JP6911833B2 - Electrodes for solar cells, their manufacturing methods, and solar cells - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池用電極およびその製造方法、並びに太陽電池に関するものである。 The present invention relates to an electrode for a solar cell, a method for manufacturing the electrode, and a solar cell.
近年、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子として、太陽電池が注目されている。なかでも、光吸収に有機材料を用いる有機系太陽電池や、光吸収に有機と無機の材料を組み合わせて用いる有機無機ハイブリッド型太陽電池は、シリコン(Si)系の太陽電池に比して、屈曲性に優れ、かつ安価な材料を用いて製造し得ることから、特に注目を集めている。 In recent years, solar cells have been attracting attention as photoelectric conversion elements that convert light energy into electric power. Among them, organic solar cells that use organic materials for light absorption and organic-inorganic hybrid solar cells that use a combination of organic and inorganic materials for light absorption are more flexible than silicon (Si) -based solar cells. It is attracting particular attention because it can be manufactured using inexpensive materials with excellent properties.
例えば、有機系太陽電池の一種である色素増感型太陽電池は、光電極および対向電極と、これらの2つの電極の間に介在した電解質層を有する。そして、光電極中の増感色素が光を受けて励起されると、増感色素の電子が取り出される。この電子は、光電極から出て、外部の回路を通って対向電極に移動し、さらにその触媒層を介して、電解質層に移動する。 For example, a dye-sensitized solar cell, which is a kind of organic solar cell, has a light electrode and a counter electrode, and an electrolyte layer interposed between these two electrodes. Then, when the sensitizing dye in the light electrode is excited by receiving light, the electrons of the sensitizing dye are taken out. The electrons exit the photoelectrode, travel through an external circuit to the counter electrode, and then to the electrolyte layer via its catalyst layer.
ここで、太陽電池の性能を向上させるべく、太陽電池に用いる電極の改良が行われている。例えば、特許文献1には、支持体上に所定の性状を有するカーボンナノチューブを含む触媒層を備えてなる色素増感型太陽電池用対向電極が開示されている。
Here, in order to improve the performance of the solar cell, the electrodes used in the solar cell are being improved. For example,
ここで、太陽電池には、長期に亘り優れた光電変換効率を保持することが求められる。そして、上記従来の電極には、太陽電池の耐久性を高めて、太陽電池に長期に亘り優れた光電変換効率を発揮させるという点において、改善の余地があった。従って、本発明は、太陽電池に優れた耐久性を付与しうる太陽電池用電極、および耐久性に優れる太陽電池を提供することを目的とする。 Here, the solar cell is required to maintain excellent photoelectric conversion efficiency for a long period of time. The conventional electrodes have room for improvement in that the durability of the solar cell is enhanced and the solar cell exhibits excellent photoelectric conversion efficiency for a long period of time. Therefore, an object of the present invention is to provide an electrode for a solar cell that can impart excellent durability to a solar cell, and a solar cell having excellent durability.
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた。そして、本発明者らは、支持体と、厚みの平均値が所定の範囲内であり且つ厚みの標準偏差が所定の値以下である触媒層とを備える電極を用いれば、太陽電池の耐久性を高めることが可能であることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors have made extensive studies to achieve the above object. Then, the present inventors use an electrode including a support and a catalyst layer having an average thickness within a predetermined range and a standard deviation of the thickness of a predetermined value or less, so that the durability of the solar cell can be obtained. We have found that it is possible to increase the above, and completed the present invention.
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の太陽電池用電極は、支持体と、前記支持体上に形成された触媒層とを備える太陽電池用電極であって、前記触媒層の厚みの平均値が0.5μm以上3.0μm以下であり、前記触媒層の厚みの標準偏差が0.2μm以下であることを特徴とする。このように、支持体と、厚みの平均値が所定の範囲内であり且つ厚みの標準偏差が所定の値以下である触媒層とを備える電極を用いれば、太陽電池の耐久性を高めて、太陽電池に長期に亘り優れた光電変換効率を発揮させることができる。 That is, the present invention aims to advantageously solve the above problems, and the solar cell electrode of the present invention includes a support and a catalyst layer formed on the support. The electrode for use is characterized in that the average value of the thickness of the catalyst layer is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less, and the standard deviation of the thickness of the catalyst layer is 0.2 μm or less. As described above, if the electrode including the support and the catalyst layer having the average thickness within a predetermined range and the standard deviation of the thickness being equal to or less than a predetermined value is used, the durability of the solar cell can be enhanced. It is possible to make a solar cell exhibit excellent photoelectric conversion efficiency for a long period of time.
ここで、本発明の太陽電池用電極は、前記触媒層の厚みの最大値と最小値の差が、前記触媒層の厚みの平均値の50%以下であることが好ましい。触媒層の厚みの最大値と最小値の差が、厚みの平均値の50%以下であれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。 Here, in the solar cell electrode of the present invention, the difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the catalyst layer is preferably 50% or less of the average value of the thickness of the catalyst layer. When the difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the catalyst layer is 50% or less of the average value of the thickness, the durability of the solar cell can be further improved.
また、本発明の太陽電池用電極において、前記触媒層が繊維状炭素ナノ構造体を含むことが好ましい。カーボンナノチューブなどの繊維状炭素ナノ構造体を含む触媒層を用いれば、触媒層に一般的に用いられる白金のような貴金属を使用することなく、製造コストを低下することができる。 Further, in the electrode for a solar cell of the present invention, it is preferable that the catalyst layer contains fibrous carbon nanostructures. By using a catalyst layer containing fibrous carbon nanostructures such as carbon nanotubes, the production cost can be reduced without using a precious metal such as platinum which is generally used for the catalyst layer.
更に、本発明の太陽電池用電極において、前記繊維状炭素ナノ構造体の、吸着等温線から得られるt−プロットが上に凸な形状を示すことが好ましい。t−プロットが上に凸な形状を示す繊維状炭素ナノ構造体を用いれば、太陽電池の光電変換効率を高めることができる。 Further, in the electrode for a solar cell of the present invention, it is preferable that the t-plot of the fibrous carbon nanostructure obtained from the adsorption isotherm shows an upwardly convex shape. The photoelectric conversion efficiency of a solar cell can be increased by using a fibrous carbon nanostructure in which the t-plot shows an upwardly convex shape.
そして、本発明の太陽電池用電極において、前記触媒層に含まれる前記繊維状炭素ナノ構造体の量が、0.1mg/m2以上20000mg/m2以下であることが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の含有量が上述の範囲内である触媒層を用いれば、太陽電池の光電変換効率を高めることができる。Then, in the electrode for a solar cell of the present invention, the amount of the fibrous carbon nanostructure contained in the catalyst layer is preferably 0.1 mg / m 2 or more and 20000 mg / m 2 or less. If a catalyst layer having a fibrous carbon nanostructure content within the above range is used, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be increased.
ここで、本発明の太陽電池用電極において、前記触媒層は、メタルマスクを使用するスクリーン印刷法を用いて形成されたものであることが好ましい。メタルマスクを使用するスクリーン印刷法を用いて形成された触媒層を使用すれば、太陽電池の耐久性をより一層高めることができる。 Here, in the electrode for a solar cell of the present invention, the catalyst layer is preferably formed by a screen printing method using a metal mask. By using the catalyst layer formed by the screen printing method using a metal mask, the durability of the solar cell can be further improved.
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の太陽電池は、対向する2つの電極を備え、前記2つの電極の少なくとも1つが、上述した何れかの太陽電池用電極であることを特徴とする。上述した太陽電池用電極の何れかを備える太陽電池は、耐久性に優れ、長期に亘り優れた光電変換効率を保持する。 Further, the present invention aims to advantageously solve the above-mentioned problems, and the solar cell of the present invention includes two electrodes facing each other, and at least one of the two electrodes is any of the above-mentioned ones. It is characterized by being an electrode for a solar cell. A solar cell provided with any of the above-mentioned electrodes for a solar cell has excellent durability and maintains excellent photoelectric conversion efficiency for a long period of time.
ここで、本発明の太陽電池は、前記2つの電極の支持体間の距離が70μm以下であることが好ましい。支持体間距離が70μm以下であれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。 Here, in the solar cell of the present invention, the distance between the supports of the two electrodes is preferably 70 μm or less. When the distance between the supports is 70 μm or less, the durability of the solar cell can be further improved.
また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の太陽電池用電極の製造方法は、繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液を、メタルマスクを使用するスクリーン印刷法により支持体上に塗布する工程と、塗布した繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液を乾燥させて触媒層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。上述の工程を経れば、太陽電池の耐久性を高めることが可能な太陽電池用電極を、効率よく製造することができる。 Further, the present invention aims to advantageously solve the above problems, and the method for producing an electrode for a solar cell of the present invention uses a dispersion liquid containing fibrous carbon nanostructures and a metal mask. It is characterized by including a step of applying it on a support by a screen printing method, and a step of drying a dispersion liquid containing the applied fibrous carbon nanostructures to form a catalyst layer. Through the above steps, it is possible to efficiently manufacture an electrode for a solar cell capable of increasing the durability of the solar cell.
本発明によれば、太陽電池の耐久性を高めることが可能な太陽電池用電極を提供することができる。
また、本発明によれば、耐久性に優れる太陽電池を提供することができる。
そして、本発明によれば、太陽電池の耐久性を高めることが可能な太陽電池用電極を製造しうる、太陽電池用電極の製造方法を提供することができる。According to the present invention, it is possible to provide an electrode for a solar cell capable of increasing the durability of the solar cell.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a solar cell having excellent durability.
According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a solar cell electrode, which can manufacture a solar cell electrode capable of increasing the durability of the solar cell.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の太陽電池用電極は、屈曲性を有し、太陽電池、好ましくは色素増感型太陽電池等の有機系太陽電池や、ペロブスカイト型太陽電池などの有機無機ハイブリッド型太陽電池の電極として好適に用いることができる。また、本発明の太陽電池用電極は、例えば、本発明の太陽電池用電極の製造方法を用いて製造することができる。そして、本発明の太陽電池は、本発明の太陽電池用電極を備えることを特徴とする。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
Here, the electrode for a solar cell of the present invention has flexibility, and is a solar cell, preferably an organic solar cell such as a dye-sensitized solar cell, or an organic-inorganic hybrid solar cell such as a perovskite type solar cell. It can be suitably used as an electrode. Further, the electrode for a solar cell of the present invention can be manufactured by using, for example, the method for manufacturing an electrode for a solar cell of the present invention. The solar cell of the present invention is characterized by including the electrode for the solar cell of the present invention.
(太陽電池用電極)
本発明の太陽電池用電極は、支持体と、支持体上に形成された触媒層とを備え、触媒層の厚みの平均値が0.5μm以上3.0μm以下であり、前記触媒層の厚みの標準偏差が0.2μm以下であることを特徴とする。このような所定の厚みを有し且つ厚みの標準偏差が所定の値以下である触媒層は、層厚ムラが十分に小さい。そのため、この触媒層を有する電極を用いれば、太陽電池内部において、例えば、厚みが凸の部分がもう一方の電極(光電極等)側に接してしまうことにより生じる部分的な短絡を防止できる。特に、支持体としてフィルムを用いる際、電池セルに荷重がかかると電極間の距離が狭くなり、短絡しやすくなってしまう。しかしながら、このような場合においても、上述したように層厚ムラが十分に小さい触媒層を備える本発明の太陽電池用電極を用いれば、電極の短絡を十分に防止することができる。そのため、このような触媒層を備える電極を用いれば、太陽電池に優れた耐久性を付与して、長期間に亘り優れた光電変換効率を発揮させることができる。(Electrodes for solar cells)
The electrode for a solar cell of the present invention includes a support and a catalyst layer formed on the support, and the average value of the thickness of the catalyst layer is 0.5 μm or more and 3.0 μm or less, and the thickness of the catalyst layer. The standard deviation of is 0.2 μm or less. In the catalyst layer having such a predetermined thickness and having a standard deviation of the thickness of a predetermined value or less, the layer thickness unevenness is sufficiently small. Therefore, if an electrode having this catalyst layer is used, it is possible to prevent a partial short circuit caused by, for example, a portion having a convex thickness coming into contact with the other electrode (optical electrode or the like) side inside the solar cell. In particular, when a film is used as a support, when a load is applied to the battery cell, the distance between the electrodes becomes narrow and a short circuit is likely to occur. However, even in such a case, if the electrode for a solar cell of the present invention provided with the catalyst layer having a sufficiently small layer thickness unevenness as described above is used, a short circuit of the electrode can be sufficiently prevented. Therefore, if an electrode provided with such a catalyst layer is used, it is possible to impart excellent durability to the solar cell and exhibit excellent photoelectric conversion efficiency over a long period of time.
<支持体>
支持体は、触媒層を担持する役割を担うものである。なお、本発明において、支持体と触媒層との間には必ずしも導電膜は必要ではないが、より良好な通電を確保して、太陽電池の光電変換効率を高める観点から、少なくとも触媒層と接しうる支持体の表面部分には導電膜が形成されているのが好ましい。
このような支持体としては、金属、金属酸化物、炭素材料、導電性高分子などを用いて形成された導電性のシートや、樹脂やガラスからなる非導電性のシートが用いられる。なかでも、軽量で、光電変換効率に優れる太陽電池を効率よく形成することができることから、前記支持体としては、樹脂やガラスからなる非導電性のシートが好ましく、軽量で、光電変換効率に優れ、安価な太陽電池が得られやすいことから、透明樹脂からなるものがより好ましい。
用いられる透明樹脂としては、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)等の合成樹脂が挙げられる。これらは1種のみを単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。<Support>
The support plays a role of supporting the catalyst layer. In the present invention, a conductive film is not always required between the support and the catalyst layer, but at least in contact with the catalyst layer from the viewpoint of ensuring better energization and increasing the photoelectric conversion efficiency of the solar cell. It is preferable that a conductive film is formed on the surface portion of the support.
As such a support, a conductive sheet formed of a metal, a metal oxide, a carbon material, a conductive polymer, or the like, or a non-conductive sheet made of resin or glass is used. Among them, since a solar cell that is lightweight and has excellent photoelectric conversion efficiency can be efficiently formed, a non-conductive sheet made of resin or glass is preferable as the support, and the support is lightweight and excellent in photoelectric conversion efficiency. , A transparent resin is more preferable because an inexpensive solar cell can be easily obtained.
