JP6286497B2 - 太陽電池用のグラフェン電極 - Google Patents

Description

本願は、参照によってここに組み込まれる、２０１０年１０月１０日に出願された米国仮出願第６１／３９１，６６８号に基づく優先権を主張する。

本出願は、陸軍科学研究局から与えられた認可番号Ｗ９１１ＮＦ−０９−１−０４７６の下で、およびエネルギー省から与えられた認可番号ＤＥ−ＡＣ０５−７６ＲＬ０１８３０の下で、政府の支援により行われた。政府は本発明に対して一定の権利を有する。

本発明は太陽電池のグラフェン電極の使用に関する。

一般的に、光起電力システムは様々な用途において光エネルギーを電気に変換するために実施される。光起電力デバイスによる電力生産は従来のシステムに対して多くの利点を提供し得る。これらの利点として、運転コストが低いこと、信頼性の高さ、モジュール性、製造コストが低いこと、および環境保全上の利点が挙げられるが、これらに制限されない。理解されるように、光起電力システムは一般的に「太陽電池」として知られ、太陽光から電気を作り出す性能に対してそのように名づけられている。

従来の太陽電池は半導体接合に存在する光起電力効果を利用して光を電気に変換する。したがって、従来の半導体層は一般的に入射する光を吸収して励起電子を生成する。半導体層に加えて、太陽電池は一般的に、カバーまたは他の封入材、太陽電池の端部の密封材、電子が回路に入ることを可能にするフロントコンタクト電極、および回路を完成することを可能にするバックコンタクト電極を含む。

太陽電池のうち１つの特定のタイプは、色素増感太陽電池（ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ：ＤＳＳＣ）である。ＤＳＳＣは、一般的に有機または有機金属色素を使用して、励起電子を生成するための入射光を吸収する。ＤＳＳＣは一般的にサンドイッチ構造に配置された２つの平面導電電極を含む。色素でコーティングされた半導体フィルムが２つの電極を分離し、このフィルムは、例えば透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）フィルムでコーティングされたガラスを含んでよい。半導体層は多孔質であり、大きな表面積を有し、それによって有効な光吸収を起こすのに十分な色素が、その表面の単分子層として付着されることを可能にしてよい。半導体フィルム（スポンジとして働く）中で電極と細孔との間に介在する空間は、導電性ポリマーまたは酸化／還元対（例えば三ヨウ化物／ヨウ化物）を含む有機電界質溶液などの正孔伝導体で充填されてよい。レドックス対が用いられる場合には、触媒（例えば白金）が第２電極（カソード）上に堆積される。

ＤＳＳＣを作製するための例示的な方法の１つは、導電性のガラス板を二酸化チタン（ＴｉＯ_２）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの半導体フィルムで被覆するものである。半導体フィルムは色素で飽和され、色素分子の層は半導体フィルム内の各々の粒子上で自己組織化し、それによってフィルムを「増感」する。三ヨウ化物／ヨウ化物を含む液体電解質溶液が半導体フィルム中に導入される。電解質は色素増感半導体フィルム内に残っている細孔および開口を満たす。太陽電池を完成させるために、白金（三ヨウ化物の還元に対して低い過電圧を有する材料）でコーティングされた第２の平面電極が、色素増感半導体および２つの電極の間に挟まれた電解質複合材料を有する電池構造体を提供するために実装される。

白金は三ヨウ化物の還元に対して高い触媒活性を有し、電解質に存在するヨウ素化学種に対して十分な耐腐食性を有する。しかしながら、白金は高価な金属であるため、より安価で豊富な材料を用いるＤＳＳＣ対向電極の開発に対する強い動機が存在する。取り扱いが容易であり、導電性を有し、かつ柔軟なＤＳＳＣ対向電極を得ることも望まれているだろう。

Ｇｒｕｎｅｒの、米国特許出願公開第２００７／０２８４５５７号明細書は、太陽電池に使用される透明導電体としてのグラフェンフィルムの使用を開示する。「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００８、１０、（１０）、１５５５−１５５８」は、ＤＳＳＣにおけるグラフェン／ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）複合体から誘導された化学的に還元された酸化グラフェンの使用を開示する。「Ｓｏｌ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ；ＤＯＩ＝１０．１０１６／ｊ．ｓｏｌｍａｔ．２０１０．０４．０４４」は、対向電極としてグラフェン系カーボンナノチューブナノコンポジットを用いた色素増感太陽電池を開示する。

米国仮出願第６１／３９１，６６８号 米国特許出願公開第２００７／０２８４５５７号明細書 米国特許出願公開第２００７／００９２４３２号明細書

Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００８、１０、（１０）、１５５５−１５５８ Ｓｏｌ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ；ＤＯＩ＝１０．１０１６／ｊ．ｓｏｌｍａｔ．２０１０．０４．０４４ Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００９）、４、３０−３３ Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００８）、３、５３８−５４２ Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ（Ｂｅｒ．Ｓｔｓｃｈ．Ｃｈｅｍ．Ｇｅｓ．（１８９８），３１，１４８１） Ｈｕｍｍｅｒｓ（Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．（１９５８），８０，１３３９ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ １９９３，１１５，（１４），６３８２−６３９０ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２０１０，１３２，（４６），１６７１４−１６７２４ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ ２００１ ４６（２２），３４５７ ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１０ ４（１０）６２０３−６２１１

グラフェンシートおよび少なくとも１つのバインダーを含む組成物を含む太陽電池電極が開示され、特許請求の範囲に記載される。さらに、この電極を含む色素増感太陽電池、およびグラフェンシートおよび少なくとも１つのバインダーを含む組成物を含む電極を太陽電池に組み込む段階を含む色素増感太陽電池の電極の作製方法が開示され、特許請求の範囲に記載される。

本発明の太陽電池の電極は、グラフェンシートおよび少なくとも１つのバインダーを含む組成物を基板上にコーティングすることによって作成されてよい。電極は（色素増感太陽電池などの）太陽電池内部に組み込まれてよく、色素増感太陽電池を含む太陽電池内の触媒対向電極として使用されてよい。

グラフェンシートは、好ましくは約１００〜約２６３０ｍ^２／ｇの表面積を有する。特定の実施形態において、グラフェンシートは完全に剥離したグラファイトの単一のシート（これらは約１ｎｍの厚みを有し、「グラフェン」と呼ばれることが多い）を主として含み、ほぼ完全にそれからなり、または完全にそれからなり、一方で他の実施形態では、グラフェンシートの少なくとも一部は、グラファイトの２つ以上のシートが互いに剥離されていない、部分的に剥離したグラフェンシートを含んでよい。グラフェンシートは、完全におよび部分的に剥離したグラファイトシートの混合物を含んでよい。

グラフェンシートは、任意の適切な方法を使用して作られてよい。例えば、グラフェンシートはグラファイト、酸化グラファイト、膨張グラファイト、グラファイト膨張体などから得ることができる。グラフェンシートは、グラファイトの物理的剥離によって、例えばグラフェンシートを剥がすことによって得ることができる。グラフェンシートは炭化ケイ素などの無機前駆体から作ることができる。グラフェンシートは化学気相蒸着によって（金属表面上でメタンと水素を反応させるなどして）作ることができる。グラフェンシートは、エタノールなどのアルコールを金属（ナトリウムなどのアルカリ金属など）で還元し、その後アルコキシド生成物を熱分解することによって作ることができる（そのような方法は、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００９）、４、３０−３３において報告される）。グラフェンシートは、分散系でのグラファイトの剥離によって、または分散系での酸化グラファイトの剥離およびその後の剥離された酸化グラファイトの還元によって、作られてよい。グラフェンシートは膨張グラファイトの剥離、およびその後のインターカレーション、および超音波処理またはインターカレートされたシートを分離するための他の手段によって作られてよい（例えば、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００８）、３、５３８−５４２を参照されたい）。グラフェンシートは、グラファイトのインターカレーション、およびその後の懸濁液中での、熱的な生成物の剥離、などによって作られてよい。

