、金属(アルミニウム、ステンレススチール、チタン、銅など)や炭素材料などの不透明な材料をメッシュ状のパターンとして用いることができる。また、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛などを含む透明な導電膜材料の均一な薄膜を用いることもできる。また、高い導電性を持つ高分子材料の薄膜を用いることもできる。このような高分子としては、例えば、ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリフェニレンビニレン系の高分子等が選ばれる。などが用いられる。これらの透明導電膜の表面抵抗は15Ω/□以下であることが好ましく、5Ω/□以下であることがさらに好ましく、1Ω/□以下であることが最も好ましい。 An optically transparent material is used as a conductive material used for the transparent conductive substrate of the photoelectrode, internal counter electrode, and external counter electrode of the electrochemical capacitor of the present invention. As such a conductive material, an opaque material such as a metal (aluminum, stainless steel, titanium, copper, or the like) or a carbon material can be used as a mesh pattern. A uniform thin film of a transparent conductive film material including tin oxide, indium tin oxide (ITO), zinc oxide, and the like can also be used. In addition, a thin film of a polymer material having high conductivity can be used. Examples of such a polymer include polyacetylene-based, polypyrrole-based, polythiophene-based, and polyphenylene vinylene-based polymers. Etc. are used. The surface resistance of these transparent conductive films is preferably 15Ω / □ or less, more preferably 5Ω / □ or less, and most preferably 1Ω / □ or less.
光電極、内部対極、外部対極の透明導電基板3、5、7としては、光学的に透明な平板材料が用いられる。透明導電基板の光透過率は少なくとも80%を超えるものが必要であり、とくに90%を超える無色透明のものが好ましい。 As the transparent conductive substrates 3, 5, and 7 for the photoelectrode, the internal counter electrode, and the external counter electrode, optically transparent flat plate materials are used. The light transmittance of the transparent conductive substrate needs to exceed at least 80%, and a colorless and transparent substrate exceeding 90% is particularly preferable.
また、透明導電基板3、5、7は、機械的にフレキシブルであるものが用いられる。このようにすることによって本発明の電気化学キャパシタを機械的に折り曲げや券回が可能なフレキシブルなものとすることができる。 The transparent conductive substrates 3, 5, and 7 are mechanically flexible. By doing so, the electrochemical capacitor of the present invention can be made flexible so that it can be mechanically bent and turned.
このような透明導電基板として、例えば、プラスチック製のフィルム、またはガラス製のフィルムを用いることができる。とくにプラスチック製のフィルムが好ましい。透明導電基板は均一な厚さを持ち、その厚みは、約500μm以下、または約200μm以下であることが好ましい。 As such a transparent conductive substrate, for example, a plastic film or a glass film can be used. A plastic film is particularly preferable. The transparent conductive substrate has a uniform thickness, and the thickness is preferably about 500 μm or less, or about 200 μm or less.
プラスチック製のフィルムには、無着色で透明性が高く、耐熱性、耐薬品性、ガス遮断性に優れ、かつ低コストの材料が好ましく選ばれる。この観点から、プラスチック材料として、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAr)、ポリスルホン(PSF)、ポリエステルスルホン(PES)、ポリエーテルイミド(PEI)、透明ポリイミド(PI)などを用いることができる。本発明で特に好ましく用いられるものは、ポリエチレンテレフタレート(PET)、またはポリエチレンナフタレート(PEN)である。 For the plastic film, a material that is not colored and highly transparent, is excellent in heat resistance, chemical resistance and gas barrier properties, and is low cost is preferably selected. From this point of view, as plastic materials, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), syndiotactic polystyrene (SPS), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyarylate (PAr), polysulfone (PSF) Polyestersulfone (PES), polyetherimide (PEI), transparent polyimide (PI), and the like can be used. Particularly preferably used in the present invention is polyethylene terephthalate (PET) or polyethylene naphthalate (PEN).
