JP2013196852A - Method for manufacturing photoelectrode, photoelectrode, and dye-sensitized solar cell - Google Patents

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Shunsuke Kunugi
俊介 功刀
Satoshi Yoguchi
聡 與口
Naohiro Fujinuma
尚洋 藤沼
Toshihiro Otsuka
智弘 大塚
Setsuo Nakajima
節男 中嶋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a photoelectrode, which improves productivity of a photoelectrode, and to provide a photoelectrode obtained by the manufacturing method and a dye-sensitized solar cell provided with the photoelectrode.SOLUTION: The method for manufacturing a photoelectrode is characterized in that: (1) oxide semiconductor particles on which a sensitizing dye is previously adsorbed are deposited on a conductor; (2) the particles are blown to the conductor at a high speed to form a thin film constituted of the particles on the conductor; (3) a plurality of types of the particles on which different sensitizing dyes are adsorbed are laminated on the conductor so that a layer is divided by types of the sensitizing dyes to have a multilayer structure having two or more layers; and (4) a plurality of types of the particles on which sensitizing dyes different in absorption peak wavelength in a visible light region are adsorbed are laminated on the conductor so that a layer is divided by types of the sensitizing dyes to have a multilayer structure having two or more layers.

Description

本発明は、光電極の製造方法、光電極及び色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a photoelectrode manufacturing method, a photoelectrode, and a dye-sensitized solar cell.

近年、地球温暖化防止のため、炭酸ガス排出を低減するための各種方策が全世界的に検討されている。特に発電においては、従来の火力・原子力・水力発電などの大規模集中発電に加え、太陽エネルギー、風力、地熱など、再生可能エネルギー(自然エネルギー)などを活用した分散発電により局所災害への対処、およびトータル炭酸ガス排出量低減に向け、取り組みがなされている。
このうち特に太陽電池は、すでにシリコン系を中心に実用化され、店舗・住宅の屋根への搭載などが一般的になっている。しかしながら、シリコン系太陽電池はコストが高く、ユーザーにとってのコストメリットが薄いという課題がある。さらなる普及のためには、安価で容易に製造が可能であり、高効率な太陽電池が望まれている。
これに対応する一つの技術として、有機太陽電池が挙げられる。そのうち、特に効率が高い色素増感太陽電池が注目を集めている。色素増感太陽電池は1991年にスイス連邦工科大学ローザンヌ校のグレッツェルらが報告し、比較的簡易な製造方法、安価な原材料、高い効率から、次世代太陽電池の有力候補と考えられている。色素増感太陽電池の一般的な概略構造および発電の原理は、非特許文献1に記載されている。
In recent years, various measures for reducing carbon dioxide emissions have been studied worldwide to prevent global warming. In particular, in power generation, in addition to conventional large-scale centralized power generation such as thermal power, nuclear power, and hydroelectric power generation, it is possible to deal with local disasters through distributed power generation using renewable energy (natural energy) such as solar energy, wind power, and geothermal power. Efforts are being made to reduce total carbon dioxide emissions.
In particular, solar cells have already been put into practical use, mainly in silicon, and are generally mounted on the roofs of stores and houses. However, silicon-based solar cells have a problem of high cost and low cost merit for users. For further spread, solar cells that are inexpensive and can be easily manufactured and are highly efficient are desired.
One technique corresponding to this is an organic solar cell. Of these, dye-sensitized solar cells with particularly high efficiency are attracting attention. The dye-sensitized solar cell was reported by Gretzell et al. Of the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne in 1991, and is considered a promising candidate for the next-generation solar cell because of its relatively simple manufacturing method, inexpensive raw materials, and high efficiency. Non-patent document 1 describes a general schematic structure of a dye-sensitized solar cell and the principle of power generation.

Nature、第353巻、第737ページ、1991年Nature, 353, 737, 1991

一般に色素増感太陽電池の光電極は、基材の上に酸化チタンなどの酸化物半導体で構成される多孔質膜を製膜し、その後に、多孔質膜を基材と共に色素溶液に浸漬させることによって、色素を多孔質膜に吸着させる色素吸着工程を要する。
しかしながら、充分な量の色素を多孔質膜に吸着させるためには、数十分から数十時間という長い浸漬時間を要する。色素増感太陽電池の光電極を、例えばロールtoロールのような装置形態で連続生産しようとする場合、色素吸着工程が生産の律速工程となってしまい、連続生産を行い難いという問題がある。連続生産する過程において何らかの方法で長時間の浸漬処理を行う装置が開発されれば上記問題が将来的に解決されるかも知れないが、そのような特別な工夫を施した装置は、占有面積が過大になり、装置価格が莫大となる等の問題を有することが予想される。また、連続生産方式ではなく、枚葉式で光電極の生産を行えば、枚葉毎に長時間の浸漬処理を行うことが可能であるが、生産性(製造速度)が大きく損なわれてしまう。
In general, a photoelectrode of a dye-sensitized solar cell is formed by forming a porous film made of an oxide semiconductor such as titanium oxide on a base material, and then immersing the porous film in the dye solution together with the base material. This requires a dye adsorption step for adsorbing the dye to the porous film.
However, in order to adsorb a sufficient amount of the dye to the porous film, a long immersion time of several tens of minutes to several tens of hours is required. When the photoelectrode of the dye-sensitized solar cell is to be continuously produced in the form of an apparatus such as a roll-to-roll, for example, there is a problem that the dye adsorption step becomes a rate-limiting step of production and it is difficult to perform continuous production. The above problem may be solved in the future if a device for long-time immersion treatment is developed in some way in the process of continuous production, but the device with such special devices has an occupied area. It is expected that there will be problems such as being excessive and the price of the device becoming enormous. Also, if photoelectrodes are produced in a single-wafer type rather than a continuous production method, it is possible to perform a long-time immersion treatment for each single wafer, but the productivity (manufacturing speed) is greatly impaired. .

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、光電極の生産性を向上させた光電極の製造方法、前記製造方法により得られた光電極及び前記光電極を備えた色素増感太陽電池の提供を課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a photoelectrode production method with improved photoelectrode productivity, a photoelectrode obtained by the production method, and a dye sensitization provided with the photoelectrode. The issue is to provide solar cells.

本発明の請求項1に記載の光電極の製造方法は、増感色素が予め吸着された酸化物半導体粒子を導電体の上に成膜することを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の光電極の製造方法は、請求項1において、前記粒子を高速で前記導電体に吹き付けて、前記粒子で構成された薄膜を前記導電体上に成膜することを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の光電極の製造方法は、請求項1又は2において、前記導電体上に、異なる増感色素が吸着された複数種類の前記粒子を、前記増感色素の種類毎に層を分けて2層以上の多層構造となるように積層することを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の光電極の製造方法は、請求項1〜3の何れか一項において、前記導電体上に、可視光域における吸収ピーク波長の異なる増感色素が吸着された複数種類の前記粒子を、前記増感色素の種類毎に層を分けて2層以上の多層構造となるように積層することを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の光電極の製造方法は、請求項1〜4の何れか一項において、前記導電体上に、第一の増感色素が吸着された第一粒子と、第二の増感色素が吸着された第二粒子とを積層し、前記第一の増感色素と前記第二の増感色素の可視光域における吸収ピーク波長が10nm以上異なることを特徴とする。
本発明の請求項6に記載の光電極の製造方法は、請求項1〜5の何れか一項において、前記導電体として、プラスチック製の透明基材上に形成された透明導電層を用いることを特徴とする。
本発明の請求項7に記載の光電極は、多層構造を有する酸化物半導体層が備えられ、前記多層構造を構成する各層毎に、可視光域における吸収ピーク波長の異なる増感色素がそれぞれ吸着されていることを特徴とする。
本発明の請求項8に記載の色素増感太陽電池は、請求項1〜6の何れか一項に記載の製造方法によって得られた光電極又は請求項7に記載の光電極が備えられていることを特徴とする。
The method for producing a photoelectrode according to claim 1 of the present invention is characterized in that oxide semiconductor particles on which a sensitizing dye is adsorbed in advance are formed on a conductor.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a photoelectrode according to the first aspect, wherein the particles are sprayed onto the conductor at a high speed to form a thin film composed of the particles on the conductor. It is characterized by.
The method for producing a photoelectrode according to claim 3 of the present invention is the method for producing a photoelectrode according to claim 1 or 2, wherein a plurality of types of the particles having different sensitizing dyes adsorbed on the conductor are used. Each layer is divided into two or more layers to form a multilayer structure.
In the method for producing a photoelectrode according to claim 4 of the present invention, in any one of claims 1 to 3, sensitizing dyes having different absorption peak wavelengths in the visible light region are adsorbed on the conductor. A plurality of types of the particles are laminated so as to have a multilayer structure of two or more layers by dividing the layer for each type of the sensitizing dye.
The method for producing a photoelectrode according to claim 5 of the present invention is the method for producing a photoelectrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the first particles having the first sensitizing dye adsorbed on the conductor, A second particle adsorbed with two sensitizing dyes is laminated, and the absorption peak wavelength in the visible light region of the first sensitizing dye and the second sensitizing dye is different by 10 nm or more.
The method for producing a photoelectrode according to claim 6 of the present invention uses the transparent conductive layer formed on a plastic transparent substrate as the conductor in any one of claims 1 to 5. It is characterized by.
The photoelectrode according to claim 7 of the present invention includes an oxide semiconductor layer having a multilayer structure, and a sensitizing dye having a different absorption peak wavelength in the visible light region is adsorbed for each layer constituting the multilayer structure. It is characterized by being.
The dye-sensitized solar cell according to claim 8 of the present invention includes the photoelectrode obtained by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6 or the photoelectrode according to claim 7. It is characterized by being.

本明細書及び特許請求の範囲において、「膜」と「層」とは特に明記しない限りは区別されない。通常は、「膜」及び「層」は共に、「二次元(平面)に拡がりを有し、且つ厚さが比較的薄い形態」を意味する。   In the present specification and claims, “membrane” and “layer” are not distinguished unless otherwise specified. Usually, both “film” and “layer” mean “a form having a two-dimensional (planar) extension and a relatively thin thickness”.