Examples of the transparent resin used include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), syndiotactic polystyrene (SPS), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyarylate (PAr), and polysulfone (PSF). Examples thereof include synthetic resins such as polyester sulfone (PES), polyetherimide (PEI), and transparent polyimide (PI). These may be used alone or in combination of two or more.
前記導電膜としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、インジウム、チタン等の金属;酸化スズ、酸化亜鉛等の導電性金属酸化物;インジウム−スズ酸化物(ITO)、インジウム−亜鉛酸化物(IZO)等の複合金属酸化物;グラフェンなどの炭素材料;及びこれら2種以上の組み合わせ;等からなるものが挙げられる。 The conductive film includes metals such as platinum, gold, silver, copper, aluminum, indium and titanium; conductive metal oxides such as tin oxide and zinc oxide; indium-tin oxide (ITO) and indium-zinc oxide. Examples thereof include composite metal oxides such as (IZO); carbon materials such as graphene; and combinations of two or more of these;
導電膜の表面抵抗値は、好ましくは500Ω/□以下、より好ましくは150Ω/□以下、さらに好ましくは50Ω/□以下である。
導電膜は、スパッタリング法、コーティング法等の公知の方法により形成することができる。The surface resistance value of the conductive film is preferably 500 Ω / □ or less, more preferably 150 Ω / □ or less, and further preferably 50 Ω / □ or less.
The conductive film can be formed by a known method such as a sputtering method or a coating method.
支持体の厚みは、用途に応じて適宜決定すればよいが、通常、10μm以上10000μm以下である。
支持体の光透過率(測定波長:500nm)は、好ましくは60%以上、より好ましくは75%以上、さらに好ましくは80%以上である。支持体の光透過率が60%以上であることで、光電変換効率に優れる太陽電池を得ることができる。The thickness of the support may be appropriately determined depending on the intended use, but is usually 10 μm or more and 10000 μm or less.
The light transmittance (measurement wavelength: 500 nm) of the support is preferably 60% or more, more preferably 75% or more, still more preferably 80% or more. When the light transmittance of the support is 60% or more, a solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
<触媒層>
触媒層は、電極間の電子移動を担う層であり、例えば、色素増感型太陽電池においては、対向電極から電解質層に電子を渡すときの触媒として機能する。このような触媒層は、通常、導電性高分子、炭素材料、貴金属などの触媒成分を含む。これらは一種単独または二種以上を組み合わせて用いてもよい。例えば、カーボンブラックやカーボンナノチューブなど炭素材料に白金などの貴金属を担持させたものを使用することもできる。
導電性高分子としては、例えば、ポリ(チオフェン−2,5−ジイル)、ポリ(3−ブチルチオフェン−2,5−ジイル)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)、ポリ(2,3−ジヒドロチエノ−[3,4−b]−1,4−ジオキシン)(PEDOT)等のポリチオフェン;ポリアセチレンおよびその誘導体;ポリアニリンおよびその誘導体;ポリピロールおよびその誘導体;ポリ(p−キシレンテトラヒドロチオフェニウムクロライド)、ポリ[(2−メトキシ−5−(2’−エチルヘキシロキシ))−1,4−フェニレンビニレン]、ポリ[(2−メトキシ−5−(3’,7’−ジメチルオクチロキシ)−1,4−フェニレンビニレン)]、ポリ[2−2’,5’−ビス(2’’−エチルヘキシロキシ)フェニル]−1,4−フェニレンビニレン]等のポリフェニレンビニレン類;を挙げることができる。
炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、活性炭、人造黒鉛、グラフェン、そして、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノバッド、気相成長炭素繊維、内壁同士が近接または接着したテープ状部分を全長に亘って有する単層または多層の扁平筒状の繊維状炭素ナノ構造体であるグラフェンナノテープ(以下、「GNT」と称することがある。追って詳述)など繊維状炭素ナノ構造体を挙げることができる。なお、本発明において「テープ状部分を全長に亘って有する」とは、「長手方向の長さ(全長)の60%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは100%に亘って連続的にまたは断続的にテープ状部分を有する」ことを指す。
貴金属としては、触媒作用のあるものであればスパッタなどで製膜した薄膜、コロイド、貴金属の錯体、貴金属粒子など特に限定されず、公知の貴金属を適宜選択して用いることができる。形状も例えばスパッタで作成されるような薄膜、コロイドなどの球状や、棒状、板状など特に限定されない。例えば、白金、パラジウムおよびルテニウムなどが挙げられる。好ましくはスパッタや貴金属粒子などがよい。<Catalyst layer>
The catalyst layer is a layer responsible for electron transfer between electrodes, and for example, in a dye-sensitized solar cell, it functions as a catalyst when electrons are transferred from the counter electrode to the electrolyte layer. Such a catalyst layer usually contains catalyst components such as conductive polymers, carbon materials, and noble metals. These may be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. For example, a carbon material such as carbon black or carbon nanotubes on which a precious metal such as platinum is supported can also be used.
Examples of the conductive polymer include poly (thiophene-2,5-diyl), poly (3-butylthiophene-2,5-diyl), poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl), and poly (3-hexylthiophen-2,5-diyl). Polythiophenes such as 2,3-dihydrothieno- [3,4-b] -1,4-dioxin) (PEDOT); polyacetylenes and their derivatives; polyaniline and its derivatives; polypyrol and its derivatives; poly (p-xylenetetrahydrothiofe) Nium chloride), poly [(2-methoxy-5- (2'-ethylhexyloxy))-1,4-phenylene vinylene], poly [(2-methoxy-5- (3', 7', 7'-dimethyloctyloxy)). ) -1,4-phenylene vinylene)], poly-phenylene vinylenes such as poly [2-2', 5'-bis (2''-ethylhexyloxy) phenyl] -1,4-phenylene vinylene]; Can be done.
Examples of the carbon material include natural graphite, activated carbon, artificial graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanobuds, vapor-grown carbon fibers, and a tape-like portion in which the inner walls are close to each other or adhered to each other over the entire length. Examples thereof include graphene nanotapes (hereinafter, may be referred to as “GNT”, which will be described in detail later), which are single-walled or multi-layered flat tubular fibrous carbon nanostructures. In the present invention, "having a tape-shaped portion over the entire length" means "continuously over 60%, preferably 80% or more, more preferably 100% of the length (overall length) in the longitudinal direction". Or it has a tape-like part intermittently. "
The noble metal is not particularly limited as long as it has a catalytic action, such as a thin film formed by sputtering or the like, a colloid, a noble metal complex, a noble metal particle, or the like, and a known noble metal can be appropriately selected and used. The shape is not particularly limited, for example, a thin film formed by sputtering, a spherical shape such as a colloid, a rod shape, or a plate shape. For example, platinum, palladium and ruthenium can be mentioned. Sputtering and precious metal particles are preferable.
[繊維状炭素ナノ構造体]
上述した触媒成分の中でも、スクリーン印刷時や乾燥時、保管時の取扱いの容易性、生産性の観点、そして、太陽電池の耐久性を一層高める観点から、触媒層は繊維状炭素ナノ構造体を含むことが好ましい。なお、繊維状炭素ナノ構造体を含む触媒層は、導電層の機能を兼ねることができる。
そして繊維状炭素ナノ構造体の中でも、CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体を用いることが好ましい。CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体を使用すれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。[Fibrous carbon nanostructures]
Among the above-mentioned catalyst components, the catalyst layer is a fibrous carbon nanostructure from the viewpoint of ease of handling during screen printing, drying, and storage, from the viewpoint of productivity, and from the viewpoint of further enhancing the durability of the solar cell. It is preferable to include it. The catalyst layer containing the fibrous carbon nanostructures can also function as a conductive layer.
Among the fibrous carbon nanostructures, it is preferable to use fibrous carbon nanostructures containing CNTs. The use of fibrous carbon nanostructures containing CNTs can further enhance the durability of the solar cell.
そして、CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体としては、特に限定されることなく、CNTのみからなるものを用いてもよいし、CNTと、CNT以外の繊維状炭素ナノ構造体との混合物を用いてもよい。 The fibrous carbon nanostructures containing CNTs are not particularly limited, and those consisting of CNTs alone may be used, or a mixture of CNTs and fibrous carbon nanostructures other than CNTs may be used. You may.
また、繊維状炭素ナノ構造体としては、太陽電池の光電変換効率を高める観点から、吸着等温線から得られるt−プロットが上に凸な形状を示すものが好ましい。
ここで、一般に、吸着とは、ガス分子が気相から固体表面に取り去られる現象であり、その原因から、物理吸着と化学吸着に分類される。そして、t−プロットの取得に用いられる窒素ガス吸着法では、物理吸着を利用する。なお、通常、吸着温度が一定であれば、繊維状炭素ナノ構造体に吸着する窒素ガス分子の数は、圧力が大きいほど多くなる。また、横軸に相対圧(吸着平衡状態の圧力Pと飽和蒸気圧P0の比)、縦軸に窒素ガス吸着量をプロットしたものを「等温線」といい、圧力を増加させながら窒素ガス吸着量を測定した場合を「吸着等温線」、圧力を減少させながら窒素ガス吸着量を測定した場合を「脱着等温線」という。
そして、t−プロットは、窒素ガス吸着法により測定された吸着等温線において、相対圧を窒素ガス吸着層の平均厚みt(nm)に変換することにより得られる。即ち、窒素ガス吸着層の平均厚みtを相対圧P/P0に対してプロットした、既知の標準等温線から、相対圧に対応する窒素ガス吸着層の平均厚みtを求めて上記変換を行うことにより、繊維状炭素ナノ構造体のt−プロットが得られる(de Boerらによるt−プロット法)。Further, as the fibrous carbon nanostructure, from the viewpoint of increasing the photoelectric conversion efficiency of the solar cell, it is preferable that the t-plot obtained from the adsorption isotherm shows an upward convex shape.
Here, in general, adsorption is a phenomenon in which gas molecules are removed from the gas phase to the solid surface, and is classified into physical adsorption and chemisorption according to the cause. Then, in the nitrogen gas adsorption method used for acquiring the t-plot, physical adsorption is used. Normally, if the adsorption temperature is constant, the number of nitrogen gas molecules adsorbed on the fibrous carbon nanostructure increases as the pressure increases. The horizontal axis plots the relative pressure (the ratio of the pressure P in the adsorption equilibrium state to the saturated vapor pressure P0), and the vertical axis plots the amount of nitrogen gas adsorbed. The case where the amount is measured is called "adsorption isotherm", and the case where the amount of nitrogen gas adsorbed while reducing the pressure is called "desorption isotherm".
Then, the t-plot is obtained by converting the relative pressure into the average thickness t (nm) of the nitrogen gas adsorption layer in the adsorption isotherm measured by the nitrogen gas adsorption method. That is, the above conversion is performed by obtaining the average thickness t of the nitrogen gas adsorption layer corresponding to the relative pressure from a known standard isotherm obtained by plotting the average thickness t of the nitrogen gas adsorption layer with respect to the relative pressure P / P0. Provides a t-plot of fibrous carbon nanostructures (t-plot method by de Boer et al.).
ここで、表面に細孔を有する試料の典型的なt−プロットを図1に示す。表面に細孔を有する試料では、窒素ガス吸着層の成長は、次の(1)〜(3)の過程に分類される。そして、下記の(1)〜(3)の過程によって、図1に示すようにt−プロットの傾きに変化が生じる。
(1)全表面への窒素分子の単分子吸着層形成過程
(2)多分子吸着層形成とそれに伴う細孔内での毛管凝縮充填過程
(3)細孔が窒素によって満たされた見かけ上の非多孔性表面への多分子吸着層形成過程Here, a typical t-plot of a sample having pores on its surface is shown in FIG. In a sample having pores on the surface, the growth of the nitrogen gas adsorption layer is classified into the following processes (1) to (3). Then, as shown in FIG. 1, the slope of the t-plot changes due to the following processes (1) to (3).
(1) Single-molecule adsorption layer formation process of nitrogen molecules on the entire surface (2) Multi-molecule adsorption layer formation and accompanying capillary condensation and filling process in the pores (3) Apparently the pores are filled with nitrogen Process of forming a multi-molecule adsorption layer on a non-porous surface
そして、本発明で用いる好適な繊維状炭素ナノ構造体のt−プロットは、図1に示すように、窒素ガス吸着層の平均厚みtが小さい領域では、原点を通る直線上にプロットが位置するのに対し、tが大きくなると、プロットが当該直線から下にずれた位置となり、上に凸な形状を示す。かかるt−プロットの形状は、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積に対する内部比表面積の割合が大きく、繊維状炭素ナノ構造体を構成する炭素ナノ構造体に多数の開口が形成されていることを示しており、その結果として、繊維状炭素ナノ構造体は、優れた特性を発揮すると推察される。 Then, in the t-plot of the suitable fibrous carbon nanostructure used in the present invention, as shown in FIG. 1, the plot is located on a straight line passing through the origin in the region where the average thickness t of the nitrogen gas adsorption layer is small. On the other hand, when t becomes large, the plot is positioned downward from the straight line and shows an upwardly convex shape. The shape of the t-plot is that the ratio of the internal specific surface area to the total specific surface area of the fibrous carbon nanostructures is large, and a large number of openings are formed in the carbon nanostructures constituting the fibrous carbon nanostructures. As a result, it is inferred that the fibrous carbon nanostructures exhibit excellent properties.
なお、繊維状炭素ナノ構造体のt−プロットの屈曲点は、0.2≦t(nm)≦1.5を満たす範囲にあることが好ましく、0.45≦t(nm)≦1.5を満たす範囲にあることがより好ましく、0.55≦t(nm)≦1.0を満たす範囲にあることが更に好ましい。t−プロットの屈曲点の位置が上記範囲であると、繊維状炭素ナノ構造体の特性が更に向上するため、太陽電池の耐久性をより一層高めることができる。
ここで、「屈曲点の位置」とは、前述した(1)の過程の近似直線Aと、前述した(3)の過程の近似直線Bとの交点である。The bending point of the t-plot of the fibrous carbon nanostructure is preferably in the range satisfying 0.2 ≦ t (nm) ≦ 1.5, and 0.45 ≦ t (nm) ≦ 1.5. It is more preferably in the range satisfying, and further preferably in the range satisfying 0.55 ≦ t (nm) ≦ 1.0. When the position of the bending point of the t-plot is in the above range, the characteristics of the fibrous carbon nanostructures are further improved, so that the durability of the solar cell can be further improved.