本発明の電気化学キャパシタには、電極間の短絡防止の目的で、電荷輸送層1とイオン性電解質層2に層状のセパレータを設けることができる。このセパレータは、電解液を含浸して挿入される。セパレータを設けた場合、電荷輸送層1とイオン性電解質層2は、それぞれセパレータと一体化するので、これらの層の厚みは、セパレータの厚みとほぼ同等となる。 In the electrochemical capacitor of the present invention, a layered separator can be provided on the charge transport layer 1 and the ionic electrolyte layer 2 for the purpose of preventing a short circuit between the electrodes. This separator is inserted by being impregnated with an electrolytic solution. When the separator is provided, the charge transport layer 1 and the ionic electrolyte layer 2 are each integrated with the separator, and therefore the thicknesses of these layers are substantially equal to the thickness of the separator.
セパレータを形成する材料は電気的に絶縁性の材料であり、その形状はフィルム状、粒子状のいずれであってもよいが、フィルム状のセパレータを用いるのが好ましい。フィルム状のものには、フィルターに用いる多孔性の樹脂フィルム、繊維状の高分子材料からなるフィルムなどが挙げられる。繊維状の高分子材料として、樹脂の不織布、たとえばポリプロピレン不織布を用いることができる。他に、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微孔膜、一般に電解コンデンサ紙と呼ばれるパルプを主原料とする多孔質膜などの公知のものを用いることができる。これらのセパレータはその表面に対して、目的に応じて親水処理、疎水処理を施すことができる。 The material forming the separator is an electrically insulating material, and the shape thereof may be either a film shape or a particle shape, but it is preferable to use a film-like separator. Examples of the film-like material include a porous resin film used for a filter and a film made of a fibrous polymer material. As the fibrous polymer material, a resin nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric can be used. In addition, well-known materials such as a microporous membrane made of polyolefin such as polyethylene and polypropylene, and a porous membrane mainly made of pulp called electrolytic capacitor paper can be used. These separators can be subjected to hydrophilic treatment and hydrophobic treatment on the surface according to the purpose.
フィルム状セパレータを用いる場合、その厚みは約80μm以下、好ましくは約5〜約50μm、さらに好ましくは約5〜約25μmの範囲である。この場合、フィルムとしては空孔率が約40〜約85%のものを用いるのが好ましい。 When a film separator is used, the thickness is about 80 μm or less, preferably about 5 to about 50 μm, more preferably about 5 to about 25 μm. In this case, it is preferable to use a film having a porosity of about 40 to about 85%.
本発明の電気化学キャパシタは、可視光の波長領域での光透過率が16%以上である。可視光の波長領域とは、400nm以上、かつ850nm以下の波長領域をいう。光電極に、かかる波長領域の光を吸収する色素を含むことにより、上記の光透過率とすることが可能である。 The electrochemical capacitor of the present invention has a light transmittance of 16% or more in the visible light wavelength region. The wavelength region of visible light refers to a wavelength region of 400 nm or more and 850 nm or less. By including a dye that absorbs light in such a wavelength region in the photoelectrode, the above light transmittance can be obtained.
本発明の電気化学キャパシタは、光蓄電型の太陽電池ということもでき、外部の電力を使用することなく、光照射により電極に発生した光起電力によって充電を行い、暗中で放電を行うことができ、光充電と放電を繰り返し行うことができる。 The electrochemical capacitor of the present invention can also be referred to as a photovoltaic cell, and can be charged in the dark and discharged in the dark without the use of external power. And can be repeatedly charged and discharged.
本発明の電気化学キャパシタは軽量でフレキシブルなシート状又はフィルム状であるため、曲面を含めた多様な形状の表面に設置することが可能である。さらに、光学的に透明であり、色素による意匠性を有するので、透明性や意匠性を必要とする窓やパネル等への装着が可能である。 Since the electrochemical capacitor of the present invention is a lightweight and flexible sheet or film, it can be installed on various surfaces including curved surfaces. Furthermore, since it is optically transparent and has a design property by a pigment, it can be mounted on a window, a panel, or the like that requires transparency or design property.
