JP2005310388A - Photoelectric conversion device - Google Patents

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明夫 柴田
Manabu Noguchi
学 野口
Hiroshi Yokota
洋 横田
Shusaku Hamada
周作 濱田
Akira Kodera
章 小寺
Akira Fukuda
明 福田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the efficiency of a photoelectric conversion device higher by improving a light energy conversion efficiency and suppressing reaction losses caused by internal energy consumption. <P>SOLUTION: On a translucent substrate 30, a transparent electrode 10 having a large number of projections in an arbitrary uneven shape such as a triangular pyramid and a cylinder on its opposite-side surface is arranged with a diffusion prevention film 60 in-between. The projection formed side surface of the transparent electrode 10 is coated with a light absorption semiconductor layer 20, and a counterelectrode 50 is arranged with a charge transfer layer 40 in-between. Though the specific surface area of an electrode composed of the transparent electrode 10 and the semiconductor layer 20 can be increased by fining and lengthening the projections, and forming them densely, the space factor and the aspect ratio of the projections are set considering the problem of diffusion in the transfer layer 40, etc. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光電変換素子に関し、より詳細には、透明電極及び光吸収層を備えた光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element, and more particularly to a photoelectric conversion element including a transparent electrode and a light absorption layer.

近年、石油等の化石燃料をエネルギとして用いることによって発生する二酸化炭素による地球温暖化及び酸性雨等の問題がクローズアップされている。このような地球環境問題の切り札として、太陽電池が注目されている。太陽電池は一般に、発電コストが高く、発電コストを如何にして低下させるかが課題の1つである。
このような課題に鑑みて、発電コストが比較的低い太陽電池として、湿式太陽電池が開発された。しかしながら、湿式太陽電池は、出力パワーが比較的低いことが問題であり、これは、光吸収及び電子励起を行う半導体層(場合により、表面に色素を担持した半導体層)における反応効率の悪さが、大きな原因である。したがって、湿式太陽電池において、半導体層における反応効率を向上させて出力を高くすることが課題の1つとなっている。
In recent years, problems such as global warming and acid rain due to carbon dioxide generated by using fossil fuels such as oil as energy have been highlighted. Solar cells are attracting attention as a trump card for such global environmental problems. In general, a solar cell has a high power generation cost, and how to reduce the power generation cost is one of the problems.
In view of such problems, wet solar cells have been developed as solar cells with relatively low power generation costs. However, a problem with wet solar cells is that the output power is relatively low, which is due to poor reaction efficiency in the semiconductor layer that performs light absorption and electronic excitation (in some cases, a semiconductor layer carrying a dye on the surface). Is a big cause. Therefore, in a wet solar cell, it is one of the problems to increase the output by improving the reaction efficiency in the semiconductor layer.

ところで、半導体層における反応は、該層で光を吸収し、吸収した光により電子が励起される。そして、電極がN型の場合は、励起された電子が半導体層及び透明電極を通り対極に流れる。電極がP型の場合は、電子の流れが逆となる。
したがって、半導体層における反応効率を向上させるためには、以下のような対策が考えられている。
・半導体層の比表面積を大きくして光の吸収効率を向上させる。
・光による電子の励起を効率化する。
・励起された電子と正孔との再結合が起こり難くする。
By the way, the reaction in the semiconductor layer absorbs light in the layer, and electrons are excited by the absorbed light. And when an electrode is N type, the excited electron flows through a semiconductor layer and a transparent electrode to a counter electrode. When the electrode is P-type, the flow of electrons is reversed.
Therefore, in order to improve the reaction efficiency in the semiconductor layer, the following measures are considered.
-Increase the specific surface area of the semiconductor layer to improve the light absorption efficiency.
・ Efficient excitation of electrons by light.
-Make recombination of excited electrons and holes difficult to occur.

代表的な湿式太陽電池である色素増感太陽電池では、光による電子励起を効率的に行うために、半導体層として色素を担持した半導体層を用いて、色素により光吸収と電子励起とを行う方法が採られている。そして、半導体上に担持された色素層が単分子であると、十分な光吸収を行うことができないため、微粒子化した半導体を用いて比表面積を1000倍程度に向上させ、単位面積当たりの色素量を増やすことにより、光の吸収効率を高める方法が採られている。   In a dye-sensitized solar cell, which is a typical wet solar cell, in order to efficiently perform electron excitation by light, a semiconductor layer carrying a dye is used as a semiconductor layer, and light absorption and electron excitation are performed by the dye. The method is taken. When the dye layer supported on the semiconductor is a single molecule, sufficient light absorption cannot be performed. Therefore, the specific surface area is improved about 1000 times using a finely divided semiconductor, and the dye per unit area is increased. A method of increasing the light absorption efficiency by increasing the amount is employed.

また、半導体層の比表面積を高めて光吸収効率を向上させるため、及び、電子移動効率を向上させて電子と正孔との再結合を起こりにくくするために、透明電極をハウスドルフ次元の表面構造にした光電変換素子が、以下の特許文献1に記載されている。同様な目的で、半導体上の電極を粒界がない針状結晶構造にした光電変換装置が、以下の特許文献2に記載されている。
さらに、以下の特許文献3には、針状結晶の上に粒状半導体結晶を配置することによって、半導体電極層の面積を増大させる技術が記載されている。
特開平11−260427号公報 特開2002−356400号公報 特開2002−141115号公報
In order to improve the light absorption efficiency by increasing the specific surface area of the semiconductor layer, and to improve the electron transfer efficiency and make it difficult for recombination of electrons and holes, the transparent electrode is placed on the surface of the Hausdorff dimension. A photoelectric conversion element having a structure is described in Patent Document 1 below. For the same purpose, Patent Document 2 below discloses a photoelectric conversion device in which an electrode on a semiconductor has a needle-like crystal structure without grain boundaries.
Furthermore, Patent Document 3 below describes a technique for increasing the area of a semiconductor electrode layer by disposing a granular semiconductor crystal on a needle-like crystal.
JP-A-11-260427 JP 2002-356400 A JP 2002-141115 A

上記した微粒子化した半導体を用いた太陽電池においては、半導体粒子間、及び半導体と透明電極との間等が電子移動の障壁となり電子移動効率が低下することにより、電子と正孔との再結合が起こり易くなってしまう。また、固体状の電解質を用いた場合、微粒子間の細かい間隙への電解質の濡れ性や物質移動が問題となるため、結局、出力が低下してしまう。
また、半導体層の比表面積が大きいほど光吸収には有利であるが、上記した特許文献1及び2に記載されたような複雑な形状になると、製造が複雑になりコストも高くなってしまう。また、湿式太陽電池においては、半導体層と電荷移動層との濡れ性の問題が生じ、さらには、電荷移動層中の物質移動が不十分となるため、電池全体の効率はむしろ低下してしまう傾向にある。
In the solar cell using the above-described finely divided semiconductor, the recombination of electrons and holes is caused by a decrease in electron transfer efficiency between the semiconductor particles and between the semiconductor and the transparent electrode as a barrier for electron transfer. Is likely to occur. In addition, when a solid electrolyte is used, the wettability and mass transfer of the electrolyte into the fine gaps between the fine particles become a problem, so that the output is eventually lowered.
In addition, the larger the specific surface area of the semiconductor layer is, the more advantageous for light absorption. However, when the shape is complicated as described in Patent Documents 1 and 2, the manufacturing becomes complicated and the cost increases. In addition, in the wet solar cell, there arises a problem of wettability between the semiconductor layer and the charge transfer layer, and further, mass transfer in the charge transfer layer becomes insufficient, so that the efficiency of the entire battery is rather lowered. There is a tendency.