グラフェンシートは、酸化グラファイト（黒鉛酸または酸化グラフェンとも呼ばれる）から作られてよい。グラファイトは酸化剤および／またはインターカレート剤によって処理されかつ剥離されてよい。グラファイトはインターカレート剤で処理され、電気化学的に酸化され剥離されてもよい。グラフェンシートは、超音波処理で懸濁液の液中（界面活性剤および／またはインターカラントを含んでよい）のグラファイトおよび／または酸化グラファイトを剥離することによって形成されてよい。剥離された酸化グラファイト分散系または懸濁系はその後グラフェンシートに還元することができる。グラフェンシートはグラファイトまたは酸化グラファイト（その後グラフェンシートに還元される）を剥離するための機械的処理（グラインディングまたはミリングなど）によって形成されてもよい。

酸化グラファイトのグラフェンへの還元は、化学的還元によるものであってよく、固体形態、分散系などの酸化グラファイトで実行されてよい。有効な化学的還元剤の例として、ヒドラジン類（ヒドラジン、Ｎ，Ｎ−ジメチルヒドラジンなど）、ホウ化水素ナトリウム、クエン酸、ハイドロキノン、イソシアネート（フェニルイソシアネートなど）、水素、水素プラズマなどが挙げられるが、これらに制限されない。キャリア（水、有機溶媒、または溶媒の混合物など）内の剥離された酸化グラファイトの分散系または懸濁系は、任意の適切な方法（超音波処理および／または機械的なグラインディングまたはミリングなど）用いて作ることができ、グラフェンシートに還元される。

酸化グラファイトは、１つ以上の化学酸化剤および任意に硫酸などのインターカレーション剤を用いるグラファイトの酸化を含む処理によるものなどの、当分野で知られる任意の方法により製造されてよい。酸化剤の例として、硝酸、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、過塩素酸塩、過酸化水素、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム、五酸化リン、亜硫酸水素塩などが挙げられる。好ましい酸化剤として、ＫＣｌＯ_４；ＨＮＯ_３およびＫＣｌＯ_３；ＫＭｎＯ_４および／またはＮａＭｎＯ_４；ＫＭｎＯ_４およびＮａＮＯ_３；Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８およびＰ_２Ｏ_５およびＫＭｎＯ_４；ＫＭｎＯ_４およびＨＮＯ_３、およびＨＮＯ_３が挙げられる。好ましいインターカレーション剤として硫酸が挙げられる。グラファイトはインターカレート剤で処理され、電気化学的に酸化されてもよい。酸化グラファイトを作る方法の例は、Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ（Ｂｅｒ．Ｓｔｓｃｈ．Ｃｈｅｍ．Ｇｅｓ．（１８９８），３１，１４８１）およびＨｕｍｍｅｒｓ（Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．（１９５８），８０，１３３９）による記述を含む。

グラフェンシート調製方法の一例は、グラファイトを酸化グラファイトに酸化することであり、これはその後熱的に剥離されてグラフェンシート（熱剥離された酸化グラファイトとして知られる）を形成する。これは米国特許出願公開第２００７／００９２４３２号に記載され、その内容は参照によってここに組み込まれる。このように形成されたグラフェンシートは、Ｘ線回折パターンにおいてグラファイトまたは酸化グラファイトに対応する痕跡を殆どまたは全く示さない。

熱剥離は連続的に、半連続的バッチなどのプロセスで実施されてよい。

バッチプロセスまたは連続プロセスにおいて加熱を実施することができ、不活性雰囲気および還元雰囲気（窒素、アルゴン、および／または水素雰囲気）を含む様々な雰囲気の下で加熱を実施することができる。加熱時間は、使用される温度および最終的な熱剥離酸化グラファイトに望まれる特性に依存して、数秒未満から数時間以上の範囲とすることができる。加熱は、溶融シリカ、鉱物、金属、炭素（グラファイトなど）、セラミックなどの容器など、任意の適切な容器の中で行うことができる。加熱は閃光電球を用いて行ってよい。

加熱の間、酸化グラファイトは単一バッチ反応容器内の本質的に一定の位置に収容されてよく、または連続またはバッチモードの反応の間１つ以上の容器を経由して移動させてよい。加熱は、炉および赤外線ヒーターなどの使用を含む、任意の適切な手段を用いて行われてよい。酸化グラファイトの熱剥離が実施され得る温度の例として、少なくとも約３００℃、少なくとも約４００℃、少なくとも約４５０℃、少なくとも約５００℃、少なくとも約６００℃、少なくとも約７００℃、少なくとも約７５０℃、少なくとも約８００℃、少なくとも約８５０℃、少なくとも約９００℃、少なくとも約９５０℃、および少なくとも約１０００℃が挙げられる。好ましい範囲としては、約７５０から約３０００℃の間、約８５０℃から約２５００℃の間、約９５０℃から約２５００℃の間、および約９５０℃から約１５００℃の間が挙げられる。

加熱時間は１秒未満から数分を超える範囲であってよい。例えば、加熱時間は約０．５秒未満、約１秒未満、約５秒未満、約１０秒未満、約２０秒未満、約３０秒未満、または約１分未満であってよい。加熱時間は少なくとも約１分、少なくとも約２分、少なくとも約５分、少なくとも約１５分、少なくとも約３０分、少なくとも約４５分、少なくとも約６０分、少なくとも約９０分、少なくとも約１２０分、少なくとも約１５０分、少なくとも約２４０分、約０．０１秒から約２４０分、約０．５秒から約２４０分、約１秒から約２４０分、約１分から約２４０分、約０．０１秒から約６０分、約０．５秒から約６０分、約１秒から約６０分、約１分から約６０分、約０．０１秒から約１０分、約０．５秒から約１０分、約１秒から約１０分、約１分から約１０分、約０．０１秒から約１分、約０．５秒から約１分、約１秒から約１分、約６００分以下、約４５０分以下、約３００分以下、約１８０分以下、約１２０分以下、約９０分以下、約６０分以下、約３０分以下、約１５分以下、約１０分以下、約５分以下、約１分以下、約３０秒以下、約１０秒以下、または約１秒以下であってよい。加熱が経過する間、温度が変化してよい。

加熱速度の例としては、少なくとも約１２０℃／分、少なくとも約２００℃／分、少なくとも約３００℃／分、少なくとも約４００℃／分、少なくとも約６００℃／分、少なくとも約８００℃／分、少なくとも約１０００℃／分、少なくとも約１２００℃／分、少なくとも約１５００℃／分、少なくとも約１８００℃／分、および少なくとも約２０００℃／分が挙げられる。

グラフェンシートはアニールされてよく、または還元性雰囲気条件（例えば、不活性ガスまたは水素でパージされた系内）の下での加熱により酸素に対する炭素比が高いグラフェンシートに還元されてよい。還元／アニーリング温度は、好ましくは少なくとも約３００℃、または少なくとも約３５０℃、または少なくとも約４００℃、または少なくとも約５００℃、または少なくとも約６００℃、または少なくとも約７５０℃、または少なくとも約８５０℃、または少なくとも約９５０℃、または少なくとも約１０００℃である。使用される温度は、例えば約７５０から約３０００℃の間、または約８５０から約２５００℃の間、または約９５０から約２５００℃の間であってよい。

加熱時間は、例えば少なくとも約１秒、または少なくとも約１０秒、または少なくとも約１分、または少なくとも約２分、または少なくとも約５分であってよい。特定の実施形態において、加熱時間は少なくとも約１５分、または約３０分、または約４５分、または約６０分、または約９０分、または約１２０分、または約１５０分である。アニーリング／還元の経過の間、温度はこれらの範囲内で変化してよい。

加熱は、不活性雰囲気（アルゴンまたは窒素など）、または水素（アルゴンまたは窒素などの不活性ガスで希釈された水素を含む）などの還元雰囲気、または真空下を含む様々な条件の下で行われてよい。加熱は、溶融シリカまたは鉱物またはセラミック容器または金属容器などの、任意の適切な容器で実施されてよい。加熱される材料（任意の開始材料および任意の生成物または中間物であってよい）は、単一バッチ反応容器内の本質的に一定の位置に含まれてよく、または連続反応もしくはバッチ反応の間１つ以上の容器を経由して移動されてよい。加熱は、炉または赤外線ヒーターの使用を含む任意の適切な手段を用いて実施されてよい。

