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色素増感太陽電池 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P120007321
掲載日 2012年4月16日
出願番号 特願2010-107941
公開番号 特開2011-238426
登録番号 特許第5561641号
出願日 平成22年5月10日(2010.5.10)
公開日 平成23年11月24日(2011.11.24)
登録日 平成26年6月20日(2014.6.20)
発明者
  • 馬場 暁
  • 若月 慶介
  • 新保 一成
  • 加藤 景三
  • 金子 双男
出願人
  • 国立大学法人 新潟大学
発明の名称 色素増感太陽電池 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 【課題】、簡素な構成で、可視域~赤外域の広範囲にわたる太陽光の電場増強を同時に行うことができる色素増感太陽電池を提供する。
【解決手段】色素増感型太陽電池10は、金属酸化物を含む多孔質膜4及び該多孔質膜4の一面4aに担持された色素5を有する光電極1と、対極7と、光電極1及び前記対極7の間に介在する電解質層6と、を備える。光電極1は、300nm~2μmの周期Λを有する構造が表面2aに形成された基板2と、多孔質膜4の他面4bと基板2の表面2aとの間に形成された金属薄膜3と、を更に備える。周期Λは1μm~2μmであることがさらに好ましい。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



太陽電池は、使用される半導体材料によって、シリコン系、化合物半導体系、有機半導体系、金属酸化物半導体系などに分類される。ここで、金属酸化物半導体系の太陽電池は色素増感太陽電池とも呼ばれ、例えば、導電性ガラス上に塗布・焼結した酸化チタン微粒子の表面上に光増感剤(色素)を結合させて光電極を形成し、この光電極の多孔質酸化チタン内部を電解質で充満させた後、対電極を貼り合わせることで作製される。





近年、太陽光を利用した光電変換技術である太陽電池の開発において、電極界面を最適化して光制御を行うことが高効率化の一つのキーポイントとしてさかんに研究が行われている。とりわけ、電極表面で励起される表面プラズモン共鳴効果による色素増感電場増強を利用した太陽電池の応用が注目されている。





表面プラズモン共鳴電場増強現象を利用した色素増感太陽電池に関する従来技術として、特許文献1では、光応答分子が固定された金属膜上に断面三角形状を有するガラス製プリズムが当接された光応答電極を備えた湿式太陽電池が開示されている。このようなガラス製プリズムを利用した表面プラズモン共鳴は全反射減衰(ATR)法と呼ばれ、このようなプリズムの配置はクレッチマン(Kretschmann)配置と呼ばれる。





また、非特許文献1では、光増感剤を担持した金属微粒子が凝集した不規則な微粒子凝集構造を有する光電極を作成し、光増感剤と金属微粒子との相互作用による表面プラズモン共鳴を用いて光増感剤の吸収係数(ひいてはエネルギー変換効率)を増加させている。なお、特許文献2では、この金属微粒子の表面に金属修飾化合物を更に配置してエネルギー変換効率を高めている。





また、特許文献3では、金属微粒子と半導体微粒子の積層構造をなす光電極において、規則的に配列した金属微粒子同士の相互作用により局在型表面プラズモン共鳴を増強して、光増感剤の吸収係数を向上させている。





しかしながら、特許文献1に開示の色素増感太陽電池では、表面プラズモン共鳴を発生させるプリズムの存在により、装置が大型化するとともにその設計自由度が制限されるといった問題があった。





また、可視域の光に対する表面プラズモンの励起波長域は一波長域に制限されるものであった。加えて、共鳴入射角θ等も所定の角度範囲に制限されていた(例えば、特許文献1の第3頁第4欄第48~50行目に記載のように、電解液が水系の場合、θは70度~85度であった)。従って、太陽電池に入射させ表面プラズモンを励起して効果的にエネルギー変換できる太陽光の波長域や入射角度は極めて制限されていた。言い換えれば、特許文献1に開示の太陽電池が終日太陽光を浴びたとしても表面プラズモン共鳴による電場増強される時間帯や光の波長が制限されていたといえる。さらに、全反射減衰法の場合は金属電極の裏側からの太陽光照射になるため、表面プラズモンが励起している角度以外は全て全反射され太陽光が色素に到達しないという問題がある。





また、特許文献2、特許文献3、及び非特許文献1に開示の色素増感太陽電池は、金属微粒子の局在プラズモンを用いるもので特許文献1のような装置の大型化の問題は発生しないものの、表面プラズモンの励起波長域の制限の問題は残っており、未解決のままであった。

産業上の利用分野



本発明は、色素増感太陽電池に関し、より具体的には、光の波長または光の入射角度を変化させることにより生じる表面プラズモン共鳴電場増強現象を利用した色素増感太陽電池に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
金属酸化物を含む多孔質膜及び該多孔質膜の一面に担持された色素を有する光電極と、対極と、前記光電極及び前記対極の間に介在する電解質層と、を備える色素増感型太陽電池であって、
前記光電極は、300nm~2μmの周期を有する構造が表面に形成された基板と、前記多孔質膜の他面と前記基板の前記表面との間に形成された金属薄膜と、を更に備え
前記構造は、複数の波長に亘って表面プラズモン共鳴を励起させることが可能なグレーティング構造であることを特徴とする色素増感太陽電池。

【請求項2】
前記周期が1μm~2μmであることを特徴とする請求項1記載の色素増感太陽電池。

【請求項3】
前記金属酸化物は酸化チタンであり、前記多孔質膜の膜厚が2nm~50nmであることを特徴とする請求項1又は2記載の色素増感太陽電池。

【請求項4】
前記色素は前記多孔質膜の前記一面に沿って層状をなし、該層の厚さが5nm~50nmであることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項記載の色素増感太陽電池。

【請求項5】
前記色素は、二種以上の色素化合物を含んでいることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項記載の色素増感太陽電池。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2010107941thum.jpg
出願権利状態 登録
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