さらに、上記した特許文献2及び3の光電変換装置においては、透明電極と電荷移動層との接触問題が考慮されていないので、これらが接触してしまう恐れがある。このような接触が生じると、透明電極に移動してきた電子が電荷移動中のイオンと直接反応してしまうため、結果として十分な電池効率が得られない場合がある。また、針状結晶の半導体にて、現状の色素増感太陽電池と同程度である1000倍程度まで比表面積を向上させた場合、断面積がナノオーダの結晶をミクロンオーダの長さにする等の高アスペクト比が必要となる。したがって、製造が困難になるとともに、半導体層中での電子の移動距離が長くなり、電子と正孔との再結合の確率が上昇してしまう。   Furthermore, in the above-described photoelectric conversion devices of Patent Documents 2 and 3, since the contact problem between the transparent electrode and the charge transfer layer is not taken into consideration, there is a possibility that they contact each other. When such contact occurs, electrons that have moved to the transparent electrode directly react with ions that are undergoing charge transfer, and as a result, sufficient battery efficiency may not be obtained. In addition, when the specific surface area is improved up to about 1000 times, which is the same as that of the current dye-sensitized solar cell, with a needle-shaped crystal semiconductor, the crystal having a cross-sectional area of nano-order is made to a length of micron order, etc. A high aspect ratio is required. Therefore, it becomes difficult to manufacture, and the moving distance of electrons in the semiconductor layer becomes long, and the probability of recombination of electrons and holes increases.

本発明は、上記した従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、透明電極及び光吸収層を備えた光電変換デバイスにおいて、光エネルギ変換効率及び内部エネルギ消費による反応ロスを抑制することによって、光電変換デバイスの効率化をはかることである。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the conventional example, and its purpose is to reduce the reaction loss due to light energy conversion efficiency and internal energy consumption in a photoelectric conversion device including a transparent electrode and a light absorption layer. By suppressing it, the efficiency of the photoelectric conversion device is improved.

上記した目的を達成するために、本発明は、光電変換素子であって、
光透過性の基板上に形成された透明電極と、
該透明電極の表面を覆う光吸収半導体層と、
該光吸収半導体層と接する電荷移動層と、
該電荷移動層と接する対極と
を有する光電変換素子において、
透明電極は、基板と反対側の表面の少なくとも一部に、任意の凹凸形状を備えており、
光吸収半導体層は、透明電極の凹凸形状に沿って透明電極の表面を覆っている
ことを特徴とする光電変換素子を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is a photoelectric conversion element comprising:
A transparent electrode formed on a light-transmitting substrate;
A light-absorbing semiconductor layer covering the surface of the transparent electrode;
A charge transfer layer in contact with the light absorbing semiconductor layer;
In a photoelectric conversion element having a counter electrode in contact with the charge transfer layer,
The transparent electrode has an arbitrary uneven shape on at least a part of the surface opposite to the substrate,
The light-absorbing semiconductor layer provides a photoelectric conversion element characterized by covering the surface of the transparent electrode along the uneven shape of the transparent electrode.

上記した本発明に係る光電変換素子において、透明電極は、凹凸形状によって突起部が形成されており、該突起部が中空であることが好ましい。また、電荷移動層は、電荷輸送キャリアを含有する電解質で構成されていることが好ましい。   In the above-described photoelectric conversion element according to the present invention, it is preferable that the transparent electrode has a protrusion formed by an uneven shape, and the protrusion is hollow. The charge transfer layer is preferably composed of an electrolyte containing charge transport carriers.

上記した本発明に係る光電変換素子において、光吸収半導体層は、バンドギャップが1.5eV程度の半導体で構成されており、また、単結晶又はキャリア移動方向に粒界が少ない一方向に結晶成長した薄膜半導体で構成されていることが好ましい。また、光吸収半導体層は、半導体をナノ構造化させることによりバンドギャップを広げて1.5eV程度に設定されていてもよい。さらに、光吸収半導体層の少なくとも一部がウィスカ構造を有していることが好ましい。さらにまた、光吸収半導体層の電荷移動層と接する表面に色素を担持していることが好ましい。   In the above-described photoelectric conversion element according to the present invention, the light absorption semiconductor layer is composed of a semiconductor having a band gap of about 1.5 eV, and crystal growth in one direction with few grain boundaries in the carrier movement direction. The thin film semiconductor is preferably used. The light absorbing semiconductor layer may be set to about 1.5 eV by widening the band gap by making the semiconductor nanostructured. Furthermore, it is preferable that at least a part of the light-absorbing semiconductor layer has a whisker structure. Furthermore, it is preferable that a dye is supported on the surface of the light-absorbing semiconductor layer in contact with the charge transfer layer.

上記した本発明に係る光電変換素子において、対極は、透明電極の凹凸形状と対称的な凹凸形状を有し、これにより、光吸収半導体層と対極との間の電荷移動層の厚さがほぼ均一に構成されていることが好ましい。また、光吸収半導体層と電荷移動層との間にPN接合が形成されることが好ましい。   In the above-described photoelectric conversion element according to the present invention, the counter electrode has a concavo-convex shape symmetrical to the concavo-convex shape of the transparent electrode, whereby the thickness of the charge transfer layer between the light-absorbing semiconductor layer and the counter electrode is almost equal. It is preferable to be configured uniformly. Further, a PN junction is preferably formed between the light absorbing semiconductor layer and the charge transfer layer.

本発明は、上記したように構成されており、透明電極が複数の突起を有する立体的構造すなわち3次元的構造を備えているので、比表面積が大きく光吸収効率が優れている。よって、入射した光を効率的に電気エネルギに変換することが可能となる。また、3次元的構造の透明電極に半導体層を被膜しているので、半導体中での電子移動距離が短く、電子の再結合が生じ難く、さらに、半導体層から電荷移動層への電荷移動及び電荷移動層中での電子の移動を妨げることを抑制することができる。
これにより、光電変換素子のエネルギ変換効率を向上させることができる。
The present invention is configured as described above. Since the transparent electrode has a three-dimensional structure having a plurality of protrusions, that is, a three-dimensional structure, the specific surface area is large and the light absorption efficiency is excellent. Therefore, incident light can be efficiently converted into electric energy. Further, since the semiconductor layer is coated on the transparent electrode having a three-dimensional structure, the electron transfer distance in the semiconductor is short, the recombination of electrons is difficult to occur, and the charge transfer from the semiconductor layer to the charge transfer layer and It is possible to suppress the movement of electrons in the charge transfer layer.
Thereby, the energy conversion efficiency of a photoelectric conversion element can be improved.

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明に関する着眼点について説明する。
上記したように、光電変換素子の効率を向上させるためには、半導体層における反応効率すなわちエネルギ変換効率の向上が不可欠である。その1つの方法として、光吸収効率の向上を挙げることができ、これを実現するために、電極を凹凸形状にする等により比表面積を増大させることが考えられる。比表面積を増大させるためには、凹凸が大きくしかも複雑形状であることが望ましいが、凹凸が大きすぎると、半導体層中での電子移動距離が長くなって電気抵抗が大きくなってしまい、かつ励起電子と正孔との再結合の割合が増大してしまう。また、形状が複雑すぎると、電荷移動層との濡れ性や電荷移動層中の物質拡散が問題となる。これらはいずれも、効率の低下へ繋がってしまう。
Before describing the embodiments of the present invention, the point of focus related to the present invention will be described.
As described above, in order to improve the efficiency of the photoelectric conversion element, it is essential to improve the reaction efficiency in the semiconductor layer, that is, the energy conversion efficiency. One method is to improve the light absorption efficiency, and in order to realize this, it is conceivable to increase the specific surface area by making the electrode uneven. In order to increase the specific surface area, it is desirable that the unevenness is large and has a complicated shape. However, if the unevenness is too large, the electron transfer distance in the semiconductor layer becomes long and the electric resistance increases, and the excitation increases. The rate of recombination of electrons and holes will increase. If the shape is too complicated, wettability with the charge transfer layer and material diffusion in the charge transfer layer become a problem. All of these lead to a decrease in efficiency.