本発明の光電極の製造方法によれば、増感色素を予め吸着させた粒子を光電極の材料として予め準備しておくことが可能になる。当該粒子をストックしておけば、光電極の需要に応じて基材上に当該粒子を成膜するだけで光電極が完成するため、迅速に出荷することが可能である。つまり、本発明の光電極の製造方法によれば、成膜を行うだけで光電極を完成させることが可能であり、従来の製造律速であった、増感色素を後から吸着させる色素吸着工程を必要としないため、生産性(製造速度)が優れる。   According to the method for producing a photoelectrode of the present invention, it is possible to prepare in advance a particle on which a sensitizing dye is adsorbed in advance as a material for the photoelectrode. If the particles are stocked, the photoelectrodes can be completed simply by depositing the particles on the substrate in accordance with the demand for the photoelectrodes, and therefore can be shipped quickly. That is, according to the method for producing a photoelectrode of the present invention, a photoelectrode can be completed only by performing film formation, which is a conventional production rate-determining method for adsorbing a sensitizing dye later. Therefore, productivity (production speed) is excellent.

増感色素の種類によっては、前記粒子へ吸着させるために長い時間を要するものがある。従来方法では、このような増感色素は、仮に優れた光吸収性が備わっていても製造速度を極度に低下させるため、採用することが困難であった。しかし、本発明の製造方法によれば、吸着させるために長い時間を必要とする増感色素を躊躇無く採用することができる。色素の吸着工程は、成膜開始から光電極の完成までの過程に入れる必要がないからである。   Some types of sensitizing dyes require a long time for adsorption to the particles. In the conventional method, such a sensitizing dye has been difficult to adopt because it extremely reduces the production rate even if it has excellent light absorption. However, according to the production method of the present invention, a sensitizing dye that requires a long time to be adsorbed can be used without any problem. This is because the dye adsorption process does not need to be performed from the start of film formation to the completion of the photoelectrode.

さらに、本発明の光電極の製造方法によれば、前記粒子からなる酸化物半導体層における色素の吸着量のバラツキやムラの発生を抑制して、均一に色素が吸着された酸化物半導体層を形成し、性能に優れた光電極を歩留まり良く製造することができる。従来方法では、成膜された後の酸化物半導体層に対して色素溶液を接触させる色素吸着処理が行われているが、この従来方法であると、酸化物半導体層における部位の違い(例えば、表面部と内奥部)や光電極の製造ロットの違いによって、色素の吸着性のバラツキやムラが生じ、光電極の性能にバラツキが生じる不都合があった。   Furthermore, according to the method for producing a photoelectrode of the present invention, the oxide semiconductor layer in which the dye is uniformly adsorbed is suppressed by suppressing variation in the amount of dye adsorbed and unevenness in the oxide semiconductor layer composed of the particles. Thus, a photoelectrode with excellent performance can be manufactured with high yield. In the conventional method, a dye adsorption treatment is performed in which a dye solution is brought into contact with the oxide semiconductor layer after film formation. However, in this conventional method, a difference in site in the oxide semiconductor layer (for example, Due to the difference in the production lot of the surface portion and the inner back portion) and the photoelectrode, there is a disadvantage that the adsorptivity variation or unevenness of the dye occurs, and the performance of the photoelectrode varies.

本発明の光電極が、可視光域における吸収ピーク波長が異なる複数種類の増感色素が別々の層に吸着された複数の層からなる多層構造を有することにより、当該光電極が吸収可能な光吸収スペクトルを広くすることができる。このため、当該光電極を備えた色素増感太陽電池(光電変換素子)の光電変換効率を向上させることができる。   The photoelectrode of the present invention has a multilayer structure composed of a plurality of layers in which a plurality of types of sensitizing dyes having different absorption peak wavelengths in the visible light region are adsorbed on different layers, so that the photoelectrode can absorb the light. The absorption spectrum can be broadened. For this reason, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell (photoelectric conversion element) provided with the said photoelectrode can be improved.

本発明に係る光電極の製造に使用可能な成膜装置の概略構成の一例である。It is an example of schematic structure of the film-forming apparatus which can be used for manufacture of the photoelectrode which concerns on this invention. 本発明に係る光電極の一例における、多層構造の断面を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the cross section of the multilayer structure in an example of the photoelectrode which concerns on this invention. 本発明に係る光電極を備えた色素増感太陽電池のI−V特性の一例である。It is an example of the IV characteristic of the dye-sensitized solar cell provided with the photoelectrode which concerns on this invention.

以下、本発明の光電極の製造方法、光電極及び色素増感太陽電池の実施形態について説明する。各実施形態は本発明の一例であり、本発明は各実施形態で限定されない。
また、本明細書及び特許請求の範囲において、「膜」と「層」とは特に明記しない限りは区別されない。通常は、「膜」及び「層」は共に、「二次元(平面)に拡がりを有し、且つ厚さが比較的薄い形態」を意味する。
Hereinafter, embodiments of the photoelectrode production method, photoelectrode, and dye-sensitized solar cell of the present invention will be described. Each embodiment is an example of the present invention, and the present invention is not limited to each embodiment.
In the present specification and claims, “film” and “layer” are not distinguished unless otherwise specified. Usually, both “film” and “layer” mean “a form having a two-dimensional (planar) extension and a relatively thin thickness”.

<光電極の製造方法>
本発明にかかる光電極の製造方法は、増感色素が予め吸着された酸化物半導体からなる粒子を導電体の上に成膜する方法である。
<Method for producing photoelectrode>
The method for producing a photoelectrode according to the present invention is a method in which particles made of an oxide semiconductor in which a sensitizing dye is adsorbed in advance are formed on a conductor.

[導電体]
前記導電体は、前記酸化物半導体と電気的に接続される部材であれば特に制限されない。前記導電体の形状、大きさ及び材料は特に制限されず、例えば、基材上に形成された導電層又は金属板が適用できる。通常は、光電極が可視光の透過性を有することが好ましいため、前記導電体としては、透明な基材上に形成された透明導電層であることが好ましい。
[conductor]
The conductor is not particularly limited as long as it is a member electrically connected to the oxide semiconductor. The shape, size, and material of the conductor are not particularly limited, and for example, a conductive layer or a metal plate formed on a substrate can be applied. Usually, since it is preferable that a photoelectrode has the transmittance | permeability of visible light, it is preferable that the said conductor is a transparent conductive layer formed on the transparent base material.

前記透明導電層としては、従来公知の色素増感太陽電池に使用される透明導電層が適用可能であり、例えば金属酸化物又は導電性高分子で構成される薄膜が挙げられる。
前記金属酸化物としては、酸化インジウム/酸化スズ(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化亜鉛、酸化スズ、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化インジウム/酸化亜鉛(IZO)、酸化ガリウム/酸化亜鉛(GZO)、酸化チタン等が挙げられる。これらの中でも、比抵抗が小さく電気伝導率が高いITO、並びに、耐熱性および耐候性に優れたFTOが特に好ましい。
前記透明導電層は単層及び複数層の何れであってもよく、複数層の場合、全ての層が同じ材料で構成されていても良いし、一部の層が異なる材料で構成されていても良い。
As the transparent conductive layer, a transparent conductive layer used in a conventionally known dye-sensitized solar cell is applicable, and for example, a thin film composed of a metal oxide or a conductive polymer can be used.
Examples of the metal oxide include indium oxide / tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide, tin oxide, antimony-doped tin oxide (ATO), indium oxide / zinc oxide (IZO), gallium oxide / Zinc oxide (GZO), titanium oxide, etc. are mentioned. Among these, ITO with low specific resistance and high electrical conductivity and FTO excellent in heat resistance and weather resistance are particularly preferable.
The transparent conductive layer may be either a single layer or a plurality of layers. In the case of a plurality of layers, all the layers may be made of the same material, or some of the layers may be made of different materials. Also good.

[基材]
前記基材としては、その上に形成される透明又は非透明の導電層を形成することが可能な表面を有し、さらに前記導電層の上に形成される酸化物半導体層を支持可能な形状及び大きさを有する基材が好ましく、可視光の透過性を併せ持つ透明基材がより好ましい。
前記透明基材を構成する好適な材料は、プラスチック又はガラスである。前記材料は、光電変換効率を高める観点から、可視光の透過率が高いほど好ましく、例えば85%以上の透過率を有することが好ましい。なお、通常、「可視光」とは、波長360〜830nmの光を意味する。可視光透過率は、例えば、積分球付き透過率光度計で測定できる。
[Base material]
The substrate has a surface on which a transparent or non-transparent conductive layer formed thereon can be formed, and a shape capable of supporting an oxide semiconductor layer formed on the conductive layer And a substrate having a size is preferable, and a transparent substrate having visible light permeability is more preferable.
A suitable material constituting the transparent substrate is plastic or glass. From the viewpoint of increasing the photoelectric conversion efficiency, the material preferably has a higher visible light transmittance, and preferably has a transmittance of 85% or more, for example. Normally, “visible light” means light having a wavelength of 360 to 830 nm. The visible light transmittance can be measured by, for example, a transmittance photometer with an integrating sphere.

前記ガラスとしては、可視光の透過性を有するものが好ましく、ソーダライムガラス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、バイコールガラス、無アルカリガラス、青板ガラス、白板ガラス等が挙げられる。   As said glass, what has the transmittance | permeability of visible light is preferable, and soda lime glass, quartz glass, borosilicate glass, Vycor glass, alkali free glass, blue plate glass, white plate glass, etc. are mentioned.

前記プラスチックとしては、可視光の透過性を有するものが好ましく、例えばポリアクリル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリイミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド等が挙げられる。これらのなかでは、ポリエステル、特にポリエチレンテレフタレート(PET)が、透明耐熱フィルムとして大量に生産および使用されている。
薄くて軽いフレキシブルな色素増感太陽電池を製造する観点からは、前記基材はプラスチック製の透明基材であることが好ましく、PETフィルムであることがより好ましい。
As said plastic, what has the transmittance | permeability of visible light is preferable, for example, polyacryl, a polycarbonate, polyester, a polyimide, a polystyrene, a polyvinyl chloride, polyamide etc. are mentioned. Among these, polyester, particularly polyethylene terephthalate (PET), is produced and used in large quantities as a transparent heat-resistant film.
From the viewpoint of producing a thin and light flexible dye-sensitized solar cell, the substrate is preferably a plastic transparent substrate, and more preferably a PET film.