グラフェンシートは、少なくとも約１００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約２００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約３００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約３５０ｍ^２／ｇ、または少なくとも約４００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約５００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約６００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約７００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約８００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約９００ｍ^２／ｇ、または少なくとも約７００ｍ^２／ｇの表面積を有することが好ましい。表面積は、約４００から約１１００ｍ^２／ｇであってよい。理論的な最大表面積は２６３０ｍ^２／ｇであると計算することができる。表面積は、特に４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００、２２００、２３００、２４００、２５００、および２６３０ｍ^２／ｇを含む、全ての値およびそれらの間の下位の値を含んでよい。

グラフェンシートは、約１００から約１００，０００、または約１００から約５０，０００、または約１００から２５，０００、または約１００から約１０，０００の数平均アスペクト比を有してよい（「アスペクト比」はシートの最短寸法に対する最長寸法の比として定義される）。

表面積は、７７Ｋにおける窒素吸着／ＢＥＴ法、または液体溶液におけるメチレンブルー（ＭＢ）色素法のどちらかを用いて測定することができる。

色素法は以下のように実施される。ある量のグラフェンシートがフラスコに加えられる。その後グラフェンシート１グラムあたり少なくとも１．５ｇのＭＢが加えられる。エタノールがフラスコに加えられ、混合物は約１５分間超音波処理される。エタノールはその後蒸発され、ある量の水がフラスコに加えられ、未反応のＭＢを再度溶解する。未溶解の材料は、好ましくはサンプルを遠心分離することによって、固めることが可能である。溶液内のＭＢの濃度は、標準濃度での吸収に対するλ_ｍａｘ＝２９８ｎｍにおける吸収を測定することによって、ＵＶ−ｖｉｓ分光光度計を用いて決定される。

最初に加えられたＭＢの量と、ＵＶ−ｖｉｓ分光光度計によって決定される、溶液に存在する量との間の差は、グラフェンシートの表面上に吸着されたＭＢの量であると仮定される。グラフェンシートの表面は、吸着されたＭＢ １ｍｇが覆う表面２．５４ｍ^２の値を用いて計算される。

グラフェンシートは、約０．１から少なくとも約２００ｋｇ／ｍ^３のバルク密度を有してよい。バルク密度は、特に０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、５０、７５、１００、１２５、１５０、および１７５ｋｇ／ｍ^３を含む、全ての値およびそれらの間の下位の値を含んでよい。

グラフェンシートは、例えば酸素含有官能基（例えば、ヒドロキシ基、カルボキシ基、およびエポキシ基であってよい）で、および典型的には、元素分析で決定される、酸素に対する全炭素の比（Ｃ／Ｏ比）が少なくとも約１：１、またはより好ましくは少なくとも約３：２である基で官能化されてよい。酸素に対する炭素の比の例として、約３：２から約８５：１５；約３：２から約２０：１；約３：２から約３０：１；約３：２から約４０：１；約３：２から約６０：１；約３：２から約８０：１；約３：２から約１００：１；約３：２から約２００：１；約３：２から約５００：１；約３：２から約１０００：１；約３：２から１０００：１以上；約１０：１から約３０：１；約８０：１から約１００：１；約２０：１から約１００：１；約２０：１から約５００：１；約２０：１から約１０００：１；約５０：１から約３００：１；約５０：１から約５００：１；および約５０：１から約１０００：１が挙げられる。ある実施形態では、酸素に対する炭素の比は、少なくとも約１０：１、または少なくとも約２０：１、または少なくとも約３５：１、または少なくとも約５０：１、または少なくとも約７５：１、または少なくとも約１００：１、または少なくとも約２００：１、または少なくとも約３００：１、または少なくとも約４００：１、または少なくとも５００：１、または少なくとも約７５０：１、または少なくとも約１０００：１、または少なくとも約１５００：１、または少なくとも約２０００：１である。酸素に対する炭素の比は、それらの範囲の間の全ての値および下位の値を含んでもよい。

グラフェンシートは原子スケールのねじれを含んでよい。これらのねじれは、格子欠陥の存在によって、またはグラフェン底面の２次元六角形格子構造の化学的官能化によって、生じ得る。

組成物は、グラファイト（天然、キッシュ、および合成、アニール、熱分解、高配向熱分解、などのグラファイト）をさらに含んでよい。グラフェンシートに対するグラファイトの重量比は、約２：９８から約９８：２、または約５：９５から約９５：５、または約１０：９０から約９０：１０、または約２０：８０から約８０：２０、または約３０：７０から約７０：３０、または約４０：６０から約９０：１０、または約５０：５０から約８５：１５、または約６０：４０から約８５：１５、または約７０：３０から約８５：１５であってよい。

グラフェンシートは異なる粒子径分布および／またはモルフォロジーを有する２つ以上のグラフェン粉末を含んでよい。グラファイトは異なる粒子径分布および／またはモルフォロジーを有する２つ以上のグラファイト粉末を含んでよい。

バインダーは熱可塑性または熱硬化性であってよく、エラストマーであってよい。バインダーは、基板に対するコーティングの塗布前に、その間に、または後に重合することができるモノマーを含んでもよい。重合性バインダーは、基板にコーティングが塗布された後に架橋されてよく、または他の方法で硬化されてよい。ポリマーバインダーの例としては、ポリシロキサン（ポリ（ジメチルシロキサン）、ジメチルシロキサン／ビニルメチルシロキサン共重合体、ビニルジメチルシロキサン末端ポリジメチルシロキサンなど）、ポリエーテルおよびグリコール、例えばポリエチレンオキシド（ポリ（エチレングリコール）としても知られる））、ポリプロピレンオキシド（ポリ（プロピレングリコール）としても知られる））、およびエチレンオキシド／プロピレンオキシド共重合体、セルロース樹脂（例えばエチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、酢酸セルロース、プロピオン酸酢酸セルロース、および酪酸酢酸セルロース）、およびポリビニルブチラール、ポリビニルアルコールおよびその誘導体、エチレン／酢酸ビニルポリマー、アクリルポリマーおよびコポリマー（例えばメチルメタクリレートポリマー、メタクリレートコポリマー、１つ以上のアクリレートから誘導されたポリマー、メタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレートなど）、スチレン／アクリルコポリマー、スチレン／無水マレイン酸コポリマー、イソブチレン／無水マレイン酸コポリマー、酢酸ビニル／エチレンコポリマー、エチレン／アクリル酸コポリマー、ポリオレフィン、ポリスチレン、オレフィンおよびスチレンのコポリマー、エポキシ樹脂、アクリルラテックスポリマー、ポリエステルアクリル酸オリゴマーおよびポリマー、ポリエステルジオールジアクリレートポリマー、ＵＶ硬化樹脂、およびポリアミドが挙げられる。ポリアミドは約１００℃から約２５５℃の間、または約１２０℃から約２５５℃の間、または約１１０℃から約２５５℃の間、または約１２０℃から約２５５℃の間の融点を有するポリマーおよびコポリマー（すなわち、少なくとも２つの異なる繰り返し単位を有するポリアミド）であってよい。これらは、約２３０℃以下の融点を有する脂肪族コポリアミド、約２１０℃以下の融点を有する脂肪族コポリアミド、約２００℃以下の融点を有する脂肪族コポリアミド、約１８０℃以下の、約１５０℃以下の、約１３０℃以下の、約１２０℃以下の、約１１０℃以下の、などの融点を有する脂肪族コポリアミド、を含む。これらの例として、Ｈｅｎｋｅｌ社がＭａｃｒｏｍｅｌｔという商品名で、Ｃｏｇｎｉｓ社がＶｅｒｓａｍｉｄという商品名で、ＤｕＰｏｎｔ社がＥｌｖａｍｉｄｅ（登録商標）という商品名で販売するものが挙げられる。適切なポリマーの例として、Ｌｕｃｉｔｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．が販売するＥｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）ポリマーが挙げられ、これにはＥｌｖａｃｉｔｅ（登録商標）２００９、２０１０、２０１３、２０１４、２０１６、２０２８、２０４２、２０４５、２０４６、２５５０、２５５２、２６１４、２６６９、２６９７、２７７６、２８２３、２８９５、２９２７、３００１、３００３、３００４、４０１８、４０２１、４０２６、４０２８、４０４４、４０５９、４４００、４０７５、４０６０、４１０２などが含まれる。他のポリマー系にはＢｙｎｅｌ（登録商標）ポリマー（ＤｕＰｏｎｔが販売するＢｙｎｅｌ（登録商標）２０２２など）およびＪｏｎｃｒｙｌ（登録商標）ポリマー（Ｊｏｎｃｒｙｌ（登録商標）６７８および６８２）が含まれる。