本発明においては、透明電極の表面に、該電極と同一材料からなる複数の突起を形成することにより、電極の比表面積を増大させて反応効率を向上させ、かつ、突起の形状を比較的単純な形状とすることにより、電荷移動層との濡れ性及び該層中での物質移動の悪化、並びに、製造の複雑さ等の問題を解消するものである。   In the present invention, by forming a plurality of protrusions made of the same material as the electrode on the surface of the transparent electrode, the specific surface area of the electrode is increased to improve the reaction efficiency, and the shape of the protrusion is relatively simple. By adopting a simple shape, problems such as wettability with the charge transfer layer, deterioration of mass transfer in the layer, and manufacturing complexity are solved.

以下に、図を参照して、本発明の光電変換素子に好適な実施形態について説明する。
図1の(A)〜(D)は、本発明に係る湿式の光電変換素子に採用可能な透明電極10の実施形態を示す模式的断面図であり、図において、11は平板状の透明電極(以下、「平板部」)、12は平板部11から突起状に延びた複数の透明電極(以下、「突起部」)である。平板部11及び突起部12は、同一の材料で構成され、そして、これらにより、1つの光電変換素子の透明電極10が形成される。
突起部12の形状は、円錐、楕円錐、多角錐(図1の(A))、円柱、楕円柱、多角柱等の柱状(図1の(B)〜(D))等のように、比較的単純な形状である。中が空洞のパイプ状に形成してもよい。電極が透明であっても、ある程度光を吸収し、かつその厚さが大きいほどの光吸収量が大きくなる。そのため、突起部12を中空のパイプ状とすることにより、光の吸収を最小に留めることが可能となる。
Embodiments suitable for the photoelectric conversion element of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(A)-(D) of FIG. 1 is typical sectional drawing which shows embodiment of the transparent electrode 10 employable for the wet photoelectric conversion element which concerns on this invention, In the figure, 11 is a flat transparent electrode (Hereinafter referred to as “flat plate portion”) and 12 are a plurality of transparent electrodes (hereinafter referred to as “protrusion portions”) extending in a protruding shape from the flat plate portion 11. The flat plate portion 11 and the protruding portion 12 are made of the same material, and thereby, the transparent electrode 10 of one photoelectric conversion element is formed.
The shape of the projecting portion 12 is, for example, a cone, an elliptical cone, a polygonal pyramid ((A) in FIG. 1), a columnar shape such as a cylinder, an elliptical column, or a polygonal column ((B) to (D) in FIG. 1). It is a relatively simple shape. You may form in the shape of a hollow pipe. Even if the electrode is transparent, the amount of light absorption increases as the thickness of the electrode is increased and the thickness is increased. Therefore, it is possible to keep light absorption to a minimum by making the protrusion 12 into a hollow pipe shape.

なお、1つの光電変換素子に具備されるすべての突起部12の形状を必ずしも同一にする必要がなく、比較的単純な形状であれば、複数のものが混在していてもよい。また、すべての突起部12を平板部11に同一方向に整列させる必要がなく、図1の(D)に示すように、複数の突起部12が異なる方向に延びてもよく、かつ途中で相互に接触してもよい。さらに、突起部12は、図1の(C)に示すように、途中で折れ曲がる等の変形があってもよく、かつ途中で相互に接触してもよい。
突起部12を、平板部11の表面に横たわる棒状体(畝状体)として形成してもよい。
Note that all the protrusions 12 included in one photoelectric conversion element do not necessarily have the same shape, and a plurality of protrusions 12 may be mixed as long as the shape is relatively simple. Further, it is not necessary to align all the protrusions 12 with the flat plate part 11 in the same direction, and as shown in FIG. 1D, the plurality of protrusions 12 may extend in different directions, and in the middle. You may touch. Further, as shown in FIG. 1C, the protrusions 12 may be deformed such as being bent in the middle, and may be in contact with each other in the middle.
The protruding portion 12 may be formed as a rod-like body (a bowl-like body) lying on the surface of the flat plate portion 11.

透明電極10の材料として、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛等が採用可能であり、また、ゾルゲル法又は塗布熱分解法と、陽極酸化Alに代表される鋳型やスタンプにより凹凸形状を形成する手法とを組み合わせる、電析法や水熱法等により、突起部12を備えた透明電極10を製造することができる。
このように、透明電極10を平板部11と該平板から突出する複数の突起部12とにより構成したことにより、電子移動距離が長くなることなく、大きな比表面積を有しかつ厚さが薄い半導体層を得ることができ、したがって、電子の再結合を抑制することができる。
As a material for the transparent electrode 10, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, or the like can be used. Also, the concavo-convex shape is formed by a sol-gel method or a coating pyrolysis method and a mold or stamp represented by anodized Al 2 O 3. The transparent electrode 10 provided with the protrusions 12 can be manufactured by an electrodeposition method, a hydrothermal method, or the like, which is combined with a forming method.
As described above, since the transparent electrode 10 is constituted by the flat plate portion 11 and the plurality of protrusion portions 12 protruding from the flat plate, a semiconductor having a large specific surface area and a small thickness without increasing the electron moving distance. A layer can be obtained, and thus recombination of electrons can be suppressed.

ところで、光電変換素子で生じる反応プロセスは、N型半導体の場合、励起された電子が半導体層から透明電極へ移動し、そして、対極から電荷移動層に流れることにより、電流が流れる。すなわち、電子は、
半導体層→透明電極→対極→電荷移動層→半導体層
と移動する。
一方、P型半導体の場合は、電子は、
半導体層→電荷移動層→対極→透明電極→半導体層
と移動する。
電荷移動層と接している半導体層では、半導体中にバンドの曲がりがあるため、N型半導体の場合は、電子が、半導体層から透明電極(電子に対してエネルギ準位が低い)へ、P型半導体の場合は、電子が透明電極から半導体層へと移動する。このとき、透明電極が電荷移動層と接していると、透明電極から電荷移動層へと電子が移動し、これにより、反応効率が低下する。
By the way, in the reaction process which occurs in the photoelectric conversion element, in the case of an N-type semiconductor, an excited electron moves from the semiconductor layer to the transparent electrode, and a current flows by flowing from the counter electrode to the charge transfer layer. That is, electrons are
The semiconductor layer → transparent electrode → counter electrode → charge transfer layer → semiconductor layer.
On the other hand, in the case of a P-type semiconductor, electrons are
It moves in the order of semiconductor layer → charge transfer layer → counter electrode → transparent electrode → semiconductor layer.
In the semiconductor layer in contact with the charge transfer layer, since there is a band bending in the semiconductor, in the case of an N-type semiconductor, electrons are transferred from the semiconductor layer to the transparent electrode (which has a lower energy level than electrons). In the case of a type semiconductor, electrons move from the transparent electrode to the semiconductor layer. At this time, if the transparent electrode is in contact with the charge transfer layer, electrons move from the transparent electrode to the charge transfer layer, thereby reducing the reaction efficiency.