[粒子]
前記酸化物半導体からなる粒子は、前記増感色素を吸着可能であり、前記導電体の上に成膜可能なものであれば特に制限されず、従来公知の色素増感太陽電池に使用されている酸化物半導体製の粒子を使用することができる。前記酸化物半導体としては、例えば、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)等が挙げられる。これらの酸化物半導体を用いることにより、色素の担持率及び電気伝導率を高めることができる。前記酸化物半導体としては、多孔質膜を形成した際の電気伝導性に優れる酸化チタンが好ましい。
[particle]
The particles made of the oxide semiconductor are not particularly limited as long as they can adsorb the sensitizing dye and can be formed on the conductor, and are used in conventionally known dye-sensitized solar cells. Oxide semiconductor particles can be used. Examples of the oxide semiconductor include titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), and strontium titanate (SrTiO 3 ). By using these oxide semiconductors, the loading rate and electrical conductivity of the dye can be increased. As said oxide semiconductor, the titanium oxide which is excellent in the electrical conductivity at the time of forming a porous film is preferable.

前記粒子の形状は、前記導電体の上に成膜可能な形状であれば特に制限されず、例えば、球状、略球状、多面体状、針状、板状、繊維状等が挙げられる。これらのなかでも、成膜された薄膜の形態安定性及び構造強度を高める観点から、球状、略球状または多面体状であることが好ましい。また、多孔質膜を成膜する場合、当該粒子が球体または球体に近い形状であると、多孔質膜の空隙率(空孔率又は多孔度と呼ばれることもある。)を制御することが容易となる。   The shape of the particle is not particularly limited as long as it can be formed on the conductor, and examples thereof include a spherical shape, a substantially spherical shape, a polyhedral shape, a needle shape, a plate shape, and a fiber shape. Among these, from the viewpoint of increasing the form stability and structural strength of the formed thin film, it is preferably spherical, substantially spherical or polyhedral. Further, when a porous film is formed, if the particles have a sphere or a shape close to a sphere, it is easy to control the porosity of the porous film (sometimes referred to as porosity or porosity). It becomes.

前記粒子の一次粒子径は、当該粒子を前記導電体の上に成膜する方法によって好適な範囲が異なる場合があるが、通常は、1nm〜500μmが好ましく、1nm〜250μmがより好ましく、5nm〜100μmがさらに好ましく、10nm〜10μmが特に好ましい。なお、前記粒子の一次粒子径を求める方法としては、例えばレーザー回折式粒度分布測定装置の測定により得られた体積平均径の分布のピーク値として決定する方法やSEM観察によって複数の粒子の長径を測定して平均する方法が挙げられる。前記粒子の一次粒子径は前記SEM観察によって測定することが好ましい。
本発明の光電極の製造方法において使用する粒子の一次粒子径は、1種類の均一な一次粒子径を有する粒子を用いても良いし、異なる一次粒子径を有する2種以上の粒子を混合して用いても良い。
The primary particle diameter of the particles may vary in a suitable range depending on the method of forming the particles on the conductor, but is usually preferably 1 nm to 500 μm, more preferably 1 nm to 250 μm, and more preferably 5 nm to 100 μm is more preferable, and 10 nm to 10 μm is particularly preferable. In addition, as a method for obtaining the primary particle diameter of the particles, for example, a method of determining the peak value of the volume average diameter distribution obtained by measurement with a laser diffraction particle size distribution measuring apparatus or the long diameters of a plurality of particles by SEM observation The method of measuring and averaging is mentioned. The primary particle diameter of the particles is preferably measured by the SEM observation.
The primary particle size of the particles used in the method for producing a photoelectrode of the present invention may be one type of particles having a uniform primary particle size, or a mixture of two or more types of particles having different primary particle sizes. May be used.

[粒子に増感色素を吸着させる方法]
前記粒子に前記増感色素を吸着させる方法は、当該粒子が当該増感色素を担持する状態を維持可能な方法であれば特に制限されない。従来の光電極の製造方法においては、基材上に成膜された酸化物半導体からなる多孔質膜を、増感色素を溶媒に溶解した色素溶液中に浸漬することにより、色素を吸着させることが行われている。本発明においては、従来と同様の色素溶液に前記粒子を浸漬することにより又は前記色素溶液を前記粒子に噴霧若しくは滴下することにより、当該粒子に当該増感色素を吸着させる方法が適用できる。
[Method of adsorbing sensitizing dye to particles]
The method for adsorbing the sensitizing dye to the particles is not particularly limited as long as the particles can maintain the state in which the particles carry the sensitizing dye. In the conventional method for producing a photoelectrode, a dye is adsorbed by immersing a porous film made of an oxide semiconductor formed on a substrate in a dye solution in which a sensitizing dye is dissolved in a solvent. Has been done. In the present invention, a method of adsorbing the sensitizing dye to the particles can be applied by immersing the particles in the same dye solution as before or by spraying or dropping the dye solution onto the particles.

前記溶媒は、使用する増感色素の種類に応じて適宜選択され、アルコール類、ニトリル類、エーテル類、エステル類、ケトン類、炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類等が挙げられる。   The solvent is appropriately selected according to the type of sensitizing dye to be used, and examples thereof include alcohols, nitriles, ethers, esters, ketones, hydrocarbons, and halogenated hydrocarbons.

前記アルコール類は、その化学構造の骨格が直鎖状、分岐鎖状および環状のいずれでもよく、一価アルコールおよび多価アルコールのいずれでもよく、例えばメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール(イソブタノール)、2−ブタノール、2−メチル−2−プロパノール(tert-ブタノール)、エチレングリコール等が挙げられる。前記ニトリル類としては、アセトニトリル、プロピオニトリル等が挙げられる。前記エーテル類は、その化学構造の骨格が直鎖状、分岐鎖状および環状のいずれでもよく、例えばジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン等が挙げられる。前記エステル類としては、例えば酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等が挙げられる。前記ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられる。前記炭化水素類は、その化学構造の骨格が直鎖状、分岐鎖状および環状のいずれでもよく、脂肪族系炭化水素および芳香族系炭化水素のいずれでもよく、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン等が挙げられる。前記ハロゲン化炭化水素類としては、例えば塩化メチレン、クロロホルム等が挙げられる。   The alcohols may be linear, branched or cyclic in the chemical structure, and may be any of monohydric alcohols and polyhydric alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, Examples include 1-butanol, 2-methyl-1-propanol (isobutanol), 2-butanol, 2-methyl-2-propanol (tert-butanol), and ethylene glycol. Examples of the nitriles include acetonitrile and propionitrile. The ethers may be linear, branched, or cyclic in the chemical structure, and examples thereof include dimethyl ether, diethyl ether, ethyl methyl ether, and tetrahydrofuran. Examples of the esters include ethyl acetate, propyl acetate, and butyl acetate. Examples of the ketones include acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, and methyl isobutyl ketone. The hydrocarbons may be linear, branched, or cyclic in the chemical structure, and may be any of aliphatic hydrocarbons and aromatic hydrocarbons, such as pentane, hexane, heptane, octane. , Cyclohexane, toluene, xylene and the like. Examples of the halogenated hydrocarbons include methylene chloride and chloroform.

前記溶媒は、水分含量が低いほど好ましく、乾燥剤等を用いて無水化処理したものが好ましい。水分含量を低減することにより、増感色素の担持阻害が一層抑制され、一層良好な状態で増感色素を担持させることができる。
前記溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合、その組み合わせ及び比率は、目的に応じて適宜選択される。
The said solvent is so preferable that a water content is low, and what was dehydrated using a desiccant etc. is preferable. By reducing the water content, inhibition of the loading of the sensitizing dye is further suppressed, and the sensitizing dye can be carried in a better state.
The said solvent may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When using 2 or more types together, the combination and ratio are suitably selected according to the objective.

前記色素溶液の色素濃度は、特に限定されないが、通常は0.05〜1mMであることが好ましく、0.1〜0.5mMであることがより好ましい。なお、本明細書において、濃度を表す単位「M」は「mol/L」を指す。   The dye concentration of the dye solution is not particularly limited, but is usually preferably 0.05 to 1 mM, and more preferably 0.1 to 0.5 mM. In the present specification, the unit “M” representing concentration refers to “mol / L”.

前記色素溶液の取り扱いは、乾燥雰囲気下で行うことが好ましく、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。ここで、「乾燥雰囲気」とは、気体中の水分含量が本発明の効果を妨げないように低減されていることを指す。このようにして、色素溶液への水分混入を抑制することにより、増感色素の担持阻害が一層抑制され、一層良好な状態で増感色素を担持させることができる。   The dye solution is preferably handled in a dry atmosphere, and more preferably in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, helium gas, or argon gas. Here, the “dry atmosphere” means that the moisture content in the gas is reduced so as not to hinder the effects of the present invention. In this way, by suppressing the mixing of moisture into the dye solution, the inhibition of the loading of the sensitizing dye is further suppressed, and the sensitizing dye can be carried in a better state.

前記色素溶液を用いて前記粒子に増感色素を吸着(担持)させた後、当該粒子をアルコール等の溶媒で過剰な色素を軽く洗浄しても良い。
なお、成膜処理に供する前に、増感色素を吸着させた前記粒子を予め乾燥させておくことが好ましい。例えば、後述するAD法によって成膜する際に、溶媒が付着したままの粒子を高速で吹き付けて成膜することが困難になる場合があるためである。
After adsorbing (supporting) a sensitizing dye on the particles using the dye solution, the particles may be lightly washed with excess solvent using a solvent such as alcohol.
In addition, it is preferable to dry the said particle | grains which adsorb | sucked the sensitizing dye previously before using for a film-forming process. For example, when the film is formed by the AD method described later, it may be difficult to form the film by spraying particles with the solvent attached at a high speed.

[増感色素]
前記増感色素は前記粒子に物理的又は化学的に吸着させることが可能な色素であれば特に制限されず、従来公知の色素増感太陽電池に使用されている増感色素を使用することができる。前記増感色素としては、例えばN3、N719(レッドダイ)又はN749(ブラックダイ)と一般に呼ばれるルテニウムを含むルテニウム系色素、或いはクマリン系、ポリエン系、シアニン系、ヘミシアニン系、チオフェン系、インドリン系、キサンテン系、カルバゾール系、ペリレン系、ポルフィリン系、フタロシアニン系、メロシアニン系、カテコール系、スクアリリウム系等の各種有機色素等が挙げられる。さらに、これらの色素を組み合わせたドナー−アクセプター複合色素等が挙げられる。
[Sensitizing dye]
The sensitizing dye is not particularly limited as long as it is a dye that can be physically or chemically adsorbed on the particles, and a sensitizing dye used in a conventionally known dye-sensitized solar cell may be used. it can. Examples of the sensitizing dye include ruthenium-based dyes containing ruthenium generally called N3, N719 (red dye) or N749 (black dye), or coumarin-based, polyene-based, cyanine-based, hemicyanine-based, thiophene-based, indoline-based, xanthene-based dyes. And various organic dyes such as carbazole, perylene, porphyrin, phthalocyanine, merocyanine, catechol, and squarylium. Furthermore, donor-acceptor composite dyes obtained by combining these dyes can be used.