コーティング組成物は、成分の一部または全てが溶解され、懸濁され、または他の方法では分散されもしくは保持される、１つ以上のキャリアを任意に含む。適切なキャリアの例としては、水、蒸留されたまたは合成のイソパラフィン炭化水素（Ｉｓｏｐａｒ（登録商標）およびＮｏｒｐａｒ（登録商標）（どちらもＥｘｘｏｎが製造する））およびＤｏｗａｎｏｌ（登録商標）（Ｄｏｗが製造する）、シトラステルペンおよびシトラステルペンを含む混合物（Ｐｕｒｏｇｅｎ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、およびＰｏｓｉｔｒｏｎ（全てＥｃｏｌｉｎｋが製造））、テルペンおよびテルペンアルコール（アルファ−テルピネオールを含むテルピネオールを含む）、リモネン、脂肪族石油蒸留物、アルコール（例えばメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、ペンタノール、ｉ−アミルアルコール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ジアセトンアルコール、ブチルグリコールなど）、ケトン（例えば、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ｉ−ブチルケトン、２，６，８，トリメチル−４−ノナノンなど）、エステル（例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉ−ブチル、酢酸ｔｅｒｔ−ブチル、酢酸カルビトールなど）、グリコールエーテル、エステル、およびアルコール（例えば、２−（２−エトキシエトキシ）エタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、および他のプロピレングリコールエーテル；エチレングリコールモノブチルエーテル、２−メトキシエチルエーテル（ジグリム）、プロピレングリコールメチルエーテル（ＰＧＭＥ）；および他のエチレングリコールエーテル；エチレンおよびプロピレングリコールエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、１−メトキシ−２−プロパノールアセテート（ＰＧＭＥＡ）；およびヘキシレングリコール（Ｈｅｘａｓｏｌ^ＴＭ（ＳｐｅｃｉａｌＣｈｅｍが販売）など））、イミド、アミド（例えばジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなど）、環状アミド（例えばＮ−メチルピロリドンおよび２−ピロリドンなど）、ラクトン（例えば、ベータ−プロピオラクトン、ガンマ−バレロラクトン、デルタ−バレロラクトン、ガンマ−ブチロラクトン、イプシロン−カプロラクトン）、環状イミド（例えば、Ｎ，Ｎ’−ジメチルイミダゾリジノン（１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン）などのイミダゾリジノン）、および前述の化合物の２つ以上の混合物、および前述の１つ以上の化合物と他のキャリアとの混合物が挙げられるが、これらに制限されない。溶媒は、低揮発性または不揮発性溶媒、空気の汚染に対して有害ではない溶媒、および非ハロゲン性溶媒であってよい。

グラフェンシートおよびグラファイト（もしも存在する場合）は、組成物中に、グラフェンシートおよびグラファイト（もしも存在する場合）およびバインダーの全量に対して、約１から約９９重量％、約２から約９９重量％、約５から約９９重量％、約１０から約９９重量％、約２０から約９９重量％、約５から約９８重量％、約２０から約９８重量％、約３０から約９５重量％、約４０から約９５重量％、約５０から約９５重量％、約７０から約９５重量％、約８０から約９９重量％、約９０から約９９重量％、または約９５から約９９重量％存在することが好ましい。

組成物は、湿式または乾式法、およびバッチ、半連続、および連続法を含む適切な方法を用いて作られてよい。

例えば、例えば１つ以上のグラフェンシート、グラファイト（もしも使用される場合）、バインダー、キャリア、および／または他の成分などの、コーティング組成物の成分は加工されてよい（例えば、ミリング／グラインディング、適切な混合、分散および／または複合化技術、および超音波装置、高せん断ミキサー、ボールミル、アトリッション装置、サンドミル、ツーロールミル、スリーロールミル、低温グラインディングクラッシャー、押出機、混錬機、ダブルプラネタリーミキサー、トリプルプラネタリーミキサー、高圧ホモジナイザー、ボールミル、アトリッション装置、サンドミル、水平および垂直ウェットグラインディングミルなどを含む器具を用いたブレンドなど）。加工（粉砕を含む）法は湿式または乾式であってよく、連続または不連続であってよい。粉砕の媒体として使用するのに適切な材料として、金属、炭素鋼、ステンレス鋼、セラミックス、安定化セラミック媒体（例えば、イットリウム安定化酸化ジルコニウム）、ＰＴＦＥ、ガラス、炭化タングステンなどが挙げられる。グラファイト、グラフェンシート、他の成分、およびブレンドまたは２つ以上の成分の粒子径および／またはモルフォロジーを変更するために、これらの方法を使用することができる。

成分は互いにまたは別個に加工されてよく、複数の加工（混合／ブレンドを含む）段階を経てよく、各々は１つ以上の成分を含む（ブレンドを含む）。

グラフェンシート、グラファイト（もしも使用される場合）、および他の成分が加工され、および組み合わされる方法に特に制限はない。例えば、グラフェンシートおよび／またはグラファイトは別個に所定の粒子径分布および／またはモルフォロジーを有するように加工されてよく、その後追加の成分と共に、または追加の成分なしにさらなる加工を行うために組み合わされてよい。未加工のグラフェンシートおよび／またはグラファイトが加工されたグラフェンシートおよび／またはグラファイトと組み合わされてよく、追加の成分と共に、または追加の成分なしにさらなる加工が行われてよい。加工されたおよび／または未加工のグラフェンシートおよび／または加工されたおよび／または未加工のグラファイトは例えば１つ以上のバインダーなど他の成分と組み合わされてよく、その後加工されたおよび／または未加工のグラフェンシートおよび／または加工されたおよび／または未加工のグラファイトと組み合わされてよい。他の成分と組み合わされた加工されたおよび／または未加工のグラフェンシートおよび／または加工されたおよび／または未加工のグラファイトの２つ以上の組み合わせが、さらに組み合わされ、または加工されてよい。

１つの実施形態において、もしも多鎖脂質が使用される場合、それは加工前にグラフェンシート（および／または存在する場合にはグラファイト）に加えられる。

ブレンドおよび／またはグラインディング段階の後、増粘剤、粘度調整剤、バインダーなどの（ただしこれらに制限されない）さらなる成分が組成物に添加されてよい。組成物は、さらなるキャリアの添加によって希釈されてもよい。

組成物は、例えば分散剤（界面活性剤、乳化剤、および湿潤補助剤を含む）、接着促進剤、増粘剤（粘土を含む）、消泡剤および泡止め剤、殺生物剤、追加の充填剤、流れ促進剤、安定剤、架橋剤および硬化剤など、１つ以上の追加の添加剤を任意に含んでよい。