このため、透明電極と電荷移動層は、直接接触することがないように、透明電極を覆う半導体を一体構造にする必要があり、図2の(A)及び(B)は、このような観点でなされた本発明に係る光電変換素子の実施形態の断面図を示している。図2において、20は透明電極10の表面を被覆する光吸収半導体層(半導体20)、30は透明電極10がその上に形成された光透過性基板、40は半導体層20と接する電荷移動層、50は電荷移動層40と接する対極である。透明電極10と半導体層20とで、一方の電極を構成している。また、60は光透過性基板と透明電極との間に配置した拡散防止膜である。拡散防止膜60は、必須のものではない。図示の実施形態の光電変換素子においては、透明電極10として、図1の(A)及び(B)に示した形状構造のものを用いている。   For this reason, it is necessary to make the semiconductor which covers a transparent electrode into an integrated structure so that a transparent electrode and a charge transfer layer do not contact directly, (A) and (B) of FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a photoelectric conversion element according to the present invention made in FIG. In FIG. 2, 20 is a light-absorbing semiconductor layer (semiconductor 20) that covers the surface of the transparent electrode 10, 30 is a light-transmitting substrate on which the transparent electrode 10 is formed, and 40 is a charge transfer layer in contact with the semiconductor layer 20. , 50 is a counter electrode in contact with the charge transfer layer 40. The transparent electrode 10 and the semiconductor layer 20 constitute one electrode. Reference numeral 60 denotes a diffusion preventing film disposed between the light transmissive substrate and the transparent electrode. The diffusion preventing film 60 is not essential. In the photoelectric conversion element of the illustrated embodiment, the transparent electrode 10 having the shape structure shown in FIGS. 1A and 1B is used.

透明電極10及び光吸収半導体層20からなる電極の比表面積を高めるためには、突起部12を細かくかつ長くし、そして密に平板部11上に形成することにより、実現することができる。しかしながら、突起部12を密に形成すると、電荷移動層40中の拡散が問題となる。
図3は、このような問題を説明するための模式図であり、透明電極10及び光吸収半導体層20からなる電極の密度=空間占有率は、Sを透明電極10の平板部の表面積(突起部12を無視した面積)とし、Lを電極100の長さとすると、以下のように表すことができる。
空間占有率(%)
=(S×Lの空間内に占める半導体層内側の体積)/(S×L)×100 (1)
In order to increase the specific surface area of the electrode composed of the transparent electrode 10 and the light-absorbing semiconductor layer 20, it can be realized by making the protrusions 12 fine and long and densely formed on the flat plate part 11. However, if the protrusions 12 are formed densely, diffusion in the charge transfer layer 40 becomes a problem.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining such a problem. The density of the electrode composed of the transparent electrode 10 and the light-absorbing semiconductor layer 20 = the space occupancy is represented by S as the surface area (projection of the flat plate portion of the transparent electrode 10). The area can be expressed as follows, where L is the length of the electrode 100.
Space occupancy (%)
= (Volume inside semiconductor layer in S × L space) / (S × L) × 100 (1)

式(1)において、突起部10を円柱及び円錐とした場合、空間占有率はそれぞれ以下のように表すことができる。
空間占有率(円柱)
=π・α/4 (2)
空間占有率(円錐)
=π・α/12 (3)
ここで、αは、円柱状又は円錐状の突起部12の平板部11上での充填率を表し、突起部12を縦横間隙なく密に配列した場合をα=1とする。
In Formula (1), when the projection part 10 is a cylinder and a cone, the space occupancy can be expressed as follows.
Space occupancy (cylinder)
= Π · α / 4 (2)
Space occupancy (cone)
= Π · α / 12 (3)
Here, α represents the filling rate of the columnar or conical protrusions 12 on the flat plate part 11, and α = 1 when the protrusions 12 are arranged densely without vertical and horizontal gaps.

式(2)及び(3)を用いて、αを0.1刻みで変更して空間占有率を計算すると、以下の表1で表すことができる。

表 1
α 空間占有率(円柱) 空間占有率(円錐)
0.1 7.9% 2.6%
0.2 15.7 5.2
0.3 23.6 7.9
0.4 31.4 10.5
0.5 39.3 13.1
0.6 47.1 15.7
0.7 55.0 18.3
0.8 62.8 20.9
0.9 70.7 23.6
1 78.5 26.2
Using the formulas (2) and (3), α can be changed in increments of 0.1 and the space occupancy can be calculated as shown in Table 1 below.

Table 1
α Space occupancy (cylinder) Space occupancy (cone)
0.1 7.9% 2.6%
0.2 15.7 5.2
0.3 23.6 7.9
0.4 31.4 10.5
0.5 39.3 13.1
0.6 47.1 15.7
0.7 55.0 18.3
0.8 62.8 20.9
0.9 70.7 23.6
1 78.5 26.2

上記の表1から、円柱形状の場合、縦横間隙なく整列配置した場合の空間占有率(円柱)は78.5%であるから、上限が80%程度が望ましいと考えられる。
円錐形状の場合、円柱形状の場合に比べて空間占有率が大きく低下し、α=1であっても26%程度、α=0.5の場合は13%程度と低くなる。空間占有率が大きいほど比表面積が向上するが、円錐形状の突起部12を形成する場合の製造上の容易性等により、α=0.5程度なることがあり、したがって、空間占有率(円錐)の下限は10%程度となる。好ましい範囲は、20〜60%程度である。
From Table 1 above, in the case of a cylindrical shape, the space occupancy rate (cylindrical) when aligned without vertical and horizontal gaps is 78.5%, so it is considered that the upper limit is preferably about 80%.
In the case of the conical shape, the space occupancy is greatly reduced as compared with the case of the cylindrical shape, and is about 26% even when α = 1, and about 13% when α = 0.5. The larger the space occupancy, the more the specific surface area is improved. However, due to the ease of manufacturing when the conical protrusion 12 is formed, α may be about 0.5. ) Is about 10%. A preferable range is about 20 to 60%.

突起部12として円柱形状を用いた場合、比表面積は以下の式(4)で表される。
比表面積(円柱)
=1+π・α・A (4)
ここで、Aは、A=L/2rで表されるアスペクト比であり、rは円柱の半径である。
α=1の場合の式(4)により計算した比表面積(円柱)を以下の表2に示す。

表 2
アスペクト比A 比表面積(円柱)
1 4
10 32
100 315
1000 3143
10000 31417
When a cylindrical shape is used as the protrusion 12, the specific surface area is expressed by the following formula (4).
Specific surface area (cylinder)
= 1 + π · α · A (4)
Here, A is the aspect ratio represented by A = L / 2r, and r is the radius of the cylinder.
The specific surface area (cylinder) calculated by the equation (4) when α = 1 is shown in Table 2 below.

Table 2
Aspect ratio A Specific surface area (Cylinder)
14
10 32
100 315
1000 3143
10000 31417

アスペクト比が大きいほど比表面積が大きくなるが、アスペクト比が極端に大きいと製造が困難になるとともに、透明電極10中の電子移動距離が大きくなり、電気抵抗が大きくなる。そのため、好適なアスペクト比の範囲は10〜1000である。   The larger the aspect ratio, the larger the specific surface area. However, when the aspect ratio is extremely large, manufacturing becomes difficult, and the distance of electron movement in the transparent electrode 10 increases and the electrical resistance increases. Therefore, a preferable aspect ratio range is 10 to 1000.