Here, the "position of the bending point" is an intersection of the approximate straight line A of the process of (1) described above and the approximate straight line B of the process of (3) described above.
更に、繊維状炭素ナノ構造体は、t−プロットから得られる全比表面積S1に対する内部比表面積S2の比(S2/S1)が0.05以上0.30以下であるのが好ましい。S2/S1が0.05以上0.30以下であれば、バンドルの形成を十分に抑制しつつ、繊維状炭素ナノ構造体の特性を更に向上させることができるので、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。
また、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積S1および内部比表面積S2は、特に限定されないが、個別には、S1は、600m2/g以上1400m2/g以下であることが好ましく、800m2/g以上1200m2/g以下であることが更に好ましい。一方、S2は、30m2/g以上540m2/g以下であることが好ましい。
ここで、繊維状炭素ナノ構造体の全比表面積S1および内部比表面積S2は、そのt−プロットから求めることができる。具体的には、図1に示すt−プロットにより説明すると、まず、(1)の過程の近似直線の傾きから全比表面積S1を、(3)の過程の近似直線の傾きから外部比表面積S3を、それぞれ求めることができる。そして、全比表面積S1から外部比表面積S3を差し引くことにより、内部比表面積S2を算出することができる。Further, in the fibrous carbon nanostructure, the ratio (S2 / S1) of the internal specific surface area S2 to the total specific surface area S1 obtained from the t-plot is preferably 0.05 or more and 0.30 or less. When S2 / S1 is 0.05 or more and 0.30 or less, the characteristics of the fibrous carbon nanostructure can be further improved while sufficiently suppressing the formation of the bundle, so that the durability of the solar cell is further improved. Can be enhanced.
The total specific surface area S1 and the internal specific surface area S2 of the fibrous carbon nanostructure are not particularly limited, but individually, S1 is preferably 600 m 2 / g or more and 1400 m 2 / g or less, and 800 m 2 or less. It is more preferably / g or more and 1200 m 2 / g or less. On the other hand, S2 is preferably 30 m 2 / g or more and 540 m 2 / g or less.
Here, the total specific surface area S1 and the internal specific surface area S2 of the fibrous carbon nanostructure can be obtained from the t-plot. Specifically, to explain by the t-plot shown in FIG. 1, first, the total specific surface area S1 is obtained from the slope of the approximate straight line in the process (1), and the external specific surface area S3 is obtained from the slope of the approximate straight line in the process (3). Can be obtained respectively. Then, the internal specific surface area S2 can be calculated by subtracting the external specific surface area S3 from the total specific surface area S1.
因みに、繊維状炭素ナノ構造体の吸着等温線の測定、t−プロットの作成、および、t−プロットの解析に基づく全比表面積S1と内部比表面積S2との算出は、例えば、市販の測定装置である「BELSORP(登録商標)−mini」(日本ベル(株)製)を用いて行うことができる。 Incidentally, the measurement of the adsorption isotherm of the fibrous carbon nanostructure, the creation of the t-plot, and the calculation of the total specific surface area S1 and the internal specific surface area S2 based on the analysis of the t-plot can be performed by, for example, a commercially available measuring device. "BELSORP (registered trademark) -mini" (manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) can be used.
また、CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体を使用する場合、繊維状炭素ナノ構造体中のCNTとしては、特に限定されることなく、単層カーボンナノチューブおよび/または多層カーボンナノチューブを用いることができるが、CNTは、単層から5層までのカーボンナノチューブであることが好ましく、単層カーボンナノチューブであることがより好ましい。単層カーボンナノチューブを使用すれば、多層カーボンナノチューブを使用した場合と比較し、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。 When a fibrous carbon nanostructure containing CNT is used, the CNT in the fibrous carbon nanostructure is not particularly limited, and single-walled carbon nanotubes and / or multi-walled carbon nanotubes can be used. However, the CNTs are preferably single-walled to five-walled carbon nanotubes, and more preferably single-walled carbon nanotubes. When single-walled carbon nanotubes are used, the durability of the solar cell can be further improved as compared with the case where multi-walled carbon nanotubes are used.
なお、CNTを含む繊維状炭素ナノ構造体は、CNTの開口処理が施されておらず、t−プロットが上に凸な形状を示すことがより好ましい。 It is more preferable that the fibrous carbon nanostructures containing CNTs are not subjected to CNT opening treatment, and the t-plot shows an upwardly convex shape.
また、繊維状炭素ナノ構造体としては、平均直径(Av)に対する、直径の標準偏差(σ)に3を乗じた値(3σ)の比(3σ/Av)が0.20超0.60未満の繊維状炭素ナノ構造体を用いることが好ましく、3σ/Avが0.25超の繊維状炭素ナノ構造体を用いることがより好ましく、3σ/Avが0.40超の繊維状炭素ナノ構造体を用いることが更に好ましい。3σ/Avが0.20超0.60未満の繊維状炭素ナノ構造体を使用すれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。
なお、「繊維状炭素ナノ構造体の平均直径(Av)」および「繊維状炭素ナノ構造体の直径の標準偏差(σ:標本標準偏差)」は、それぞれ、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択した繊維状炭素ナノ構造体100本の直径(外径)を測定して求めることができる。そして、繊維状炭素ナノ構造体の平均直径(Av)および標準偏差(σ)は、繊維状炭素ナノ構造体の製造方法や製造条件を変更することにより調整してもよいし、異なる製法で得られた繊維状炭素ナノ構造体を複数種類組み合わせることにより調整してもよい。Further, as the fibrous carbon nanostructure, the ratio (3σ / Av) of the value (3σ) obtained by multiplying the standard deviation (σ) of the diameter by 3 with respect to the average diameter (Av) is more than 0.20 and less than 0.60. It is preferable to use the fibrous carbon nanostructures of the above, and it is more preferable to use the fibrous carbon nanostructures having a 3σ / Av of more than 0.25, and the fibrous carbon nanostructures having a 3σ / Av of more than 0.40. Is more preferable to use. If a fibrous carbon nanostructure having a 3σ / Av of more than 0.20 and less than 0.60 is used, the durability of the solar cell can be further improved.
The "average diameter of the fibrous carbon nanostructures (Av)" and the "standard deviation of the diameters of the fibrous carbon nanostructures (σ: sample standard deviation)" were randomly selected using a transmission electron microscope, respectively. It can be obtained by measuring the diameter (outer diameter) of 100 fibrous carbon nanostructures selected in 1. The average diameter (Av) and standard deviation (σ) of the fibrous carbon nanostructures may be adjusted by changing the manufacturing method and manufacturing conditions of the fibrous carbon nanostructures, or may be obtained by different manufacturing methods. It may be adjusted by combining a plurality of types of the obtained fibrous carbon nanostructures.
そして、繊維状炭素ナノ構造体としては、前述のようにして測定した直径を横軸に、その頻度を縦軸に取ってプロットし、ガウシアンで近似した際に、正規分布を取るものが通常使用される。 As the fibrous carbon nanostructures, those measured as described above are usually plotted with the diameter measured on the horizontal axis and the frequency on the vertical axis, and when approximated by Gaussian, a normal distribution is usually used. Will be done.
更に、繊維状炭素ナノ構造体は、ラマン分光法を用いて評価した際に、Radial Breathing Mode(RBM)のピークを有することが好ましい。なお、三層以上の多層カーボンナノチューブのみからなる繊維状炭素ナノ構造体のラマンスペクトルには、RBMが存在しない。 Further, the fibrous carbon nanostructures preferably have a Radial Breathing Mode (RBM) peak when evaluated using Raman spectroscopy. RBM does not exist in the Raman spectrum of the fibrous carbon nanostructure composed of only three or more layers of multi-walled carbon nanotubes.
また、繊維状炭素ナノ構造体は、ラマンスペクトルにおけるDバンドピーク強度に対するGバンドピーク強度の比(G/D比)が1以上20以下であることが好ましい。G/D比が1以上20以下であれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。 Further, the fibrous carbon nanostructure preferably has a ratio (G / D ratio) of G band peak intensity to D band peak intensity in the Raman spectrum of 1 or more and 20 or less. When the G / D ratio is 1 or more and 20 or less, the durability of the solar cell can be further improved.
更に、繊維状炭素ナノ構造体の平均直径(Av)は、2nm以上であることが好ましく、2.5nm以上であることが更に好ましく、10nm以下であることが好ましく、6nm以下であることが更に好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の平均直径(Av)が2nm以上10nm以下であれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。 Further, the average diameter (Av) of the fibrous carbon nanostructures is preferably 2 nm or more, more preferably 2.5 nm or more, more preferably 10 nm or less, and further preferably 6 nm or less. preferable. When the average diameter (Av) of the fibrous carbon nanostructure is 2 nm or more and 10 nm or less, the durability of the solar cell can be further improved.
また、繊維状炭素ナノ構造体は、合成時における構造体の平均長さが100μm以上であることが好ましい。なお、合成時の構造体の長さが長いほど、分散時に繊維状炭素ナノ構造体に破断や切断などの損傷が発生し易いので、合成時の構造体の平均長さは5000μm以下であることが好ましい。
そして、繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比(長さ/直径)は、10を超えることが好ましい。なお、繊維状炭素ナノ構造体のアスペクト比は、透過型電子顕微鏡を用いて無作為に選択した繊維状炭素ナノ構造体100本の直径および長さを測定し、直径と長さとの比(長さ/直径)の平均値を算出することにより求めることができる。Further, the fibrous carbon nanostructure preferably has an average length of 100 μm or more at the time of synthesis. The longer the length of the structure at the time of synthesis, the more easily the fibrous carbon nanostructure is damaged such as breakage or cutting at the time of dispersion. Therefore, the average length of the structure at the time of synthesis should be 5000 μm or less. Is preferable.
The aspect ratio (length / diameter) of the fibrous carbon nanostructures preferably exceeds 10. For the aspect ratio of the fibrous carbon nanostructures, the diameter and length of 100 fibrous carbon nanostructures randomly selected using a transmission electron microscope were measured, and the ratio (length) of the diameter to the length was measured. It can be obtained by calculating the average value of (aspect ratio / diameter).
更に、繊維状炭素ナノ構造体は、複数の微小孔を有することが好ましい。繊維状炭素ナノ構造体は、中でも、孔径が2nmよりも小さいマイクロ孔を有するのが好ましく、その存在量は、下記の方法で求めたマイクロ孔容積で、好ましくは0.40mL/g以上、より好ましくは0.43mL/g以上、更に好ましくは0.45mL/g以上であり、上限としては、通常、0.65mL/g程度である。繊維状炭素ナノ構造体が上記のようなマイクロ孔を有することで、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。なお、マイクロ孔容積は、例えば、繊維状炭素ナノ構造体の調製方法および調製条件を適宜変更することで調整することができる。
ここで、「マイクロ孔容積(Vp)」は、繊維状炭素ナノ構造体の液体窒素温度(77K)での窒素吸脱着等温線を測定し、相対圧P/P0=0.19における窒素吸着量をVとして、式(I):Vp=(V/22414)×(M/ρ)より、算出することができる。なお、Pは吸着平衡時の測定圧力、P0は測定時の液体窒素の飽和蒸気圧であり、式(I)中、Mは吸着質(窒素)の分子量28.010、ρは吸着質(窒素)の77Kにおける密度0.808g/cm3である。マイクロ孔容積は、例えば、「BELSORP(登録商標)−mini」(日本ベル(株)製)を使用して求めることができる。Further, the fibrous carbon nanostructures preferably have a plurality of micropores. The fibrous carbon nanostructure preferably has micropores having a pore diameter smaller than 2 nm, and the abundance thereof is the micropore volume determined by the following method, preferably 0.40 mL / g or more. It is preferably 0.43 mL / g or more, more preferably 0.45 mL / g or more, and the upper limit is usually about 0.65 mL / g. When the fibrous carbon nanostructure has the above-mentioned micropores, the durability of the solar cell can be further enhanced. The micropore volume can be adjusted, for example, by appropriately changing the preparation method and preparation conditions of the fibrous carbon nanostructure.
Here, the "micropore volume (Vp)" is the nitrogen adsorption amount at a relative pressure P / P0 = 0.19 by measuring the nitrogen adsorption / desorption isotherm at the liquid nitrogen temperature (77K) of the fibrous carbon nanostructure. Let V be, and it can be calculated from the formula (I): Vp = (V / 22414) × (M / ρ). In addition, P is the measured pressure at the time of adsorption equilibrium, P0 is the saturated vapor pressure of liquid nitrogen at the time of measurement, and in the formula (I), M is the molecular weight of the adsorbent (nitrogen) 28.010 and ρ is the adsorbent (nitrogen). ) Has a density of 0.808 g / cm 3 at 77 K. The micropore volume can be determined using, for example, "BELSORP (registered trademark) -mini" (manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.).
そして、上述した性状を有し、触媒層に使用する繊維状炭素ナノ構造体として好適に使用し得るCNTを含む繊維状炭素ナノ構造体は、例えば、カーボンナノチューブ製造用の触媒層(CNT製造用触媒層)を表面に有する基材上に、原料化合物およびキャリアガスを供給して、化学的気相成長法(CVD法)によりCNTを合成する際に、系内に微量の酸化剤(触媒賦活物質)を存在させることで、CNT製造用触媒層の触媒活性を飛躍的に向上させるという方法(スーパーグロース法;国際公開第2006/011655号参照)において、基材表面へのCNT製造用触媒層の形成をウェットプロセスにより行うことで、効率的に製造することができる。なお、以下では、スーパーグロース法により得られるカーボンナノチューブを「SGCNT」と称することがある。 The fibrous carbon nanostructure having the above-mentioned properties and containing CNT that can be suitably used as the fibrous carbon nanostructure used for the catalyst layer is, for example, a catalyst layer for producing carbon nanotubes (for producing CNT). When a raw material compound and a carrier gas are supplied onto a substrate having a catalyst layer on the surface to synthesize CNTs by a chemical vapor phase growth method (CVD method), a trace amount of oxidizing agent (catalyst activation) is introduced into the system. In the method of dramatically improving the catalytic activity of the catalyst layer for CNT production by the presence of the substance) (super growth method; see International Publication No. 2006/011655), the catalyst layer for CNT production on the surface of the substrate. Is formed by a wet process, so that it can be efficiently produced. In the following, the carbon nanotubes obtained by the super growth method may be referred to as "SGCNT".