さらに、本発明の電気化学キャパシタの最外層の少なくとも一面に、粘着剤層または接着剤層を設けることにより、窓やパネル等への装着が容易な電気化学キャパシタ粘着シートとして使用することができる。 Furthermore, by providing a pressure-sensitive adhesive layer or an adhesive layer on at least one outermost layer of the electrochemical capacitor of the present invention, it can be used as an electrochemical capacitor pressure-sensitive adhesive sheet that can be easily mounted on a window, a panel, or the like.
実施例1
1.プラスチック基板を用いる光キャパシタの作製
(1)光電極の作製
二酸化チタンナノ粒子(触媒化成製,平均粒径15nm)をtert−ブチルアルコール(純度99.5%以上)とアセトニトリル(純度99.5%以上)の混合溶媒(質量比95:5)100mlに30gを撹拌分散し、この分散液に粒径5nmの二酸化チタン粒子を水とエチルアルコールの混合溶媒(質量比50:50)に分散した酸性のゾル液(濃度8質量%)を10質量%添加し、得られた混合分散液を自転/公転併用式のミキシングコンディショナーを使って均一に混合し、粘性のペーストを調製した。このチタニアペーストを、インジウム−亜鉛酸化物(IZO)の導電膜を片面に被覆した透明導電性のポリエチレンナフタレート(IZO−PEN)フィルム(厚み200μm、表面抵抗10Ω/□)のIZO面にスクリーン印刷法によって塗布し、150℃で10分乾燥し、平均厚みが5μmの多孔性の二酸化チタン粒子層をIZO−PEN基板上に形成した。この多孔性二酸化チタン被覆IZO-PENフィルムを、色素としてインドレニン系色素(商品名D149体、ケミクレア社製)を溶解したアセトニトリル-tertブタノール(1:1)混合溶液に40℃で30分間浸漬して、二酸化チタン膜を色素増感し、フィルム上のフレキシブルな光電極を得た。なお、比較実験のために、光電極を二酸化チタン層のみで構成し、色素増感を行わないで作製した光電極も用意した。
(2)内部対極の作製
厚さが10μm、線幅が25μm、間隔が75μmのステンレス製のメッシュを、フィルムの両面に機械的プレスによって埋め込んだ導電性PENフィルム基板(厚さ200μm)を、内部電極の支持体として用意した。この内部電極の片面には、厚みが3nmの白金の超薄膜を触媒として真空蒸着によって被覆した。また、もう片方の面には、酸化ルテニウム(RuO2)のナノシートをナノサイズの活物質として含む薄膜を被覆した。このRuO2ナノシートは特開2004−315347号公報に開示される合成方法によって作製した。薄膜作製においては、ナノシートを分散した液体を、樹脂バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を分散したN−メチルピロリドン溶液、多孔質構造形成のための球状アルミナ粒子と混合し、塗布用の粘性液体を調製した。この塗布液を上記のフィルム基板上に塗布し、150℃で10分乾燥し、RuO2ナノシートを蓄電活物質として含有する多孔質膜を被覆した。多孔質膜の厚みはおよそ10μmであり、その着色の程度と光透過性はRuO2の含有濃度に依存するが、低濃度とすることによって半透明となった。以上のようにして、両面がそれぞれ触媒と蓄電活物質によって被覆された半透明のフレキシブルな中間電極を作製した。
(3)外部対極の作製
内部対極で用いた基板と同じIZO−PENフィルムを用い、その片面に、中間電極の作製と同様な方法によって、RuO2ナノシートを蓄電の活物質として含有する多孔質膜を被覆し、外部対極を作製した。多孔質膜の厚みはおよそ10μmとなった。外部対極が担持する活物質の量は、内部対極の担持する活物質の量と同等とした。
(4)光キャパシタの組み立て
電荷輸送層として、ヨウ素とヨウ素イオンを酸化還元剤、炭酸プロピルを溶媒として用いる有機電解液(ヨウ素0.05M、ヨウ化リチウム0.1M、4−tert−ブチルピリジン0.5M)を用いた。また、中間電極と外部電極の間に用いるイオン性電解質として、1Mの硫酸水溶液を用いた。中間電極と外部電極の間に用いる短絡防止用のセパレータフィルムには、親水性のセルロースフィルター(厚さ20μm、空孔率70%)を用いた。図1の積層構造にしたがって3つのフィルム状電極基板を重ねた平板上の素子を組み立て、電極の周囲を熱圧着性の封止材を使って封止した。
Example 1
1. Production of photocapacitor using plastic substrate (1) Production of photoelectrode Titanium dioxide nanoparticles (catalyst conversion, average particle size of 15 nm) were mixed with tert-butyl alcohol (purity 99.5% or more) and acetonitrile (purity 99.5% or more). ) 30 g in 100 ml of a mixed solvent (mass ratio 95: 5) is stirred and dispersed. In this dispersion, titanium dioxide particles having a particle diameter of 5 nm are dispersed in a mixed solvent of water and ethyl alcohol (mass ratio 50:50). A sol liquid (concentration: 8% by mass) was added by 10% by mass, and the obtained mixed dispersion was uniformly mixed using a rotating / revolving mixing conditioner to prepare a viscous paste. This titania paste is screen-printed on the IZO surface of a transparent conductive