JP2000277180A - Photoelectric transfer element and photoelectrochemical battery - Google Patents

Photoelectric transfer element and photoelectrochemical battery

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JP2000277180A
JP2000277180A JP11079474A JP7947499A JP2000277180A JP 2000277180 A JP2000277180 A JP 2000277180A JP 11079474 A JP11079474 A JP 11079474A JP 7947499 A JP7947499 A JP 7947499A JP 2000277180 A JP2000277180 A JP 2000277180A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
dye
group
fine particles
atom
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JP11079474A
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Japanese (ja)
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Tetsuya Watanabe
哲也 渡辺
Shoichi Sen
昌一 千
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Fujifilm Holdings Corp
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Fuji Photo Film Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To impart absorptive capability in a red to infrared region and to improve photoelectric transfer efficiency at a low cost by including semiconductor particles increased in sensitivity by a polymethine pigment. SOLUTION: A polymethine pigment is expressed by the formula. In the formula, X is a S, O, Se or Te atom. R1, R2, R3 and R4 each are independently a H atom or a substituted group, and R1 and R2, and R3 and R4 may be formed into a cyclic structure by combining them together, respectively. L is a substituted or unsubstituted methine group, and Q represents a non-metal atom group necessary for completing the polymethine pigment. W represents a couple of ions necessary for neutralizing charge. The polymethine pigment preferably has at least one acid group, for instance, a carboxylic acid group, and is desirably contained in at least any of R1, R3 and Q. Titanium oxide fine particles are suitably used as semiconductor fine particles contained in this photoelectric transfer element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は色素により増感され
た半導体微粒子を用いた光電変換素子に関する。更に
は、これを用いた光電気化学電池に関する。
The present invention relates to a photoelectric conversion element using semiconductor fine particles sensitized by a dye. Further, the present invention relates to a photoelectrochemical cell using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】Nature(第353巻、第737〜740頁、1991
年)および米国特許4927721号等に、色素によって増感
された半導体微粒子を用いた光電変換素子および太陽電
池、ならびにこれを作成するための材料および製造技術
が開示された。提案された電池は、ルテニウム錯体によ
って分光増感された二酸化チタン多孔質薄膜を作用電極
とする湿式太陽電池である。この方式の第一の利点は二
酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度に精製する
ことなく用いることができるため、安価な光電変換素子
を提供できる点であり、第二の利点は用いられる色素の
吸収がブロードなため、可視光線のかなりの波長領域の
光を電気に変換できることである。
2. Description of the Related Art Nature (Vol. 353, pp. 737-740, 1991)
And U.S. Pat. No. 4,492,721 disclose a photoelectric conversion element and a solar cell using semiconductor fine particles sensitized with a dye, and materials and manufacturing techniques for producing the same. The proposed battery is a wet solar battery using a titanium dioxide porous thin film spectrally sensitized by a ruthenium complex as a working electrode. The first advantage of this method is that an inexpensive oxide semiconductor such as titanium dioxide can be used without purification to a high degree of purity, so that an inexpensive photoelectric conversion element can be provided. Due to the broad absorption of the dye, light in a considerable wavelength region of visible light can be converted into electricity.

【0003】色素増感光電変換素子の改良が求められる
点の一つに、従来、増感色素として高価なルテニウム錯
体色素を用いことが挙げられ、安価な有機色素によって
増感された光電変換素子の開発が望まれていた。特に、
赤〜赤外光で高い光電変換効率を有する色素の開発が望
まれていた。
One of the points that require improvement of the dye-sensitized photoelectric conversion element is to use an expensive ruthenium complex dye as a sensitizing dye, and a photoelectric conversion element sensitized with an inexpensive organic dye is known. The development of was desired. In particular,
Development of a dye having high photoelectric conversion efficiency in red to infrared light has been desired.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は赤〜赤
外域に吸収を有し、安価で高い光電変換効率を有する色
素増感光電変換素子および光電気化学電池を提供するこ
とである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a dye-sensitized photoelectric conversion element and a photoelectrochemical cell which have absorption in the red to infrared region, are inexpensive and have high photoelectric conversion efficiency.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明の課題は本発明を
特定する下記の事項およびその好ましい態様により達成
された。 (1) 下記式(I)で表されるポリメチン色素によっ
て増感された半導体微粒子を含有する光電変換素子。
The object of the present invention has been attained by the following items which specify the present invention and preferred embodiments thereof. (1) A photoelectric conversion element containing semiconductor fine particles sensitized by a polymethine dye represented by the following formula (I).

【0006】[0006]

【化2】 Embedded image

【0007】式中、Xは硫黄原子、酸素原子、セレン原
子またはテルル原子を表す。R1、R2、R3およびR4
それぞれ独立に水素原子または置換基であり、R1
2、およびR3とR4はそれぞれ連結することにより環
構造を形成してもよい。Lは置換または無置換のメチン
基であり、Qはポリメチン色素を完成するのに必要な非
金属原子群を表す。Wは電荷を中和させるのに必要な対
イオンを表す。 (2) 前記ポリメチン色素が少なくともひとつの酸性
基を有する上記(1)の光電変換素子。 (3) 前記の酸性基がカルボン酸基である上記(2)
の光電変換素子。 (4) Qが連結基としてのメチン基および含窒素ヘテ
ロ環からなる上記(1)〜(3)の光電変換素子。 (5) 前記含窒素ヘテロ環がベンゾチアゾリウム、イ
ンドレニウム、ベンゾオキサゾリウム、2-キノリニウ
ム、4−キノリニウムおよびこれらに由来する核から選
ばれる環である上記(4)の光電変換素子。 (6) 前記含窒素ヘテロ環がインドレニウム環である
上記(4)の光電変換素子。 (7) 前記半導体微粒子が酸化チタン微粒子である上
記(1)〜(6)のいずれかの光電変換素子。 (8) 上記(1)〜(7)のいずれかの光電変換素子
を用いた光電気化学電池。
In the formula, X represents a sulfur atom, an oxygen atom, a selenium atom or a tellurium atom. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom or a substituent, and R 1 and R 2 , and R 3 and R 4 may be linked to form a ring structure. L represents a substituted or unsubstituted methine group, and Q represents a group of non-metallic atoms necessary to complete a polymethine dye. W represents a counter ion necessary for neutralizing the charge. (2) The photoelectric conversion device according to (1), wherein the polymethine dye has at least one acidic group. (3) The above (2), wherein the acidic group is a carboxylic acid group.
Photoelectric conversion element. (4) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (3), wherein Q is a methine group as a linking group and a nitrogen-containing heterocycle. (5) The photoelectric conversion device according to (4), wherein the nitrogen-containing hetero ring is a ring selected from benzothiazolium, indolenium, benzoxazolium, 2-quinolinium, 4-quinolinium, and a nucleus derived therefrom. (6) The photoelectric conversion device according to (4), wherein the nitrogen-containing heterocycle is an indolenium ring. (7) The photoelectric conversion device according to any one of (1) to (6), wherein the semiconductor fine particles are titanium oxide fine particles. (8) A photoelectrochemical cell using the photoelectric conversion element according to any one of (1) to (7).

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下に本発明で増感色素として使
用する下記式(I)の化合物について詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The compound of the following formula (I) used as a sensitizing dye in the present invention will be described in detail below.

【0009】[0009]

【化3】 Embedded image

【0010】式中、Xは硫黄原子、酸素原子、セレン原
子またはテルル原子を表す。好ましくは硫黄原子または
酸素原子である。
In the formula, X represents a sulfur atom, an oxygen atom, a selenium atom or a tellurium atom. Preferably it is a sulfur atom or an oxygen atom.

【0011】R1〜R4はそれぞれ独立に水素原子または
置換基であり、R1とR2、R3とR4はそれぞれ連結して
環構造を形成しても良い。R1〜R4の置換基の例として
は、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数6から15の
アリール基、カルボン酸基、リン酸基、ハロゲン原子、
水酸基、アミノ基、ベンゾ縮環などが挙げられ、好まし
くは炭素数1から5のアルキル基、炭素数6から10の
アリール基、カルボン酸基またはベンゾ縮環である。こ
れらの置換基はさらに置換基を有していてもよく、さら
なる置換基としては特にカルボン酸基が好ましい。
R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom or a substituent, and R 1 and R 2 , and R 3 and R 4 may be connected to each other to form a ring structure. Examples of the substituent of R 1 to R 4 include an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 15 carbon atoms, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a halogen atom,
Examples thereof include a hydroxyl group, an amino group, and a benzo-fused ring, preferably an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, a carboxylic acid group or a benzo-fused ring. These substituents may further have a substituent, and a carboxylic acid group is particularly preferable as the further substituent.