なお、スーパーグロース法により製造した繊維状炭素ナノ構造体は、SGCNTのみから構成されていてもよいし、SGCNTと、導電性を有する非円筒形状の炭素ナノ構造体とから構成されていてもよい。具体的には、繊維状炭素ナノ構造体には、内壁同士が近接または接着したテープ状部分を全長に亘って有する単層または多層の扁平筒状の炭素ナノ構造体(上述したGNT)が含まれていてもよい。 The fibrous carbon nanostructures produced by the super growth method may be composed of only SGCNTs, or may be composed of SGCNTs and non-cylindrical carbon nanostructures having conductivity. .. Specifically, the fibrous carbon nanostructure includes a single-layer or multi-layered flat tubular carbon nanostructure (GNT described above) having a tape-like portion in which inner walls are close to each other or adhered to each other over the entire length. It may be.
ここで、GNTは、その合成時から内壁同士が近接または接着したテープ状部分が全長に亘って形成されており、炭素の六員環ネットワークが扁平筒状に形成された物質であると推定される。そして、GNTの形状が扁平筒状であり、かつ、GNT中に内壁同士が近接または接着したテープ状部分が存在していることは、例えば、GNTとフラーレン(C60)とを石英管に密封し、減圧下で加熱処理(フラーレン挿入処理)して得られるフラーレン挿入GNTを透過型電子顕微鏡(TEM)で観察すると、GNT中にフラーレンが挿入されない部分(テープ状部分)が存在していることから確認することができる。 Here, it is presumed that GNT is a substance in which a tape-like portion in which the inner walls are close to each other or adhered to each other is formed over the entire length from the time of its synthesis, and a six-membered ring network of carbon is formed in a flat tubular shape. NS. The fact that the GNT has a flat tubular shape and that there is a tape-shaped portion in the GNT in which the inner walls are close to each other or adhered to each other means that, for example, the GNT and the fullerene (C60) are sealed in a quartz tube. When the fullerene-inserted GNT obtained by heat treatment (fullerene insertion treatment) under reduced pressure is observed with a transmission electron microscope (TEM), there is a part (tape-like part) in the GNT where the fullerene is not inserted. You can check.
そして、GNTの形状は、幅方向中央部にテープ状部分を有する形状であることが好ましく、延在方向(軸線方向)に直行する断面の形状が、断面長手方向の両端部近傍における、断面長手方向に直交する方向の最大寸法が、いずれも、断面長手方向の中央部近傍における、断面長手方向に直交する方向の最大寸法よりも大きい形状であることがより好ましく、ダンベル状であることが特に好ましい。
ここで、GNTの断面形状において、「断面長手方向の中央部近傍」とは、断面の長手中心線(断面の長手方向中心を通り、長手方向線に直交する直線)から、断面の長手方向幅の30%以内の領域をいい、「断面長手方向の端部近傍」とは、「断面長手方向の中央部近傍」の長手方向外側の領域をいう。The shape of the GNT is preferably a shape having a tape-shaped portion in the central portion in the width direction, and the shape of the cross section orthogonal to the extending direction (axial direction) is the cross-sectional length in the vicinity of both ends in the cross-sectional longitudinal direction. It is more preferable that the maximum dimension in the direction orthogonal to the direction is larger than the maximum dimension in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the cross section in the vicinity of the central portion in the longitudinal direction of the cross section, and the shape is particularly dumbbell-shaped. preferable.
Here, in the cross-sectional shape of the GNT, "near the central portion in the longitudinal direction of the cross section" means the width in the longitudinal direction of the cross section from the longitudinal center line of the cross section (a straight line passing through the center of the longitudinal direction of the cross section and orthogonal to the longitudinal line). The region within 30% of the above, and the "near the end portion in the longitudinal direction of the cross section" means the region outside the longitudinal direction of the "near the central portion in the longitudinal direction of the cross section".
なお、非円筒形状の炭素ナノ構造体としてGNTを含む繊維状炭素ナノ構造体は、触媒層を表面に有する基材を用いてスーパーグロース法によりCNTを合成する際に、触媒層を表面に有する基材(以下、「触媒基材」と称することがある。)を所定の方法で形成することにより、得ることができる。具体的には、GNTを含む繊維状炭素ナノ構造体は、アルミニウム化合物を含む塗工液Aを基材上に塗布し、塗布した塗工液Aを乾燥して基材上にアルミニウム薄膜(触媒担持層)を形成した後、アルミニウム薄膜の上に、鉄化合物を含む塗工液Bを塗布し、塗布した塗工液Bを温度50℃以下で乾燥してアルミニウム薄膜上に鉄薄膜(触媒層)を形成することで得た触媒基材を用いてスーパーグロース法によりCNTを合成することで得ることができる。 The fibrous carbon nanostructure containing GNT as a non-cylindrical carbon nanostructure has a catalyst layer on the surface when CNT is synthesized by the super growth method using a base material having a catalyst layer on the surface. It can be obtained by forming a base material (hereinafter, may be referred to as "catalyst base material") by a predetermined method. Specifically, in the fibrous carbon nanostructure containing GNT, a coating liquid A containing an aluminum compound is applied onto a base material, and the applied coating liquid A is dried to form an aluminum thin film (catalyst) on the base material. After forming the supporting layer), a coating liquid B containing an iron compound is applied onto the aluminum thin film, and the applied coating liquid B is dried at a temperature of 50 ° C. or lower to dry the coated coating liquid B on the aluminum thin film (catalyst layer). ) Can be obtained by synthesizing CNTs by the super growth method using the catalyst base material obtained by forming).
[触媒層の性状]
触媒層が繊維状炭素ナノ構造体を含む場合、金属を含まないものであっても、充分な活性を有する。したがって、触媒層は、必ずしも金属を含まないものであってもよいが、ナノサイズの微量な白金等を担持した繊維状炭素ナノ構造体を含んでいてもよい。その場合、触媒効果の向上が期待される。カーボンナノチューブ等の繊維状炭素ナノ構造体への金属の担持は公知の方法に従って行うことができる。[Characteristics of catalyst layer]
When the catalyst layer contains fibrous carbon nanostructures, it has sufficient activity even if it does not contain metal. Therefore, the catalyst layer may not necessarily contain a metal, but may contain a fibrous carbon nanostructure carrying a trace amount of nano-sized platinum or the like. In that case, improvement of the catalytic effect is expected. The metal can be supported on the fibrous carbon nanostructures such as carbon nanotubes according to a known method.
ここで、触媒層の厚みの平均値は、0.5μm以上3.0μm以下であることが必要であり、1.0μm以上であることが好ましく、1.5μm以上であることがより好ましく、2.5μm以下であることが好ましい。触媒層の厚みの平均値が0.5μmを下回ると、触媒層の表面積不足で太陽電池の光電変換効率が低下する。一方、触媒層の厚みの平均値が3.0μmを超えると、電解液浸透時などに触媒層が脆くなり、太陽電池の耐久性が低下する。したがって、触媒層の厚みの平均値が上述の範囲外であると、太陽電池の光電変換効率および/または耐久性を確保することができない。
また、触媒層の厚みの標準偏差は0.2μm以下であることが必要であり、0.15μm以下であることが好ましい。触媒層の厚みの標準偏差が0.2μmを超えると、電極の短絡の可能性が高くなり、太陽電池の耐久性を確保することができない。なお、触媒層の厚みの標準偏差は、通常、0.03μm以上である。
そして、触媒層の厚みの最大値と最小値の差が、触媒層の厚みの平均値の50%以下であることが好ましく、40%以下であることがより好ましく、30%以下であることが更に好ましく、20%以下であることが特に好ましい。触媒層の厚みの最大値と最小値の差が、厚みの平均値の50%以下であれば、短絡の可能性を更に低下させ、太陽電池の耐久性を一層向上させることができる。なお、触媒層の厚みの最大値と最小値の差は、通常、触媒層の厚みの平均値の1%以上である。
なお、「触媒層の厚みの平均値」、「触媒層の厚みの標準偏差(標本標準偏差)」、「触媒層の厚みの最大値と最小値の差」は、触媒層の、無作為に選択した100箇所の厚みを測定して求めることができる。Here, the average value of the thickness of the catalyst layer needs to be 0.5 μm or more and 3.0 μm or less, preferably 1.0 μm or more, and more preferably 1.5 μm or more. It is preferably 5.5 μm or less. If the average thickness of the catalyst layer is less than 0.5 μm, the surface area of the catalyst layer is insufficient and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is lowered. On the other hand, if the average thickness of the catalyst layer exceeds 3.0 μm, the catalyst layer becomes brittle when the electrolytic solution is infiltrated, and the durability of the solar cell is lowered. Therefore, if the average value of the thickness of the catalyst layer is out of the above range, the photoelectric conversion efficiency and / or durability of the solar cell cannot be ensured.
Further, the standard deviation of the thickness of the catalyst layer needs to be 0.2 μm or less, and preferably 0.15 μm or less. If the standard deviation of the thickness of the catalyst layer exceeds 0.2 μm, the possibility of short-circuiting of the electrodes increases, and the durability of the solar cell cannot be ensured. The standard deviation of the thickness of the catalyst layer is usually 0.03 μm or more.
The difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the catalyst layer is preferably 50% or less, more preferably 40% or less, and more preferably 30% or less of the average value of the thickness of the catalyst layer. It is more preferably 20% or less, and particularly preferably 20% or less. When the difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the catalyst layer is 50% or less of the average value of the thickness, the possibility of short circuit can be further reduced and the durability of the solar cell can be further improved. The difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the catalyst layer is usually 1% or more of the average value of the thickness of the catalyst layer.
The "average value of the thickness of the catalyst layer", "standard deviation of the thickness of the catalyst layer (sample standard deviation)", and "difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the catalyst layer" are randomly selected for the catalyst layer. It can be obtained by measuring the thickness of 100 selected points.
また、触媒層に含まれる繊維状炭素ナノ構造体の量は、0.1mg/m2以上であることが好ましく、1mg/m2以上であることがより好ましく、20000mg/m2以下であることが好ましく、5000mg/m2以下であることがより好ましい。繊維状炭素ナノ構造体の含有量を上述の範囲内である触媒層を用いれば、太陽電池の光電変換効率を高めることができる。The amount of the fibrous carbon nanostructure contained in the catalyst layer is preferably 0.1 mg / m 2 or more, more preferably 1 mg / m 2 or more, and 20000 mg / m 2 or less. It is preferably 5000 mg / m 2 or less, and more preferably 5000 mg /
<太陽電池用電極の製造方法>
本発明の太陽電池用電極を製造する方法は、特に限定されない。例えば、触媒層に繊維状炭素ナノ構造体を含む太陽電池用電極は、繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液を支持体上に塗布する工程(塗布工程)と、塗布した繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液を乾燥させて触媒層を形成する工程(触媒層形成工程)を経て製造することができる。<Manufacturing method of electrodes for solar cells>
The method for producing the electrode for a solar cell of the present invention is not particularly limited. For example, a solar cell electrode containing a fibrous carbon nanostructure in a catalyst layer has a step of applying a dispersion liquid containing the fibrous carbon nanostructure on a support (coating step) and a step of applying the fibrous carbon nanostructure. It can be produced through a step of drying a dispersion liquid containing a body to form a catalyst layer (catalyst layer forming step).
[繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液]
繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液(繊維状炭素ナノ構造体分散液)は、既知の分散処理方法を使用し、好ましくは分散剤の存在下において、繊維状炭素ナノ構造体を溶媒中に分散させることで調製することができる。中でも、繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させ、分散性に優れる繊維状炭素ナノ構造体分散液を用いて触媒層を良好に形成する観点からは、溶媒中に繊維状炭素ナノ構造体および任意に分散剤を添加してなる粗分散液をキャビテーション効果または解砕効果が得られる分散処理に供し、繊維状炭素ナノ構造体分散液を調製することが好ましい。[Dispersion containing fibrous carbon nanostructures]
The dispersion containing the fibrous carbon nanostructures (fibrous carbon nanostructures dispersion) uses a known dispersion treatment method, preferably in the presence of a dispersant, in which the fibrous carbon nanostructures are placed in a solvent. It can be prepared by dispersing. Above all, from the viewpoint of satisfactorily dispersing the fibrous carbon nanostructures and satisfactorily forming the catalyst layer by using the fibrous carbon nanostructures dispersion liquid having excellent dispersibility, the fibrous carbon nanostructures and the fibrous carbon nanostructures are contained in the solvent. It is preferable that the crude dispersion liquid to which a dispersant is optionally added is subjected to a dispersion treatment for obtaining a cavitation effect or a crushing effect to prepare a fibrous carbon nanostructure dispersion liquid.
−溶媒−
ここで、繊維状炭素ナノ構造体分散液の溶媒(繊維状炭素ナノ構造体の分散媒)としては、特に限定されることなく、例えば、水、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、アミルアルコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドンなどのアミド系極性有機溶媒、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン、パラジクロロベンゼンなどの芳香族炭化水素類などが挙げられる。これらは1種類のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。− Solvent −
Here, the solvent of the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid (dispersion medium of the fibrous carbon nanostructure) is not particularly limited, and is, for example, water, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-. Alcohols such as butanol, isobutanol, t-butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, nonanol, decanol, amyl alcohol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, diethyl Ethers such as ether, dioxane and tetrahydrofuran, amide-based polar organic solvents such as N, N-dimethylformamide and N-methylpyrrolidone, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, chlorobenzene, orthodichlorobenzene and paradichlorobenzene Can be mentioned. Only one type of these may be used alone, or two or more types may be used in combination.
−分散剤−
また、繊維状炭素ナノ構造体分散液の調製に用いる分散剤としては、繊維状炭素ナノ構造体を分散可能であり、繊維状炭素ナノ構造体を分散させる溶媒に溶解可能であれば、特に限定されることなく、アニオン系、ノニオン系、カチオン系、ベタイン系など界面活性剤、合成高分子または天然高分子を用いることができる。-Dispersant-
Further, the dispersant used for preparing the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid is particularly limited as long as the fibrous carbon nanostructures can be dispersed and dissolved in a solvent for dispersing the fibrous carbon nanostructures. Surfactants such as anionic, nonionic, cationic, and betaine-based surfactants, synthetic polymers, or natural polymers can be used without this.