分散剤の例としては、グリコールエーテル（ポリエチレンオキシドなど）、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドから誘導されたブロックコポリマー（ＢＡＳＦからＰｌｕｒｏｎｉｃ（登録商標）で販売されるものなど）、アセチレンジオール（２，５，８，１１−テトラメチル−６−ドデシン−５，８−ジオールエトキシレートおよびその他Ａｉｒ ＰｒｏｄｕｃｔｓからＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）およびＤｙｎｏｌ（登録商標）の商品名で販売されるもの）、カルボン酸塩（アルカリ金属およびアンモニウム塩を含む）、およびポリシロキサンが挙げられる。

粉砕助剤の例としては、ステアリン酸（例えば、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＺｎのステアリン酸）およびアセチレンジオール（Ｓｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）およびＤｙｎｏｌ（登録商標）の商品名でＡｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから販売されるものなど）が挙げられる。

接着促進剤の例としては、チタンキレート、および例えばリン酸チタン錯体（ブチルリン酸チタンを含む）、チタン酸エステル、ジイソプロポキシチタンビス（エチル−３−オキソブタノエート）、イソプロポキシチタンアセチルアセトナート、およびＶｅｒｔｅｃという商品名でＪｏｈｎｓｏｎ−Ｍａｔｔｈｅｙ Ｃａｔａｌｙｓｔｓから販売されるものなど、他のチタン化合物が挙げられる。

増粘剤の例としては、グリコールエーテル（ポリエチレンオキシドなど）、エチレンオキシドおよびプロピレンオキシドから誘導されたブロックコポリマー（ＢＡＳＦからＰｌｕｒｏｎｉｃ（登録商標）で販売されるものなど）、長鎖カルボン酸塩（例えば、アルミニウム、カルシウム、亜鉛などの塩、ステアリン酸塩、オレイン酸塩、パルミチン酸塩など）、アルミノシリケート（Ｕｎｉｍｉｎ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ＭｉｎｅｒａｌｓからＭｉｎｅｘ（登録商標）の商品名で、およびＥｖｏｎｉｋ ＤｅｇｕｓｓａからＡｅｒｏｓｉｌ（当力商標）の商品名で販売されるもの）、溶融シリカ、天然または合成ゼオライトなどが挙げられる。

組成物は、少なくとも１つの「多鎖脂質」を任意に含んでよく、この用語は、極性頭部基およびそれに結合した少なくとも２つの非極性尾基を有する、天然に生じたまたは合成の脂質を意味する。極性頭部基の例として、酸素含有、硫黄含有、およびハロゲン含有基、リン酸基、アミド基、アンモニウム基、アミノ酸（α−アミノ酸を含む）、単糖類、多糖類、エステル（グリセロールエステルを含む）、両性イオンなどが挙げられる。

尾基は同じであっても、または異なっていてもよい。尾基の例として、アルカン、アルケン、アルキン、芳香族化合物などが挙げられる。尾基は炭化水素、官能化炭化水素などであってよい。尾基は飽和されていてよく、または不飽和であってよい。尾基は線形または分岐していてよい。尾基はオレイン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、エルカ酸、アラキドン酸、リノール酸、オレイン酸などの脂肪酸から得られてよい。

多鎖脂質の例として、レシチンおよび他のリン脂質（例えばホスホグリセリド（ホスファチジルセリン、ホスファチジルイノシトール、ホスファチジルエタノールアミン（ケファリン）、およびホスファチジルグリセロールを含む）およびスフィンゴミエリン）；糖脂質（例えばグリコシル−セレブロシド）；サッカロ脂質；スフィンゴ脂質（例えばセラミド、ジグリセリド、トリグリセリド、リンスフィンゴ脂質、および糖スフィンゴ脂質）などが挙げられるがこれらに制限されない。これらは両性（双性を含む）であってよい。

組成物は、１つ以上の荷電した有機化合物を任意に含んでよい。荷電した有機化合物は、少なくとも１つのイオン性官能基および１つの炭化水素系鎖を含む。イオン性官能基の例としては、アンモニウム塩、硫酸塩、スルホン酸塩、リン酸塩、カルボン酸塩などが挙げられる。もしも２つ以上のイオン性官能基が存在する場合、それらは同じタイプであってよく、または異なるタイプであってよい。化合物はヒドロキシ、アルケン、アルキン、カルボキシ基（例えばカルボン酸、エステル、アミド、ケトン、アルデヒド、無水物、チオールなど）、エーテル、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、窒素を含有する基、リンを含有する基、ケイ素を含有する基など、さらなる官能基を含んでよいが、これらに制限されない。

化合物は少なくとも１つの炭化水素系鎖を含む。炭化水素系鎖は飽和していてよく、または不飽和でよく、分岐していてよく、または線形であってよい。それはアルキル基、アルケニル基、アルキニル基などであってよい。炭素原子および水素原子のみを含む必要は無い。他の官能基（上述したような基）で置換されてよい。エステル、エーテル、アミドなどの他の官能基が鎖長内に存在してよい。言い換えれば、分子鎖は１つ以上の官能基で結合された２つ以上の炭化水素系セグメントを含んでよい。ある実施形態では、少なくとも１つのイオン性官能基が分子鎖の末端に配置される。

アンモニウム塩の例として、化学式Ｒ^１Ｒ^２Ｒ^３Ｒ^４Ｎ^＋Ｘ⁻を有する材料が挙げられる。ここで、Ｒ^１、Ｒ^２、およびＲ^３は各々独立に水素、炭化水素系鎖、アリール含有基、脂環基、オリゴマー基、ポリマー基などであり、Ｒ^４は少なくとも４つの炭素原子を有する炭化水素系鎖であり、Ｘ⁻はフッ素、臭素、塩素、ヨウ素、硫酸塩、水酸化物、カルボン酸塩などのアニオンである。どのようなＲ基も１つ以上の追加のアンモニウム基を有してよい。

Ｒ基の例として、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル、エイコシル、Ｃ_２１からＣ_４０鎖などが挙げられる。

四級アンモニウム塩の例として、テトラアルキルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩が挙げられ、ここでアルキル基は少なくとも８個の炭素原子を含む１つ以上の基である。例としては、テトラドデシルアンモニウム、テトラデシルトリメチルアンモニウムハライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、ジドデシルジメチルアンモニウムはライドなどが挙げられる。

アンモニウム塩はビスまたは四級アンモニウム塩を含む高級アンモニウム塩であってよい。アンモニウム塩は、カルボン酸の、ジカルボン酸の、トリカルボン酸の、および高級カルボン酸の塩であってよい。カルボン酸は、少なくとも約４つの線形炭素原子を有する炭化水素系鎖部分を有してよい。例としては、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、少なくとも１５個の炭素原子を有するカルボン酸、ステアリン酸、オレイン酸、モンタン酸、アジピン酸、１，７−ヘプタン二酸、１，８−オクタン二酸、１，９−ノナン二酸、セバシン酸、１，１１−ウンデカン二酸、１，１２−ドデカン二酸、１，１３−トリデカン二酸、１，１４−テトラデカン二酸、１，１５−ペンタデカン二酸、１，１６−ヘキサデカン二酸、１，１７−ヘプタデカン二酸、１，１８−オクタデカン二酸、１，１９−ノナデカン二酸、１，２０−エイコサン二酸、２１から４０個の炭素原子を有するジカルボン酸などが挙げられる。

カルボン酸（高分子量カルボン酸および不飽和カルボン酸）のアルキロールアンモニウム塩が使用されてよい。例としては、ＥＦＫＡ ５０７１（Ｃｉｂａが販売する高分子量カルボン酸のアルキロールアンモニウム塩）およびＢＹＫ−ＥＳ８０（ＢＹＫ ＵＳＡ，Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ、Ｃｏｎｎが製造する不飽和酸性カルボン酸エステルのアルキロールアンモニウム塩）が挙げられる。

荷電された有機化合物は、スルホン酸塩、メシラート、トリフラート、トシレート、ベシレート（ｂｅｓｙｌａｔｅ）、硫酸塩、亜硫酸塩、ペルオキソモノ硫酸塩、ペルオキソジ硫酸塩、ピロ硫酸塩、ジチオン酸塩、メタ重亜硫酸塩、亜ジチオン酸塩、チオ硫酸塩、テトラチオン酸塩などの硫黄含有基を有してよい。有機化合物は２つ以上の硫黄含有基を含んでもよい。