図2に示した電荷移動層40として、電荷輸送キャリアを含む電解質を用いることが好適である。これにより、イオン化したキャリアが電解質中を移動し、それぞれの極における電気化学反応により、電極との間で電子の授受を行う。このような電気化学反応を起こす代表的な電荷輸送キャリアとして、酸化還元系(レドックス対)では、可逆的に酸化体、還元体の形で一対を構成しているものであって、具体的には、ヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物、塩素−塩素化合物、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、鉄イオン(III)−鉄イオン(II)、フェリシアン化合物−フェロシアン化合物、銅イオン(II)−銅イオン(I)、ルテニウムイオン(III)−ルテニウムイオン(II)、セリウムイオン(IV)−セリウムイオン(III)、テルルイオン(II)−テルルイオン(II)、チタンイオン(III)−チタンイオン(II)、タリウムイオン(III)−タリウムイオン(I)、水銀イオン(II)−水銀イオン(I)、キノン−ヒドロキノン、フマル酸−コハク酸、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド、ビオロゲン色素などを採用することができる。   As the charge transfer layer 40 shown in FIG. 2, it is preferable to use an electrolyte containing a charge transport carrier. Thereby, the ionized carrier moves in the electrolyte, and exchanges electrons with the electrode by an electrochemical reaction at each electrode. As a representative charge transport carrier that causes such an electrochemical reaction, a redox system (redox pair) reversibly forms a pair in the form of an oxidant and a reductant. Are iodine-iodine compound, bromine-bromine compound, chlorine-chlorine compound, vanadium ion (III) -vanadium ion (II), manganate ion-permanganate ion, iron ion (III) -iron ion (II), Ferricyan compound-ferrocyan compound, copper ion (II)-copper ion (I), ruthenium ion (III)-ruthenium ion (II), cerium ion (IV)-cerium ion (III), tellurium ion (II)-tellurium ion (II), titanium ion (III) -titanium ion (II), thallium ion (III) -thallium ion (I), mercury ion (II) -mercury ion (I), quinone-hydride Quinone, fumaric acid - succinic acid, sodium polysulfide, alkylthiol - alkyl disulfides, can be employed as viologen dyes.

酸化還元系を溶解するための溶剤としては、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリル、エチレンジアミン、ピリジン、ホルムアミド、メチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド、メチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、メチルプロピオンアミド、ヘキサメチルホスホルトリアミド、1−メチル−2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸メチル、ジエチルエーテル、フェノール、クライム系溶液などを採用することができる。   Solvents for dissolving the redox system include ethylene carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, benzonitrile, ethylenediamine, pyridine, formamide, methylformamide, dimethylformamide , Methylacetamide, dimethylformamide, methylpropionamide, hexamethylphosphortriamide, 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, ethyl acetate, acetic acid Methyl, diethyl ether, phenol, a climbing solution, etc. can be employed.

酸化還元系や溶剤を用いない場合には、イオン性溶液であるヨウ化物の溶融塩が使用することができる。例えば、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、第4級アンモニウム塩、ピロリジニウム塩、ピラゾリジウム塩、イソチアゾリジウム塩等の複素環含窒素化合物のヨウ化物などである。   When no redox system or solvent is used, a molten salt of iodide which is an ionic solution can be used. Examples thereof include iodides of heterocyclic nitrogen-containing compounds such as imidazolium salts, pyridinium salts, quaternary ammonium salts, pyrrolidinium salts, pyrazolidium salts, and isothiazolidium salts.

電解質としては、液体以外に固体または固体状のものを用いる事も可能で、固体電解質を構成する高分子化合物としてはポリエーテル、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリシロキサン、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリスチレン、ポリスチレンスルホン酸、ポリエチレンスルホン酸、マレイン酸共重合体、ポリリン酸、ポリビニルピリジン、ポリビニルアミン、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリビニルピロリドン、ポリビニルメチン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミン、ポリグルタミン酸、ゼラチン、カルボキシメチルセルロース、寒天などを使用することができる。   As the electrolyte, it is also possible to use a solid or solid state in addition to the liquid, and as a polymer compound constituting the solid electrolyte, polyether, polyester, polyolefin, polybutadiene, polysiloxane, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, Polystyrene, polystyrene sulfonic acid, polyethylene sulfonic acid, maleic acid copolymer, polyphosphoric acid, polyvinyl pyridine, polyvinyl amine, polyvinyl benzyl trimethyl ammonium, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polycarbonate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl methine, polyvinyl acetate, polychlorinated Vinyl, polyvinylidene chloride, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyimine, polyglutamic acid, gelatin, carboxymethylcellulose, agar, etc. It is possible to use.

また、高分子化合物を用いずに溶媒を直接固体化するためにオイルゲル化剤を用いることも可能である。オイルゲル化剤として例えば、1,2,3,4−ジベンジリデン−D−ソルビトール、12ヒドロキシステアリン酸、N−ラウロイル−L−グルタミン酸−α、スピンラベル化ステロイド、ジアルキルリン酸アルミニウム、フェノール系環状オリゴマー、2,3−ビス−n−ヘキサデシロキシアントラセン、環状デプシペプチド、部分フッ素化誘導体、シスチン誘導体、ブチロラクトン誘導体、尿素誘導体、ビタミンH誘導体、コール酸誘導体などが挙げられる。   It is also possible to use an oil gelling agent in order to directly solidify the solvent without using a polymer compound. Examples of oil gelling agents include 1,2,3,4-dibenzylidene-D-sorbitol, 12 hydroxystearic acid, N-lauroyl-L-glutamic acid-α, spin-labeled steroid, dialkylaluminum phosphate, phenolic cyclic oligomer 2,3-bis-n-hexadecyloxyanthracene, cyclic depsipeptide, partially fluorinated derivative, cystine derivative, butyrolactone derivative, urea derivative, vitamin H derivative, cholic acid derivative and the like.

光吸収半導体層20として、可視光による電子励起効率に優れた1.5eV程度のバンドギャップを有する半導体を用いることが好ましい。このような半導体として、CuS、FeS、MgSi、Zn、CuInS、SnS、NiO等を採用することができる。 As the light-absorbing semiconductor layer 20, it is preferable to use a semiconductor having a band gap of about 1.5 eV that is excellent in electron excitation efficiency by visible light. As such a semiconductor, Cu 2 S, FeS 2 , Mg 2 Si, Zn 3 P 2 , CuInS 2 , SnS, NiO, or the like can be employed.

また、光吸収半導体層20を薄膜化させ、単結晶又は一方向に結晶を成長させる等のように、電子移動方向に結晶粒界を減少させた半導体を用いることが好ましい。光吸収半導体層20を薄膜化することにより半導体層中の電子移動距離が短くなり、また、半導体中のバンドを急勾配化させることにより電子移動の駆動力を向上させており、したがって、電子の再結合を低減させることができる。さらに、励起された電子が透明電極へと移動する際に、再結合の中心となる結晶粒界を電子が通過することを抑制することができ、よって、これによっても再結合を抑制することができる。   In addition, it is preferable to use a semiconductor in which the grain boundary is reduced in the electron movement direction, such as making the light absorbing semiconductor layer 20 thin and growing a single crystal or a crystal in one direction. By reducing the thickness of the light-absorbing semiconductor layer 20, the electron transfer distance in the semiconductor layer is shortened, and the driving force of electron transfer is improved by steepening the band in the semiconductor. Recombination can be reduced. Furthermore, when the excited electrons move to the transparent electrode, the electrons can be prevented from passing through the crystal grain boundary that is the center of recombination, and this also suppresses recombination. it can.

さらに、光吸収半導体層20をナノ構造化することが好適である。ナノ構造化することにより、バンドギャップを広げることができるので、1.5eV未満のバンドギャップを1.5eV付近に最適化して用いることができる。また、光吸収半導体層20中の電子移動距離の短縮、バンドの急勾配化に加えて、再結合の中心となる半導体中の欠陥に電子が細くされる確率を大幅に低減させることが可能となる。   Furthermore, it is preferable to make the light-absorbing semiconductor layer 20 into a nanostructure. Since the band gap can be widened by forming the nanostructure, a band gap of less than 1.5 eV can be optimized and used in the vicinity of 1.5 eV. Further, in addition to shortening the electron moving distance in the light-absorbing semiconductor layer 20 and making the band steep, it is possible to greatly reduce the probability of electrons being thinned by defects in the semiconductor that is the center of recombination. Become.