polyethylene naphthalate (IZO-PEN) film (thickness 200 μm, surface resistance 10Ω / □) coated with an indium-zinc oxide (IZO) conductive film on one side. It was applied by the method and dried at 150 ° C. for 10 minutes to form a porous titanium dioxide particle layer having an average thickness of 5 μm on the IZO-PEN substrate. This porous titanium dioxide-coated IZO-PEN film was immersed at 40 ° C. for 30 minutes in an acetonitrile-tert-butanol (1: 1) mixed solution in which an indolenine dye (trade name: D149, manufactured by Chemicrea) was dissolved as a dye. The titanium dioxide film was dye-sensitized to obtain a flexible photoelectrode on the film. For comparison experiments, a photoelectrode was also prepared which was made up of only a titanium dioxide layer and was not subjected to dye sensitization.
(2) Production of internal counter electrode A conductive PEN film substrate (thickness: 200 μm) in which a stainless steel mesh with a thickness of 10 μm, a line width of 25 μm, and a spacing of 75 μm is embedded on both sides of the film by mechanical press Prepared as an electrode support. One side of the internal electrode was coated by vacuum deposition using a platinum ultrathin film having a thickness of 3 nm as a catalyst. The other surface was coated with a thin film containing a ruthenium oxide (RuO 2 ) nanosheet as a nanosize active material. This RuO 2 nanosheet was produced by the synthesis method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-315347. In thin film production, the liquid in which the nanosheets are dispersed is mixed with an N-methylpyrrolidone solution in which polyvinylidene fluoride (PVDF) is dispersed as a resin binder, and spherical alumina particles for forming a porous structure. Prepared. This coating solution was applied onto the above film substrate and dried at 150 ° C. for 10 minutes to coat a porous film containing a RuO 2 nanosheet as a storage active material. The thickness of the porous film was about 10 μm, and the degree of coloration and light transmittance depended on the concentration of RuO 2 , but it became translucent when the concentration was low. As described above, a translucent flexible intermediate electrode having both surfaces coated with the catalyst and the electricity storage active material was produced.
(3) Production of external counter electrode Porous film containing RuO 2 nanosheet as an active material for electricity storage on the same surface as the intermediate electrode by using the same IZO-PEN film as the substrate used in the internal counter electrode Was coated to prepare an external counter electrode. The thickness of the porous film was about 10 μm. The amount of the active material carried by the external counter electrode was made equal to the amount of the active material carried by the internal counter electrode.