アルキル、アルケニル、および／またはアルキニル硫酸塩およびスルホン酸塩は好ましい硫黄含有化合物である。アルキル、アルケニル、および／またはアルキニル基は、好ましくは少なくとも約８個の炭素原子を、またはより好ましくは少なくとも約１０個の炭素原子を含む。例としては、デシル硫酸塩、ドデシル硫酸塩（例えば、１−ドデカン硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）など）、デシルスルホン酸塩、ドデシルスルホン酸塩（例えば、１−ドデカンスルホン酸ナトリウム（ＳＤＳＯ）など）が挙げられる。対イオンは、リチウム、ナトリウム、カリウム、アンモニウムなど任意の適切なカチオンであってよい。

荷電された有機化合物は、荷電された有機化合物およびグラフェンシートおよびもしも使用されている場合他の炭素質の充填剤の全重量に対して、約１から約７５重量％、約２から約７０重量％、約２から約６０重量％、約２から約５０重量％、約５から約５０重量％、約１０から約５０重量％、約１０から約４０重量％、約２０から約４０重量％存在してよい。

組成物は、任意に、例えば金属（合金を含む）、導電性金属酸化物、ポリマー、組成物以外の炭素材料、金属コート材料など、グラフェンシート以外のさらなる導電性化合物を含んでよい。これらの成分は、粒子、粉末、フレーク、ホイル、針状など、様々な形態をとることができる。

金属の例としては、銀、銅、アルミニウム、白金、パラジウム、ニッケル、クロム、金、青銅、金属コロイドなどが挙げられるがこれらに制限されない。金属酸化物の例としては、アンチモンスズ酸化物およびインジウムスズ酸化物および金属酸化物でコーティングされた充填剤などの材料が挙げられる。金属および金属酸化物コート材料の例としては、金属コート炭素およびグラファイト繊維、金属コートガラス繊維、金属コートガラスビーズ、金属コートセラミック材料（ビーズなど）などが挙げられるが、これらに制限されない。これらの材料は、ニッケルを含む様々な金属でコーティングすることができる。

導電性ポリマーの例としては、ポリアセチレン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＳＳ）、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳコポリマー、ポリチオフェン、ポリ（３−アルキルチオフェン）、ポリ（２，５−ビス（３−テトラデシルチオフェン−２−イル）チエノ［３，２−ｂ］チオフェン）（ＰＢＴＴＴ）、ポリ（フェニレンビニレン）、ポリピレン、ポリカルバゾール、ポリアズレン、ポリアゼピン、ポリフルオレン、ポリナフタレン、ポリイソナフタレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ（フェニレンスルフィド）、上述のポリマーの１つ以上のコポリマーなど、およびそれらの誘導体およびコポリマーが挙げられるが、これらに制限されない。導電性ポリマーは、ドープされてよく、ドープされていなくてもよい。それらはホウ素、リン、ヨウ素などでドープされてよい。

グラフェンシートおよびグラファイト以外の炭素材料の例として、黒鉛化炭素、カーボンブラック、カーボンファイバーおよびフィブリル、カーボンウィスカー、気相成長カーボンナノファイバー、金属コートカーボンファイバー、カーボンナノチューブ（単層および多層ナノチューブを含む）、フラーレン、活性化炭素、カーボンファイバー、グラファイト膨張体、膨張グラファイト、酸化グラファイト、中空炭素球、炭素発泡体などが挙げられるが、これらに制限されない。

組成物は、ガラス（二酸化ケイ素を含む）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）ガラス、ＦＴＯおよびＦＴＯ含有基板、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）およびＩＴＯ含有基板、酸化ジルコニウムおよび酸化ジルコニウム含有基板、酸化亜鉛および酸化亜鉛含有基板、正孔導電性フィルム（例えば、スピロ−ＯＭｅＴＡＤ（２，２’、７，７’−テトラキス（Ｎ，Ｎ−ジ−ｐ−メトキシフェニル−アミン）−９，９’−スピロビフルオレン）などのスピロビフルオレン色素から形成されたもの、またはそれを含有するものなど）、電子導電性基板、柔軟なおよび／または伸長可能な材料、シリコーンおよび他のエラストマーおよび他のポリマー材料、金属（アルミニウム、銅、スチール、ステンレス鋼、など）、接着剤、編物（布を含む）および織物（綿、ウール、ポリエステル、レーヨンなど）、衣服、ガラスおよび他の鉱物、セラミック、シリコン表面、木、紙、厚紙、セルロース系材料、グラシン、ラベル、シリコンおよび他の半導体、ラミネート、波形材料、コンクリート、レンガ、および他の建築材料などを含む様々な基板（ただしこれらに制限されない）に塗布することができる。基板は、フィルム、紙、ウェハ、大きな３次元物などの形態であってよい。

基板は、組成物が塗布される前に、他のコーティング（塗料など）または同様の材料で処理されてよい。例として、酸化インジウムスズ、酸化アンチモンスズなどでコーティングされた基板（ＰＥＴなど）が挙げられる。基板は、織布、不織布、メッシュ形態などであってよい。

基板は、一般的に紙系材料（紙、板紙、厚紙、グラシンなど）であってよい。紙系材料は表面処理することができる。表面処理の例として、ポリマーコーティングが挙げられ、これはＰＥＴ、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸塩、ニトロセルロースなどを含むことができる。コーティングは接着剤であってよい。紙系材料はにじみ止めされてよい。

ポリマー材料の例として、熱可塑性ポリマーおよび熱硬化性ポリマーが挙げられ、エラストマーおよびゴム（熱可塑性および熱硬化性を含む）、シリコーン、フッ化ポリシロキサン、天然ゴム、ブチルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、スチレン／ブタジエンコポリマー（ＳＢＲ）、スチレン／エチレン／ブタジエン／スチレンコポリマー（ＳＥＢＳ）、無水マレイン酸でグラフトされたスチレン／エチレン／ブタジエン／スチレンコポリマー、スチレン／イソプレン／スチレンコポリマー（ＳＩＳ）、ポリイソプレン、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ネオプレン、エチレン／プロピレンコポリマー（ＥＰＲ）、エチレン／プロピレン／ジエンコポリマー（ＥＰＤＭ）、エチレン／酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、ヘキサフルオロプロピレン／フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレンコポリマー、テトラフルオロエチレン／プロピレンコポリマー、フッ化エラストマー、ポリエステル（例えば、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリ（エチレンナフタレート）、液晶ポリエステル、ポリ乳酸など）、ポリスチレン、ポリアミド（ポリテレフタルアミドを含む）、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）など）、アラミド（例えば、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）およびＮｏｍｅｘ（登録商標））、フッ化ポリマー（例えば、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ（フッ化ビニル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）グレードなど）、ポリエーテルイミド、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（塩化ビニリデン）、ポリウレタン（例えば、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、スパンデックス、セルロースポリマー（例えばニトロセルロース、酢酸セルロースなど）、スチレン／アクリロニトリルポリマー（ＳＡＮ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレンポリマー（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリ（メチルメタクリレート）、エチレン／酢酸ビニルコポリマー、熱硬化性エポキシおよびポリウレタン、ポリオレフィン（例えばポリエチレン（低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンなど）、ポリプロピレン（例えば、二軸配向ポリプロピレンなど））、Ｍｙｌａｒなどが挙げられるが、これらに制限されない。それらは例えばＤｕＰｏｎｔ Ｔｙｖｅｋ（登録商標）などの不織材料であってよい。それらは接着性材料であってよい。基板は、ガラス、石英、ポリマー（例えばポリカーボネートまたはポリ（メタ）アクリレート（ポリ（メチルメタクリレート）など））などの透明材料または半透明材料または光学材料であってよい。