光吸収半導体層20の少なくとも一部分を、図4に示すように、ウィスカ構造21とすることもできる。該半導体層20の表面をウィスカ構造21とすることにより、比表面積を飛躍的に増大させることができる。このとき、ほぼ完全結晶のウィスカ構造とすることにより、電子の再結合が生じる確率を大幅に低減することができる。   At least a part of the light absorbing semiconductor layer 20 may have a whisker structure 21 as shown in FIG. By making the surface of the semiconductor layer 20 a whisker structure 21, the specific surface area can be dramatically increased. At this time, the probability of the occurrence of electron recombination can be greatly reduced by using a substantially complete crystal whisker structure.

光吸収半導体層20の表面に、図5に示すように、色素22を担持させてもよい。例えば、TiO、ZnO等で半導体層20を形成し、その表面に、金属錯体色素や有機色素を担持させる。金属錯体色素としては、Ru系の色素が多く用いられ、フェナントロリン色素、キノリン色素、β-ジケトナート錯体色素、またはRu(II)、Os(II)、Fe(II)、Re(I)、Cu(I)等のポリピリジル配位子遷移金属錯体などが挙げられる。また有機色素としては、シアニン、メロシアニン等のポリメチン色素、マーキュロクロム、ローズベンガルやエオシンY等のキサンテン系色素、ポルフィリン錯体、トリフェニルメタン系、アクリジン系、クマリン系、フタロシアニン系、オキサジン系、インジコ系など様々な色素が挙げられる。 As shown in FIG. 5, the dye 22 may be supported on the surface of the light absorption semiconductor layer 20. For example, the semiconductor layer 20 is formed of TiO 2 , ZnO or the like, and a metal complex dye or an organic dye is supported on the surface. Ru-based dyes are often used as metal complex dyes, including phenanthroline dyes, quinoline dyes, β-diketonate complex dyes, or Ru (II), Os (II), Fe (II), Re (I), Cu ( And polypyridyl ligand transition metal complexes such as I). Organic dyes include polymethine dyes such as cyanine and merocyanine, xanthene dyes such as mercurochrome, rose bengal and eosin Y, porphyrin complexes, triphenylmethane, acridine, coumarin, phthalocyanine, oxazine and indico. Various dyes can be mentioned.

上記した光電変換素子において、電荷移動層40を光吸収半導体層20とは逆の型の半導体を用いることが好適である。これにより、光吸収半導体層20と電荷移動層40との間にPN接合が形成される。また、電荷移動層40には、ポリマ半導体を用いることができる。
電解質を用いない場合には、無機正孔輸送材を用いることが可能で、例えば、Cu系化合物半導体として、(CuI、CuBr、CuSCN、CuInSe2、CuGaSe2、Cu2O、CuS、CuGaS2、CuInS2や、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、フタロシアニンなどを採用することができる。
In the above-described photoelectric conversion element, it is preferable to use a semiconductor having a type opposite to that of the light absorption semiconductor layer 20 as the charge transfer layer 40. Thereby, a PN junction is formed between the light absorption semiconductor layer 20 and the charge transfer layer 40. A polymer semiconductor can be used for the charge transfer layer 40.
When not using the electrolyte can be used inorganic hole transport material, for example, as a Cu-based compound semiconductor, (CuI, CuBr, CuSCN, CuInSe 2, CuGaSe 2, Cu 2 O, CuS, CuGaS 2, CuInS 2 and can be employed polyaniline, polypyrrole, polythiophene, phthalocyanine and the like.

また、上記した光電変換素子において、対極50を、図6に示すように、透明電極10と同様に3次元化してもよい。すなわち、対極50を平板部51と該平板部51から突出する複数の突起部52とで構成する。突起部52は、透明電極10の突起部12(+半導体層20)の間に入り込むように位置決めされる。透明電極10の3次元化により、隣接する突起部12の間の凹部では、電荷移動層中の拡散距離が長くなり、電荷移動抵抗が増加する。このような電荷移動抵抗の増加は、図6に示したような対極50の3次元化により、各部での電荷移動層の厚さをほぼ一定にすることができることから、抑圧することができる。   Moreover, in the above-described photoelectric conversion element, the counter electrode 50 may be three-dimensional like the transparent electrode 10 as shown in FIG. That is, the counter electrode 50 includes a flat plate portion 51 and a plurality of protrusions 52 protruding from the flat plate portion 51. The protrusions 52 are positioned so as to enter between the protrusions 12 (+ semiconductor layer 20) of the transparent electrode 10. Due to the three-dimensionalization of the transparent electrode 10, the diffusion distance in the charge transfer layer becomes longer and the charge transfer resistance increases in the recesses between the adjacent protrusions 12. Such an increase in charge transfer resistance can be suppressed because the thickness of the charge transfer layer in each part can be made substantially constant by making the counter electrode 50 three-dimensional as shown in FIG.

本発明に係る上記した光電変換素子の電極、すなわち透明電極10及び光吸収半導体層20を、市販のTiO粒子、色素、ヨウ素液等を用いて、以下のプロセスにより製造した。
陽極酸化Alを鋳型として、ゾルゲル法により、直径約200nm、長さ約60μmのナノワイヤ構造を突起部12とする3次元構造の透明電極10を、平板ガラスからなる光透過性の基板30上に形成した。ワイヤの充填率はα=約0.8であり、空間占有率は約60%、比表面積は約750倍であった。
次いで、TiO粒子を含む半ペースト状溶液中に、透明電極10を浸漬しかつ乾燥し、その後、450℃で熱処理し成形することにより、TiO粒子を透明電極10の表面に焼き付けることにより、光吸収半導体層20により被膜された電極を形成した。
そして、ルテニウム色素を含む溶液中に電極を浸漬し、表面に色素を吸着させた。
The electrodes of the above-described photoelectric conversion element according to the present invention, that is, the transparent electrode 10 and the light-absorbing semiconductor layer 20 were manufactured by the following process using commercially available TiO 2 particles, a dye, an iodine solution, and the like.
A transparent electrode 10 having a three-dimensional structure using a nanowire structure with a diameter of about 200 nm and a length of about 60 μm as a protrusion 12 and a light-transmitting substrate 30 made of flat glass by using anodized Al 2 O 3 as a template by a sol-gel method. Formed on top. The filling factor of the wire was α = about 0.8, the space occupation ratio was about 60%, and the specific surface area was about 750 times.
Next, the transparent electrode 10 is dipped in a semi-pasty solution containing TiO 2 particles and dried, and then heat treated at 450 ° C. to form the TiO 2 particles on the surface of the transparent electrode 10, An electrode coated with the light absorbing semiconductor layer 20 was formed.
And the electrode was immersed in the solution containing a ruthenium pigment | dye, and the pigment | dye was made to adsorb | suck to the surface.

上記プロセスにより製造された光透過性の基板30上の電極を、表面に導電膜を焼き付けたガラスで挟み固定し、電解質としてヨウ素溶液を用い、可視光を照射して電流を測定する実機テストを行った。また、比較のために、2次元構造の平板電極、すなわち平板ガラス上に透明電極をコーティングし同様な方法でTiOの焼き付け等を行って、電池を作成し、電流を測定した。
その結果、本発明に係る光電変換素子では、セルによるバラツキは多少あるが、平板電極を用いたものに対比して、約1.5倍の電流が観測され、光電変換効率が向上していた。
An actual machine test in which an electrode on a light-transmitting substrate 30 manufactured by the above process is sandwiched and fixed with glass whose surface is baked with a conductive film, an iodine solution is used as an electrolyte, and a current is measured by irradiating visible light. went. For comparison, a flat electrode having a two-dimensional structure, that is, a transparent electrode was coated on a flat glass, and TiO 2 was baked by the same method to prepare a battery, and current was measured.
As a result, in the photoelectric conversion element according to the present invention, although there was some variation depending on the cell, a current about 1.5 times as large as that using a plate electrode was observed, and the photoelectric conversion efficiency was improved. .