そして、界面活性剤としては、例えば、ドデシルスルホン酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどが挙げられる。
また、合成高分子としては、例えば、ポリエーテルジオール、ポリエステルジオール、ポリカーボネートジオール、ポリビニルアルコール、部分けん化ポリビニルアルコール、アセトアセチル基変性ポリビニルアルコール、アセタール基変性ポリビニルアルコール、ブチラール基変性ポリビニルアルコール、シラノール基変性ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−ビニルアルコール−酢酸ビニル共重合樹脂、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ系樹脂、フェノキシ樹脂、変性フェノキシ系樹脂、フェノキシエーテル樹脂、フェノキシエステル樹脂、フッ素系樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドンなどが挙げられる。
更に、天然高分子としては、例えば、多糖類であるデンプン、プルラン、デキストラン、デキストリン、グアーガム、キサンタンガム、アミロース、アミロペクチン、アルギン酸、アラビアガム、カラギーナン、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸、カードラン、キチン、キトサン、セルロース、並びに、その塩または誘導体が挙げられる。
これらの分散剤は、1種または2種以上を混合して用いることができる。また分散剤は、特に限定されないが、繊維状炭素ナノ構造体100質量部に対し、通常10〜2000質量部を用いることができる。Examples of the surfactant include sodium dodecylsulfonate, sodium deoxycholate, sodium cholic acid, sodium dodecylbenzenesulfonate and the like.
Examples of the synthetic polymer include polyether diol, polyester diol, polycarbonate diol, polyvinyl alcohol, partially saponified polyvinyl alcohol, acetoacetyl group-modified polyvinyl alcohol, acetal group-modified polyvinyl alcohol, butyral group-modified polyvinyl alcohol, and silanol group-modified. Polyvinyl alcohol, ethylene-vinyl alcohol copolymer, ethylene-vinyl alcohol-vinyl acetate copolymer resin, dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, acrylic resin, epoxy resin, modified epoxy resin, phenoxy resin, modified phenoxy Examples thereof include resins, phenoxy ether resins, phenoxy ester resins, fluororesins, melamine resins, alkyd resins, phenol resins, polyacrylamides, polyacrylic acids, polystyrene sulfonic acids, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones and the like.
Further, as natural polymers, for example, polysaccharides starch, pullulan, dextran, dextrin, guar gum, xanthan gum, amylose, amylopectin, alginic acid, arabic gum, carrageenan, chondroitin sulfate, hyaluronic acid, curdlan, chitin, chitosan, etc. Examples include cellulose and its salts or derivatives.
These dispersants can be used alone or in admixture of two or more. The dispersant is not particularly limited, but usually 10 to 2000 parts by mass can be used with respect to 100 parts by mass of the fibrous carbon nanostructure.
−粗分散液−
粗分散液は、特に限定されることなく、上述した繊維状炭素ナノ構造体と、任意に使用する上述した分散剤と、上述した溶媒とを既知の方法で混合することにより得ることができる。なお、繊維状炭素ナノ構造体と、分散剤と、溶媒とは任意の順序で混合することができ、例えば、繊維状炭素ナノ構造体と、分散剤と、溶媒とを同時に混合してもよいし、分散剤と溶媒との混合溶液中に繊維状炭素ナノ構造体を添加して混合してもよい。また、粗分散液には、上述した成分以外に、繊維状炭素ナノ構造体分散液および成形体の製造に一般に用いられる添加剤を更に添加してもよい。添加剤としては、硬化剤、酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤、紫外線吸収剤、顔料、シリカなどの充填剤、着色剤、発泡剤、帯電防止剤、難燃剤、滑剤、軟化剤、粘着付与剤、可塑剤、離型剤、防臭剤、香料などが挙げられる。-Coarse dispersion-
The crude dispersion liquid is not particularly limited, and can be obtained by mixing the above-mentioned fibrous carbon nanostructure, the above-mentioned dispersant used arbitrarily, and the above-mentioned solvent by a known method. The fibrous carbon nanostructure, the dispersant, and the solvent can be mixed in any order. For example, the fibrous carbon nanostructure, the dispersant, and the solvent may be mixed at the same time. Then, the fibrous carbon nanostructures may be added to the mixed solution of the dispersant and the solvent and mixed. Further, in addition to the above-mentioned components, an additive generally used for producing a fibrous carbon nanostructure dispersion liquid and a molded product may be further added to the crude dispersion liquid. Additives include hardeners, antioxidants, heat stabilizers, light stabilizers, UV absorbers, pigments, fillers such as silica, colorants, foaming agents, antistatic agents, flame retardants, lubricants, softeners, etc. Examples thereof include antistatic agents, plasticizers, mold release agents, deodorants, and fragrances.
−キャビテーション効果が得られる分散処理−
ここで、キャビテーション効果が得られる分散処理は、液体に高エネルギーを付与した際、水に生じた真空の気泡が破裂することにより生じる衝撃波を利用した分散方法である。この分散方法を用いることにより、繊維状炭素ナノ構造体を良好に分散させることができる。-Distributed processing that provides cavitation effect-
Here, the dispersion treatment for obtaining the cavitation effect is a dispersion method using a shock wave generated by the bursting of vacuum bubbles generated in water when high energy is applied to the liquid. By using this dispersion method, the fibrous carbon nanostructures can be dispersed well.
そして、キャビテーション効果が得られる分散処理の具体例としては、超音波による分散処理、ジェットミルによる分散処理および高剪断撹拌による分散処理が挙げられる。これらの分散処理は一つのみを行なってもよく、複数の分散処理を組み合わせて行なってもよい。より具体的には、例えば超音波ホモジナイザー、ジェットミルおよび高剪断撹拌装置が好適に用いられる。これらの装置は従来公知のものを使用すればよい。 Specific examples of the dispersion treatment for obtaining the cavitation effect include dispersion treatment by ultrasonic waves, dispersion treatment by jet mill, and dispersion treatment by high shear stirring. Only one of these distributed processes may be performed, or a plurality of distributed processes may be combined. More specifically, for example, an ultrasonic homogenizer, a jet mill and a high shear agitator are preferably used. As these devices, conventionally known devices may be used.
繊維状炭素ナノ構造体の分散に超音波ホモジナイザーを用いる場合には、粗分散液に対し、超音波ホモジナイザーにより超音波を照射すればよい。照射する時間は、繊維状炭素ナノ構造体の量等により適宜設定すればよく、例えば、3分以上が好ましく、30分以上がより好ましく、また、5時間以下が好ましく、2時間以下がより好ましい。また、例えば、出力は20W以上500W以下が好ましく、100W以上500W以下がより好ましく、温度は15℃以上50℃以下が好ましい。 When an ultrasonic homogenizer is used to disperse the fibrous carbon nanostructures, the crude dispersion liquid may be irradiated with ultrasonic waves by the ultrasonic homogenizer. The irradiation time may be appropriately set depending on the amount of the fibrous carbon nanostructures and the like. For example, 3 minutes or more is preferable, 30 minutes or more is more preferable, 5 hours or less is preferable, and 2 hours or less is more preferable. .. Further, for example, the output is preferably 20 W or more and 500 W or less, more preferably 100 W or more and 500 W or less, and the temperature is preferably 15 ° C. or more and 50 ° C. or less.
また、ジェットミルを用いる場合、処理回数は、繊維状炭素ナノ構造体の量等により適宜設定すればよく、例えば、2回以上が好ましく、100回以下が好ましく、50回以下がより好ましい。また、例えば、圧力は20MPa以上250MPa以下が好ましく、温度は15℃以上50℃以下が好ましい。 When a jet mill is used, the number of treatments may be appropriately set depending on the amount of the fibrous carbon nanostructures and the like. For example, 2 times or more is preferable, 100 times or less is preferable, and 50 times or less is more preferable. Further, for example, the pressure is preferably 20 MPa or more and 250 MPa or less, and the temperature is preferably 15 ° C. or more and 50 ° C. or less.
さらに、高剪断撹拌を用いる場合には、粗分散液に対し、高剪断撹拌装置により撹拌および剪断を加えればよい。旋回速度は速ければ速いほどよい。例えば、運転時間(機械が回転動作をしている時間)は3分以上4時間以下が好ましく、周速は5m/秒以上50m/秒以下が好ましく、温度は15℃以上50℃以下が好ましい。 Further, when high shear stirring is used, stirring and shearing may be added to the crude dispersion liquid by a high shear stirring device. The faster the turning speed, the better. For example, the operating time (the time during which the machine is rotating) is preferably 3 minutes or more and 4 hours or less, the peripheral speed is preferably 5 m / sec or more and 50 m / sec or less, and the temperature is preferably 15 ° C. or more and 50 ° C. or less.
なお、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理は、50℃以下の温度で行なうことがより好ましい。溶媒の揮発による濃度変化が抑制されるからである。 The dispersion treatment for obtaining the above-mentioned cavitation effect is more preferably performed at a temperature of 50 ° C. or lower. This is because the change in concentration due to the volatilization of the solvent is suppressed.
−解砕効果が得られる分散処理−
また、解砕効果が得られる分散処理は、繊維状炭素ナノ構造体を溶媒中に均一に分散できることは勿論、上記したキャビテーション効果が得られる分散処理に比べ、気泡が消滅する際の衝撃波による繊維状炭素ナノ構造体の損傷を抑制することができる点で有利である。-Dispersion treatment that provides crushing effect-
Further, in the dispersion treatment for obtaining the crushing effect, the fibrous carbon nanostructures can be uniformly dispersed in the solvent, and of course, compared with the dispersion treatment for obtaining the cavitation effect described above, the fibers due to the shock wave when the bubbles disappear. It is advantageous in that damage to the state carbon nanostructures can be suppressed.
この解砕効果が得られる分散処理では、粗分散液にせん断力を与えて繊維状炭素ナノ構造体の凝集体を解砕・分散させ、さらに粗分散液に背圧を負荷し、また必要に応じ、粗分散液を冷却することで、気泡の発生を抑制しつつ、繊維状炭素ナノ構造体を溶媒中に均一に分散させることができる。
なお、粗分散液に背圧を負荷する場合、粗分散液に負荷した背圧は、大気圧まで一気に降圧させてもよいが、多段階で降圧することが好ましい。In the dispersion treatment to obtain this crushing effect, a shearing force is applied to the crude dispersion liquid to crush and disperse the aggregates of the fibrous carbon nanostructures, and further, a back pressure is applied to the coarse dispersion liquid, and it is necessary. Therefore, by cooling the crude dispersion liquid, the fibrous carbon nanostructures can be uniformly dispersed in the solvent while suppressing the generation of bubbles.
When the back pressure is applied to the crude dispersion liquid, the back pressure applied to the crude dispersion liquid may be lowered to atmospheric pressure at once, but it is preferable to lower the pressure in multiple steps.
ここに、粗分散液にせん断力を与えて繊維状炭素ナノ構造体をさらに分散させるには、例えば、以下のような構造の分散器を有する分散システムを用いればよい。
すなわち、分散器は、粗分散液の流入側から流出側に向かって、内径がd1の分散器オリフィスと、内径がd2の分散空間と、内径がd3の終端部と(但し、d2>d3>d1である。)、を順次備える。
そして、この分散器では、流入する高圧(例えば10〜400MPa、好ましくは50〜250MPa)の粗分散液が、分散器オリフィスを通過することで、圧力の低下を伴いつつ、高流速の流体となって分散空間に流入する。その後、分散空間に流入した高流速の粗分散液は、分散空間内を高速で流動し、その際にせん断力を受ける。その結果、粗分散液の流速が低下すると共に、繊維状炭素ナノ構造体が良好に分散する。そして、終端部から、流入した粗分散液の圧力よりも低い圧力(背圧)の流体が、繊維状炭素ナノ構造体の分散液として流出することになる。Here, in order to further disperse the fibrous carbon nanostructures by applying a shearing force to the crude dispersion liquid, for example, a dispersion system having a disperser having the following structure may be used.
That is, the disperser has a disperser orifice having an inner diameter of d1, a dispersion space having an inner diameter of d2, and a terminal portion having an inner diameter of d3 from the inflow side to the outflow side of the crude dispersion liquid (however, d2>d3>. d1), are sequentially provided.
Then, in this disperser, the inflowing high-pressure (for example, 10 to 400 MPa, preferably 50 to 250 MPa) coarse dispersion liquid passes through the disperser orifice to become a fluid having a high flow velocity while reducing the pressure. Inflow into the dispersed space. After that, the high-velocity coarse dispersion liquid that has flowed into the dispersion space flows at high speed in the dispersion space, and receives a shearing force at that time. As a result, the flow velocity of the crude dispersion liquid is reduced, and the fibrous carbon nanostructures are well dispersed. Then, a fluid having a pressure (back pressure) lower than the pressure of the inflowing crude dispersion liquid flows out from the terminal portion as a dispersion liquid of the fibrous carbon nanostructures.
なお、粗分散液の背圧は、粗分散液の流れに負荷をかけることで粗分散液に負荷することができ、例えば、多段降圧器を分散器の下流側に配設することにより、粗分散液に所望の背圧を負荷することができる。
そして、粗分散液の背圧を多段降圧器により多段階で降圧することで、最終的に繊維状炭素ナノ構造体の分散液を大気圧に開放した際に、分散液中に気泡が発生するのを抑制できる。The back pressure of the coarse dispersion liquid can be applied to the crude dispersion liquid by applying a load to the flow of the coarse dispersion liquid. The desired back pressure can be applied to the dispersion.
Then, by lowering the back pressure of the crude dispersion in multiple steps with a multi-step step-down device, bubbles are generated in the dispersion when the dispersion of the fibrous carbon nanostructure is finally released to atmospheric pressure. Can be suppressed.
また、この分散器は、粗分散液を冷却するための熱交換器や冷却液供給機構を備えていてもよい。というのは、分散器でせん断力を与えられて高温になった粗分散液を冷却することにより、粗分散液中で気泡が発生するのをさらに抑制できるからである。
なお、熱交換器等の配設に替えて、粗分散液を予め冷却しておくことでも、繊維状炭素ナノ構造体を含む溶媒中で気泡が発生することを抑制できる。Further, the disperser may include a heat exchanger for cooling the crude dispersion liquid and a coolant supply mechanism. This is because the generation of bubbles in the coarse dispersion can be further suppressed by cooling the crude dispersion which has become hot due to the shearing force applied by the disperser.
It should be noted that the generation of bubbles in the solvent containing the fibrous carbon nanostructures can be suppressed by pre-cooling the crude dispersion liquid instead of arranging the heat exchanger or the like.