本発明において使用する増感色素としては、化学構造中にカルボキシ基を有するものが好ましい。前記粒子は酸化物半導体からなるため、当該カルボキシ基が前記粒子に対してアンカー効果を奏することができ、当該増感色素と前記粒子との吸着性を高めて、当該増感色素が前記粒子から脱離することを抑制できる。
本発明において、1種の増感色素を単独で用いても良いし、2種以上の増感色素を併用しても良い。
As the sensitizing dye used in the present invention, those having a carboxy group in the chemical structure are preferable. Since the particles are made of an oxide semiconductor, the carboxy group can exert an anchoring effect on the particles, and the adsorptivity between the sensitizing dye and the particles is increased, so that the sensitizing dye is separated from the particles. Desorption can be suppressed.
In the present invention, one sensitizing dye may be used alone, or two or more sensitizing dyes may be used in combination.

前記増感色素の好適な例として、下記化学式(1)で表される、MK−2(2-Cyano-3-[5’’’-(9-ethyl-9H-carbazol-3-yl)-3’,3’’,3’’’,4-tetra-n-hexyl-[2,2’,5’,2’’,5’’,2’’’]-quarter thiophenyl-5-yl]acrylic acid)が挙げられる。
MK−2は、カルバゾール骨格、複数のヘキシルチオフェン骨格及びシアノアクリル酸基を有するドナー・アクセプター型の有機色素分子である。カルバゾール骨格が電子供与部位となり、シアノアクリル酸基が電子吸引性部位として機能することが知られている。また、ヘキシルチオフェン骨格に結合したアルキル基(ヘキシル基)は、分子間のπ−πスタッキングによる会合体形成を抑制する効果があり、これにより、色素から酸化チタン電極への電子注入効率を向上させることができる。また、カルボキシ基がアンカー効果を奏して、前記粒子に対するMK−2の吸着力が高められている。これにより、成膜時にMK−2が当該粒子から脱離することを一層抑制することができる。
As a preferred example of the sensitizing dye, MK-2 (2-Cyano-3- [5 '''-(9-ethyl-9H-carbazol-3-yl)-represented by the following chemical formula (1): 3 ', 3'',3''', 4-tetra-n-hexyl- [2,2 ', 5', 2 '', 5 '', 2 ''']-quarter thiophenyl-5-yl] acrylic acid).
MK-2 is a donor-acceptor type organic dye molecule having a carbazole skeleton, a plurality of hexylthiophene skeletons, and a cyanoacrylic acid group. It is known that the carbazole skeleton serves as an electron donating site and the cyanoacrylic acid group functions as an electron withdrawing site. In addition, the alkyl group (hexyl group) bonded to the hexylthiophene skeleton has an effect of suppressing the formation of aggregates due to intermolecular π-π stacking, thereby improving the efficiency of electron injection from the dye to the titanium oxide electrode. be able to. Moreover, the carboxy group has an anchor effect, and the adsorption power of MK-2 to the particles is enhanced. Thereby, it can further suppress that MK-2 detaches | leaves from the said particle | grain at the time of film-forming.

Figure 2013196852
Figure 2013196852

[成膜方法]
増感色素を吸着させた前記粒子を前記導電体上に成膜する方法としては、当該粒子を搬送ガスを用いて前記導電体に高速で吹き付けて成膜するエアロゾルデポジション法(AD法)、前記粒子を静電力により加速して前記導電体に衝突させて成膜する静電微粒子コーティング法、又はコールドスプレー法が好適な方法として例示できる。これらの方法によれば、前記粒子が互いに接合して形成された多孔質膜又は非多孔質の緻密な膜(以下、緻密膜と呼ぶことがある。)を、当該粒子を焼成することなく形成することができる。焼成処理が不要であるため、当該粒子に予め吸着させた増感色素が熱分解したり損傷したりする虞がない。なお、AD法、静電微粒子コーティング法及びコールドスプレー法の具体的方法は、従来の公知方法と同様で構わない。ただし、本発明においては、成膜前に、前記粒子に予め増感色素を吸着させておくことが重要である。AD法を用いた成膜方法の詳細は後述する。
[Film formation method]
As a method of forming the particles having the sensitizing dye adsorbed thereon on the conductor, an aerosol deposition method (AD method) in which the particles are sprayed onto the conductor at high speed using a carrier gas, Examples of suitable methods include an electrostatic fine particle coating method in which the particles are accelerated by electrostatic force and collided with the conductor to form a film, or a cold spray method. According to these methods, a porous film or non-porous dense film (hereinafter sometimes referred to as a dense film) formed by bonding the particles to each other is formed without firing the particles. can do. Since the baking treatment is unnecessary, there is no possibility that the sensitizing dye previously adsorbed on the particles is thermally decomposed or damaged. In addition, the specific method of AD method, electrostatic fine particle coating method, and cold spray method may be the same as the conventional well-known method. However, in the present invention, it is important that a sensitizing dye is previously adsorbed to the particles before film formation. Details of the film forming method using the AD method will be described later.

別の成膜方法として、増感色素を吸着させた前記粒子を、当該増感色素が溶解し難い有機溶媒中に分散させた有機溶媒ゾルを調製し、前記有機溶媒ゾルを前記導電体上に所定の厚さで塗布し、さらに乾燥させた後、その乾燥物を加圧処理することにより、前記粒子同士を結着させて、多孔質膜又は緻密膜を形成する方法が例示できる。この有機溶媒ゾルを用いた成膜方法においても、焼成処理が不要であるため、当該粒子に予め吸着させた増感色素が熱分解したり損傷したりする虞がない。前記有機溶媒ゾルを用いた成膜方法の詳細は後述する。   As another film forming method, an organic solvent sol is prepared by dispersing the particles adsorbed with a sensitizing dye in an organic solvent in which the sensitizing dye is difficult to dissolve, and the organic solvent sol is placed on the conductor. An example is a method of forming a porous film or a dense film by applying a predetermined thickness, further drying, and then pressurizing the dried product to bind the particles together. Also in the film forming method using the organic solvent sol, since the baking treatment is unnecessary, there is no possibility that the sensitizing dye previously adsorbed on the particles is thermally decomposed or damaged. Details of the film forming method using the organic solvent sol will be described later.

また、他の成膜方法として、増感色素を吸着させた前記粒子を樹脂バインダー等と混ぜたペーストを準備し、前記ペーストを前記導電体上に所定の厚さで塗布し、前記粒子同士を接合若しくは結着させるための焼成を行う方法が例示できる。この焼成における増感色素の熱分解を低減するために、なるべく低温で焼成することが好ましく、例えば150℃程度で焼成することが好ましい。前記ペーストの調製及び焼成方法の具体的な方法は、従来の公知方法と同様で構わない。ただし、本発明においては、成膜前に、前記ペーストを構成する前記粒子に予め増感色素を吸着させておくことが重要である。   As another film forming method, a paste prepared by mixing the particles adsorbed with a sensitizing dye with a resin binder or the like is prepared, and the paste is applied on the conductor with a predetermined thickness. A method of performing firing for bonding or binding can be exemplified. In order to reduce the thermal decomposition of the sensitizing dye in this firing, firing is preferably performed at as low a temperature as possible, for example, firing at about 150 ° C. is preferable. The specific method for preparing and baking the paste may be the same as a conventionally known method. However, in the present invention, it is important to preliminarily adsorb the sensitizing dye to the particles constituting the paste before film formation.

本発明の光電極の製造方法においては、前述した成膜方法のなかでも、AD法又は有機溶媒ゾルを用いる方法によって酸化物半導体層で構成される多孔質膜(以下、単に「多孔質膜」又は「多孔質層」と呼ぶことがある。)を成膜することが好ましい。AD法又は有機溶媒ゾル法を用いることにより、導電性、光吸収性、光利用効率(多孔質膜内における光散乱性)、電解質の拡散性及び構造強度に優れた多孔質膜を容易に形成することができる。   In the method for producing a photoelectrode of the present invention, among the above-described film forming methods, a porous film (hereinafter simply referred to as “porous film”) composed of an oxide semiconductor layer by an AD method or a method using an organic solvent sol. Alternatively, it may be referred to as a “porous layer”). By using the AD method or the organic solvent sol method, a porous film excellent in conductivity, light absorption, light utilization efficiency (light scattering in the porous film), electrolyte diffusibility and structural strength can be easily formed. can do.

[AD法]
AD法とは、ヘリウム、アルゴン等の搬送ガスによって、前記粒子(以下、単に「微粒子」と呼ぶことがある。)を亜音速〜超音速程度まで加速させ、基材に微粒子を高速で吹き付けて、微粒子と基材、または、微粒子同士を接合させて、基材上に微粒子を成膜する(微粒子からなる薄膜を形成する)技術である。
基材表面に衝突した微粒子は、少なくともその一部が基材表面に食い込んで、容易には剥離しない状態となる。さらに、吹き付けを継続することにより、基材表面に食い込んだ微粒子に対して、別の微粒子が衝突し、微粒子同士の衝突によって、互いの微粒子表面に新生面が形成されて、主にこの新生面において微粒子同士が接合する。この微粒子同士の衝突においては、微粒子が溶融するような温度上昇は生じ難いため、微粒子同士が接合した界面には、ガラス質からなる粒界層は実質的に存在しない。微粒子の吹き付けを継続することにより、次第に基材表面に多数の微粒子が接合して、多孔質膜又は緻密膜が形成される。形成された薄膜は、充分な強度を有するので、焼成による焼き締めは通常不要である。
[AD method]
In the AD method, the particles (hereinafter sometimes simply referred to as “fine particles”) are accelerated to a subsonic to supersonic speed by a carrier gas such as helium or argon, and the fine particles are sprayed onto the substrate at a high speed. In this technique, fine particles and a base material, or fine particles are joined to form a fine particle on the base material (a thin film made of fine particles is formed).
At least a part of the fine particles colliding with the surface of the base material bites into the surface of the base material and is not easily peeled off. Further, by continuing the spraying, another fine particle collides with the fine particle that has sunk on the surface of the base material, and the collision of the fine particles forms a new surface on the surface of each fine particle. Join each other. In the collision between the fine particles, a temperature rise that causes the fine particles to melt hardly occurs. Therefore, a grain boundary layer made of vitreous substantially does not exist at the interface where the fine particles are joined. By continuing the spraying of the fine particles, a large number of fine particles are gradually joined to the surface of the base material to form a porous film or a dense film. Since the formed thin film has sufficient strength, baking by baking is usually unnecessary.