また、本発明に係る光電変換素子の立体的構造を有する透明電極10を、スタンパを用いて以下のプロセスにより形成した。
インジウムプロポキシドと錫ブトキシドをIn/Sn=1:0.05になるよう秤量し、さらにトリエタノールアミンを、インジウムと等モル添加し、これをプロパノールに溶解して、均一溶液とした。
これにセルロースを、インジウムプロポキシドの10wt%を添加して、原料溶液とした。この溶液を基板にディップコーティング後、乾燥してゲル膜を形成し、スタンパを押し付けて、表面に凹凸をつけた。次に、これを500℃で30分間焼成した。やや黄色みがかった立体構造の透明電極10の膜が形成された。
このようにして形成された透明電極10をXRD解析した結果、酸化インジウム(In)が生成されていることを確認した。導電率は0.8Ωcmであり、400nm以上の可視光領域に於いては、光透過率は80%以上であった。したがって、十分な導電率及び光透過率を達成することができた。
Moreover, the transparent electrode 10 which has the three-dimensional structure of the photoelectric conversion element which concerns on this invention was formed with the following processes using the stamper.
Indium propoxide and tin butoxide were weighed so that In / Sn = 1: 0.05, and triethanolamine was added in an equimolar amount with indium, which was dissolved in propanol to obtain a uniform solution.
To this, 10 wt% of indium propoxide was added to cellulose to obtain a raw material solution. This solution was dip-coated on a substrate and dried to form a gel film, and a stamper was pressed to make the surface uneven. Next, this was baked at 500 ° C. for 30 minutes. A film of the transparent electrode 10 having a slightly yellowish three-dimensional structure was formed.
As a result of XRD analysis of the transparent electrode 10 thus formed, it was confirmed that indium oxide (In 2 O 3 ) was generated. The conductivity was 0.8 Ωcm, and the light transmittance was 80% or more in the visible light region of 400 nm or more. Therefore, sufficient electrical conductivity and light transmittance could be achieved.

本発明に係る光電変換素子に用いられる立体的構造の透明電極の構成を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the transparent electrode of the three-dimensional structure used for the photoelectric conversion element which concerns on this invention. 本発明に係る光電変換素子の構成を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the photoelectric conversion element which concerns on this invention. 本発明に係る光電変換素子における透明電極及び光吸収半導体層からなる電極のの空間占有率を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the space occupation rate of the electrode which consists of a transparent electrode and a light absorption semiconductor layer in the photoelectric conversion element which concerns on this invention. 本発明に係る、光吸収半導体表面をウィスカ構造とした場合の光電変換素子の構成を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the photoelectric conversion element at the time of setting the light absorption semiconductor surface based on this invention to the whisker structure. 本発明に係る、光吸収半導体層の表面に色素を担持させた場合の光電変換素子の構成を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the photoelectric conversion element at the time of making the pigment | dye carry | support on the surface of the light absorption semiconductor layer based on this invention. 本発明に係る、対極を立体的な構造とした場合の光電変換素子の構成を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the photoelectric conversion element at the time of making a counter electrode into a three-dimensional structure based on this invention.

Claims (10)

光電変換素子であって、
光透過性の基板上に形成された透明電極と、
該透明電極の表面を覆う光吸収半導体層と、
該光吸収半導体層と接する電荷移動層と、
該電荷移動層と接する対極と
を有する光電変換素子において、
透明電極は、基板と反対側の表面の少なくとも一部に、任意の凹凸形状を備えており、
光吸収半導体層は、透明電極の凹凸形状に沿って透明電極の表面を覆っている
ことを特徴とする光電変換素子。
A photoelectric conversion element,
A transparent electrode formed on a light-transmitting substrate;
A light-absorbing semiconductor layer covering the surface of the transparent electrode;
A charge transfer layer in contact with the light absorbing semiconductor layer;
In a photoelectric conversion element having a counter electrode in contact with the charge transfer layer,
The transparent electrode has an arbitrary uneven shape on at least a part of the surface opposite to the substrate,
The photoelectric conversion element characterized by the light absorption semiconductor layer covering the surface of a transparent electrode along the uneven | corrugated shape of a transparent electrode.
請求項1記載の光電変換素子において、透明電極は、凹凸形状によって突起部が形成されており、該突起部が中空であることを特徴とする光電変換素子。 2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the transparent electrode has a protrusion formed in an uneven shape, and the protrusion is hollow. 請求項1又は2記載の光電変換素子において、電荷移動層は、電荷輸送キャリアを含有する電解質で構成されていることを特徴とする光電変換素子。 3. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the charge transfer layer is composed of an electrolyte containing a charge transport carrier. 請求項1〜3いずれかに記載の光電変換素子において、光吸収半導体層は、バンドギャップが1.5eV程度の半導体で構成されていることを特徴とする光電変換素子。 4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the light absorption semiconductor layer is made of a semiconductor having a band gap of about 1.5 eV. 請求項1〜4いずれかに記載の光電変換素子において、光吸収半導体層は、単結晶又はキャリア移動方向に粒界が少ない一方向に結晶成長した薄膜半導体で構成されていることを特徴とする光電変換素子。 5. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the light absorption semiconductor layer is formed of a single crystal or a thin film semiconductor that is crystal-grown in one direction with few grain boundaries in the carrier movement direction. Photoelectric conversion element. 請求項1〜4いずれかに記載の光電変換素子において、光吸収半導体層は、半導体をナノ構造化させることによりバンドギャップを広げて1.5eV程度に設定されていることを特徴とする光電変換素子。 5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the light absorption semiconductor layer is set to about 1.5 eV by widening a band gap by forming the semiconductor into a nanostructure. element. 請求項1〜4いずれかに記載の光電変換素子において、光吸収半導体層の少なくとも一部がウィスカ構造を有していることを特徴とする光電変換素子。 5. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least a part of the light absorption semiconductor layer has a whisker structure. 請求項1〜3いずれかに記載の光電変換素子において、該素子はさらに、光吸収半導体層の電荷移動層と接する表面に色素を担持していることを特徴とする光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, further comprising a dye supported on a surface of the light-absorbing semiconductor layer that is in contact with the charge transfer layer. 請求項1〜8いずれかに記載の光電変換素子において、対極は、透明電極の凹凸形状と対称的な凹凸形状を有し、これにより、光吸収半導体層と対極との間の電荷移動層の厚さがほぼ均一に構成されていることを特徴とする光電変換素子。 9. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the counter electrode has a concavo-convex shape symmetrical to the concavo-convex shape of the transparent electrode, whereby a charge transfer layer between the light-absorbing semiconductor layer and the counter electrode is formed. A photoelectric conversion element having a substantially uniform thickness. 請求項1〜9いずれかに記載の光電変換素子において、光吸収半導体層と電荷移動層との間にPN接合が形成されることを特徴とする光電変換素子。 10. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein a PN junction is formed between the light absorbing semiconductor layer and the charge transfer layer.
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Cited By (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005346971A (en) * 2004-05-31 2005-12-15 Fujikura Ltd Counter electrode structure of wet solar cell and wet solar cell
WO2009012459A3 (en) * 2007-07-19 2009-04-16 California Inst Of Techn Structures of ordered arrays of semiconductors
JP2010199101A (en) * 2009-02-20 2010-09-09 Lintec Corp Electrode structure material, electrode structure and method for manufacturing the electrode structure
KR100983414B1 (en) 2008-07-22 2010-09-20 성균관대학교산학협력단 Method for fabricating of Organic Solar Cells by Patterning Nanoscale Transparent Conducting Oxide Electrode
JP2010218770A (en) * 2009-03-13 2010-09-30 Aisin Seiki Co Ltd Dye-sensitized solar cell and its manufacturing method
JP2010283313A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 Jiaotong Univ Indium tin oxide ito solid electrode, manufacturing method thereof, manufacturing apparatus, and manufacturing method of solar battery
KR101017141B1 (en) 2008-09-09 2011-02-25 영남대학교 산학협력단 3-Dimensional Junction Solar Cell and Method of Manufacturing Thereof
US7910461B2 (en) 2007-08-28 2011-03-22 California Institute Of Technology Method for reuse of wafers for growth of vertically-aligned wire arrays
JP2011511464A (en) * 2008-02-03 2011-04-07 ンリテン エナジー コーポレイション Thin film photovoltaic device and related manufacturing method
JP2013534717A (en) * 2010-05-31 2013-09-05 インダストリー−ユニバーシティー コオペレーション ファウンデーション ハンヤン ユニバーシティー イーアールアイシーエー キャンパス Solar cell and method for manufacturing the same
US8530338B2 (en) 2007-07-19 2013-09-10 California Institute Of Technology Structures of and methods for forming vertically aligned Si wire arrays
KR101445041B1 (en) 2013-08-28 2014-10-02 전남대학교산학협력단 Solar cell with 3-dimensional structure of light absorber layer and manufacturing method therof
JP2014236181A (en) * 2013-06-05 2014-12-15 シャープ株式会社 Photoelectric conversion element
JP2014241372A (en) * 2013-06-12 2014-12-25 株式会社クラレ Photoelectric conversion element and method for manufacturing the same
TWI514606B (en) * 2012-09-12 2015-12-21 Korea Res Inst Chem Tech Solar cell comprising light absorption structure
TWI514609B (en) * 2012-09-12 2015-12-21 Korea Res Inst Chem Tech Manufacturing method of solar cell
US9263612B2 (en) 2010-03-23 2016-02-16 California Institute Of Technology Heterojunction wire array solar cells
US9476129B2 (en) 2012-04-02 2016-10-25 California Institute Of Technology Solar fuels generator
US9530912B2 (en) 2009-11-30 2016-12-27 The California Institute Of Technology Three-dimensional patterning methods and related devices
US9545612B2 (en) 2012-01-13 2017-01-17 California Institute Of Technology Solar fuel generator
US9553223B2 (en) 2013-01-24 2017-01-24 California Institute Of Technology Method for alignment of microwires
JP2017512377A (en) * 2014-02-06 2017-05-18 トヨタ モーター ヨーロッパ Patterned electrode contacts for optoelectronic devices
US9853174B2 (en) 2012-12-07 2017-12-26 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Photoelectric conversion element
US9947816B2 (en) 2012-04-03 2018-04-17 California Institute Of Technology Semiconductor structures for fuel generation
US10026560B2 (en) 2012-01-13 2018-07-17 The California Institute Of Technology Solar fuels generator
US10090425B2 (en) 2012-02-21 2018-10-02 California Institute Of Technology Axially-integrated epitaxially-grown tandem wire arrays