上記したように、この解砕効果が得られる分散処理では、キャビテーションの発生を抑制できるので、時として懸念されるキャビテーションに起因した繊維状炭素ナノ構造体の損傷、特に、気泡が消滅する際の衝撃波に起因した繊維状炭素ナノ構造体の損傷を抑制することができる。加えて、繊維状炭素ナノ構造体への気泡の付着や、気泡の発生によるエネルギーロスを抑制して、繊維状炭素ナノ構造体を均一かつ効率的に分散させることができる。 As described above, in the dispersion treatment that obtains this crushing effect, the occurrence of cavitation can be suppressed, so that damage to the fibrous carbon nanostructures due to cavitation, which is sometimes a concern, especially when bubbles disappear. Damage to the fibrous carbon nanostructures caused by shock waves can be suppressed. In addition, the fibrous carbon nanostructures can be uniformly and efficiently dispersed by suppressing the adhesion of bubbles to the fibrous carbon nanostructures and the energy loss due to the generation of the bubbles.
以上のような構成を有する分散システムとしては、例えば、製品名「BERYU SYSTEM PRO」(株式会社美粒製)などがある。そして、解砕効果が得られる分散処理は、このような分散システムを用い、分散条件を適切に制御することで、実施することができる。 Examples of the distributed system having the above configuration include the product name "BERYU SYSTEM PRO" (manufactured by Bitsubu Co., Ltd.). Then, the dispersion processing in which the crushing effect can be obtained can be carried out by using such a dispersion system and appropriately controlling the dispersion conditions.
[塗布工程]
上述のようにして得られた繊維状炭素ナノ構造体分散液を支持体上に塗布する方法としては、特に限定されないが、例えば、スピンコート法、ディッピング法、ロールコート法、グラビアコート法、ナイフコート法、エアナイフコート法、ロールナイフコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、グラビアオフセット法などを用いることができる。これらの中でも、厚みムラが少ない(厚みの標準偏差の値が小さい)触媒層を得る観点から、スクリーン印刷法が好ましい。[Applying process]
The method of applying the fibrous carbon nanostructure dispersion obtained as described above onto the support is not particularly limited, and is, for example, a spin coating method, a dipping method, a roll coating method, a gravure coating method, or a knife. A coating method, an air knife coating method, a roll knife coating method, a die coating method, a screen printing method, a spray coating method, a gravure offset method, or the like can be used. Among these, the screen printing method is preferable from the viewpoint of obtaining a catalyst layer having less thickness unevenness (small value of standard deviation of thickness).
そして、スクリーン印刷法においては、メタルマスクを使用することが好ましい。ここで、メタルマスクとしては、例えば、ステンレス鋼又はニッケルの薄板に、触媒層の外形および配置位置を規定する開口部を設けたものを用いることができる。メタルマスクの板厚は、所望の触媒層の厚みに応じて、触媒層の厚み以上の値を設定することができる。ここで、メタルマスクの板厚と触媒層の厚みとの差は、通常、乾燥前の塗膜の厚みと乾燥後に得られる触媒層の厚みの差に一致する。
そして、メタルマスクの板厚は、50μm以上1000μm以下であることが好ましい。メタルマスクの板厚が50μm未満であると、メタルマスク自体の耐久性が低下する。一方、メタルマスクの板厚が1000μmを超えると、繊維状炭素ナノ構造体分散液の塗布量が多くなるため、得られる触媒層中央部の厚みが低下し、厚みの標準偏差の値が高まる傾向がある。加えて、このように触媒層中央部に凹みができると、太陽電池の電池性能(光電変換効率など)が低下する。
また、メタルマスクの支持体と接する面は、樹脂塗膜やシリコン塗膜等で表面処理されていることが好ましい。このような表面処理が施されているメタルマスクを用いれば、触媒層のにじみを低減して、厚みの標準偏差の値が小さい触媒層を作製できる。Then, in the screen printing method, it is preferable to use a metal mask. Here, as the metal mask, for example, a thin plate of stainless steel or nickel provided with an opening for defining the outer shape and the arrangement position of the catalyst layer can be used. The plate thickness of the metal mask can be set to a value equal to or larger than the thickness of the catalyst layer according to the desired thickness of the catalyst layer. Here, the difference between the thickness of the metal mask and the thickness of the catalyst layer usually corresponds to the difference between the thickness of the coating film before drying and the thickness of the catalyst layer obtained after drying.
The thickness of the metal mask is preferably 50 μm or more and 1000 μm or less. If the plate thickness of the metal mask is less than 50 μm, the durability of the metal mask itself is lowered. On the other hand, when the plate thickness of the metal mask exceeds 1000 μm, the amount of the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid applied increases, so that the thickness of the central portion of the obtained catalyst layer decreases and the standard deviation value of the thickness tends to increase. There is. In addition, if a dent is formed in the central portion of the catalyst layer in this way, the battery performance (photoelectric conversion efficiency, etc.) of the solar cell deteriorates.
Further, it is preferable that the surface of the metal mask in contact with the support is surface-treated with a resin coating film, a silicon coating film, or the like. By using a metal mask subjected to such a surface treatment, bleeding of the catalyst layer can be reduced, and a catalyst layer having a small standard deviation value of the thickness can be produced.
メタルマスクを使用するスクリーン印刷法では、具体的には、
(1)まず、支持体上に、所望の触媒層の形状に対応する開口部を備えるメタルマスクを配置し、
(2)次いで、配置したメタルマスクの表面上に繊維状炭素ナノ構造体分散液を供給し、
(3)そして、繊維状炭素ナノ構造体分散液が供給されたメタルマスクの表面に沿ってブレードを移動させることにより、メタルマスクの開口部に繊維状炭素ナノ構造体分散液を充填する。
上記(1)〜(3)の工程を経ることで、薄く、均一な厚みを有する塗膜を支持体上に形成することができる。メタルマスクの表面上でのブレードの移動速度は、特に限定されないが、例えば100mm/秒以上1000mm/秒以下である。In the screen printing method using a metal mask, specifically,
(1) First, a metal mask having an opening corresponding to the shape of the desired catalyst layer is placed on the support.
(2) Next, the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid was supplied onto the surface of the placed metal mask, and the liquid was supplied.
(3) Then, the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid is filled in the opening of the metal mask by moving the blade along the surface of the metal mask to which the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid is supplied.
By going through the steps (1) to (3) above, a thin coating film having a uniform thickness can be formed on the support. The moving speed of the blade on the surface of the metal mask is not particularly limited, but is, for example, 100 mm / sec or more and 1000 mm / sec or less.
[触媒層形成工程]
塗布工程で支持体上に形成した繊維状炭素ナノ構造体分散液の塗膜を乾燥する方法としては、公知の乾燥方法を採用できる。乾燥方法としては、風乾法、熱風乾燥法、真空乾燥法、赤外線照射法等が挙げられる。乾燥温度は、特に限定されないが、通常、25℃以上200℃以下、乾燥時間は、特に限定されないが、通常、0.1分以上150分以下である。[Catalyst layer formation step]
As a method for drying the coating film of the fibrous carbon nanostructure dispersion liquid formed on the support in the coating step, a known drying method can be adopted. Examples of the drying method include an air drying method, a hot air drying method, a vacuum drying method, and an infrared irradiation method. The drying temperature is not particularly limited, but is usually 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and the drying time is not particularly limited, but is usually 0.1 minutes or longer and 150 minutes or shorter.
(太陽電池)
本発明の太陽電池は、対向する2つの電極を備え、2つの電極の少なくとも1つとして、上述した本発明の太陽電池用電極を用いることを特徴とする。本発明の太陽電池は、本発明の太陽電池用電極を備えているため、耐久性に優れ、長期に亘り優れた光電変換効率を発揮することができる。
そして、太陽電池に含まれる2つの電極の支持体間の距離は、70μm以下であることが好ましく、60μm以下であることがより好ましく、50μm以下であることがさらに好ましい。支持体間距離が70μm以下であれば、太陽電池の耐久性を一層高めることができる。ここで、支持体間距離の下限は特に限定されないが、通常10μm以上である。
なお、「2つの電極の支持体間の距離」は、無作為に選択した10箇所における2つの電極の支持体間の距離を測定して、これらの値の平均値として求めることができる。
以下、太陽電池が色素増感型太陽電池である場合を例に挙げ説明するが、本発明は、色素増感型太陽電池などの有機系太陽電池に限定されず、ペロブスカイト型太陽電池などの有機無機ハイブリッド型太陽電池にも適用することができる。(Solar cell)
The solar cell of the present invention is provided with two electrodes facing each other, and the above-described electrode for a solar cell of the present invention is used as at least one of the two electrodes. Since the solar cell of the present invention includes the electrode for the solar cell of the present invention, it has excellent durability and can exhibit excellent photoelectric conversion efficiency over a long period of time.
The distance between the supports of the two electrodes included in the solar cell is preferably 70 μm or less, more preferably 60 μm or less, and even more preferably 50 μm or less. When the distance between the supports is 70 μm or less, the durability of the solar cell can be further improved. Here, the lower limit of the distance between the supports is not particularly limited, but is usually 10 μm or more.
The "distance between the supports of the two electrodes" can be obtained as the average value of these values by measuring the distance between the supports of the two electrodes at 10 randomly selected locations.
Hereinafter, the case where the solar cell is a dye-sensitized solar cell will be described as an example, but the present invention is not limited to the organic solar cell such as the dye-sensitized solar cell, and the present invention is not limited to the organic solar cell such as the perovskite type solar cell. It can also be applied to inorganic hybrid solar cells.
<色素増感型太陽電池>
本発明の太陽電池としての色素増感型太陽電池の一例を図2に示す。
図2に示す色素増感型太陽電池は、光電極(透明電極)10、電解質層20、対向電極30がこの順に並んでなる構造を有し、対向電極30として、本発明の太陽電池用電極を用いたものである。また、矢印は電子の動きを示す。<Dye-sensitized solar cell>
FIG. 2 shows an example of a dye-sensitized solar cell as the solar cell of the present invention.
The dye-sensitized solar cell shown in FIG. 2 has a structure in which a light electrode (transparent electrode) 10, an
光電極10は、光電極基板10aと、その上に形成された多孔質半導体微粒子層10bと、この多孔質半導体微粒子層の表面に増感色素が吸着されて形成された増感色素層10cとからなる。
The
光電極基板10aは、多孔質半導体微粒子層10b等を担持する役割と、集電体としての役割を担うものである。
光電極基板10aとしては、例えば、透明樹脂やガラスのシートよりなる支持体10dの上に、インジウム−スズ酸化物(ITO)やインジウム−亜鉛酸化物(IZO)等の複合金属酸化物;繊維状炭素ナノ構造体やグラフェン等の炭素材料;銀ナノワイヤーや金属メッシュ配線等の金属材料;などからなる導電膜10eを積層してなるものが挙げられる。The
The
多孔質半導体微粒子層10bは、半導体微粒子を含有する多孔質状の層である。多孔質状の層であることで、増感色素の吸着量が増え、変換効率が高い色素増感型太陽電池が得られやすくなる。
半導体微粒子としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ等の金属酸化物の粒子が挙げられる。
半導体微粒子の粒子径(一次粒子の平均粒子径)は、好ましくは2〜80nm、より好ましくは2〜60nmである。粒子径が小さいことで、抵抗を低下させることができる。
多孔質半導体微粒子層の厚みは、特に限定されないが、通常、0.1〜50μm、好ましくは5〜30μmである。
多孔質半導体微粒子層は、プレス法、水熱分解法、泳動電着法、バインダーフリーコーティング法等の公知の方法により形成することができる。The porous semiconductor
Examples of the semiconductor fine particles include particles of metal oxides such as titanium oxide, zinc oxide, and tin oxide.
The particle size of the semiconductor fine particles (average particle size of the primary particles) is preferably 2 to 80 nm, more preferably 2 to 60 nm. The small particle size can reduce the resistance.
The thickness of the porous semiconductor fine particle layer is not particularly limited, but is usually 0.1 to 50 μm, preferably 5 to 30 μm.
The porous semiconductor fine particle layer can be formed by a known method such as a pressing method, a hydrothermal decomposition method, an electrophoretic electrodeposition method, or a binder-free coating method.
増感色素層10cは、光によって励起されて多孔質半導体微粒子層10bに電子を渡し得る化合物(増感色素)が、多孔質半導体微粒子層10bの表面に吸着されてなる層である。
増感色素としては、シアニン色素、メロシアニン色素、オキソノール色素、キサンテン色素、スクワリリウム色素、ポリメチン色素、クマリン色素、リボフラビン色素、ペリレン色素等の有機色素;鉄、銅、ルテニウム等の金属のフタロシアニン錯体やポルフィリン錯体等の金属錯体色素;等が挙げられる。
増感色素層10cは、例えば、増感色素の溶液中に多孔質半導体微粒子層10bを浸漬する方法や、増感色素の溶液を多孔質半導体微粒子層10b上に塗布する方法等の公知の方法により形成することができる。The sensitizing
Examples of the sensitizing dye include organic dyes such as cyanine dye, merocyanine dye, oxonor dye, xanthene dye, squarylium dye, polymethine dye, coumarin dye, riboflavin dye, and perylene dye; phthalocyanine complex of metal such as iron, copper, and ruthenium, and porphyrin. Metal complex dyes such as complexes; and the like.
The sensitizing
光電極は、図2に示すものに限定されず、光を受けることで、外部の回路40に電子を放出し得る電極であればよく、色素増感型太陽電池の光電極として公知のものを用いることができる。
The optical electrode is not limited to the one shown in FIG. 2, and may be any electrode that can emit electrons to the
電解質層20は、光電極10と対向電極30とを分離するとともに、電荷移動を効率よく行わせるための層である。
電解質層20は、通常、支持電解質、酸化還元対(酸化還元反応において可逆的に酸化体および還元体の形で相互に変換しうる一対の化学種)、溶媒等を含有する。The
The
支持電解質としては、リチウムイオン、イミダゾリウムイオン、4級アンモニウムイオン等の陽イオンを含む塩が挙げられる。 Examples of the supporting electrolyte include salts containing cations such as lithium ion, imidazolium ion, and quaternary ammonium ion.