公知のAD法としては、例えば、「国際公開第WO01/27348A1号」に開示されている超微粒子ビーム堆積法、「特許第3265481号公報」に開示されている脆性材料超微粒子低温成形法が挙げられる。
これら公知のAD法では、吹き付ける微粒子をボールミルなどで前処理することにより、クラックが入るか入らないか程度の内部歪を微粒子に予め加えておくことが重要であるとしている。この内部歪を加えておくことによって、吹き付けられた微粒子が、基材または既に堆積した微粒子に衝突する際に変形を起こし易くすることができ、この結果、非多孔性の緻密膜を形成できる、としている。
Known AD methods include, for example, the ultrafine particle beam deposition method disclosed in “International Publication No. WO01 / 27348A1” and the brittle material ultrafine particle low temperature molding method disclosed in “Patent No. 32655481”. It is done.
In these known AD methods, it is important to preliminarily apply an internal strain to the fine particles to determine whether or not cracks will occur by pre-processing the fine particles to be sprayed with a ball mill or the like. By adding this internal strain, the sprayed fine particles can be easily deformed when colliding with the base material or the already deposited fine particles, and as a result, a non-porous dense film can be formed. It is said.

本発明において、前記導体上に非多孔質の緻密な膜を成膜する場合は、上記公知方法及び装置を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適用することができる。   In the present invention, when a non-porous dense film is formed on the conductor, the above-described known method and apparatus can be applied without departing from the spirit of the present invention.

本発明において、前記導電体上に多孔質膜を成膜する場合は、上記公知方法及び装置を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適用することができる。この際、上記公知方法の成膜条件のうち、吹き付け速度および粒子径を適宜調整することにより、光電極にさらに適した多孔質膜を形成できる。この場合、微粒子同士の間に形成される空隙の大きさは、特に制限されない。前記空隙が多孔質膜の内部でスポンジ状の多孔構造を形成することが好ましい。色素増感太陽電池においては、光電極に形成された前記空隙を通して電解質又は電解質を含む電解液が多孔質膜内に拡散し、微粒子に担持された増感色素に電子が供与される。   In the present invention, when a porous film is formed on the conductor, the above-described known methods and apparatuses can be applied without departing from the spirit of the present invention. At this time, a porous film more suitable for the photoelectrode can be formed by appropriately adjusting the spraying speed and the particle diameter among the film forming conditions of the known method. In this case, the size of the void formed between the fine particles is not particularly limited. It is preferable that the voids form a sponge-like porous structure inside the porous membrane. In the dye-sensitized solar cell, an electrolyte or an electrolytic solution containing an electrolyte diffuses into the porous film through the voids formed in the photoelectrode, and electrons are donated to the sensitizing dye supported on the fine particles.

なお、緻密膜を形成する場合には、微粒子の吹き付け前に予め内部歪を前記粒子に加える前処理を行うことが好ましいが、多孔質膜を形成する場合はこの前処理は不要である。例えば、ルチル型酸化チタン粒子は適度な強度を有しているため、成膜時に当該粒子が破砕されずに構造を維持し易く、接合した微粒子同士の間に空孔(細孔)を形成し、大きな比表面積を有する多孔質膜を成膜することができる。   In the case of forming a dense film, it is preferable to perform a pretreatment in which internal strain is applied to the particles in advance before spraying the fine particles, but this pretreatment is not necessary in the case of forming a porous film. For example, rutile-type titanium oxide particles have an appropriate strength, so that the structure is easily maintained without being crushed during film formation, and voids (pores) are formed between joined fine particles. A porous film having a large specific surface area can be formed.

光電極を構成する多孔質膜の厚さは、1μm〜30μmであることが好ましく、10μm〜20μmであることがより好ましい。
多孔質膜の厚さが上記範囲の下限値以上であると、微粒子に担持された増感色素が光エネルギーを吸収する確率を一層高めることができ、色素増感太陽電池における光電変換効率を一層向上できる。一方、多孔質膜の厚さが上記範囲の上限値以下であると、酸化/還元反応種(電解質)の拡散抵抗が小さくなって、電池内部の直列抵抗成分が小さくなるため、色素増感太陽電池における光電変換効率が一層向上する。
The thickness of the porous film constituting the photoelectrode is preferably 1 μm to 30 μm, and more preferably 10 μm to 20 μm.
When the thickness of the porous film is not less than the lower limit of the above range, the probability that the sensitizing dye supported on the fine particles absorbs light energy can be further increased, and the photoelectric conversion efficiency in the dye-sensitized solar cell is further increased. It can be improved. On the other hand, when the thickness of the porous film is less than or equal to the upper limit of the above range, the diffusion resistance of the oxidation / reduction reactive species (electrolyte) becomes small, and the series resistance component inside the battery becomes small. The photoelectric conversion efficiency in the battery is further improved.

光電極を構成する多孔質膜の比表面積すなわち単位重量あたりの表面積(cm/g)が大きいほど、粒子表面に担持された増感色素と電解質成分との接触効率が良くなり、光電変換効率を向上させることができる。多孔質膜の比表面積を大きくするためには、前記粒子の一次粒子径(体積平均粒子径)は小さいほど好ましく、例えば前記粒子として酸化チタン粒子を用いる場合、その一次粒子径は、1nm〜200nmであることが好ましく、1nm〜100nmであることがより好ましく、5nm〜50nmであることがさらに好ましく、10nm〜30nmであることが特に好ましい。
微粒子の一次粒子径が上記範囲の下限値以上であると、多孔質膜の空隙が電解質の拡散により適したものになり、上記範囲の上限値以下であると、多孔質膜の比表面積を充分に大きくして増感色素を充分に担持できる。
The larger the specific surface area of the porous film constituting the photoelectrode, that is, the surface area per unit weight (cm 2 / g), the better the contact efficiency between the sensitizing dye supported on the particle surface and the electrolyte component, and the photoelectric conversion efficiency Can be improved. In order to increase the specific surface area of the porous membrane, the primary particle diameter (volume average particle diameter) of the particles is preferably as small as possible. For example, when titanium oxide particles are used as the particles, the primary particle diameter is 1 nm to 200 nm. Preferably, the thickness is 1 nm to 100 nm, more preferably 5 nm to 50 nm, and particularly preferably 10 nm to 30 nm.
If the primary particle diameter of the fine particles is not less than the lower limit of the above range, the pores of the porous film will be more suitable for diffusion of the electrolyte, and if it is not more than the upper limit of the above range, the specific surface area of the porous film will be sufficient. The sensitizing dye can be sufficiently supported by increasing the size.

AD法で成膜する場合、一次粒子径が例えば10〜100nmの酸化チタン粒子のみを用いても良いが、吹き付けの条件によっては、形成した多孔質膜において粒子同士が密に接合し、多孔質膜の比表面積が充分に大きくならない可能性がある。そこで、より容易に、充分な比表面積を有する多孔質膜を形成する方法として、例えば、一次粒子径が10nm〜100nmの粒子(小径粒子)と0.2μm〜10μmの粒子(大径粒子)とを併用する、つまり一次粒子径が異なる2種以上の粒子を併用する方法が挙げられる。   When the film is formed by the AD method, only titanium oxide particles having a primary particle diameter of, for example, 10 to 100 nm may be used. However, depending on the spraying conditions, the particles are closely bonded to each other in the formed porous film. The specific surface area of the film may not be sufficiently large. Therefore, as a method of forming a porous film having a sufficient specific surface area more easily, for example, particles having a primary particle size of 10 nm to 100 nm (small particle) and particles having a particle size of 0.2 μm to 10 μm (large particle) In combination, that is, a method using two or more kinds of particles having different primary particle diameters.

一次粒子径が異なる2種以上の粒子を併用する場合、成膜する前に予め各粒子を混合しておくことが好ましい。各粒子を混合する際は、乾式のブレンダーを用いることが好ましい。ブレンダーとしては、容器回転式、攪拌羽根式、エアー式などの公知の手法が挙げられる。また、ブレンダーを用いずとも、乳鉢、自動乳鉢などによる乾式混合を用いてもかまわない。   When two or more kinds of particles having different primary particle diameters are used in combination, it is preferable to mix each particle in advance before film formation. When mixing each particle, it is preferable to use a dry blender. Examples of the blender include known methods such as a container rotation type, a stirring blade type, and an air type. Moreover, you may use the dry mixing by a mortar, an automatic mortar, etc., without using a blender.

前記粒子として酸化チタン粒子を用いる場合、酸化チタンの結晶型は、アナターゼ型、ルチル型およびブルカイト型のいずれでもよい。アナターゼ型酸化チタンで構成された多孔質膜は、ルチル型酸化チタンで構成された多孔質膜よりも反応活性が高くなり、増感色素からの電子注入が一層効率的になる。一方、ルチル型酸化チタンは屈折率が高いため、ルチル型酸化チタンで多孔質膜を形成することにより、前記多孔質膜における光散乱効果及び光利用効率を一層高めることができる。   When titanium oxide particles are used as the particles, the crystal form of titanium oxide may be any of anatase type, rutile type and brookite type. A porous film made of anatase-type titanium oxide has higher reaction activity than a porous film made of rutile-type titanium oxide, and electron injection from the sensitizing dye becomes more efficient. On the other hand, since rutile type titanium oxide has a high refractive index, the light scattering effect and light utilization efficiency in the porous film can be further enhanced by forming the porous film with rutile type titanium oxide.