(4) Photocapacitor assembly An organic electrolyte (iodine 0.05M, lithium iodide 0.1M, 4-tert-butylpyridine 0) using iodine and iodine ions as a redox agent and propyl carbonate as a solvent as a charge transport layer. .5M) was used. Moreover, 1M sulfuric acid aqueous solution was used as an ionic electrolyte used between an intermediate electrode and an external electrode. A hydrophilic cellulose filter (thickness 20 μm, porosity 70%) was used as a separator film for short circuit prevention used between the intermediate electrode and the external electrode. The element on the flat plate which piled up the three film-form electrode substrates according to the laminated structure of FIG. 1 was assembled, and the circumference | surroundings of the electrode were sealed using the thermocompression-bonding sealing material.
光電極と外部電極にあらかじめ設けた小孔を通じて、電極の間隙(20μm)に上記のそれぞれの電解液を注入した。光電極と内部対極の間には、ヨウ素とヨウ素イオンを含む有機電解液、内部対極と外部対極の間には硫酸水溶液を注入した。最後に小孔を封止し、厚みが約840μm、光照射の有効受光面積が4cm2の薄型平板状の光キャパシタaを作製した。このキャパシタは、機械的に湾曲が可能なフレキシブル素子であり、また、光透過率を計測したところ、波長600nmにおいて、光透過率が14%であり、700nmでは24%であった。素子本体は赤褐色を帯びた半透明な素子となった。なお、比較実験として色素増感を施さない二酸化チタンを用いて作製したキャパシタをb、内部対極に活物質を担持しないキャパシタをc、外部対極に活物質を担持しないキャパシタをdとした。
実施例2
2.蓄電活物質に各種金属酸化物を用いる光キャパシタの作製
実施例1において、蓄電活物質にRuO2を用いたことに換えて、MnO2,Ni酸化物とCo酸化物の混合物をそれぞれ用いた以外は、実施例1と同様に、PVDFをバインダーに用いて中間電極、外部電極を作製し、光キャパシタe〜fをそれぞれ作製した。
実施例3
光電極に接する電荷輸送層として、実施例1、2で用いたヨウ素系酸化還元電解液に換えて、固体のポリマー正孔輸送剤として、ヨウ素ドープ型ポリビニルカルバゾールの薄膜(厚み0.6μm)を用いた以外は、実施例1にしたがって光キャパシタgを作製した。ヨウ素ドープ型ポリビニルカルバゾールを色素増感多孔質酸化チタン膜に被覆する方法は、文献(N.Ikeda and T.Miyasaka, Chem. Comm., 1886−1888(2005))に従った。
3.光充電性能の測定
実施例1〜3で組み立てた光キャパシタの充放電実験を次のように実施し、光充電の能力を評価した。光電極と外部対極を外部回路で結線して短絡させ、電極間電圧をゼロとした。次いで、このキャパシタに対して、500Wのキセノン灯とAir Mass 1.5(AM1.5)フィルターを用いる人工太陽光源(ソーラーシミュレータ)を使って、100mW/cm2の光量の白色光を、キャパシタの光電極側に照射した。この照射の間、シャントした外部回路には光電極への電子注入と光電極から外部対極への電子の流れを示すアノード光電流が発生した。照射開始5秒後の光電流を充電の初期電流として計測し、シャント回路の状態で光照射を続行すると、光電流は照射時間と共に減少する傾向を示した。またこの照射の過程で開回路起電力を計測すると照射時間とともに光電極に対して外部対極の電圧がより負に変化していく現象が観測された。すなわち、光照射によって、外部対極に負電荷が蓄積されて充電が進行した。光照射を継続し30分間の光充電を行った後、光照射下で回路を開き、充電電圧を計測した。
Each of the above electrolytes was injected into a gap (20 μm) between the electrodes through small holes provided in advance in the photoelectrode and the external electrode. An organic electrolyte containing iodine and iodine ions was injected between the photoelectrode and the internal counter electrode, and an aqueous sulfuric acid solution was injected between the internal counter electrode and the external counter electrode. Finally, a small hole was sealed, and a thin plate-like optical capacitor a having a thickness of about 840 μm and an effective light receiving area of light irradiation of 4 cm 2 was produced. This capacitor is a flexible element that can be bent mechanically, and when the light transmittance was measured, the light transmittance was 14% at a wavelength of 600 nm and 24% at 700 nm. The element body became a translucent element with a reddish brown color. As a comparative experiment, a capacitor produced using titanium dioxide not subjected to dye sensitization was designated as b, a capacitor not carrying an active material on the internal counter electrode was designated as c, and a capacitor not carrying an active material on the external counter electrode was designated as d.