【0012】Lは置換もしくは無置換のメチン基であ
り、好ましくは無置換である。Qはポリメチン色素を完
成するのに必要な非金属原子群を表す。例としては4-
アニリン、4-フェノール、一個のメチン基をスクアリ
リウムとの連結基として有するヘテロ環が挙げられ、好
ましくは一個のメチン基を有するヘテロ環である。この
ようなヘテロ環としては4-ピリリウム、4-チオピリリ
ウム、含窒素ヘテロ環などが挙げられるが、好ましくは
含窒素ヘテロ環であり、さらにその中で好ましくは、ベ
ンゾチアゾリウム、インドレニウム、ベンゾオキサゾリ
ウム、2-キノリニウム、4−キノリニウム、およびこ
れらに由来する核から選ばれる環であり、最も好ましく
はインドレニウム環である。
L is a substituted or unsubstituted methine group, preferably unsubstituted. Q represents a group of nonmetallic atoms necessary to complete the polymethine dye. For example, 4-
Examples include aniline, 4-phenol, and a heterocycle having one methine group as a linking group to squarylium, and preferably a heterocycle having one methine group. Examples of such a hetero ring include 4-pyrylium, 4-thiopyrylium, and a nitrogen-containing hetero ring. Among them, a nitrogen-containing hetero ring is preferable, and among them, benzothiazolium, indolenium, and benzoyl are preferable. A ring selected from oxazolium, 2-quinolinium, 4-quinolinium, and a nucleus derived therefrom, most preferably an indolenium ring.

【0013】Wは電荷を中和させるのに対イオンが必要
な場合の対イオンを表す。ある色素が陽イオン、陰イオ
ンであるか、あるいは正味のイオン電荷を持つかどうか
は、その助色団及び、置換基に依存する。置換基が解離
性基を有する場合、解離して負電荷を持っても良く、こ
の場合にも分子全体の電荷はWによって中和される。典
型的な陽イオンは無機または有機のアンモニウムイオン
(例えばテトラアルキルアンモニウムイオン、ピリジニ
ウムイオン)およびアルカリ金属イオンであり、一方、
陰イオンは具体的に無機陰イオンあるいは有機陰イオン
のいずれであってもよく、例えば、ハロゲン陰イオン、
(例えば、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオ
ン、ヨウ化物イオン)、置換アリールスルホン酸イオン
(例えば、p−トルエンスルホン酸イオン、p−クロロ
ベンゼンスルホン酸イオン)、アリールジスルホン酸イ
オン(例えば、1,3−ベンゼンジスルホン酸イオン、
1,5−ナフタレンジスルホン酸イオン、2,6−ナフ
タレンジスルホン酸イオン)、アルキル硫酸イオン(例
えば、メチル硫酸イオン)、硫酸イオン、チオシアン酸
イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオ
ン、ピクリン酸イオン、酢酸イオン、トリフルオロメタ
ンスルホン酸イオンが挙げられる。さらに電荷均衡対イ
オンとしてイオン性ポリマーあるいは、色素と逆電荷を
有する他の色素を用いてもよいし、金属錯イオン(例え
ば、ビスベンゼン−1,2−ジチオラトニッケル(III)
)も可能である。
W represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge. Whether a dye is a cation, an anion, or has a net ionic charge depends on its auxochrome and substituents. When the substituent has a dissociable group, it may dissociate and have a negative charge, and in this case also, the charge of the entire molecule is neutralized by W. Typical cations are inorganic or organic ammonium ions (eg, tetraalkylammonium ions, pyridinium ions) and alkali metal ions, while
The anion may be specifically an inorganic anion or an organic anion, for example, a halogen anion,
(E.g., fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion), substituted arylsulfonate ion (e.g., p-toluenesulfonate ion, p-chlorobenzenesulfonate ion), aryldisulfonate ion (e.g., 1 , 3-benzenedisulfonic acid ion,
1,5-naphthalenedisulfonic acid ion, 2,6-naphthalenedisulfonic acid ion), alkyl sulfate ion (for example, methyl sulfate ion), sulfate ion, thiocyanate ion, perchlorate ion, tetrafluoroborate ion, picric acid Ions, acetate ions, and trifluoromethanesulfonate ions. Further, an ionic polymer or another dye having a charge opposite to that of the dye may be used as a charge-balancing counter ion, or a metal complex ion (for example, bisbenzene-1,2-dithiolatonic nickel (III))
) Is also possible.

【0014】式(I)のポリメチン色素は、少なくとも
1つの酸性基を有していることが好ましい。酸性基とし
ては、カルボン酸基、リン酸基、スルホン酸基、水酸
基、ホウ酸基があり、好ましくはカルボン酸基、リン酸
基であり、最も好ましくはカルボン酸基である。また、
酸性基はどこに結合していてもよいが、R1、R3および
Qの少なくともいずれかに有しているのが好ましい。
The polymethine dye of the formula (I) preferably has at least one acidic group. Examples of the acidic group include a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a sulfonic acid group, a hydroxyl group, and a boric acid group, preferably a carboxylic acid group and a phosphoric acid group, and most preferably a carboxylic acid group. Also,
The acidic group may be bonded anywhere, but is preferably present in at least one of R 1 , R 3 and Q.

【0015】以下に本発明の式(I)で表される化合物
の具体例を示すが、本発明がこれに限定されるものでは
ない。
Hereinafter, specific examples of the compound represented by the formula (I) of the present invention are shown, but the present invention is not limited thereto.

【0016】[0016]

【化4】 Embedded image

【0017】[0017]

【化5】 Embedded image

【0018】本発明に用いられる式(I)で表される化
合物の合成は、米国特許第5,231,190号およびこれに引
用された文献の記載を参考にして行うことができる。
The compound represented by the formula (I) used in the present invention can be synthesized with reference to the description in US Pat. No. 5,231,190 and the references cited therein.

【0019】次に、本発明の光電変換素子および光電気
化学電池の構成と材料について詳述する。本発明におい
て色素増感した光電変換素子は導電性支持体、導電性支
持体上に設置される色素により増感した半導体膜(感光
層)、電荷移動層および対極からなる。半導体膜を設置
した導電性支持体は光電変換素子において作用電極とし
て機能する。この光電変換素子を外部回路で仕事をさせ
る電池用途に使用できるようにしたものが光電気化学電
池である。感光層は目的に応じて設計され、単層構成で
も多層構成でもよい。感光層に入射した光は色素を励起
する。励起色素はエネルギーの高い電子を有しており、
この電子が色素から半導体微粒子の伝導帯に渡され、さ
らに拡散によって導電性支持体に到達する。この時色素
分子は酸化体となっている。光電気化学電池においては
導電性支持体上の電子が外部回路で仕事をしながら対極
および電荷移動層を経て色素酸化体に戻り、色素が再生
する。半導体膜はこの電池の負極として働く。本発明
は、この半導体膜中の吸着色素を二種以上とするもので
ある。なお、本発明ではそれぞれの層の境界において
(例えば、導電性支持体の導電層と感光層の境界、感光
層と電荷移動層の境界、電荷移動層と対極の境界な
ど)、各層の構成成分同士が相互に拡散して混合してい
てもよい。
Next, the structure and materials of the photoelectric conversion element and the photoelectrochemical cell of the present invention will be described in detail. In the present invention, the dye-sensitized photoelectric conversion element includes a conductive support, a semiconductor film (photosensitive layer) sensitized by a dye provided on the conductive support, a charge transfer layer, and a counter electrode. The conductive support on which the semiconductor film is provided functions as a working electrode in the photoelectric conversion element. A photoelectrochemical cell that can use this photoelectric conversion element for a battery that works in an external circuit is used. The photosensitive layer is designed according to the purpose, and may have a single-layer structure or a multilayer structure. Light incident on the photosensitive layer excites the dye. Excited dyes have high energy electrons,
The electrons are transferred from the dye to the conduction band of the semiconductor fine particles, and reach the conductive support by diffusion. At this time, the dye molecule is in an oxidized form. In a photoelectrochemical cell, the electrons on the conductive support return to the oxidized dye via the counter electrode and the charge transfer layer while working in an external circuit, and the dye is regenerated. The semiconductor film functions as a negative electrode of this battery. In the present invention, two or more kinds of adsorbed dyes are contained in the semiconductor film. In the present invention, at the boundaries between the layers (for example, the boundary between the conductive layer and the photosensitive layer of the conductive support, the boundary between the photosensitive layer and the charge transfer layer, the boundary between the charge transfer layer and the counter electrode, etc.) They may be mutually diffused and mixed.