前記酸化チタン粒子の形状は、特に限定されず、球状又はその類似形状、正八面体状又はその類似形状、星状又はその類似形状、針状、板状、繊維状等が例示できる。これらのなかでは、球状又は正八面体状の類似形状のものが容易に入手できる。また、長繊維状等の繊維状とすることにより、光散乱効果と電子移動効率をより向上できる場合がある。   The shape of the titanium oxide particles is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape or a similar shape thereof, an octahedral shape or a similar shape thereof, a star shape or a similar shape thereof, a needle shape, a plate shape, and a fiber shape. Among these, a spherical or regular octahedral shape having a similar shape is easily available. Moreover, the light scattering effect and the electron transfer efficiency may be further improved by using a fibrous form such as a long fiber form.

前記酸化チタン粒子に、増感色素を担持させる方法は特に制限されず、前述した色素溶液に前記酸化チタン粒子を接触させる方法が適用できる。   The method for supporting the sensitizing dye on the titanium oxide particles is not particularly limited, and the method of bringing the titanium oxide particles into contact with the dye solution described above can be applied.

[成膜装置]
AD法による多孔質膜の形成に適用できる成膜装置の一例を図1に例示する。成膜装置10の成膜室1には、導電体である透明導電層が形成された基材3を配置するためのステージ13が備えられている。ステージ13は、基材3を配置した状態で水平方向に移動可能となっている。また、成膜室1には、真空ポンプ12が接続されており、成膜室1内は必要に応じて陰圧にされる。また、成膜室1内には長方形の開口部を持つノズル2が配置されている。ノズル2の開口部はステージ13上の基材3に対向するように配置されている。ノズル2には、搬送管6を介してガスボンベ5が接続されている。搬送管6の途中には、ガスボンベ5側から順に、マスフロー制御器7、エアロゾル発生器8、解砕器9および分級器11が設けられている。なお、微粒子及び増感色素の種類によっては、解砕器9および分級器11において微粒子同士が擦れ合うことにより、当該微粒子から増感色素が脱離してしまう可能性がある。脱離の程度が激しくなってしまう場合には、解砕器9および分級器11を使用しなくても構わない。
[Film deposition system]
An example of a film forming apparatus applicable to the formation of a porous film by the AD method is illustrated in FIG. The film forming chamber 1 of the film forming apparatus 10 is provided with a stage 13 for placing the base material 3 on which a transparent conductive layer as a conductor is formed. The stage 13 is movable in the horizontal direction with the base material 3 disposed. Further, a vacuum pump 12 is connected to the film forming chamber 1, and the inside of the film forming chamber 1 is set to a negative pressure as necessary. A nozzle 2 having a rectangular opening is disposed in the film forming chamber 1. The opening of the nozzle 2 is disposed so as to face the substrate 3 on the stage 13. A gas cylinder 5 is connected to the nozzle 2 via a transport pipe 6. A mass flow controller 7, an aerosol generator 8, a crusher 9, and a classifier 11 are provided in the transport pipe 6 in order from the gas cylinder 5 side. Depending on the type of fine particles and sensitizing dye, the sensitizing dye may be detached from the fine particles by rubbing the fine particles in the crusher 9 and the classifier 11. When the degree of desorption becomes severe, the crusher 9 and the classifier 11 need not be used.

成膜装置10において、搬送ガスであるヘリウムをガスボンベ5から搬送管6へ供給し、そのヘリウムの流速をマスフロー制御器7で調整している。エアロゾル発生器8には、予め増感色素を吸着させた微粒子を装填し、搬送管6中を流れるヘリウムに当該微粒子を分散させて、微粒子を解砕器9および分級器11へ搬送する。そして、ノズル2から、微粒子4が亜音速〜超音速の噴射速度で、基材3上に形成された透明導電層上に噴射される。この際、成膜室1内をポンプ12により真空にしておくことにより、搬送ガスとして使用したヘリウム雰囲気下で成膜することができる。   In the film forming apparatus 10, helium, which is a carrier gas, is supplied from the gas cylinder 5 to the carrier pipe 6, and the flow rate of the helium is adjusted by the mass flow controller 7. The aerosol generator 8 is loaded with fine particles on which a sensitizing dye has been adsorbed in advance, and the fine particles are dispersed in helium flowing through the conveying tube 6, and the fine particles are conveyed to the crusher 9 and the classifier 11. The fine particles 4 are ejected from the nozzle 2 onto the transparent conductive layer formed on the substrate 3 at a subsonic to supersonic ejection speed. At this time, the inside of the film forming chamber 1 is evacuated by the pump 12 so that the film can be formed in a helium atmosphere used as a carrier gas.

搬送ガスによって加速する微粒子の速度は、微粒子の種類、大きさ、組み合わせ等によって異なるため一概には言えないが、例えば10nm〜30nm程度のルチル型酸化チタン粒子を吹き付ける場合、その吹き付け速度としては、10〜1000m/sが好ましく、10〜500m/sがより好ましく、10〜200m/sがさらに好ましい。使用する導電体及び微粒子を定めた上で、吹き付け速度と形成される多孔質膜の状態との相関を検討することが好ましい。
吹き付け速度の好適な範囲の上限値は、微粒子が、導電体又は先行して堆積した微粒子に衝突した際に、過度に砕けることなく、吹き付け時の粒子径をほぼ保ったまま、多孔質膜を形成できるように検討することが好ましい。
吹き付け速度の好適な範囲の下限値は、微粒子が、導電体又は先行して堆積した微粒子に確実に接合して、充分な強度の多孔質膜を形成できるように検討することが好ましい。
The speed of the fine particles accelerated by the carrier gas varies depending on the kind, size, combination, etc. of the fine particles, but it cannot be said unconditionally. For example, when spraying rutile titanium oxide particles of about 10 nm to 30 nm, the spraying speed is as follows: 10-1000 m / s is preferable, 10-500 m / s is more preferable, and 10-200 m / s is further more preferable. After determining the conductor and fine particles to be used, it is preferable to examine the correlation between the spraying speed and the state of the porous film to be formed.
The upper limit of the preferred range of the spraying speed is that when the fine particles collide with the conductor or the previously deposited fine particles, the porous film is maintained while maintaining the particle diameter at the time of spraying without being excessively crushed. It is preferable to consider so that it can form.
It is preferable to examine the lower limit value of the preferable range of the spraying speed so that the fine particles can be reliably bonded to the conductor or the fine particles deposited in advance to form a sufficiently strong porous film.

AD法による成膜は、使用する微粒子の融点よりも充分に低い温度で行うことが好ましく、例えば200℃以下の雰囲気で行うことが好ましい。また、前記温度は、使用する基材の融点以下であることが好ましい。前記基材がプラスチック製である場合は、前記温度はビカット軟化温度未満であることが好ましい。   Film formation by the AD method is preferably performed at a temperature sufficiently lower than the melting point of the fine particles to be used, for example, in an atmosphere of 200 ° C. or lower. Moreover, it is preferable that the said temperature is below melting | fusing point of the base material to be used. When the substrate is made of plastic, the temperature is preferably less than the Vicat softening temperature.

[有機溶媒ゾルによる成膜方法]
本発明の光電極の製造方法において、予め増感色素を吸着させた前記粒子を有機溶媒ゾルに含有させて成膜する方法が適用できる。
[Deposition method using organic solvent sol]
In the method for producing a photoelectrode of the present invention, a method of forming a film by incorporating the particles having a sensitizing dye adsorbed in advance into an organic solvent sol can be applied.

前記有機溶媒ゾルは、前記粒子を有機溶媒に分散させたゾル状の流動体である。この際、前記粒子には予め増感色素が吸着されているため、前記有機溶媒は当該増感色素を当該粒子から脱離させない種類の有機溶媒、すなわち当該増感色素の溶解性が低い有機溶媒であることが好ましい。この際、前記有機溶媒として、1種の有機溶媒を単独で用いても良いし2種以上の有機溶媒を併用しても良い。   The organic solvent sol is a sol-like fluid in which the particles are dispersed in an organic solvent. At this time, since the sensitizing dye is adsorbed to the particles in advance, the organic solvent is a kind of organic solvent that does not desorb the sensitizing dye from the particles, that is, an organic solvent having low solubility of the sensitizing dye. It is preferable that At this time, as the organic solvent, one organic solvent may be used alone, or two or more organic solvents may be used in combination.

前記成膜方法としては、調製した前記有機溶媒ゾルを前記導電体上に塗布して乾燥し、当該有機溶媒を蒸発させた乾燥物を得て、さらに当該乾燥物を加圧プレスすることにより、当該乾燥物中に含まれる前記粒子同士を接合又は結着させて、多孔質膜又は緻密膜を形成する方法が好ましい。加圧プレスの圧力を調整することにより、多孔質膜の空隙率を調整することが可能である。前記圧力は、前記粒子の大きさや材料の種類に応じて適宜調整すれば良く、例えば前記粒子として酸化チタン粒子(一次粒子径10nm〜500nm程度)を使用する場合、前記圧力を10MPa〜200MPaで調整する方法が例示できる。   As the film forming method, the prepared organic solvent sol is applied onto the conductor and dried to obtain a dried product obtained by evaporating the organic solvent, and further, the dried product is pressed under pressure. A method of joining or binding the particles contained in the dried product to form a porous film or a dense film is preferable. It is possible to adjust the porosity of the porous membrane by adjusting the pressure of the pressure press. The pressure may be appropriately adjusted according to the size of the particles and the type of material. For example, when titanium oxide particles (primary particle diameter of about 10 nm to 500 nm) are used as the particles, the pressure is adjusted to 10 MPa to 200 MPa. The method of doing can be illustrated.

前記有機溶媒ゾルの塗布方法は、所望の形状(例えば薄膜状)又は膜厚に塗布可能な方法であれば特に限定されず、スクリーン印刷法、スピンコート法、スキージ法、ドクターブレード法、エアスプレー法等の公知の方法が適用できる。   The method for applying the organic solvent sol is not particularly limited as long as it is a method that can be applied in a desired shape (for example, in a thin film shape) or a film thickness. Screen printing method, spin coating method, squeegee method, doctor blade method, air spray A known method such as a method can be applied.

前記有機溶媒ゾル中の前記粒子の配合量は、5〜60質量%であることが好ましく、20〜40質量%であることがより好ましい。前記粒子の配合量が上記範囲の下限値以上であることにより、当該有機溶媒ゾルを適度な膜厚で塗布できる。一方、前記粒子の配合量が上記範囲の上限値以下であることにより、有機溶媒ゾルの粘度が過度に高くなることを抑制し、容易に塗布することができる。   The blending amount of the particles in the organic solvent sol is preferably 5 to 60% by mass, and more preferably 20 to 40% by mass. When the blending amount of the particles is not less than the lower limit of the above range, the organic solvent sol can be applied with an appropriate film thickness. On the other hand, when the blending amount of the particles is not more than the upper limit of the above range, the viscosity of the organic solvent sol can be suppressed from being excessively increased and can be easily applied.