Cited By (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005346971A (en) * 2004-05-31 2005-12-15 Fujikura Ltd Counter electrode structure of wet solar cell and wet solar cell
JP4606777B2 (en) * 2004-05-31 2011-01-05 株式会社フジクラ Wet solar cell
US8530338B2 (en) 2007-07-19 2013-09-10 California Institute Of Technology Structures of and methods for forming vertically aligned Si wire arrays
WO2009012459A3 (en) * 2007-07-19 2009-04-16 California Inst Of Techn Structures of ordered arrays of semiconductors
US7910461B2 (en) 2007-08-28 2011-03-22 California Institute Of Technology Method for reuse of wafers for growth of vertically-aligned wire arrays
US8455333B2 (en) 2007-08-28 2013-06-04 California Institute Of Technology Method for reuse of wafers for growth of vertically-aligned wire arrays
US8110898B2 (en) 2007-08-28 2012-02-07 California Institute Of Technology Polymer-embedded semiconductor rod arrays
JP2011511464A (en) * 2008-02-03 2011-04-07 ンリテン エナジー コーポレイション Thin film photovoltaic device and related manufacturing method
KR100983414B1 (en) 2008-07-22 2010-09-20 성균관대학교산학협력단 Method for fabricating of Organic Solar Cells by Patterning Nanoscale Transparent Conducting Oxide Electrode
KR101017141B1 (en) 2008-09-09 2011-02-25 영남대학교 산학협력단 3-Dimensional Junction Solar Cell and Method of Manufacturing Thereof
JP2010199101A (en) * 2009-02-20 2010-09-09 Lintec Corp Electrode structure material, electrode structure and method for manufacturing the electrode structure
JP2010218770A (en) * 2009-03-13 2010-09-30 Aisin Seiki Co Ltd Dye-sensitized solar cell and its manufacturing method
JP2010283313A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 Jiaotong Univ Indium tin oxide ito solid electrode, manufacturing method thereof, manufacturing apparatus, and manufacturing method of solar battery
US9530912B2 (en) 2009-11-30 2016-12-27 The California Institute Of Technology Three-dimensional patterning methods and related devices
US9263612B2 (en) 2010-03-23 2016-02-16 California Institute Of Technology Heterojunction wire array solar cells
JP2013534717A (en) * 2010-05-31 2013-09-05 インダストリー−ユニバーシティー コオペレーション ファウンデーション ハンヤン ユニバーシティー イーアールアイシーエー キャンパス Solar cell and method for manufacturing the same
US10242806B2 (en) 2012-01-13 2019-03-26 The California Institute Of Technology Solar fuels generator
US10026560B2 (en) 2012-01-13 2018-07-17 The California Institute Of Technology Solar fuels generator
US9545612B2 (en) 2012-01-13 2017-01-17 California Institute Of Technology Solar fuel generator
US11349039B2 (en) 2012-02-21 2022-05-31 California Institute Of Technology Axially-integrated epitaxially-grown tandem wire arrays
US10090425B2 (en) 2012-02-21 2018-10-02 California Institute Of Technology Axially-integrated epitaxially-grown tandem wire arrays
US10344387B2 (en) 2012-04-02 2019-07-09 California Institute Of Technology Solar fuels generator
US9476129B2 (en) 2012-04-02 2016-10-25 California Institute Of Technology Solar fuels generator
US9947816B2 (en) 2012-04-03 2018-04-17 California Institute Of Technology Semiconductor structures for fuel generation
US10546697B2 (en) 2012-09-12 2020-01-28 Korea Research Institute Of Chemical Technology Solar cell having light-absorbing structure
TWI514609B (en) * 2012-09-12 2015-12-21 Korea Res Inst Chem Tech Manufacturing method of solar cell
TWI514606B (en) * 2012-09-12 2015-12-21 Korea Res Inst Chem Tech Solar cell comprising light absorption structure
US9853174B2 (en) 2012-12-07 2017-12-26 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Photoelectric conversion element
US9553223B2 (en) 2013-01-24 2017-01-24 California Institute Of Technology Method for alignment of microwires
JP2014236181A (en) * 2013-06-05 2014-12-15 シャープ株式会社 Photoelectric conversion element
JP2014241372A (en) * 2013-06-12 2014-12-25 株式会社クラレ Photoelectric conversion element and method for manufacturing the same
KR101445041B1 (en) 2013-08-28 2014-10-02 전남대학교산학협력단 Solar cell with 3-dimensional structure of light absorber layer and manufacturing method therof
JP2017512377A (en) * 2014-02-06 2017-05-18 トヨタ モーター ヨーロッパ Patterned electrode contacts for optoelectronic devices

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