【0020】本発明において、半導体はいわゆる感光体
であり、光を吸収して電荷分離を行い電子と正孔を生ず
る役割を担う。色素増感された半導体では、光吸収およ
びこれによる電子および正孔の発生は主として色素にお
いて起こり、半導体はこの電子を受け取り、伝達する役
割を担う。
In the present invention, the semiconductor is a so-called photoreceptor, which plays a role of absorbing light to separate electric charges to generate electrons and holes. In a dye-sensitized semiconductor, light absorption and the resulting generation of electrons and holes mainly occur in the dye, and the semiconductor is responsible for receiving and transmitting the electrons.

【0021】半導体としてはシリコン、ゲルマニウムの
ような単体半導体の他に、金属のカルコゲニド(例えば
酸化物、硫化物、セレン化物等)に代表されるいわゆる
化合物半導体またはペロブスカイト構造を有する化合物
等を使用することができる。金属のカルコゲニドとして
好ましくはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジ
ルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウ
ム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、
ニオブ、もしくはタンタルの酸化物、カドミウム、亜
鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウ
ム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げ
られる。他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、イ
ンジウム、カドミウム等のリン化物、ガリウムヒ素、銅
−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等
が挙げられる。
As the semiconductor, besides a simple semiconductor such as silicon or germanium, a so-called compound semiconductor represented by a metal chalcogenide (for example, oxide, sulfide, selenide, etc.) or a compound having a perovskite structure is used. be able to. Preferably as a metal chalcogenide titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium,
Examples include niobium or tantalum oxide, cadmium, zinc, lead, silver, antimony, bismuth sulfide, cadmium, selenide of lead, and telluride of cadmium. Other compound semiconductors include phosphides such as zinc, gallium, indium and cadmium, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide and the like.

【0022】また、ペロブスカイト構造を有する化合物
として好ましくはチタン酸ストロンチウム、チタン酸カ
ルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニ
オブ酸カリウムが挙げられる。
The compound having a perovskite structure is preferably strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, or potassium niobate.

【0023】本発明に用いられる半導体としてより好ま
しくは、具体的にはSi、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、Zn
O、Nb2O5、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、CdTe、GaP、I
nP、GaAs、CuInS2、CuInSe2が挙げられる。さらに好ま
しくはTiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、WO3、Nb2O5、CdS、Pb
S、CdSe、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe2であり、特に好
ましくはTiO2またはNb2O5であり、最も好ましくはTiO2
である。
More preferably, the semiconductor used in the present invention is specifically Si, TiO 2 , SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 , Zn
O, Nb 2 O 5 , CdS, ZnS, PbS, Bi 2 S 3 , CdSe, CdTe, GaP, I
nP, GaAs, CuInS 2 , and CuInSe 2 are mentioned. More preferably TiO 2, ZnO, SnO 2, Fe 2 O 3, WO 3, Nb 2 O 5, CdS, Pb
S, CdSe, InP, GaAs, CuInS 2 , CuInSe 2 , particularly preferably TiO 2 or Nb 2 O 5 , most preferably TiO 2
It is.

【0024】本発明に用いられる半導体は、単結晶で
も、多結晶でもよい。変換効率としては単結晶が好まし
いが、製造コスト、原材料確保、エネルギーペイバック
タイム等の点では多結晶が好ましく、特にナノメートル
からマイクロメートルサイズの微粒子半導体が好まし
い。
The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystal. Although a single crystal is preferable as the conversion efficiency, a polycrystal is preferable in terms of manufacturing cost, securing of raw materials, energy payback time, and the like, and a fine particle semiconductor having a nanometer to micrometer size is particularly preferable.

【0025】これらの半導体微粒子の粒径は、投影面積
を円に換算したときの直径を用いた平均粒径で一次粒子
として5〜200nmであることが好ましく、特に8〜1
00nmであることが好ましい。また、分散物中の半導体
微粒子(二次粒子)の平均粒径としては0.01〜10
0μmであることが好ましい。
The particle diameter of these semiconductor fine particles is preferably 5 to 200 nm as primary particles, and particularly preferably 8 to 1 nm, as an average particle diameter using a diameter when the projected area is converted into a circle.
Preferably it is 00 nm. The average particle size of the semiconductor fine particles (secondary particles) in the dispersion is 0.01 to 10
It is preferably 0 μm.

【0026】また、2種類以上の粒子サイズ分布の異な
る微粒子を混合して用いてもよく、この場合、小さい粒
子の平均サイズは5nm以下であることが好ましい。ま
た、入射光を散乱させて光捕獲率を向上させる目的で、
粒子サイズの大きな、例えば300nm程度の半導体粒子
を混合してもよい。
Further, two or more kinds of fine particles having different particle size distributions may be mixed and used. In this case, the average size of the small particles is preferably 5 nm or less. Also, in order to improve the light capture rate by scattering incident light,
Semiconductor particles having a large particle size, for example, about 300 nm may be mixed.

【0027】半導体微粒子の作製法は、作花済夫の「ゾ
ルーゲル法の科学」アグネ承風社(1988年)、技術
情報協会の「ゾルーゲル法による薄膜コーティング技
術」(1995)等に記載のゾルーゲル法、杉本忠夫の
「新合成法ゲルーゾル法による単分散粒子の合成とサイ
ズ形態制御」 まてりあ、第35巻、第9号 1012
頁から1018頁(1996)記載のゲルーゾル法が好
ましい。
The method for producing the semiconductor fine particles is described in Sol-gel described in "Sol-gel method science" by Agaku Shofusha (1988) by Sakuhana Sakuhana, "Thin-film coating technology by sol-gel method" (1995) by Technical Information Association. Tadao Sugimoto, "Synthesis of Monodisperse Particles by New Synthetic Gel-Sol Method and Size Morphology Control" Materia, Vol. 35, No. 9, 1012
The gel-sol method described on pages 10 to 1018 (1996) is preferred.

【0028】またDegussa社が開発した塩化物を
酸水素炎中で高温加水分解により酸化物を作製する方法
も好ましい。
It is also preferred to use a method developed by Degussa to produce an oxide by high-temperature hydrolysis of a chloride in an oxyhydrogen flame.

【0029】また酸化チタンの場合は上記のゾルーゲル
法、ゲルーゾル法、塩化物を酸水素炎中で高温加水分解
法がいずれも好ましいが、さらに清野学の「酸化チタン
物性と応用技術」技報堂出版(1997)に記載の硫
酸法、塩素法を用いることもできる。
In the case of titanium oxide, the above-mentioned sol-gel method, gel-sol method, and high-temperature hydrolysis method of chloride in an oxyhydrogen flame are all preferable, but furthermore, Manabu Kiyono's "Titanium oxide physical properties and applied technology" Gihodo Publishing ( 1997) can also be used.

【0030】酸化チタンの場合は上記のゾルーゲル法の
うち特にバーブ等の「ジャーナル・オブ・アメリカン・
セラミック・ソサエティー 第80巻、第12号、31
57ページから3171ページ(1997)」記載のも
のと、バーンサイド等の「ケミカル・マテリアルズ 第
10巻 第9号、2419ページから2425ページ」
記載の方法が好ましい。
In the case of titanium oxide, among the sol-gel methods described above, in particular, "Journal of American
Ceramic Society Vol. 80, No. 12, 31
Pages 57 to 3171 (1997) "and Burnside et al.," Chemical Materials Vol. 10, No. 9, pages 2419 to 2425 "
The described method is preferred.

【0031】導電性支持体は、金属のように支持体その
ものに導電性があるものか、または表面に導電剤を含む
導電層(導電剤層)を有するガラスもしくはプラスチッ
クの支持体を使用することができる。後者の場合好まし
い導電剤としては金属(例えば白金、金、銀、銅、アル
ミニウム、ロジウム、インジウム等)、炭素、もしくは
導電性の金属酸化物(インジウム−スズ複合酸化物、酸
化スズにフッ素をドープしたもの等)が挙げられる。上
記導電剤層の厚さは、0.02〜10μm程度であるこ
とが好ましい。
As the conductive support, use is made of a support such as metal, which has conductivity, or a glass or plastic support having a conductive layer (conductive agent layer) containing a conductive agent on the surface. Can be. In the latter case, a preferable conductive agent is a metal (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, or a conductive metal oxide (indium-tin composite oxide, tin oxide doped with fluorine). And the like). The conductive agent layer preferably has a thickness of about 0.02 to 10 μm.