[多層構造の形成]
前記導電体の上に前記粒子を成膜する際の層構造は、単層であっても良いし、多層構造であっても良い。以下では、多層構造を形成する場合を説明するが、単層構造とする場合には、多層構造の第一層目だけを形成すれば良い。
[Formation of multilayer structure]
The layer structure used when depositing the particles on the conductor may be a single layer or a multilayer structure. Hereinafter, a case where a multilayer structure is formed will be described. However, in the case of a single layer structure, only the first layer of the multilayer structure may be formed.

図2に例示した光電極20は、基材26であるガラス板、基材26の一方の面26aに形成された導電体25である透明導電層、導電体25上に順次積層されて多層構造を形成している第一多孔質層21、第二多孔質層22、第三多孔質層23及び第四多孔質層24を備えている。
光電極20の例では4層構造であるが、積層する層の数は特に制限されず、多層構造にする目的に応じて適宜調整することができ、例えば2〜10層構造が挙げられる。
The photoelectrode 20 illustrated in FIG. 2 has a multilayer structure in which a glass plate as a base material 26, a transparent conductive layer as a conductor 25 formed on one surface 26a of the base material 26, and a conductor 25 are sequentially laminated. The first porous layer 21, the second porous layer 22, the third porous layer 23, and the fourth porous layer 24 are provided.
Although the example of the photoelectrode 20 has a four-layer structure, the number of layers to be stacked is not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the purpose of forming a multilayer structure, for example, a 2 to 10 layer structure.

光電極20のような多層構造を備えた多孔質膜を形成する成膜方法としては、AD法が特に好ましい。各層を構成する前記粒子を準備して、順次、導電体25の上にAD法により当該粒子を吹き付けて積層するという手間の少ない方法で、容易に多層構造を形成することができる。一方、粒子をバインダー樹脂又は溶媒に混ぜたペーストを用いる成膜方法では、各層ごとにペースト塗布及び焼成若しくは乾燥を行う必要があるため煩雑である。しかも焼成を繰り返すことによって、第一層目に対して複数回の焼成処理が施されるため、第一層目を構成する粒子に予め吸着された増感色素が熱分解してしまう虞がある。   As a film forming method for forming a porous film having a multilayer structure like the photoelectrode 20, the AD method is particularly preferable. A multilayer structure can be easily formed by preparing the particles constituting each layer and sequentially spraying and laminating the particles on the conductor 25 by the AD method. On the other hand, the film formation method using a paste in which particles are mixed with a binder resin or a solvent is complicated because it is necessary to perform paste application and firing or drying for each layer. In addition, by repeating the firing, the first layer is subjected to a plurality of firing treatments, so that the sensitizing dye previously adsorbed on the particles constituting the first layer may be thermally decomposed. .

各層を構成する粒子の種類又は各層を構成する粒子に予め吸着させる増感色素の種類や濃度を各層毎に変化させることによって、多層構造を有する多孔質膜に種々の特性を付与することができる。   Various characteristics can be imparted to the porous film having a multilayer structure by changing the kind of particles constituting each layer or the kind and concentration of the sensitizing dye adsorbed in advance on the particles constituting each layer for each layer. .

例えば、前記導電体上に、異なる増感色素が吸着された複数種類の前記粒子を、前記増感色素の種類毎に層を分けて2層以上の多層構造となるように積層することが挙げられる。このように積層された多層構造を有する多孔質膜は、前記増感色素の種類に応じた異なる化学構造及び吸収スペクトル特性を有するため、当該多孔質膜を備えた光電極が吸収する光のスペクトル範囲が広くなり、結果として当該光電極による光電変換効率を向上させることができる。この効果を充分に奏するために、各層に配置する各増感色素は、可視光域における吸収ピーク波長が互いに異なる組み合わせで用いることが好ましい。   For example, a plurality of types of the particles on which different sensitizing dyes are adsorbed are stacked on the conductor so as to form a multilayer structure of two or more layers by dividing the layer for each type of the sensitizing dye. It is done. Since the porous film having a multilayer structure laminated in this way has different chemical structures and absorption spectrum characteristics depending on the type of the sensitizing dye, the spectrum of the light absorbed by the photoelectrode provided with the porous film The range becomes wider, and as a result, the photoelectric conversion efficiency by the photoelectrode can be improved. In order to sufficiently exhibit this effect, the sensitizing dyes disposed in the respective layers are preferably used in combinations having different absorption peak wavelengths in the visible light region.

各層毎に異なる種類の増感色素を配置する場合、各増感色素の可視光域(360nm〜830nm)における吸収ピーク波長を考慮することが好ましい。例えば、N719の吸収ピーク波長は540nm付近であり、N749の吸収ピーク波長は600nm付近である。このように増感色素は、可視光の波長域において、各々異なった吸収ピーク波長及び吸収スペクトルを有することが多い。   When different types of sensitizing dyes are arranged for each layer, it is preferable to consider the absorption peak wavelength in the visible light region (360 nm to 830 nm) of each sensitizing dye. For example, the absorption peak wavelength of N719 is around 540 nm, and the absorption peak wavelength of N749 is around 600 nm. Thus, sensitizing dyes often have different absorption peak wavelengths and absorption spectra in the visible light wavelength range.

吸収スペクトルが異なる2種以上の増感色素を各層毎に配置する場合、各増感色素の有する吸収ピーク波長は、互いに5nm以上異なることが好ましく、10nm以上異なることがより好ましく、30nm以上異なることが更に好ましく、50nm以上異なることが特に好ましい。吸収ピーク波長が上記下限値以上で異なる2種以上の増感色素を組み合わせて用いることにより、多層構造が全体として幅広い吸収スペクトルを呈することが可能となり、光電極に入射して来る光エネルギーをより多く吸収して、光電変換効率を向上させることができる。各増感色素の吸収ピーク波長の差の上限は特に制限されない。   When two or more sensitizing dyes having different absorption spectra are arranged in each layer, the absorption peak wavelengths of the sensitizing dyes are preferably different from each other by 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, and more preferably 30 nm or more. Is more preferable, and it is particularly preferable that the difference be 50 nm or more. By using a combination of two or more sensitizing dyes whose absorption peak wavelengths are different from the above lower limit values or more, the multilayer structure can exhibit a broad absorption spectrum as a whole, and the light energy incident on the photoelectrode can be further reduced. It can absorb a lot and improve the photoelectric conversion efficiency. The upper limit of the difference in absorption peak wavelength of each sensitizing dye is not particularly limited.

<光電極>
前記多層構造を有する光電極の実施態様として、図2に示した光電極20が例示できる。本発明に係る光電極20には前記多層構造を有する酸化物半導体層が備えられ、前記多層構造を構成する各層毎に、可視光域における吸収ピーク波長の異なる増感色素がそれぞれ吸着されている。光電極20において、N3(吸収ピーク:500nm付近)を吸着した酸化チタン粒子で第一多孔質層21を成膜し、N719(吸収ピーク:540nm付近)を吸着した酸化チタン粒子で第二多孔質層22を成膜し、N749(吸収ピーク:600nm付近)を吸着した酸化チタン粒子で第三多孔質層23を成膜し、最後に、色素を吸着させていない酸化チタン粒子で第四多孔質層24を成膜した、4層構造の多孔質膜を備えた構成が例示できる。このように各層毎に異なる吸収スペクトルを有する増感色素が配置された構成であると、広い波長域の入射光を吸収し、光電変換効率をより向上させることができる。この具体例においては、第四多孔質層24は色素を吸着していない白色の層であるため、主に光を反射又は散乱する層として機能しうる。つまり、基材26及び導電体25側から入射した光の一部が、第一多孔質層21〜第三多孔質層23を透過し、第四多孔質層24に到達した後、第四多孔質層24によって反射又は散乱され、再び第一多孔質21〜第三多孔質23側に戻される。戻された光が第一多孔質層21〜第三多孔質層23の増感色素に吸収されることにより、入射光の吸収率すなわち光利用率を高めることができる。
<Photoelectrode>
As an embodiment of the photoelectrode having the multilayer structure, the photoelectrode 20 shown in FIG. 2 can be exemplified. The photoelectrode 20 according to the present invention includes the oxide semiconductor layer having the multilayer structure, and a sensitizing dye having a different absorption peak wavelength in the visible light region is adsorbed to each layer constituting the multilayer structure. . In the photoelectrode 20, the first porous layer 21 is formed with titanium oxide particles adsorbing N3 (absorption peak: around 500 nm), and the second multi-layer is formed with titanium oxide particles adsorbing N719 (absorption peak: around 540 nm). The porous layer 22 is formed, the third porous layer 23 is formed with titanium oxide particles adsorbing N749 (absorption peak: around 600 nm), and finally the titanium oxide particles not adsorbing the dye are first. The structure provided with the porous film of the 4 layer structure which formed the four porous layer 24 into a film can be illustrated. Thus, when it is the structure by which the sensitizing dye which has a different absorption spectrum for each layer is arrange | positioned, the incident light of a wide wavelength range can be absorbed and a photoelectric conversion efficiency can be improved more. In this specific example, since the fourth porous layer 24 is a white layer that does not adsorb a dye, it can mainly function as a layer that reflects or scatters light. That is, after a part of light incident from the base material 26 and the conductor 25 side passes through the first porous layer 21 to the third porous layer 23 and reaches the fourth porous layer 24, It is reflected or scattered by the fourth porous layer 24 and returned to the first porous 21 to the third porous 23 side again. When the returned light is absorbed by the sensitizing dyes of the first porous layer 21 to the third porous layer 23, the absorption rate of incident light, that is, the light utilization rate can be increased.