酸化還元対としては、酸化された増感色素を還元し得るものであれば、公知のものを用いることができる。酸化還元対としては、塩素化合物−塩素、ヨウ素化合物−ヨウ素、臭素化合物−臭素、タリウムイオン(III)−タリウムイオン(I)、ルテニウムイオン(III)−ルテニウムイオン(II)、銅イオン(II)−銅イオン(I)、鉄イオン(III)−鉄イオン(II)、コバルトイオン(III)−コバルトイオン(II)、バナジウムイオン(III)−バナジウムイオン(II)、マンガン酸イオン−過マンガン酸イオン、フェリシアン化物−フェロシアン化物、キノン−ヒドロキノン、フマル酸−コハク酸等が挙げられる。 As the redox pair, known ones can be used as long as they can reduce the oxidized sensitizing dye. As redox pairs, chlorine compound-chlorine, iodine compound-iodine, bromine compound-bromine, tarium ion (III) -talium ion (I), ruthenium ion (III) -ruthenium ion (II), copper ion (II) -Copper ion (I), iron ion (III) -iron ion (II), cobalt ion (III) -cobalt ion (II), vanadium ion (III) -vanadium ion (II), manganate ion-permanganate Examples thereof include ions, ferricocyanide-ferrocyanide, quinone-hydroquinone, fumaric acid-succinic acid and the like.
溶媒としては、太陽電池の電解質層の形成用溶媒として公知のものを用いることができる。溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、エチルメチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド、炭酸プロピレン、γ-ブチルラクトン等が挙げられる。 As the solvent, a solvent known as a solvent for forming the electrolyte layer of the solar cell can be used. Examples of the solvent include acetonitrile, methoxyacetonitrile, methoxypropionitrile, N, N-dimethylformamide, ethylmethylimidazolium bistrifluoromethylsulfonylimide, propylene carbonate, γ-butyl lactone and the like.
電解質層20は、その構成成分を含有する溶液(電解液)を光電極10上に塗布し、光電極10と対向電極30を有するセルを作製し、その隙間に電解液を注入することで形成することができる。
The
対向電極30は、本発明の太陽電池用電極であり、支持体30a上に形成された導電膜30cと、該導電膜30c上に形成された触媒層30bとからなる。また、触媒層30bは、上述した繊維状炭素ナノ構造体を構成材料とすることができる。
The
図2に示す色素増感型太陽電池においては、次のようなサイクルが繰り返されることで、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。すなわち、(i)増感色素10cが光を受けて励起されると、増感色素10cの電子が取り出される。(ii)この電子は、光電極10から出て、外部の回路40を通って対向電極30に移動し、さらにその触媒層30bを介して、電解質層20に移動する。(iii)電解質層20に含まれる酸化還元対(還元剤)により、酸化状態の増感色素が還元され、増感色素10cが再生され、再び光を吸収できる状態に戻る。
In the dye-sensitized solar cell shown in FIG. 2, light energy is converted into electrical energy by repeating the following cycle. That is, (i) when the sensitizing
本発明の太陽電池としての色素増感型太陽電池は、図2に示すものに限定されず、光電極、電解質層、対向電極の他に、保護層、反射防止層、ガスバリア層等の機能層を有していてもよい。
また、本発明の太陽電池は、太陽を光源とするものに限定されず、例えば屋内照明を光源とするものであってもよい。The dye-sensitized solar cell as the solar cell of the present invention is not limited to the one shown in FIG. 2, and is a functional layer such as a protective layer, an antireflection layer, and a gas barrier layer in addition to a light electrode, an electrolyte layer, and a counter electrode. May have.
Further, the solar cell of the present invention is not limited to one that uses the sun as a light source, and may be, for example, one that uses indoor lighting as a light source.
<太陽電池モジュール>
本発明の太陽電池を直列及び/又は並列に接続することで、太陽電池モジュールとすることができる。具体的に、太陽電池モジュールは、例えば、本発明の太陽電池を平面状または曲面状に配列し、各電池間に非導電性の隔壁を設けるとともに、各電池の電極(光電極や対向電極)を導電性の部材を用いて電気的に接続することで得ることができる。
用いる太陽電池の数は特に限定されず、目的の電圧に応じて適宜決定することができる。<Solar cell module>
By connecting the solar cells of the present invention in series and / or in parallel, a solar cell module can be obtained. Specifically, in the solar cell module, for example, the solar cells of the present invention are arranged in a plane or curved shape, a non-conductive partition wall is provided between the batteries, and the electrodes (optical electrodes and counter electrodes) of the batteries are provided. Can be obtained by electrically connecting using a conductive member.
The number of solar cells to be used is not particularly limited, and can be appropriately determined according to the target voltage.
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、物性等の評価は、以下の方法により行った。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples. The physical properties were evaluated by the following method.
<触媒層の厚み>
レーザー変位計(LT−9500V、キーエンス社製)を用いて、対向電極の無作為に選択した100箇所の支持体表面と触媒層の変位の差(触媒層の厚み)を測定して、厚みの平均値、標準偏差、および最大値と最小値の差を算出した。
<支持体間距離>
多層膜厚測定器(SI−T80、キーエンス社製)を用いて、無作為に選択した10箇所における太陽電池中の2つの電極(対向電極、光電極)の支持体の間の距離を測定して、これらの平均値を算出した。
<光電変換効率>
光源として、150Wキセノンランプ光源にAM1.5Gフィルタを装着した擬似太陽光照射装置(PEC−L11型、ペクセル・テクノロジーズ社製)を用いた。光量は、1sun(AM1.5G、100mW/cm2(JIS C8912のクラスA))に調整した。作製した色素増感型太陽電池をソースメータ(2400型ソースメータ、Keithley社製)に接続し、以下の電流電圧特性の測定を行なった。
1sunの光照射下、バイアス電圧を0Vから0.8Vまで0.01V単位で変化させながら出力電流を測定した。出力電流の測定は、各電圧ステップにおいて、電圧を変化させた後、0.05秒後から0.15秒後までの値を積算することで行った。バイアス電圧を、逆方向に0.8Vから0Vまで変化させる測定も行い、順方向と逆方向の測定の平均値を光電流とした。
上記の電流電圧特性の測定結果より、光電変換効率(%)を算出し、以下の基準で評価した。
A:光電変換効率が3.0%以上
B:光電変換効率が2.5%以上3.0%未満
C:光電変換効率が2.5%未満
<耐久性>
作製した色素増感型太陽電池を恒温恒湿槽(60℃、60RH%)に2日間放置した。そして、放置後の色素増感型太陽電池について、上記と同様にして、光電変換効率(%)を算出し、以下の基準で評価した。
A:光電変換効率が3.0%以上
B:光電変換効率が2.0%以上3.0%未満
C:光電変換効率が2.0%未満<Thickness of catalyst layer>
Using a laser displacement meter (LT-9500V, manufactured by KEYENCE), the difference in displacement (thickness of the catalyst layer) between the surface of the support and the catalyst layer at 100 randomly selected counter electrodes was measured to determine the thickness. The mean, standard deviation, and the difference between the maximum and minimum values were calculated.
<Distance between supports>
A multi-layer film thickness measuring instrument (SI-T80, manufactured by KEYENCE) was used to measure the distance between the supports of two electrodes (opposite electrode and optical electrode) in the solar cell at 10 randomly selected locations. The average value of these was calculated.
<Photoelectric conversion efficiency>
As a light source, a pseudo-sunlight irradiation device (PEC-L11 type, manufactured by Pexel Technologies Co., Ltd.) in which an AM1.5G filter was attached to a 150 W xenon lamp light source was used. The amount of light was adjusted to 1 sun (AM1.5G, 100mW / cm 2 (JIS C8912 class A)). The produced dye-sensitized solar cell was connected to a source meter (2400 type source meter, manufactured by Keithley), and the following current-voltage characteristics were measured.
Under 1 sun light irradiation, the output current was measured while changing the bias voltage from 0 V to 0.8 V in units of 0.01 V. The output current was measured by integrating the values from 0.05 seconds to 0.15 seconds after changing the voltage in each voltage step. A measurement was also performed in which the bias voltage was changed from 0.8 V to 0 V in the reverse direction, and the average value of the measurements in the forward direction and the reverse direction was taken as the photocurrent.
The photoelectric conversion efficiency (%) was calculated from the above measurement results of the current-voltage characteristics and evaluated according to the following criteria.
A: Photoelectric conversion efficiency is 3.0% or more B: Photoelectric conversion efficiency is 2.5% or more and less than 3.0% C: Photoelectric conversion efficiency is less than 2.5% <Durability>
The prepared dye-sensitized solar cell was left in a constant temperature and humidity chamber (60 ° C., 60 RH%) for 2 days. Then, for the dye-sensitized solar cell after being left to stand, the photoelectric conversion efficiency (%) was calculated in the same manner as described above, and evaluated according to the following criteria.
A: Photoelectric conversion efficiency is 3.0% or more B: Photoelectric conversion efficiency is 2.0% or more and less than 3.0% C: Photoelectric conversion efficiency is less than 2.0%
(実施例1)
<繊維状炭素ナノ構造体の調製>
アルミニウム化合物であるアルミニウムトリ−sec−ブトキシド1.9gを有機溶剤としての2−プロパノール100mLに溶解させた。さらに、安定剤としてトリイソプロパノールアミン0.9gを加えて溶解させて、触媒担持層形成用の塗工液Aを調製した。
また、鉄化合物である酢酸鉄174mgを有機溶剤としての2−プロパノール100mLに溶解させた。さらに、安定剤としてトリイソプロパノールアミン190mgを加えて溶解させて、触媒層形成用の塗工液Bを調製した。
基材としてのFe−Cr合金SUS430基板(JFEスチール株式会社製、40mm×100mm、厚さ0.3mm、Cr18%、算術平均粗さRa≒0.59μm)の表面に、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、ディップコーティングにより上述の塗工液Aを塗布した。具体的には、基材を塗工液Aに浸漬後、20秒間保持して、10mm/秒の引き上げ速度で基材を引き上げた。その後、5分間風乾し、温度300℃の空気環境下で30分間加熱後、室温まで冷却することにより、基材上に膜厚40nmのアルミナ薄膜(触媒担持層)を形成した。
次いで、室温25℃、相対湿度50%の環境下で、基材に設けられたアルミナ薄膜の上に、ディップコーティングにより上述の塗工液Bを塗布した。具体的には、アルミナ薄膜を備える基材を塗工液Bに浸漬後、20秒間保持して、3mm/秒の引き上げ速度でアルミナ薄膜を備える基材を引き上げた。その後、5分間風乾し、温度300℃の条件下で20分間加熱後、室温まで冷却することにより、膜厚3nmの鉄薄膜(CNT製造用触媒層)を形成した。このようにして、基材の上に、アルミナ薄膜、鉄薄膜をこの順に有してなる触媒基材を得た。
作製した触媒基材を、炉内温度:750℃、炉内圧力:1.02×105Paに保持されたCVD装置の反応炉内に設置し、この反応炉内に、He:100sccmおよびH2:800sccmの混合ガスを10分間導入した。次いで、炉内温度:750℃、炉内圧力:1.02×105Paに保持された状態の反応炉内に、He:850sccm、エチレン:100sccmおよびH2O含有He(相対湿度23%):50sccmの混合ガスを8分間供給した。
その後、反応炉内にHe:1000sccmを供給し、残余の原料ガスおよび触媒賦活物質を排除した。これにより、触媒基材上にCNTよりなる繊維状炭素ナノ構造体の集合物が得られた。そして、作製した繊維状炭素ナノ構造体の集合物を触媒基材から剥離し、CNTよりなる繊維状炭素ナノ構造体を得た。
得られた繊維状炭素ナノ構造体を評価および分析したところ、収量は1.7mg/cm2、G/D比は4.5、炭素純度は99.9%であった。
また、繊維状炭素ナノ構造体のt−プロットは、上に凸な形状で屈曲していた。そして、屈曲点の位置のtは0.7nmであり、全比表面積S1は1010m2/gであり、内部比表面積S2は120m2/gであり、S2/S1は0.12であった。更に、得られた繊維状炭素ナノ構造体の平均直径(Av)は3.3nm、直径の標準偏差(σ)は、0.64nm、3σ/Avは0.58であった。
<対向電極の製造>
30mlのガラス容器に、水5g、エタノール1g、および上述の繊維状炭素ナノ構造体0.0025gを加えた。
このガラス容器の内容物に対して、バス型超音波洗浄機(BRANSON社製、5510J−MT(42kHz、180W)を用いて、2時間分散処理を行い、繊維状炭素ナノ構造体分散液を得た。
次に、支持体としてのインジウム−スズ酸化物(ITO)をスパッタ処理したポリエチレンナフタレートフィルム(ITO−PENフィルム、フィルム厚み:200μm、ITO厚み:200nm、シート抵抗:15Ω/□)のITO面上に、上述の繊維状炭素ナノ構造体分散液を、メタルマスクを使用したスクリーン印刷法にて塗布した。メタルマスクは板厚250μmのSUS製マスクを使用した。またブレードとしては、厚さ0.5mmのSUSブレードを使用し、500mm/秒の速度で掃引することで塗布を行った。得られた塗膜を100℃で30分乾燥させて触媒層を形成し、対向電極を得た。得られた触媒層の厚みを測定し、厚みの平均値、標準偏差、および最大値と最小値の差を算出した。結果を表1に示す。
<光電極の製造>
支持体としてのインジウム−スズ酸化物(ITO)をスパッタ処理したポリエチレンナフタレートフィルム(ITO−PENフィルム、フィルム厚み200μm、ITO厚み200nm、シート抵抗15Ω/□)のITO面上に、バインダーフリーの酸化チタンペースト(PECC−C01−06、ペクセル・テクノロジーズ社製)を、ベーカー式アプリケーターを用いて、塗布厚み150μmとなるように塗布した。得られた塗膜を常温で10分間乾燥させた後、150℃の恒温層中でさらに5分間加熱乾燥して、ITO−PENフィルムと多孔質半導体微粒子層とからなる積層体を得た。
この積層体を幅1.2cm、長さ2.0cmの大きさにカットし、さらに積層体の短辺の2mm内側より、多孔質半導体微粒子層を直径6mmの円になるように成形した。これを増感色素溶液〔増感色素:ルテニウム錯体(N719、ソラロニクス社製)、溶媒:アセトニトリル、tert−ブタノール、濃度:0.4mM〕に、40℃で2時間浸漬させることで、増感色素を多孔質半導体微粒子層に吸着させた。浸漬処理の後、積層体をアセトニトリルで洗浄し、乾燥させることで光電極を得た。
<電解液の調製>
ヨウ素0.05mol/L、ヨウ化リチウム0.1mol/L、t−ブチルピリジン0.5mol/L、および1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド0.6mol/Lとなるように、これらをメトキシアセトニトリルに溶解して、電解液を得た。
<色素増感型太陽電池の製造>
ITO−PENフィルム(光電極基板)上に設けた多孔質半導体微粒子層(酸化チタン層)に対応する位置に電解質用孔を形成するように、光電極上に脂環式エポキシ系樹脂(スリーエム製、スコッチウェルドEW2050、硬化温度120℃)を配置した。
そして、アルミニウム製の貼り合せ用の治具の下基板に、光電極と対向電極を貼り合わせた際、4辺のうち3辺が脂環式エポキシ系樹脂で封止された光電極を置き、その上に、対向電極を重ねた。
次いで、真空下で電解液(ペクセル・テクノロジーズ(株)社製、PECE−G3)を4辺のうち1辺が空いている部分から充填し、充填後の4辺のうち残り1辺にUV硬化性樹脂(ポリイソブチレン系)を塗布し、UVを照射し硬化させて封止をした。
得られた色素増感型太陽電池の電池性能を評価した。結果を表1に示す。(Example 1)
<Preparation of fibrous carbon nanostructures>
1.9 g of aluminum tri-sec-butoxide, which is an aluminum compound, was dissolved in 100 mL of 2-propanol as an organic solvent. Further, 0.9 g of triisopropanolamine was added as a stabilizer and dissolved to prepare a coating liquid A for forming a catalyst-supporting layer.