【0032】導電性支持体は表面抵抗が低い程よい。好
ましい表面抵抗の範囲としては100Ω/cm2以下であ
り、さらに好ましくは40Ω/cm2以下である。この下限
には特に制限はないが、通常0.1Ω/cm2程度であ
る。
The lower the surface resistance of the conductive support, the better. The preferred range of the surface resistance is 100 Ω / cm 2 or less, and more preferably 40 Ω / cm 2 or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually about 0.1 Ω / cm 2 .

【0033】導電性支持体は実質的に透明であることが
好ましい。実質的に透明であるとは光の透過率が10%
以上であることを意味し、50%以上であることが好ま
しく、70%以上が特に好ましい。透明導電性支持体と
してはガラスもしくはプラスチックに導電性の金属酸化
物を塗設したものが好ましい。この中でもフッ素をドー
ピングした二酸化スズからなる導電層を低コストのソー
ダ石灰フロートガラスでできた透明基板上に堆積した導
電性ガラスが特に好ましい。また、低コストでフレキシ
ブルな光電変換素子または太陽電池には、透明ポリマー
フィルムに上記導電層を設けたものを用いるのがよい。
透明ポリマーフィルムには、テトラアセチルセルロース
(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET),
ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオクタチ
ックポリステレン(SPS)、ポリフェニレンスルフィ
ド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレ
ート(PAr)、ポリスルフォン(PSF)、ポリエス
テルスルフォン(PES)、ポリエーテルイミド(PE
I)、環状ポリオレフィン、ブロム化フェノキシ等があ
る。透明導電性支持体を用いる場合、光はその支持体側
から入射させることが好ましい。この場合、導電性金属
酸化物の塗布量はガラスもしくはプラスチックの支持体
1m2当たり0.01〜100gが好ましい。
Preferably, the conductive support is substantially transparent. Substantially transparent means that light transmittance is 10%
The above means that it is preferably at least 50%, particularly preferably at least 70%. As the transparent conductive support, glass or plastic coated with a conductive metal oxide is preferable. Among them, conductive glass in which a conductive layer made of tin dioxide doped with fluorine is deposited on a transparent substrate made of low-cost soda-lime float glass is particularly preferable. In addition, for a low-cost and flexible photoelectric conversion element or solar cell, a transparent polymer film provided with the above conductive layer is preferably used.
Transparent polymer films include tetraacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET),
Polyethylene naphthalate (PEN), syndioctatic polysterene (SPS), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyarylate (PAr), polysulfone (PSF), polyester sulfone (PES), polyetherimide (PE
I), cyclic polyolefins, brominated phenoxy and the like. When a transparent conductive support is used, it is preferable that light be incident from the support side. In this case, the coating amount of the conductive metal oxide is preferably 0.01 to 100 g per 1 m 2 of a glass or plastic support.

【0034】透明導電性基板の抵抗を下げる目的で金属
リードを用いることが好ましい。金属リードの材質はア
ルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル等の金属が好
ましく、特にアルミニウム、銀が好ましい。金属リード
は透明基板に蒸着、スッパタリング等で設置し、その上
にフッ素をドープした酸化スズ、またはITO膜からな
る透明導電層を設けることが好ましい。また上記の透明
導電層を透明基板に設けたあと、透明導電層上に金属リ
ードを設置することも好ましい。金属リード設置による
入射光量の低下は1〜10%、より好ましくは1〜5%
である。
It is preferable to use a metal lead for the purpose of lowering the resistance of the transparent conductive substrate. The material of the metal lead is preferably a metal such as aluminum, copper, silver, gold, platinum and nickel, and particularly preferably aluminum and silver. It is preferable that the metal lead is provided on a transparent substrate by vapor deposition, sputtering, or the like, and a transparent conductive layer made of tin oxide doped with fluorine or an ITO film is provided thereon. It is also preferable to provide a metal lead on the transparent conductive layer after providing the transparent conductive layer on a transparent substrate. The decrease in the amount of incident light due to the installation of metal leads is 1 to 10%, more preferably 1 to 5%.
It is.

【0035】半導体微粒子を導電性支持体上に塗設する
方法としては、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶
液を導電性支持体上に塗布する方法、前述のゾル−ゲル
法などが挙げられる。光電変換素子の量産化、液物性や
支持体の融通性を考えた場合、湿式の膜付与方式が比較
的有利である。湿式の膜付与方式としては、塗布法、印
刷法が代表的である。
Examples of the method of applying semiconductor fine particles on a conductive support include a method of applying a dispersion or colloid solution of semiconductor fine particles on a conductive support, and the above-mentioned sol-gel method. In consideration of mass production of photoelectric conversion elements, liquid physical properties, and flexibility of a support, a wet film forming method is relatively advantageous. As a wet type film applying method, a coating method and a printing method are typical.

【0036】半導体微粒子の分散液を作成する方法とし
ては前述のゾル-ゲル法の他、乳鉢ですり潰す方法、ミ
ルを使って粉砕しながら分散する方法、あるいは半導体
を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させそのまま
使用する方法等が挙げられる。分散媒としては水または
各種の有機溶媒(例えばメタノール、エタノール、イソ
プロピルアルコール、ジクロロメタン、アセトン、アセ
トニトリル、酢酸エチル等)が挙げられる。分散の際、
必要に応じてポリマー、界面活性剤、酸、もしくはキレ
ート剤などを分散助剤として用いてもよい。
As a method for preparing a dispersion of semiconductor fine particles, in addition to the above-described sol-gel method, a method of grinding with a mortar, a method of dispersing while grinding with a mill, or a method of synthesizing a semiconductor in a solvent when synthesizing a semiconductor. A method of precipitating it as fine particles and using it as it is may be mentioned. Examples of the dispersion medium include water and various organic solvents (eg, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, etc.). When dispersing,
If necessary, a polymer, a surfactant, an acid, a chelating agent or the like may be used as a dispersing aid.

【0037】塗布方法としては、アプリケーション系と
してローラ法、ディップ法、メータリング系としてエア
ーナイフ法、ブレード法等、またアプリケーションとメ
ータリングを同一部分でできるものとして、特公昭58
−4589号公報に開示されているワイヤーバー法、米
国特許2681294号、同2761419号、同27
61791号等に記載のスライドホッパ法、エクストル
ージョン法、カーテン法等が好ましい。また汎用機とし
てスピン法やスプレー法も好ましく用いられる。
The application method includes a roller method and a dip method as an application system, an air knife method and a blade method as a metering system, and a method in which application and metering can be performed in the same part.
No. 4,589,294, U.S. Pat. No. 2,761,419, and U.S. Pat.
A slide hopper method, an extrusion method, a curtain method and the like described in US Pat. As a general-purpose machine, a spin method or a spray method is also preferably used.

【0038】湿式印刷方法としては、従来から凸版、オ
フセット、グラビアの3大印刷法をはじめ、凹版、ゴム
版、スクリーン印刷等が好ましい。
As the wet printing method, three types of printing methods such as relief printing, offset printing and gravure printing, intaglio printing, rubber printing and screen printing have been conventionally preferred.

【0039】前記方法の中から、液粘度やウェット厚み
により好ましい膜付与方式を選択する。
From the above methods, a preferable film forming method is selected according to the liquid viscosity and the wet thickness.

【0040】液粘度は半導体微粒子の種類や分散性、使
用溶媒種、界面活性剤やバインダー等の添加剤により大
きく左右される。高粘度液(例えば0.01〜500Po
ise)ではエクストルージョン法やキャスト法が好まし
く、低粘度液(例えば0.1Poise以下)ではスライド
ホッパー法もしくはワイヤーバー法もしくはスピン法が
好ましく、均一な膜にすることが可能である。
The liquid viscosity is greatly affected by the type and dispersibility of the semiconductor fine particles, the type of solvent used, and additives such as a surfactant and a binder. High viscosity liquid (for example, 0.01 to 500 Po
In ise), an extrusion method or a casting method is preferable, and in a low-viscosity liquid (for example, 0.1 Poise or less), a slide hopper method, a wire bar method, or a spin method is preferable, and a uniform film can be formed.

【0041】なお、エクストルージョン法による低粘度
液の塗布の場合でも塗布量がある程度の量あれば塗布は
可能である。
Incidentally, even in the case of applying a low-viscosity liquid by the extrusion method, the application is possible if the applied amount is a certain amount.

【0042】また半導体微粒子の高粘度ペーストの塗設
にはしばしばスクリーン印刷が用いられており、この手
法を使うこともできる。
Screen printing is often used for applying a high-viscosity paste of semiconductor fine particles, and this technique can also be used.

【0043】このように塗布液の液粘度、塗布量、支持
体、塗布速度等のパラメータに対応して、適宜ウェット
膜の付与方式を選択すればよい。
As described above, the method of applying the wet film may be appropriately selected according to the parameters such as the liquid viscosity of the coating liquid, the coating amount, the support, and the coating speed.