組成物は、ペインティング、注入、スピンキャスティング、溶液キャスティング、ディップコーティング、パウダーコーティング、シリンジまたはピペットによる方法、スプレーコーティング、カーテンコーティング、ラミネーション、共押出、電気スプレー堆積、インクジェット印刷、スピンコーティング、熱転写（レーザー転写を含む）法、ドクターブレードプリンティング、スクリーン印刷、回転スクリーン印刷、グラビア印刷、リソグラフィー印刷、インタリオ印刷、デジタル印刷、キャピラリー印刷、オフセット印刷、電気流体力学（ＥＨＤ）印刷（参照によってここに組み込まれる国際公開第２００７／０５３６２１に記載される方法）、フレキソグラフィー印刷、パッド印刷、スタンピング、ゼログラフィー、マイクロコンタクト印刷、ディップペンナノリソグラフィー、レーザー印刷、ペンまたは同様の手段を介する方法などを含む（ただしこれらに制限されない）、任意の適切な方法を用いて基板に塗布されてよい。組成物は、多層で塗布されてよい。

組成物が基板に塗布された後、コーティング組成物は任意の適切な方法を用いて硬化されてよく、そのような方法として乾燥およびオーブン乾燥（空気中、または他の不活性もしくは反応性雰囲気中）、ＵＶ硬化、ＩＲ硬化、乾燥、架橋、熱硬化、レーザー硬化、マイクロ波硬化または乾燥、焼結など電極を形成する方法が挙げられる。

熱硬化温度は、バインダー、基板、溶媒系などに与えられる任意の適切な温度であってよい。ある実施形態では、硬化は約１３５℃以下の、または約１２０℃以下の、または約１１０℃以下の、または約１００℃以下の、または約９０℃以下の、または約８０℃以下の、または約７０℃以下の温度で起こってよい。

電極は導電性であってよい。電極は少なくとも約１０^−８Ｓ／ｍの導電性を有することができる。電極は約１０^−６Ｓ／ｍから約１０^５Ｓ／ｍの、または約１０^−５Ｓ／ｍから約１０^５Ｓ／ｍの導電性を有することができる。本発明の他の実施形態において、電極は少なくとも約０．００１Ｓ／ｍの、少なくとも約０．０１Ｓ／ｍの、少なくとも約０．１Ｓ／ｍの、少なくとも約１Ｓ／ｍの、少なくとも約１０Ｓ／ｍの、少なくとも約１００Ｓ／ｍの、または少なくとも約１０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約１０，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約２０，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約３０，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約４０，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約５０，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約６０，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約７５，０００Ｓ／ｍの、または少なくとも約１０^５Ｓ／ｍの、または少なくとも約１０^６Ｓ／ｍの導電性を有する。

ある実施形態では、電極の表面抵抗は約５００Ω／ｓｑ以下、または約３５０Ω／ｓｑ以下、約２００Ω／ｓｑ以下、約１５０Ω／ｓｑ以下、約１００Ω／ｓｑ以下、約７５Ω／ｓｑ以下、約５０Ω／ｓｑ以下、約３０Ω／ｓｑ以下、約２０Ω／ｓｑ以下、約１０Ω／ｓｑ以下、約５Ω／ｓｑ以下、約１Ω／ｓｑ以下、約０．１Ω／ｓｑ以下、約０．０１Ω／ｓｑ以下、約０．００１Ω／ｓｑ以下であってよい。

電極は、Ｄｕｐｏｎｔ社のＳｕｒｌｙｎ（登録商標）またはＢｙｎｅｌ（登録商標）などの熱溶融シーラントの使用、および正孔伝導材料上に直接塗布することを含む、任意の適切な方法を用いてＤＳＳＣ内部に組み込まれてよい。電極は、レドックス対（ヨウ化物／三ヨウ化物、Ｃｏ^{ＩＩ／ＩＩＩ}［（ｄｂｂｉｐ）_２］（ＣｌＯ_４）_２などを含むＣｏ^ＩＩおよびＣｏ^ＩＩＩ錯体などのコバルト錯体、（ＳｅＣＮ）⁻ _３／ＳｅＣＮ⁻、フェロセン／フェロセリウム、全てゲル化剤を有するかまたは有さない）を有する電解質系、固体状態正孔伝導材料（例えば、スピロ−ＯＭｅＴＡＤ（２，２’，７，７’−テトラキス（Ｎ，Ｎ−ジ−ｐ−メトキシフェニルアミン）−９，９’−スピロビ−フルオレン））、イオン性液体、または溶融塩など、任意の適切なおよび互換性がある正孔伝導系とともに使用することができる。正孔伝導体は、１つ以上の導電性ポリマー（前述したようなもの）であってもよい。電極は第２電極（カソードとして働くことができる）に関連してＤＳＳＣ内で使用されてよい。第２電極はその表面および／または内部に白金電極を含むことができる。

コーティングの導電性および触媒活性により、低コストかつ柔軟なものなど、任意の基板の使用が可能になる。

ある実施形態では、電池は少なくとも約３％の、または少なくとも約４％の、または少なくとも約５％の、または少なくとも約６％の、または少なくとも約１０％の電力変換効率を有してよい。

太陽電池は、電極、正孔伝導体、およびスペーサが互いに積層されたモノリシック太陽電池であってよい。

実施例１および２および比較例１
〔ＤＳＳＣの作製〕
ＤＳＳＣは文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ １９９３，１１５，（１４），６３８２−６３９０）に記載されるように作製された。つまり、２ｇのＰ２５チタニアナノ粒子（Ｅｖａｎｏｎｉｋ）が、６６μＬのアセチルアセトンおよび３．３３３ｍＬの脱イオン水に懸濁された。チタニアフィルム、４層分の厚み、が、スコッチテープマスクおよびガラス棒を用いて、ドクターブレード法によりフッ素ドープ酸化スズガラス（ＦＴＯ）上にキャストされた。これらのフィルムはその後空気中で３０分間４８５℃で加熱された。その結果得られた電極は、２０時間０．３ｍＭのＮ３色素−エタノール（Ａｃｒｏｓ）溶液に浸漬され、増感フォトカソードが形成された。

比較例１の場合には、対向電極はＦＴＯ上で調製された熱処理された塩化白金酸電極であった。２μＬの５ｍＭ塩化白金酸イソプロパノール溶液が、０．３９ｃｍ^２のマスクを用いてＦＴＯ電極上にドロップキャストされた。その後サンプルは使用前に２０分間３８０℃に加熱された。

実施例１および２の場合、対向電極はグラフェンシート、アクリレートバインダー、および溶媒を含む導電性インクをポリ（エチレンテレフタレート）基板上にコーティングし、約１２０℃で約４分間硬化することによって形成された。実施例１では、電極は約９−１０Ω／ｓｑの表面抵抗を有し、実施例２では、電極は約５Ω／ｓｑ未満の表面抵抗を有する。

実施例１および２のフィルムの柔軟性に起因して、電池の短絡を防ぐために、電極は１００μｍの厚みを有するラボラトリーテープ（Ｆｉｓｈｅｒ）により離隔され、バインダークリップを用いて互いに固定された。有機溶媒中のヨウ化物／三ヨウ化物レドックス対を用いた電解質（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘのｌｏｄｏｌｙｔｅ ＡＮ−５０）が添加された。電池は作成後直ちに試験を行った。

〔測定〕
ＤＳＳＣの電流電圧特性は、１６Ｓソーラーシミュレータ（ＳｏｌａｒＬｉｇｈｔ）を用いて１００ｍＷ／ｃｍ^２で模擬されたＡＭ１．５Ｇの光の下で、定電位電解装置（Ｂｉｏｌｏｇｉｃ ＳＰ−１５０）により様々な負荷を与えて測定された。