Further, 174 mg of iron acetate, which is an iron compound, was dissolved in 100 mL of 2-propanol as an organic solvent. Further, 190 mg of triisopropanolamine was added and dissolved as a stabilizer to prepare a coating liquid B for forming a catalyst layer.
On the surface of Fe-Cr alloy SUS430 substrate (manufactured by JFE Steel Corporation, 40 mm x 100 mm, thickness 0.3 mm, Cr 18%, arithmetic mean roughness Ra ≈ 0.59 μm) as a base material, room temperature 25 ° C., relative humidity The above-mentioned coating liquid A was applied by dip coating under a 50% environment. Specifically, after immersing the base material in the coating liquid A, the base material was held for 20 seconds, and the base material was pulled up at a pulling speed of 10 mm / sec. Then, it was air-dried for 5 minutes, heated for 30 minutes in an air environment at a temperature of 300 ° C., and then cooled to room temperature to form an alumina thin film (catalyst-supporting layer) having a film thickness of 40 nm on the substrate.
Next, the above-mentioned coating liquid B was applied by dip coating on the alumina thin film provided on the base material in an environment of room temperature of 25 ° C. and relative humidity of 50%. Specifically, after immersing the base material containing the alumina thin film in the coating liquid B, the base material containing the alumina thin film was held for 20 seconds, and the base material containing the alumina thin film was pulled up at a pulling speed of 3 mm / sec. Then, it was air-dried for 5 minutes, heated for 20 minutes under the condition of a temperature of 300 ° C., and then cooled to room temperature to form an iron thin film (catalyst layer for CNT production) having a film thickness of 3 nm. In this way, a catalyst base material having an alumina thin film and an iron thin film on the base material in this order was obtained.
The catalytic base fabricated, furnace temperature: 750 ° C., furnace pressure: installed in 1.02 × 10 5 reactor of a CVD apparatus which is held in Pa, in the reactor, the He: 100 sccm and H 2 : A mixed gas of 800 sccm was introduced for 10 minutes. Then, furnace temperature: 750 ° C., furnace pressure: the 1.02 × 10 5 reactor held by the Pa, the He: 850 sccm, ethylene: 100 sccm and H 2 O containing He (23% relative humidity) : 50 sccm of mixed gas was supplied for 8 minutes.
Then, He: 1000 sccm was supplied into the reactor to eliminate the residual raw material gas and the catalyst activator. As a result, an aggregate of fibrous carbon nanostructures made of CNT was obtained on the catalyst base material. Then, the aggregate of the produced fibrous carbon nanostructures was peeled off from the catalyst base material to obtain a fibrous carbon nanostructure made of CNT.
When the obtained fibrous carbon nanostructures were evaluated and analyzed, the yield was 1.7 mg / cm 2 , the G / D ratio was 4.5, and the carbon purity was 99.9%.
In addition, the t-plot of the fibrous carbon nanostructure was bent in an upwardly convex shape. Then, t the position of the bending point is 0.7 nm, total specific surface area S1 is a 1010 m 2 / g, the internal specific surface area S2 are a 120m 2 / g, S2 / S1 was 0.12. Further, the average diameter (Av) of the obtained fibrous carbon nanostructures was 3.3 nm, and the standard deviation (σ) of the diameter was 0.64 nm, and 3σ / Av was 0.58.
<Manufacturing of counter electrode>
To a 30 ml glass container, 5 g of water, 1 g of ethanol, and 0.0025 g of the fibrous carbon nanostructures described above were added.
The contents of this glass container were dispersed for 2 hours using a bath-type ultrasonic cleaner (5510J-MT (42 kHz, 180 W) manufactured by BRANSON) to obtain a fibrous carbon nanostructure dispersion. rice field.
Next, on the ITO surface of a polyethylene naphthalate film (ITO-PEN film, film thickness: 200 μm, ITO thickness: 200 nm, sheet resistance: 15 Ω / □) sputtered with indium-tin oxide (ITO) as a support. The above-mentioned fibrous carbon nanostructure dispersion liquid was applied to the film by a screen printing method using a metal mask. As the metal mask, a SUS mask having a plate thickness of 250 μm was used. As the blade, a SUS blade having a thickness of 0.5 mm was used, and coating was performed by sweeping at a speed of 500 mm / sec. The obtained coating film was dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a catalyst layer to obtain a counter electrode. The thickness of the obtained catalyst layer was measured, and the average value, standard deviation, and difference between the maximum value and the minimum value were calculated. The results are shown in Table 1.
<Manufacturing of optical electrodes>
Binder-free oxidation on the ITO surface of a polyethylene naphthalate film (ITO-PEN film, film thickness 200 μm, ITO thickness 200 nm, sheet resistance 15 Ω / □) sputtered with indium-tin oxide (ITO) as a support. Titanium paste (PECC-C01-06, manufactured by Pexel Technologies) was applied using a baker-type applicator so as to have a coating thickness of 150 μm. The obtained coating film was dried at room temperature for 10 minutes and then heated and dried in a constant temperature layer at 150 ° C. for another 5 minutes to obtain a laminate composed of an ITO-PEN film and a porous semiconductor fine particle layer.
The laminate was cut into a size of 1.2 cm in width and 2.0 cm in length, and a porous semiconductor fine particle layer was formed into a circle having a diameter of 6 mm from the inside of the short side of the laminate by 2 mm. This is immersed in a sensitizing dye solution [sensitizing dye: ruthenium complex (N719, manufactured by Solaronics), solvent: acetonitrile, tert-butanol, concentration: 0.4 mM] at 40 ° C. for 2 hours to sensitize the dye. Was adsorbed on the porous semiconductor fine particle layer. After the dipping treatment, the laminate was washed with acetonitrile and dried to obtain a photoelectrode.
<Preparation of electrolyte>
Iodine 0.05 mol / L, lithium iodide 0.1 mol / L, t-butyl pyridine 0.5 mol / L, and 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide 0.6 mol / L. These were dissolved in methoxyacetonitrile to obtain an electrolytic solution.
<Manufacturing of dye-sensitized solar cells>
An alicyclic epoxy resin (manufactured by 3M, manufactured by 3M) on the optical electrode so as to form an electrolyte hole at a position corresponding to the porous semiconductor fine particle layer (titanium oxide layer) provided on the ITO-PEN film (optical electrode substrate). Scotch weld EW2050, curing temperature 120 ° C.) was placed.
Then, when the optical electrode and the counter electrode were bonded to each other on the lower substrate of the aluminum bonding jig, the light electrode having three of the four sides sealed with an alicyclic epoxy resin was placed. A counter electrode was placed on top of it.
Next, under vacuum, an electrolytic solution (PECE-G3 manufactured by Pexel Technologies Co., Ltd.) is filled from the portion where one of the four sides is vacant, and the remaining one of the four sides after filling is UV-cured. A sex resin (polyisobutylene type) was applied, irradiated with UV, cured, and sealed.
The battery performance of the obtained dye-sensitized solar cell was evaluated. The results are shown in Table 1.
(実施例2)
ITO−PENフィルムをPENフィルム(フィルム厚み200μm)に変更した以外は、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池の電池性能を評価した。結果を表1に示す。(Example 2)
A counter electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the ITO-PEN film was changed to a PEN film (film thickness 200 μm), and the battery performance of the dye-sensitized solar cell obtained using the counter electrode was evaluated. .. The results are shown in Table 1.
(比較例1)
繊維状炭素ナノ構造体分散液を、メッシュスクリーン(メッシュ数:32、紗厚:460μm)を使用したスクリーン印刷法にて塗布した以外は、実施例1と同様にして対向電極を作製し、これを用いて得られた色素増感型太陽電池の電池性能を評価した。結果を表1に示す。(Comparative Example 1)
A counter electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the fibrous carbon nanostructure dispersion was applied by a screen printing method using a mesh screen (mesh number: 32, gauze thickness: 460 μm). The battery performance of the dye-sensitized solar cell obtained using the above was evaluated. The results are shown in Table 1.
(比較例2)
繊維状炭素ナノ構造体分散液を、バーコーター(テスター産業社製、SA−203、No.10)を用いて、塗布厚み200μmとなるように塗布し得られた塗膜を、100℃で2時間乾燥させて対向電極を作製した。この対向電極を用いて得られた色素増感型太陽電池の電池性能を評価した。結果を表1に示す。(Comparative Example 2)
A coating film obtained by applying a fibrous carbon nanostructure dispersion liquid to a coating thickness of 200 μm using a bar coater (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd., SA-203, No. 10) was applied at 100 ° C. for 2 The counter electrode was prepared by drying for a time. The battery performance of the dye-sensitized solar cell obtained by using this counter electrode was evaluated. The results are shown in Table 1.
(比較例3)
実施例1で作製した対向電極の触媒層と同じ部分に、実施例1同様の繊維状炭素ナノ構造体分散液を、メタルマスクを使用したスクリーン印刷法にて重ねて塗布した以外は、実施例1と同様にして対向電極を作製した。この対向電極を用いて得られた色素増感型太陽電池の電池性能を評価した。結果を表1に示す。(Comparative Example 3)
Examples except that the same fibrous carbon nanostructure dispersion liquid as in Example 1 was overlaid on the same portion as the catalyst layer of the counter electrode produced in Example 1 by a screen printing method using a metal mask. A counter electrode was produced in the same manner as in 1. The battery performance of the dye-sensitized solar cell obtained by using this counter electrode was evaluated. The results are shown in Table 1.
表1より、支持体上に、厚みの平均値が0.5μm以上3.0μm以下であり、且つ厚みの標準偏差が0.2μm以下である触媒層を有する対向電極を用いた実施例1〜2は、厚みの標準偏差が0.2μmを超える触媒層を有する対向電極を用いた比較例1〜2や、厚みの平均値が3.0μmを超える触媒層を有する対向電極を用いた比較例3に比して、色素増感型太陽電池の耐久性に優れることがわかる。 From Table 1, Examples 1 to 1 using a counter electrode having a catalyst layer having an average thickness of 0.5 μm or more and 3.0 μm or less and a standard deviation of thickness of 0.2 μm or less on the support. No. 2 is Comparative Examples 1 and 2 using a counter electrode having a catalyst layer having a standard deviation of thickness of more than 0.2 μm, and Comparative Example 2 using a counter electrode having a catalyst layer having an average thickness of more than 3.0 μm. It can be seen that the durability of the dye-sensitized solar cell is superior to that of 3.
本発明によれば、太陽電池の耐久性を高めることが可能な太陽電池用電極を提供することができる。
また、本発明によれば、耐久性に優れる太陽電池を提供することができる。
そして、本発明によれば、太陽電池の耐久性を高めることが可能な太陽電池用電極を製造しうる、太陽電池用電極の製造方法を提供することができる。According to the present invention, it is possible to provide an electrode for a solar cell capable of increasing the durability of the solar cell.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a solar cell having excellent durability.
According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a solar cell electrode, which can manufacture a solar cell electrode capable of increasing the durability of the solar cell.
10・・・光電極(透明電極)
10a・・・光電極基板
10b・・・多孔質半導体微粒子層
10c・・・増感色素層
10d・・・支持体
10e・・・導電膜
20・・・電解質層
30・・・対向電極
30a・・・支持体
30b・・・触媒層
30c・・・導電膜
40・・・外部の回路10 ... Optical electrode (transparent electrode)
10a ...
Claims (7)
前記触媒層の厚みの平均値が0.5μm以上3.0μm以下であり、前記触媒層の厚みの標準偏差が0.2μm以下であり、
前記触媒層が繊維状炭素ナノ構造体を含み、
前記繊維状炭素ナノ構造体の、吸着等温線から得られるt−プロットが上に凸な形状を示し、
前記t−プロットの屈曲点は、0.2≦t(nm)≦1.5を満たす範囲にあり、
前記t−プロットから得られる全比表面積S1に対する内部比表面積S2の比(S2/S1)が0.05以上0.30以下である、太陽電池用電極。 An electrode for a solar cell including a support and a catalyst layer formed on the support.
The average value of the thickness of the catalyst layer is at 0.5μm or 3.0μm or less state, and are standard deviation 0.2μm or less of the thickness of the catalyst layer,
The catalyst layer contains fibrous carbon nanostructures
The t-plot of the fibrous carbon nanostructures obtained from the adsorption isotherm shows an upwardly convex shape.
The bending point of the t-plot is in the range satisfying 0.2 ≦ t (nm) ≦ 1.5.
An electrode for a solar cell in which the ratio (S2 / S1) of the internal specific surface area S2 to the total specific surface area S1 obtained from the t-plot is 0.05 or more and 0.30 or less.
塗布した繊維状炭素ナノ構造体を含む分散液を乾燥させて触媒層を形成する工程と、
を含む、請求項1〜3の何れかに記載の太陽電池用電極の製造方法。
A process of applying a dispersion liquid containing fibrous carbon nanostructures onto a support by a screen printing method using a metal mask, and
A step of drying the dispersion liquid containing the applied fibrous carbon nanostructures to form a catalyst layer, and
The method for manufacturing an electrode for a solar cell according to any one of claims 1 to 3.
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