【0044】さらに、半導体微粒子含有層は単層と限定
する必要はない。微粒子の粒径の違った分散液を多層塗
布することも可能であり、また半導体の種類が異なる、
あるいはバインダー、添加剤の組成が異なる塗布層を多
層塗布することもでき、また一度の塗布で膜厚が不足の
場合にも多層塗布は有効である。多層塗布には、エクス
トルージョン法またはスライドホッパー法が適してい
る。また多層塗布をする場合は同時に多層を塗布しても
良く、数回から十数回順次重ね塗りしてもよい。さらに
順次重ね塗りであればスクリーン印刷法も好ましく使用
できる。
Further, the semiconductor fine particle-containing layer need not be limited to a single layer. It is also possible to apply a multi-layered dispersion liquid having different particle diameters, and different types of semiconductors.
Alternatively, multi-layer coating of coating layers having different compositions of binders and additives can be performed, and multi-layer coating is effective even when the film thickness is insufficient by one-time coating. The extrusion method or slide hopper method is suitable for multi-layer coating. In the case of multi-layer coating, multi-layer coating may be performed at the same time, or several to dozens of times may be sequentially applied. Furthermore, a screen printing method can also be preferably used in the case of successive coating.

【0045】一般に、半導体微粒子含有層の厚みが増大
するほど単位投影面積当たりの担持色素量が増えるため
光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離が増
すため電荷再結合によるロスも大きくなる。したがっ
て、半導体微粒子含有層には好ましい厚さが存在する
が、典型的には0.1〜100μmである。光電気化学
電池として用いる場合は1〜30μmであることが好ま
しく、2〜25μmであることがより好ましい。半導体
微粒子の支持体1m2当たりの塗布量は0.5〜400
g、さらには5〜100gが好ましい。
Generally, as the thickness of the layer containing semiconductor fine particles increases, the amount of dye carried per unit projected area increases, so that the light capture rate increases. However, the diffusion distance of generated electrons increases, so that the loss due to charge recombination also increases. growing. Therefore, the semiconductor fine particle-containing layer has a preferable thickness, but typically has a thickness of 0.1 to 100 μm. When used as a photoelectrochemical cell, the thickness is preferably 1 to 30 μm, and more preferably 2 to 25 μm. The coating amount of the semiconductor fine particles per 1 m 2 of the support is 0.5 to 400.
g, more preferably 5 to 100 g.

【0046】半導体微粒子は導電性支持体に塗布した後
に粒子同士を電子的にコンタクトさせるため、および塗
膜強度の向上や支持体との密着性を向上させるために加
熱処理することが好ましい。好ましい加熱処理温度の範
囲は40℃以上700℃未満であり、より好ましくは1
00℃以上600℃以下である。また加熱処理時間は1
0分〜10時間程度である。ポリマーフィルムなど融点
や軟化点の低い支持体を用いる場合は、高温処理は支持
体の劣化を招くため、好ましくない。また、コストの観
点からもできる限り低温であることが好ましい。低温化
は、先に述べた5nm以下の小さい半導体微粒子の併用や
鉱酸の存在下での加熱処理等により可能である。
The semiconductor fine particles are preferably subjected to a heat treatment in order to bring the particles into electronic contact after being applied to the conductive support and to improve the strength of the coating film and the adhesion to the support. A preferred range of the heat treatment temperature is 40 ° C. or more and less than 700 ° C.,
It is not less than 00 ° C and not more than 600 ° C. The heat treatment time is 1
It is about 0 minutes to 10 hours. When a support having a low melting point or softening point, such as a polymer film, is used, high-temperature treatment is not preferable because the support is deteriorated. Further, it is preferable that the temperature is as low as possible from the viewpoint of cost. The lowering of the temperature can be achieved by the above-mentioned combination of small semiconductor particles having a size of 5 nm or less, heat treatment in the presence of a mineral acid, and the like.

【0047】また、加熱処理後、半導体粒子の表面積を
増大させたり、半導体粒子近傍の純度を高め、色素から
半導体粒子への電子注入効率を高める目的で、例えば四
塩化チタン水溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水
溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。
After the heat treatment, chemical plating using, for example, an aqueous solution of titanium tetrachloride for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor particles, increasing the purity in the vicinity of the semiconductor particles, and increasing the efficiency of electron injection from the dye into the semiconductor particles. Alternatively, electrochemical plating using an aqueous solution of titanium trichloride may be performed.

【0048】半導体微粒子は多くの色素を吸着すること
ができるように表面積の大きいものが好ましい。このた
め半導体微粒子層を支持体上に塗設した状態での表面積
は、投影面積に対して10倍以上であることが好まし
く、さらに100倍以上であることが好ましい。この上
限には特に制限はないが、通常1000倍程度である。
It is preferable that the semiconductor fine particles have a large surface area so that many dyes can be adsorbed. For this reason, the surface area in the state where the semiconductor fine particle layer is coated on the support is preferably at least 10 times, more preferably at least 100 times the projected area. The upper limit is not particularly limited, but is usually about 1000 times.

【0049】本発明では、光電変換の波長域をできるだ
け広くし、かつ変換効率を上げるために、式(I)以外
の色素を併用することができる。そして、目的とする光
源の波長域とその強度分布に合わせるように併用する色
素が選ぶことができる。併用する色素は金属錯体色素、
フタロシアニン系色素、またはメチン色素が好ましい。
In the present invention, a dye other than formula (I) can be used in combination in order to widen the wavelength range of photoelectric conversion as much as possible and to increase the conversion efficiency. Then, a dye to be used in combination can be selected so as to match the intended wavelength range of the light source and its intensity distribution. Dyes used in combination are metal complex dyes,
Phthalocyanine dyes or methine dyes are preferred.

【0050】半導体微粒子に色素を吸着させる方法は色
素溶液中によく乾燥した半導体微粒子を含有する作用電
極を浸漬するか、もしくは色素溶液を半導体微粒子層に
塗布して吸着させる方法を用いることができる。前者の
場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法
などが使える。後者の塗布方法としては、ワイヤーバー
法、スライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテ
ン法、スピン法、スプレー法があり、印刷方法として
は、凸版、オフセット、グラビア、スクリーン印刷等が
ある。
As a method of adsorbing the dye on the semiconductor fine particles, a method of immersing a working electrode containing well-dried semiconductor fine particles in a dye solution or applying a dye solution to the semiconductor fine particle layer and adsorbing the dye solution can be used. . In the former case, a dipping method, a dipping method, a roller method, an air knife method, or the like can be used. The latter coating method includes a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method, and the printing method includes letterpress, offset, gravure, screen printing, and the like.

【0051】液粘度も半導体微粒子層の形成時と同様
に、高粘度液(例えば0.01〜500Poise)ではエ
クストルージョン法の他、各種印刷法が、低粘度液(例
えば0.1Poise以下)ではスライドホッパー法もしく
はワイヤーバー法もしくはスピン法が適していて、均一
な膜にすることが可能である。
As in the case of the formation of the semiconductor fine particle layer, the liquid viscosity is not limited to the extrusion method for a high-viscosity liquid (for example, 0.01 to 500 Poise), and various printing methods for the low-viscosity liquid (for example, 0.1 Poise or less). A slide hopper method, a wire bar method, or a spin method is suitable, and a uniform film can be obtained.

【0052】このように色素塗布液の液粘度、塗布量、
支持体、塗布速度等のパラメータに対応して、適宜付与
方式を選択すればよい。塗布後の色素吸着に要する時間
は、量産化を考えた場合、なるべく短い方がよい。
As described above, the viscosity of the dye coating solution, the coating amount,
An application method may be appropriately selected according to parameters such as a support and a coating speed. The time required for dye adsorption after coating should be as short as possible in consideration of mass production.

【0053】未吸着の色素の存在は素子性能の外乱にな
るため、吸着後速やかに洗浄によって除去することが好
ましい。湿式洗浄槽を使い、アセトニトリル等の極性溶
剤、アルコール系溶剤のような有機溶媒で洗浄を行うの
がよい。また、吸着色素量を増大させるため、加熱処理
を吸着前に行うことが好ましい。加熱処理後、半導体微
粒子表面に水が吸着するのを避けるため、常温に戻さず
40〜80℃の間で素早く色素を吸着させることも好ま
しい。
Since the presence of unadsorbed dye causes disturbance of device performance, it is preferable to remove the dye by washing immediately after adsorption. It is preferable to perform cleaning with a polar solvent such as acetonitrile and an organic solvent such as an alcohol solvent using a wet cleaning tank. In order to increase the amount of the adsorbed dye, it is preferable to perform the heat treatment before the adsorption. After the heat treatment, in order to avoid adsorption of water on the surface of the semiconductor fine particles, it is also preferable to quickly adsorb the dye at 40 to 80 ° C. without returning to normal temperature.