Example 2
2. Production of Optical Capacitor Using Various Metal Oxides for Storage Active Material In Example 1, except that RuO 2 was used for the storage active material, a mixture of MnO 2 , Ni oxide and Co oxide was used. In the same manner as in Example 1, PVDF was used as a binder to produce an intermediate electrode and an external electrode, and photo capacitors e to f were produced.
Example 3
As a charge transport layer in contact with the photoelectrode, an iodine-doped polyvinyl carbazole thin film (thickness 0.6 μm) was used as a solid polymer hole transport agent instead of the iodine-based redox electrolyte used in Examples 1 and 2. An optical capacitor g was produced according to Example 1 except that it was used. The method of coating iodine-doped polyvinylcarbazole on a dye-sensitized porous titanium oxide film was in accordance with the literature (N. Ikeda and T. Miyasaka, Chem. Comm., 1886-1888 (2005)).
3. Measurement of Photocharge Performance Charge / discharge experiments of the photocapacitors assembled in Examples 1 to 3 were carried out as follows to evaluate the ability of photocharge. The photoelectrode and the external counter electrode were connected and short-circuited by an external circuit, and the interelectrode voltage was set to zero. Next, using an artificial solar light source (solar simulator) using a 500 W xenon lamp and an Air Mass 1.5 (AM1.5) filter, white light of 100 mW / cm 2 is applied to the capacitor. Irradiated to the photoelectrode side. During this irradiation, an anode photocurrent was generated in the shunted external circuit indicating electron injection into the photoelectrode and electron flow from the photoelectrode to the external counter electrode. When the photocurrent 5 seconds after the start of irradiation was measured as the initial charge current and the light irradiation was continued in the state of the shunt circuit, the photocurrent tended to decrease with the irradiation time. Moreover, when the open-circuit electromotive force was measured during the irradiation process, a phenomenon in which the voltage of the external counter electrode changed more negatively with respect to the photoelectrode with the irradiation time was observed. That is, charging progressed due to the accumulation of negative charges on the external counter electrode due to light irradiation. After light irradiation was continued and photocharging was performed for 30 minutes, the circuit was opened under light irradiation, and the charging voltage was measured.