<色素増感太陽電池>
本発明の色素増感太陽電池は前述した本発明の光電極を備える。当該光電極以外の構成は、従来公知の色素増感太陽電池と同様の構成とすることができる。例えば、基材の表面に白金等の導電層が設けられた対向電極(対極)を用意して、所定の間隔をおいて、本発明の光電極を対向して配置し、これら電極間に電解液を充填した構成が挙げられる。
本発明の色素増感太陽電池は、光電極が入射光の利用効率に極めて優れるので、光電変換効率に優れる。
<Dye-sensitized solar cell>
The dye-sensitized solar cell of the present invention includes the above-described photoelectrode of the present invention. The configuration other than the photoelectrode can be the same as that of a conventionally known dye-sensitized solar cell. For example, a counter electrode (counter electrode) in which a conductive layer such as platinum is provided on the surface of a substrate is prepared, the photoelectrodes of the present invention are arranged facing each other at a predetermined interval, and electrolysis is performed between these electrodes. The structure filled with the liquid is mentioned.
The dye-sensitized solar cell of the present invention is excellent in photoelectric conversion efficiency because the photoelectrode is extremely excellent in utilization efficiency of incident light.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to a following example.

<実施例1>
[増感色素の吸着]
TiO製の大径粒子(一次粒子径:約2μm)と小径粒子(一次粒子径:約30nm)を95:5で混合した混合粒子を、市販のMK−2をトルエンに溶解(濃度0.5M)して調製した色素溶液に浸漬し、30℃で24時間保持することにより、当該TiO粒子に色素を吸着させた。色素吸着後、前記粒子を浸漬させた状態の色素溶液を減圧下で保持することにより、溶媒であるトルエンを揮発除去し、成膜する前の前記混合粒子にMK−2を予め吸着させた。
<Example 1>
[Adsorption of sensitizing dye]
Commercially available MK-2 was dissolved in toluene (concentration of 0. 0) by mixing 95: 5 mixed particles of TiO 2 large particles (primary particle size: about 2 µm) and small particles (primary particle size: about 30 nm). 5M), the dye was adsorbed to the TiO 2 particles by immersing in the dye solution prepared at 5 M) and holding at 30 ° C. for 24 hours. After the dye adsorption, the dye solution in which the particles were immersed was held under reduced pressure to volatilize and remove toluene as a solvent, and MK-2 was adsorbed in advance to the mixed particles before film formation.

[AD法による多孔質膜の形成]
透明導電層であるITOを表面に備えたガラス基板を使用して、前記混合粒子をAD法により前記透明導電層上に吹き付けて、多孔質膜(多孔質酸化チタン層)を膜厚5μmで形成し、光電極を得た。成膜された多孔質膜には色素が充分に担持されていた。
AD法による成膜は、下記の条件で行った。
・成膜室内の雰囲気:常温(25℃)、真空(20Pa)
・搬送ガス:酸素ガス(1L/min)
・吹き付けノズルの開口部の形状:10mm×0.5mmの長方形
・混合粒子の吹き付け速度(100m/s)
[Porous membrane formation by AD method]
Using a glass substrate with ITO, which is a transparent conductive layer, on the surface, the mixed particles are sprayed onto the transparent conductive layer by the AD method to form a porous film (porous titanium oxide layer) with a film thickness of 5 μm. Thus, a photoelectrode was obtained. The formed porous film was sufficiently loaded with the dye.
Film formation by the AD method was performed under the following conditions.
・ Atmosphere in the deposition chamber: normal temperature (25 ° C.), vacuum (20 Pa)
-Carrier gas: oxygen gas (1 L / min)
-Shape of opening of spray nozzle: rectangle of 10 mm x 0.5 mm-Spray speed of mixed particles (100 m / s)

[色素増感太陽電池の作製]
色素を担持した多孔質膜およびガラス基板からなる光電極をアルコールで軽く洗浄した後、薄膜の周りに30μm厚みのシリコンゴムのスペーサーを配し、電解液(Iodolyte50,ソラロニクス社製)を注いだ。続いて、空気が入らないように、白金コーティング付きガラスからなる対極を被せて、ダブルクリップで光電極と対極とを挟んで圧着し、色素増感太陽電池の簡易セルを得た。有効面積は4mm角とした。
[Preparation of dye-sensitized solar cell]
A photoelectrode composed of a porous film carrying a dye and a glass substrate was lightly washed with alcohol, and then a 30 μm thick silicon rubber spacer was placed around the thin film, and an electrolytic solution (Iodolyte 50, manufactured by Solaronics) was poured. Subsequently, a counter electrode made of glass with platinum coating was placed over the glass so as not to enter air, and the photoelectrode and the counter electrode were sandwiched with a double clip and pressed to obtain a simple cell of a dye-sensitized solar cell. The effective area was 4 mm square.

[光電変換効率の評価]
I‐V特性測定装置を備えたソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm)を用いて、作製した簡易セルの光電変換効率を評価した。この際、DC電圧を40mV/secで走査しながら出力電流値を計測し、I‐V特性(電流−電圧特性)を得た。これに基づいて、開放電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)および光電変換効率(PCE)を算出した。その結果を、表1及び図3に示す。
[Evaluation of photoelectric conversion efficiency]
Using a solar simulator (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) equipped with an IV characteristic measurement device, the photoelectric conversion efficiency of the prepared simple cell was evaluated. At this time, the output current value was measured while scanning the DC voltage at 40 mV / sec to obtain IV characteristics (current-voltage characteristics). Based on this, an open circuit voltage (Voc), a short circuit current density (Jsc), a fill factor (FF), and a photoelectric conversion efficiency (PCE) were calculated. The results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 2013196852
Figure 2013196852

以上のとおり、本発明の光電極の製造方法により、充分に機能する色素増感太陽電池を作製できた。また、多孔質膜の成膜前に色素を酸化チタン粒子に予め吸着させているため、成膜後に色素吸着させる場合と比べて、成膜開始から光電極及び色素増感太陽電池の完成までに要する時間が格段に速くなっている。したがって、本発明の光電極の製造方法によれば、光電極の生産性(製造速度)を高められることが明らかである。   As described above, a fully functional dye-sensitized solar cell could be produced by the method for producing a photoelectrode of the present invention. In addition, since the dye is preliminarily adsorbed to the titanium oxide particles before the porous film is formed, compared to the case where the dye is adsorbed after the film formation, from the start of film formation to the completion of the photoelectrode and the dye-sensitized solar cell. The time required is much faster. Therefore, it is clear that according to the method for producing a photoelectrode of the present invention, the productivity (production speed) of the photoelectrode can be increased.

1…成膜室、2…ノズル、3…基材、4…予め増感色素が吸着された微粒子、5…ガスボンベ、6…搬送管、7…マスフロー制御器、8…エアロゾル発生器、9…解砕器、10…成膜装置、11…分級器、12…ポンプ、13…ステージ、20…光電極、21…第一多孔質層、22…第二多孔質層、23…第三多孔質層、24…第四多孔質層、25…導電体、26…基材、26a…一方の面。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Film-forming chamber, 2 ... Nozzle, 3 ... Base material, 4 ... Fine particle by which sensitizing dye was previously adsorbed, 5 ... Gas cylinder, 6 ... Transport pipe, 7 ... Mass flow controller, 8 ... Aerosol generator, 9 ... Crusher, 10 ... film forming apparatus, 11 ... classifier, 12 ... pump, 13 ... stage, 20 ... photoelectrode, 21 ... first porous layer, 22 ... second porous layer, 23 ... third Porous layer, 24 ... fourth porous layer, 25 ... conductor, 26 ... substrate, 26a ... one surface.

Claims (8)

増感色素が予め吸着された酸化物半導体粒子を導電体の上に成膜することを特徴とする光電極の製造方法。 A method for producing a photoelectrode, comprising depositing oxide semiconductor particles having a sensitizing dye adsorbed thereon on a conductor. 前記粒子を高速で前記導電体に吹き付けて、前記粒子で構成された薄膜を前記導電体上に成膜することを特徴とする請求項1に記載の光電極の製造方法。 The method for producing a photoelectrode according to claim 1, wherein the particles are sprayed onto the conductor at a high speed to form a thin film composed of the particles on the conductor. 前記導電体上に、異なる増感色素が吸着された複数種類の前記粒子を、前記増感色素の種類毎に層を分けて2層以上の多層構造となるように積層することを特徴とする請求項1又は2に記載の光電極の製造方法。 A plurality of types of the particles having different sensitizing dyes adsorbed thereon are laminated on the conductor so as to form a multilayer structure of two or more layers by dividing the layer for each type of the sensitizing dye. The manufacturing method of the photoelectrode of Claim 1 or 2. 前記導電体上に、可視光域における吸収ピーク波長の異なる増感色素が吸着された複数種類の前記粒子を、前記増感色素の種類毎に層を分けて2層以上の多層構造となるように積層することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の光電極の製造方法。 A plurality of types of the particles in which sensitizing dyes having different absorption peak wavelengths in the visible light region are adsorbed on the conductor are divided into layers for each type of the sensitizing dye so as to have a multilayer structure of two or more layers. The method for producing a photoelectrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the photoelectrode is laminated. 前記導電体上に、第一の増感色素が吸着された第一粒子と、第二の増感色素が吸着された第二粒子とを積層し、前記第一の増感色素と前記第二の増感色素の可視光域における吸収ピーク波長が10nm以上異なることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の光電極の製造方法。   On the conductor, first particles adsorbed with a first sensitizing dye and second particles adsorbed with a second sensitizing dye are laminated, and the first sensitizing dye and the second sensitizing dye are laminated. The method for producing a photoelectrode according to any one of claims 1 to 4, wherein an absorption peak wavelength of the sensitizing dye in the visible light region is different by 10 nm or more. 前記導電体として、プラスチック製の透明基材上に形成された透明導電層を用いることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の光電極の製造方法。 The method for producing a photoelectrode according to any one of claims 1 to 5, wherein a transparent conductive layer formed on a plastic transparent substrate is used as the conductor. 多層構造を有する酸化物半導体層が備えられ、前記多層構造を構成する各層毎に、可視光域における吸収ピーク波長の異なる増感色素がそれぞれ吸着されていることを特徴とする光電極。 A photoelectrode comprising an oxide semiconductor layer having a multilayer structure, wherein a sensitizing dye having a different absorption peak wavelength in the visible light region is adsorbed in each layer constituting the multilayer structure. 請求項1〜6の何れか一項に記載の製造方法によって得られた光電極又は請求項7に記載の光電極が備えられていることを特徴とする色素増感太陽電池。 A dye-sensitized solar cell, comprising the photoelectrode obtained by the production method according to any one of claims 1 to 6 or the photoelectrode according to claim 7.
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