【0054】色素の使用量は、全体で、支持体1m2当た
り0.01〜100mモルが好ましい。また、色素の半
導体微粒子に対する吸着量は半導体微粒子1gに対して
0.01〜1mモルが好ましい。このような色素量とす
ることによって、半導体における増感効果が十分に得ら
れる。これに対し、色素量が少ないと増感効果が不十分
となり、色素量が多すぎると、半導体に付着していない
色素が浮遊し増感効果を低減させる原因となる。
The total amount of the dye used is preferably 0.01 to 100 mmol per 1 m 2 of the support. The amount of the dye adsorbed on the semiconductor fine particles is preferably 0.01 to 1 mmol per 1 g of the semiconductor fine particles. With such an amount of the dye, a sensitizing effect in the semiconductor can be sufficiently obtained. On the other hand, if the amount of the dye is small, the sensitizing effect becomes insufficient, and if the amount of the dye is too large, the dye not adhering to the semiconductor floats and causes a reduction in the sensitizing effect.

【0055】また、会合など色素同士の相互作用を低減
する目的で無色の化合物を共吸着させてもよい。共吸着
させる疎水性化合物としてはカルボキシル基を有するス
テロイド化合物(例えばコール酸)等が挙げられる。
A colorless compound may be co-adsorbed for the purpose of reducing the interaction between dyes such as association. Examples of the hydrophobic compound to be co-adsorbed include steroid compounds having a carboxyl group (for example, cholic acid).

【0056】また、余分な色素の除去を促進する目的
で、色素を吸着した後にアミン類を用いて半導体微粒子
の表面を処理してもよい。好ましいアミン類としてはピ
リジン、4−tert−ブチルピリジン、ポリビニルピリジ
ン等が挙げられる。これらが液体の場合はそのまま用い
てもよいし有機溶媒に溶解して用いてもよい。
For the purpose of accelerating the removal of excess dye, the surface of the semiconductor fine particles may be treated with an amine after adsorbing the dye. Preferred amines include pyridine, 4-tert-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. When these are liquids, they may be used as they are or may be used by dissolving them in an organic solvent.

【0057】以下、電荷移動層と対極について詳しく説
明する。電荷移動層は色素の酸化体に電子を補充する機
能を有する層である。本発明で用いることのできる代表
的な電荷移動層の例としては酸化還元対を有機溶媒に溶
解した液体(電解液)、酸化還元対を有機溶媒に溶解し
た液体をポリマーマトリクスに含浸したいわゆるゲル電
解質、酸化還元対を含有する溶融塩などが挙げられる。
さらには固体電解質やホール(正孔)輸送材料を用いる
こともできる。
Hereinafter, the charge transfer layer and the counter electrode will be described in detail. The charge transfer layer is a layer having a function of replenishing the oxidized dye with electrons. Examples of typical charge transfer layers that can be used in the present invention include a liquid (electrolytic solution) in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, and a so-called gel in which a liquid in which a redox couple is dissolved in an organic solvent is impregnated in a polymer matrix. Examples include an electrolyte and a molten salt containing a redox couple.
Further, a solid electrolyte or a hole (hole) transport material can be used.

【0058】本発明で使用する電解液は電解質、溶媒、
および添加物から構成されることが好ましい。本発明の
電解質はI2とヨウ化物の組み合わせ(ヨウ化物としては
LiI、NaI、KI、CsI、CaI2などの金属ヨ
ウ化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムヨーダイ
ド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイ
ドなど4級アンモニウム化合物のヨウ素塩など)、Br
2と臭化物の組み合わせ(臭化物としてはLiBr、N
aBr、KBr、CsBr、CaBr2などの金属臭化
物、あるいはテトラアルキルアンモニウムブロマイド、
ピリジニウムブロマイドなど4級アンモニウム化合物の
臭素塩など)のほか、フェロシアン酸塩−フェリシアン
酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオンなどの金属錯
体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキル
ジスルフィドなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒ
ドロキノン−キノンなどを用いることができる。この中
でもI2とLiIやピリジニウムヨーダイド、イミダゾリ
ウムヨーダイドなど4級アンモニウム化合物のヨウ素塩
を組み合わせた電解質が本発明では好ましい。上述した
電解質は混合して用いてもよい。また、電解質はEP-718
288号、WO95/18456号、J. Electrochem. Soc., Vol.14
3,No.10,3099(1996)、Inorg. Chem. 1996,35,1168-1178
に記載された室温で溶融状態の塩(溶融塩)を使用する
こともできる。溶融塩を電解質として使用する場合、溶
媒は使用しなくても構わない。
The electrolyte used in the present invention comprises an electrolyte, a solvent,
And additives. The electrolyte of the present invention is LiI as a combination (iodides I 2 and an iodide, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2 or tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide, etc. 4 Iodine salts of quaternary ammonium compounds), Br
Combination of 2 and bromide (bromide is LiBr, N
ABR, KBr, CsBr, metal bromide such as CaBr 2 or tetraalkylammonium bromide,
Bromide salts of quaternary ammonium compounds such as pyridinium bromide), metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol-alkyldisulfide, and viologen Dyes, hydroquinone-quinone and the like can be used. I 2 and LiI or pyridinium iodide Among these, an electrolyte that combines iodine salt of imidazolium iodide and quaternary ammonium compounds are preferred in the present invention. The above-mentioned electrolytes may be used as a mixture. The electrolyte is EP-718
No.288, WO95 / 18456, J. Electrochem.Soc., Vol.14
3, No. 10, 3099 (1996), Inorg. Chem. 1996, 35, 1168-1178
The salt in a molten state at room temperature (molten salt) described in (1) can also be used. When a molten salt is used as an electrolyte, a solvent need not be used.

【0059】好ましい電解質濃度は0.1M以上15M以
下であり、さらに好ましくは0.2 M以上10M以下であ
る。また、電解質にヨウ素を添加する場合の好ましいヨ
ウ素の添加濃度は0.01M以上0.5M以下である。
The preferred electrolyte concentration is 0.1M or more and 15M or less, more preferably 0.2M or more and 10M or less. When iodine is added to the electrolyte, a preferable concentration of iodine is 0.01 M or more and 0.5 M or less.

【0060】電解液に用いる有機溶媒は、沸点が高けれ
ば電解液揮発による劣化を防ぐことができる。また光電
変換素子の短絡電流密度、変換効率等の性能上からは、
有機溶媒の粘度が低く、誘電率が大きいことが好まし
い。すなわち、粘度が低いことによっては、イオン移動
度を向上させたりする効果が得られ、誘電率が大きいこ
とによっては、有効キャリアー濃度を向上させる効果が
得られる。具体的な有機溶媒としては非プロトン性の極
性溶媒(例えばアセトニトリルなどのニトリル類、炭酸
プロピレンや炭酸エチレンなどのカーボネート類、ジメ
チルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラ
ン、1,3−ジメチルイミダゾリノンや3−メチルオキ
サゾリジノンなどの複素環化合物、等)が挙げられる。
As long as the organic solvent used for the electrolytic solution has a high boiling point, deterioration due to volatilization of the electrolytic solution can be prevented. In addition, from the viewpoint of the short-circuit current density and the conversion efficiency of the photoelectric conversion element,
Preferably, the viscosity of the organic solvent is low and the dielectric constant is high. That is, if the viscosity is low, an effect of improving the ion mobility can be obtained, and if the dielectric constant is large, an effect of improving the effective carrier concentration can be obtained. Specific examples of the organic solvent include aprotic polar solvents (for example, nitriles such as acetonitrile, carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethylimidazolinone and 3-methyl). Heterocyclic compounds such as oxazolidinone, etc.).

【0061】本発明では、電解質はポリマー添加、オイ
ルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマ
ーの架橋反応等の手法によりゲル化(固体化)させて使
用することもできる。ゲル電解質のマトリクスに使用さ
れるポリマーとしては例えばポリアクリロニトリル、ポ
リビニリデンフルオリド等が挙げられる。
In the present invention, the electrolyte may be gelled (solidified) by a method such as addition of a polymer, addition of an oil gelling agent, polymerization containing a polyfunctional monomer, or crosslinking reaction of the polymer. Examples of the polymer used for the matrix of the gel electrolyte include polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride.