放電においては、キャパシタを暗中に置き、外部回路を閉じて充放電制御装置(東方技研マルチポテンシオスタットPS−08)を用いて0.03mA/cm2の定電流密度で放電を行った(定電流放電条件)。放電時間とともに電圧の降下する特性が観測された。放電の終了電圧を0Vとし、定電流放電を行って0Vに到達した後は放電電流を減少させて0Vを維持させた(定電圧放電条件)。この放電によって放出した電極単位面積当たりの電気量(mC/cm2)を計測し放電容量とした。いずれも結果を表1に示した。
実施例4
上記の方法のように、光照射を平板状光キャパシタの片面に対して行った場合に換えて、人工太陽光源を用いた光照射を、平板状の光キャパシタの両面に対して行った。この両面光照射による光充電(キャパシタh)を、実施例1の構成の光キャパシタを用いて行い光充電量を比較した。結果を表1に示した。
In discharging, the capacitor was placed in the dark, the external circuit was closed, and discharging was performed at a constant current density of 0.03 mA / cm 2 using a charge / discharge control device (Toho Giken Multipotentiostat PS-08) (constant current). Current discharge conditions). A characteristic of voltage drop with discharge time was observed. The discharge end voltage was set to 0 V, and after constant current discharge was reached and reached 0 V, the discharge current was decreased to maintain 0 V (constant voltage discharge condition). The amount of electricity (mC / cm 2 ) per unit electrode area released by this discharge was measured and used as the discharge capacity. The results are shown in Table 1.
Example 4
Instead of the case where the light irradiation was performed on one side of the plate-shaped optical capacitor as in the above method, the light irradiation using the artificial solar light source was performed on both sides of the plate-shaped optical capacitor. The photocharging by this double-sided light irradiation (capacitor h) was performed using the photocapacitor having the configuration of Example 1, and the photocharged amounts were compared. The results are shown in Table 1.
蓄電可能の一体型太陽電池として、電気エネルギー供給に広く利用することができる。 As an integrated solar cell capable of storing electricity, it can be widely used for electric energy supply.
1 電荷輸送層
2 イオン性電解質層
3 透明導電基板
4 半導体層
5 透明導電基板
6 蓄電活物質層
7 透明導電基板
8 蓄電活物質層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Charge transport layer 2 Ionic electrolyte layer 3 Transparent conductive substrate 4 Semiconductor layer 5 Transparent conductive substrate 6 Power storage active material layer 7 Transparent conductive substrate 8 Power storage active material layer
Claims (3)
前記内部対極がその両面の1つの面において電荷輸送層に接し、他の1つの面において、酸化ルテニウム及び酸化マンガンから選ばれる金属酸化物のナノ粒子からなる光学的に透明な蓄電活物質を担持して、イオン性電解質層に接し、
前記外部対極が光学的に透明な蓄電活物質を担持してイオン性電解質層に接し、
前記電気化学キャパシタが可視光の波長領域での光透過率が16%以上であり、
機械的特性においてフレキシブルであり、
前記光電極、前記内部対極、及び前記外部対極が、それぞれ透明導電基板を構成要素として含み、
前記光電極と前記外部対極とを外部回路で連結して前記光電極を光照射することにより前記内部対極の蓄電活物質に正電荷を、前記外部対極の蓄電活物質に負電荷をそれぞれ蓄積して充電が行われる電気化学キャパシタ。 A photoelectrode carrying an optically transparent dye-sensitized semiconductor layer and having a photovoltaic capacity, an optically transparent internal counter electrode electrically connected to the photoelectrode via a charge transport layer, and the internal counter electrode A plate-like electrochemical capacitor in which optically transparent external counter electrodes that are electrically joined to each other through an ionic electrolyte layer are sequentially laminated and integrated.
The internal counter electrode is in contact with the charge transport layer on one side of the both surfaces, and on the other side, carries an optically transparent power storage active material composed of metal oxide nanoparticles selected from ruthenium oxide and manganese oxide. In contact with the ionic electrolyte layer,
The external counter electrode carries an optically transparent power storage active material and is in contact with the ionic electrolyte layer;
The electrochemical capacitor has a light transmittance of 16% or more in a visible light wavelength region;
Flexible in mechanical properties,
The photoelectrode, the internal counter electrode, and the external counter electrode each include a transparent conductive substrate as a component,
By connecting the photoelectrode and the external counter electrode with an external circuit and irradiating the photoelectrode with light, a positive charge is accumulated in the storage active material of the internal counter electrode, and a negative charge is accumulated in the storage active material of the external counter electrode, respectively. Electrochemical capacitors that are charged by
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