結果は表１に与えられる。この結果は同様に調製された３つのサンプルの平均である。Ｖ_ｏｃは開回路電圧を示す。Ｊ_ｓｃは短絡電流密度を示す。ηは電池効率（電池の最大出力を入力電力で割ったもの、面積当たり）を示す。ＦＦは曲線因子を示し、これは理論的な最大出力に対する、装置内で得られる最大出力の比である［ＦＦ＝（Ｊ^＊×Ｖ^＊）／（Ｊ_ｓｃ×Ｖ_ｏｃ）、ここでＪ^＊およびＶ^＊は、各々電池の最大出力時の電流密度および電圧である］。

実施例３および４および比較例２
〔ＤＳＳＣの作製〕
実施例３および４および比較例２において、ＤＳＳＣは文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２０１０，１３２，（４６），１６７１４−１６７２４）に記載されるのと同様に、市販のチタニアペーストを用いて作製された。清浄なＦＴＯ導電性ガラス基板は、４０ｍＭのＴｉＣｌ_４水溶液に３０分間７０℃で浸漬し、その後水で洗うことによって調製された。チタニアフィルムは、Ｄｙｅｓｏｌ ＤＳＬ １８ ＮＲ−Ｔ コロイダルチタニアペーストを繰り返しスクリーン印刷して層間で３００℃で乾燥することによって、０．２５ｃｍ^２の面積を有して調製された。光散乱チタニア層（ＰＳＴ−４００Ｃ、ＪＧＣ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｔｄ．）がチタニアフィルムの上に堆積された。その後電極は、１８０℃（１０分）、３２０℃（１０分）、３９０℃（１０分）、および５００℃（６０分）で加熱された。焼成の後、電極はＴｉＣｌ_４水溶液に浸漬され、上述のように洗い流された。第２の、かつ最後の加熱段階（５００℃で６０分間）が実施された。得られた電極は、０．３ｍＭ Ｄ２９有機色素エタノール溶液に２０時間浸漬され、増感フォトカソードが形成された。

比較例２の場合、対向電極は調製されたＦＴＯ上で調製された熱処理された塩化白金酸電極であった。２１μＬの４．８ｍＭ塩化白金酸エタノール溶液が、２．２５ｃｍ^２のＦＴＯ電極上にドロップキャストされた。その後サンプルは２０分間４００℃に加熱された。

実施例３および４の場合、対向電極はグラフェンシート、アクリレートバインダー、および溶媒を含む導電性インクをＦＴＯ基板上にコーティングし、約４分間約１２０℃で硬化することによって形成された。実施例３の場合、電極は約１５μｍの厚みだった。実施例４の場合、電極は約６μｍの厚みだった。

５０μｍの熱可塑性Ｓｕｒｙｌｎスペーサが、太陽電池の端部を密閉するのに使用された。ヨウ化物／三ヨウ化物レドックス対を用いた電解質溶液（０．６Ｍ テトラブチルアンモニウムヨウ化物、０．１Ｍ ＬｉＩ、０．０５Ｍ Ｉ_２、および０．２Ｍ ４−ｔｅｒｔブチルピリジンのアセトニトリル溶液）が、対向電極に予め開けられた２つの穴を通じて導入され、電池はＳｕｒｌｙｎカバーおよびガラスカバースリップを用いて密封された。

〔測定〕
ＤＳＳＣの電流電圧特性は、ソーラーシミュレータ（Ｎｅｗｐｏｒｔ ｍｏｄｅｌ ９１１６０）を用いて１００ｍＷ／ｃｍ^２で模擬されたＡＭ１．５Ｇの光の下で、ソースメータ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２４００）により測定された。

結果は表２に与えられる。この結果は同様に調製された２つのサンプルの平均である。Ｖ_ｏｃは開回路電圧を示す。Ｊ_ｓｃは短絡電流密度を示す。ηは電池効率（電池の最大出力を入力電力で割ったもの、面積当たり）を示す。ＦＦは曲線因子を示し、これは理論的な最大出力に対する、装置内で得られる最大出力の比である［ＦＦ＝（Ｊ^＊×Ｖ^＊）／（Ｊ_ｓｃ×Ｖ_ｏｃ）、ここでＪ^＊およびＶ^＊は、各々電池の最大出力時の電流密度および電圧である］。

実施例５〜１０および比較例３
電極の触媒活性を決定するために、文献（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ ２００１ ４６（２２），３４５７，およびＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１０ ４（１０）６２０３−６２１１）に記載されるサンドイッチ型の電池構成を使用する電極において、電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）が実施された。対称なグラフェンインク電極（実施例５〜１０）および対称な白金コーティングＦＴＯ電極（比較例２）が、０．６Ｍテトラブチルアンモニウムヨウ化物、０．１Ｍ ＬｉＩ、０．０５Ｍ Ｉ_２、および０．２Ｍ ４−ｔｅｒｔブチルピリジンを含むアセトニトリル電解質中で試験された。電極を分離し、電池を密封するために、５０μｍ厚みのＳｕｒｌｙｎ（登録商標）フィルムが使用された。ＥＩＳ測定は０Ｖで行われた。交流信号の大きさは１０ｍＶであり、周波数の範囲は１Ｈｚから１００ｋＨｚであった。適切な等価回路を備えたＺｖｉｅｗソフトウェア（約１００，０００から約２５Ｈｚの高周波数および中周波数ハンプが電荷移動抵抗（Ｒ_ＣＴ）を示す）が、インピーダンススペクトルを分析し、かつ電極のＲ_ＣＴを決定するために使用された。結果は表３に与えられる。

実施例５〜１０の場合、対向電極は、フッ素ドープ酸化スズ基板上にグラフェンシート、アクリレートバインダー、および溶媒を含む導電性インクをコーティングし、約４分間約１２０℃で硬化することによって形成された。実施例５、６、および７（１つのインクを使用する）の場合、乾燥されたインクは約６５Ｓ／ｍのバルク導電性を有しており、実施例８、９、および１０（第２のインクを使用する）の場合、乾燥されたインクは１００Ｓ／ｍのバルク導電性を有していた。

Claims (15)

1. グラフェンシートおよび少なくとも１つのバインダーを含む組成物を含む、太陽電池電極であって、
   前記バインダーはポリマーバインダーであり、
   前記太陽電池電極の表面の少なくとも一部が１００Ω／ｓｑ以下の抵抗を有し、
   前記グラフェンシートの炭素：酸素のモル比が１０：１〜３０：１であり、
   前記グラフェンシートは１００から１０００００の数平均アスペクト比を有する、電極。
2. 色素増感太陽電池電極の形態である、請求項１に記載の電極。
3. 触媒対向電極の形態である、請求項１に記載の電極。
4. 前記組成物が基板に付着される、請求項１に記載の電極。
5. 前記組成物がさらにグラファイトを含む、請求項１に記載の電極。
6. 前記グラフェンシートが少なくとも３００ｍ^２／ｇの表面積を有する、請求項１に記載の電極。
7. 前記基板が柔軟である、請求項４に記載の電極。
8. 表面の少なくとも一部が２５Ω／ｓｑ以下の抵抗を有する、請求項１に記載の電極。
9. グラフェンシートおよび少なくとも１つのバインダーを含む組成物を含む電極を太陽電池内部に組み込む段階を含む、色素増感太陽電池電極を作製する方法であって、
   前記バインダーはポリマーバインダーであり、
   前記太陽電池電極の表面の少なくとも一部が１００Ω／ｓｑ以下の抵抗を有し、
   前記グラフェンシートの炭素：酸素のモル比が１０：１〜３０：１であり、
   前記グラフェンシートは１００から１０００００の数平均アスペクト比を有する、方法。
10. 前記組成物が基板にコーティングされ、電極を形成する、請求項９に記載の方法。
11. グラフェンシートが少なくとも３００ｍ^２／ｇの表面積を有する、請求項９に記載の方法。
12. グラフェンシートが少なくとも４００ｍ^２／ｇの表面積を有する、請求項９に記載の方法。
13. 電極表面の少なくとも一部が２５Ω／ｓｑ以下の抵抗を有する、請求項９に記載の方法。
14. 請求項１に記載の電極を含む色素増感太陽電池。
15. モノリシック太陽電池の形態である、請求項１４に記載の色素増感太陽電池。