【0062】溶融塩としては例えば沃化リチウムと他の
少なくとも1種類のリチウム塩(例えば酢酸リチウム、
過塩素酸リチウム等)が挙げられ、これらにポリエチレ
ンオキシド等のポリマーを混合することにより、室温で
の流動性を高めてもよい。この場合のポリマーの添加量
は1〜50wt%である。
Examples of the molten salt include lithium iodide and at least one other lithium salt (eg, lithium acetate,
Lithium perchlorate and the like may be mentioned, and the fluidity at room temperature may be increased by mixing a polymer such as polyethylene oxide. In this case, the amount of the polymer added is 1 to 50% by weight.

【0063】本発明では、電解質の替わりに有機または
無機あるいはこの両者を組み合わせたホール輸送材料を
使用することができる。ホール輸送材料としては芳香族
アミン類、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチ
レン、ポリアニリン、ポリフェニレン等が挙げられる。
In the present invention, an organic or inorganic material or a combination thereof can be used in place of the electrolyte. Examples of hole transport materials include aromatic amines, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyaniline, polyphenylene, and the like.

【0064】電荷移動層の形成方法に関しては2通りの
方法が考えられる。1つは増感色素を担持させた半導体
微粒子含有層の上に先に対極を貼り合わせておき、その
間隙に液状の電荷移動層を挟み込む方法である。もう1
つは半導体微粒子含有層上に直接電荷移動層を付与する
方法で、対極はその後付与することになる。
With respect to the method of forming the charge transfer layer, two methods are conceivable. One is a method in which a counter electrode is first adhered to a semiconductor fine particle-containing layer carrying a sensitizing dye, and a liquid charge transfer layer is sandwiched between the counter electrodes. Another one
The first is a method in which the charge transfer layer is directly provided on the semiconductor fine particle-containing layer, and the counter electrode is subsequently provided.

【0065】前者の場合の電荷移動層の挟み込み方法と
して、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセスと
常圧より低い圧力にして気相を液相に置換する真空プロ
セスが利用できる。後者の場合、湿式の電荷移動層にお
いては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防
止措置も施すことになる。またゲル電解質の場合には湿
式で塗布して重合等の方法により固体化する方法もあ
り、その場合には乾燥、固定化した後に対極を付与する
こともできる。電解液のほか湿式有機正孔輸送材料やゲ
ル電解質を付与する方法としては、半導体微粒子含有層
や色素の付与と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ
法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライド
ホッパー法、ワーヤーバー法、スピン法、スプレー法、
キャスト法、各種印刷法等が考えられる。固体電解質や
固体の正孔(ホール)輸送材料の場合には真空蒸着法や
CVD法等のドライ成膜処理で電荷移動層を形成し、そ
の後対極を付与することもできる。
As the method of sandwiching the charge transfer layer in the former case, a normal pressure process utilizing a capillary phenomenon due to immersion or the like and a vacuum process of replacing the gas phase with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure can be used. In the latter case, the wet charge transfer layer is provided with a counter electrode in an undried state, and measures are taken to prevent liquid leakage at the edge. In the case of a gel electrolyte, there is also a method of applying it by a wet method and solidifying it by a method such as polymerization. In this case, a counter electrode can be provided after drying and fixing. As a method for applying a wet organic hole transport material or a gel electrolyte in addition to the electrolytic solution, the immersion method, the roller method, the dipping method, the air knife method, the extrusion method, and the slide method are the same as the method for applying the semiconductor fine particle-containing layer and the dye. Hopper method, wire bar method, spin method, spray method,
A casting method, various printing methods, and the like are conceivable. In the case of a solid electrolyte or a solid hole (hole) transport material, the charge transfer layer can be formed by a dry film forming process such as a vacuum evaporation method or a CVD method, and then a counter electrode can be provided.

【0066】対極は、光電変換素子を光電気化学電池と
したとき、光電気化学電池の正極として働くものであ
る。対極は通常前述の導電性支持体と同義であるが、強
度が十分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必
要でない。ただし、支持体を有する方が密閉性の点で有
利である。感光層に光が到達するためには、前述の導電
性支持体と対極の少なくとも一方は実質的に透明でなけ
ればならない。本発明の光電気化学電池においては、導
電性支持体が透明であって太陽光を支持体側から入射さ
せるのが好ましい。この場合対極は光を反射する性質を
有することがさらに好ましい。
The counter electrode functions as a positive electrode of the photoelectrochemical cell when the photoelectric conversion element is a photoelectrochemical cell. The counter electrode is usually synonymous with the conductive support described above, but the support is not necessarily required in a configuration that maintains sufficient strength. However, having a support is advantageous in terms of hermeticity. In order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive support and the counter electrode described above must be substantially transparent. In the photoelectrochemical cell of the present invention, it is preferable that the conductive support is transparent and sunlight is incident from the support side. In this case, it is more preferable that the counter electrode has a property of reflecting light.

【0067】光電気化学電池の対極としては金属もしく
は導電性の酸化物を蒸着したガラスまたはプラスチック
を使用でき、また、金属薄膜を5μm以下、好ましくは
5nm〜3μmの範囲の膜厚になるように、蒸着やスパッ
タリングなどの方法により形成して作成することもでき
る。本発明では白金を蒸着したガラスもしくは蒸着やス
パッタリングによって形成した金属薄膜を対極とするこ
とが好ましい。
As a counter electrode of the photoelectrochemical cell, glass or plastic on which a metal or a conductive oxide is deposited can be used, and the metal thin film is formed so as to have a thickness of 5 μm or less, preferably 5 nm to 3 μm. It can also be formed by forming by a method such as vapor deposition or sputtering. In the present invention, it is preferable to use glass on which platinum is deposited or a metal thin film formed by deposition or sputtering as a counter electrode.

【0068】対極の塗設については、電荷移動層の付与
で記したように、電荷移動層の上に付与する場合と先に
半導体微粒子含有層上に付与する場合の2通りある。い
ずれの場合も、対極材の種類や電荷移動層の種類によ
り、適宜、電荷移動層上または半導体微粒子含有層上に
対極材を塗布、ラミネート、蒸着、貼り合わせなどの方
法により形成可能である。例えば、対極を貼り合わせる
場合は、上記の導電性材料を塗布、蒸着、CVD等の手
法により導電層として設けられた基板を貼り合わせるこ
とができる。また、電荷移動層が固体の場合には、その
上に直接、前述の導電性材料を塗布、メッキ、PVD、
CVD等の手法で対極を形成することができる。
As described in the description of the application of the charge transfer layer, there are two types of application of the counter electrode: the application on the charge transfer layer and the application on the semiconductor fine particle-containing layer first. In any case, depending on the type of the counter electrode material and the type of the charge transfer layer, the counter electrode material can be appropriately formed on the charge transfer layer or the semiconductor fine particle-containing layer by a method such as application, lamination, vapor deposition, or bonding. For example, in the case of attaching a counter electrode, a substrate provided as a conductive layer can be attached by a method such as application, evaporation, or CVD of the above conductive material. When the charge transfer layer is solid, the above-mentioned conductive material is directly applied thereon, plated, PVD,
The counter electrode can be formed by a technique such as CVD.

【0069】さらに、作用電極の導電性支持体または対
極に保護層、反射防止膜など、必要な他の機能の層を設
けることも可能である。このような層を多層にて機能分
離させる場合、同時多層塗布や逐次で塗布することが可
能であるが、生産性を優先させると同時多層塗布がより
好ましい。同時多層塗布では、生産性および膜付与均一
性を考えた場合、スライドホッパー法やエクストルージ
ョン法が適している。また、これらの機能層はその材料
により、蒸着や貼り付けなどの手法を用いて設けること
もできる。
Further, a layer having other necessary functions such as a protective layer and an antireflection film can be provided on the conductive support or the counter electrode of the working electrode. When such layers are separated in function by multiple layers, simultaneous multilayer coating and sequential coating can be performed, but simultaneous multilayer coating is more preferable in terms of productivity. In the simultaneous multi-layer coating, the slide hopper method and the extrusion method are suitable in consideration of productivity and uniformity of film formation. In addition, these functional layers can be provided by a technique such as vapor deposition or pasting depending on the material.

【0070】[0070]

【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に説明
する。 1.二酸化チタン粒子含有塗布液の作製 オートクレーブ温度を230℃にした以外はバーブのジ
ャーナル・オブ・アメリカン・セラミック・ソサイエテ
ィ80巻3157頁記載の方法と同様の方法で二酸化チタン濃
度11重量%の二酸化チタン分散物を得た。できた二酸
化チタン粒子の平均サイズは約10nmであった。この分
散物に二酸化チタンに対し30重量%のポリエチレング
リコール(分子量20000、和光純薬製)を添加し、混合
し塗布液を得た。
The present invention will be specifically described below with reference to examples. 1. Preparation of Coating Solution Containing Titanium Dioxide Particles Dispersion of titanium dioxide having a titanium dioxide concentration of 11% by weight in the same manner as described in Barb's Journal of American Ceramic Society, Vol. 80, p. 3157, except that the autoclave temperature was 230 ° C. I got something. The average size of the resulting titanium dioxide particles was about 10 nm. To this dispersion was added polyethylene glycol (molecular weight: 20,000, manufactured by Wako Pure Chemical Industries) at 30% by weight based on titanium dioxide and mixed to obtain a coating solution.

【0071】2.色素を吸着した二酸化チタン電極の作
成 フッ素をドープした酸化スズをコーティングした透明導
電性ガラス(日本板硝子製、表面抵抗は約10Ω/c
m2)の導電面側にこの塗布液をドクターブレードで14
0μmの厚みで塗布し、25℃で30分間乾燥した後、
電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)で45
0℃にて30分間焼成した。二酸化チタンの塗布量は1
5g/m2であり、膜厚は10μmであった。ガラスを取り
出し冷却した後、表1に示す色素のエタノール溶液(3
×10-4モル/リットル)に3時間浸漬した。色素の染
着したガラスを4−tert−ブチルピリジンに15分間浸
漬した後、エタノールで洗浄し自然乾燥させた。色素の
塗布量は、色素の種類に応じ、適宜0.1〜10ミリモ
ル/m2の範囲から選択した。
2. Preparation of titanium dioxide electrode adsorbing dye Transparent conductive glass coated with fluorine-doped tin oxide (manufactured by Nippon Sheet Glass, surface resistance is about 10Ω / c
m 2 ), apply this coating solution to the conductive surface side with a doctor blade.
After coating at a thickness of 0 μm and drying at 25 ° C. for 30 minutes,
45 with an electric furnace (muffle furnace FP-32 manufactured by Yamato Scientific)
It was baked at 0 ° C. for 30 minutes. The amount of titanium dioxide applied is 1
It was 5 g / m 2 and the film thickness was 10 μm. After taking out the glass and cooling, the dye solution shown in Table 1 in ethanol (3
(× 10 −4 mol / l) for 3 hours. The glass to which the dye was dyed was immersed in 4-tert-butylpyridine for 15 minutes, washed with ethanol, and air-dried. The coating amount of the dye was appropriately selected from the range of 0.1 to 10 mmol / m 2 according to the type of the dye.

【0072】3.光電気化学電池の作成 上述のようにして作成したそれぞれの色素により色増感
されたTiO2電極基板(2cm×2cm)をこれと同じ大
きさの白金蒸着ガラスと重ね合わせた(図1参照)。次
に、両ガラスの隙間に毛細管現象を利用して電解液(ア
セトニトリルとN−メチル−2−オキサゾリジノンの体
積比90対10の混合物を溶媒とした沃素0.05モル
/リットル、沃化リチウム0.5モル/リットルの溶
液)をしみこませ、TiO2電極中に導入し、表1に示
す光電気化学電池1〜10を得た。本実施例により、図
1に示したとおり、導電性ガラス1(ガラス上に導電剤
層2が設層されたもの)、TiO2電極3、色素層4、
電解液5、白金層6およびガラス7が順に積層された光
電気化学電池が作成された。
3. Preparation of Photoelectrochemical Cell A TiO 2 electrode substrate (2 cm × 2 cm) color-sensitized with each of the dyes prepared as described above was overlaid with a platinum-deposited glass of the same size (see FIG. 1). . Next, an electrolytic solution (0.05 mol / liter of iodine using a mixture of acetonitrile and N-methyl-2-oxazolidinone in a volume ratio of 90:10 as a solvent, lithium iodide 0 (0.5 mol / liter solution) and introduced into a TiO 2 electrode to obtain photoelectrochemical cells 1 to 10 shown in Table 1. According to the present embodiment, as shown in FIG. 1, conductive glass 1 (a conductive agent layer 2 is provided on glass), TiO 2 electrode 3, dye layer 4,
A photoelectrochemical cell in which the electrolyte 5, the platinum layer 6, and the glass 7 were sequentially laminated was produced.

【0073】4.光電変換波長と光電変換効率の測定 本発明の光電気化学電池の光電変換能をオプテル社製の
IPCE(Incident Photonto Current Conversion Efficie
ncy)測定装置によって測定した。それぞれの色素を用い
た光電気化学電池が最大変換能を示す波長とその単色光
での光電変換効率を表1にまとめた。
4. Measurement of photoelectric conversion wavelength and photoelectric conversion efficiency The photoelectric conversion ability of the photoelectrochemical cell of the present invention is
IPCE (Incident Photonto Current Conversion Efficie
ncy) Measured by a measuring device. Table 1 summarizes the wavelength at which the photoelectrochemical cell using each dye exhibits the maximum conversion ability and the photoelectric conversion efficiency with monochromatic light.

【0074】[0074]

【表1】 [Table 1]

【0075】本発明のいずれの色素を用いた光電気化学
電池も赤〜赤外域に高い光電変換特性が認められる。
Photoelectrochemical cells using any of the dyes of the present invention have high photoelectric conversion characteristics in the red to infrared region.

【0076】[0076]

【発明の効果】本発明により赤〜赤外域に高い光電変換
特性を有する色素増感光電変換素子および光電気化学電
池を提供できる。また、本発明で用いた色素は、従来の
ルテニウム錯体に比べて安価である。
According to the present invention, a dye-sensitized photoelectric conversion element and a photoelectrochemical cell having high photoelectric conversion characteristics in the red to infrared region can be provided. The dye used in the present invention is less expensive than conventional ruthenium complexes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例で作成した光電気化学電池の構成を示す
断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a photoelectrochemical cell prepared in an example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 導電性ガラス 2 導電剤層 3 TiO2層 4 色素層 5 電解液 6 白金層 7 ガラス1 conductive glass 2 conductive agent layer 3 TiO 2 layer 4 dye layer 5 electrolyte 6 platinum layer 7 Glass

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下記式(I)で表されるポリメチン色素
によって増感された半導体微粒子を含有する光電変換素
子。 【化1】 式中、Xは硫黄原子、酸素原子、セレン原子またはテル
ル原子を表す。R1、R2、R3およびR4はそれぞれ独立
に水素原子または置換基であり、R1とR2、およびR3
とR4はそれぞれ連結することにより環構造を形成して
もよい。Lは置換または無置換のメチン基であり、Qは
ポリメチン色素を完成するのに必要な非金属原子群を表
す。Wは電荷を中和させるのに必要な対イオンを表す。
1. A photoelectric conversion element containing semiconductor fine particles sensitized by a polymethine dye represented by the following formula (I). Embedded image In the formula, X represents a sulfur atom, an oxygen atom, a selenium atom or a tellurium atom. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom or a substituent, and R 1 and R 2 , and R 3
And R 4 may be linked to each other to form a ring structure. L represents a substituted or unsubstituted methine group, and Q represents a group of non-metallic atoms necessary to complete a polymethine dye. W represents a counter ion necessary for neutralizing the charge.
【請求項2】 前記ポリメチン色素が少なくともひとつ
の酸性基を有する請求項1の光電変換素子。
2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said polymethine dye has at least one acidic group.
【請求項3】 Qが連結基としてのメチン基および含窒
素ヘテロ環からなる請求項1または2の光電変換素子。
3. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein Q comprises a methine group as a linking group and a nitrogen-containing heterocycle.
【請求項4】 前記含窒素ヘテロ環がベンゾチアゾリウ
ム、インドレニウム、ベンゾオキサゾリウム、2-キノ
リニウム、4−キノリニウムおよびこれらに由来する核
から選ばれる環である請求項3の光電変換素子。
4. The photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the nitrogen-containing hetero ring is a ring selected from benzothiazolium, indolenium, benzoxazolium, 2-quinolinium, 4-quinolinium and a nucleus derived therefrom. .
【請求項5】 前記半導体微粒子が酸化チタン微粒子で
ある請求項1〜4のいずれかの光電変換素子。
5. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein said semiconductor fine particles are titanium oxide fine particles.
【請求項6】 請求項1〜6のいずれかの光電変換素子
を用いた光電気化学電池。
6. A photoelectrochemical cell using the photoelectric conversion element according to claim 1.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006310097A (en) * 2005-04-28 2006-11-09 Konica Minolta Holdings Inc Semiconductor for photoelectric conversion material, photoelectric conversion element, and solar cell
WO2008004580A1 (en) 2006-07-05 2008-01-10 Nippon Kayaku Kabushiki Kaisha Dye-sensitized solar cell

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