JP2002237335A - Photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element

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JP2002237335A
JP2002237335A JP2001031786A JP2001031786A JP2002237335A JP 2002237335 A JP2002237335 A JP 2002237335A JP 2001031786 A JP2001031786 A JP 2001031786A JP 2001031786 A JP2001031786 A JP 2001031786A JP 2002237335 A JP2002237335 A JP 2002237335A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element, which has excellent photoelectric conversion efficiency and reliability over a long period of time, by solving a problem of moisture in electrolysis liquid and a problem of a distance between a semiconductor layer and an opposite electrode. SOLUTION: In the photoelectric conversion element which has the electrode, which a semiconductor layer is attached on one side surface of it, an opposite electrode which stands face to face against the above semiconductor layer of this electrode, and an electrolyte layer arranged between the above semiconductor layer of this electrode and the opposite electrode, particles which have a hydro-extracting action and insulation nature are compounded into the electrolysis liquid which constitutes the above electrolyte layer.

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】本発明は光電変換素子に関す
る。更に詳細には、本発明は電解液の液漏れが起き難い
改良された構造を有する光電変換素子に関する。
[0001] The present invention relates to a photoelectric conversion element. More specifically, the present invention relates to a photoelectric conversion element having an improved structure in which electrolyte leakage hardly occurs.

【0002】[0002]

【従来の技術】太陽電池はクリーンなエネルギー源とし
て大きく期待されており、すでにpn接合型太陽電池な
どが実用化されている。一方、光励起状態の化学反応を
利用して電気エネルギーを取り出す光化学電池は多くの
研究者によって開発されているが、実用化に関して言え
ば、すでに実績の高いpn接合型太陽電池には遙かに及
ばなかった。
2. Description of the Related Art Solar cells are greatly expected as a clean energy source, and pn junction type solar cells and the like have already been put to practical use. On the other hand, photochemical cells that extract electric energy using a chemical reaction in a photo-excited state have been developed by many researchers, but in terms of practical application, they far exceed pn junction type solar cells, which have already been proven. Did not.

【0003】従来の光化学電池の中で、増感剤と電子受
容体からなる酸化還元反応を利用したタイプが知られて
いる。例えば、チオニン色素と鉄(II)イオンを組み合わ
せた系などがある。また、本多−藤嶋効果の発見以来、
金属やその酸化物の光電荷分離を利用した光化学電池も
知られている。
[0003] Among conventional photochemical batteries, a type utilizing an oxidation-reduction reaction comprising a sensitizer and an electron acceptor is known. For example, there is a system in which a thionin dye and iron (II) ion are combined. Since the discovery of the Honda-Fujishima effect,
Photochemical cells utilizing photocharge separation of metals and their oxides are also known.

【0004】半導体が金属と接触した場合、金属と半導
体の仕事関数の関係によりショットキー接合ができる
が、半導体と溶液が接している時も同様な接合ができ
る。例えば、溶液中にFe2+/Fe3+、Fe(CN)6
4-/Fe(CN)6 3-、I-/I2、Br-/Br2、ハイ
ドロキノン/キノンなどの酸化還元系が含まれている
時、n型半導体を溶液に浸けると半導体の表面付近の電
子が溶液中の酸化剤へ移動し平衡状態に達する。その結
果、半導体の表面付近は正に帯電し電位勾配が生じる。
これにともない半導体の伝導帯および価電子帯にも勾配
が生じる。
When a semiconductor comes into contact with a metal, a Schottky junction can be formed depending on the work function of the metal and the semiconductor. The same junction can be made when the semiconductor is in contact with the solution. For example, Fe 2+ / Fe 3+ , Fe (CN) 6
4- / Fe (CN) 6 3- , I - / I 2, Br - / Br 2, when it contains a redox system such as hydroquinone / quinone, a semiconductor near the surface when immersed the n-type semiconductor in a solution Electrons move to the oxidizing agent in the solution to reach an equilibrium state. As a result, the vicinity of the surface of the semiconductor is positively charged and a potential gradient is generated.
Accordingly, a gradient also occurs in the conduction band and the valence band of the semiconductor.

【0005】酸化還元溶液に浸けた半導体電極の表面に
光を照射すると、半導体のバンドギャップ以上のエネル
ギーを持つ光が吸収され、表面付近で伝導帯に電子を、
価電子帯に正孔を生成する。伝導帯に励起された電子は
上述した半導体の表面付近に存在する電位勾配により半
導体内部へ伝達され、一方、価電子帯に生成された正孔
は酸化還元溶液中の還元体から電子を奪う。
When light is applied to the surface of a semiconductor electrode immersed in an oxidation-reduction solution, light having energy equal to or greater than the band gap of the semiconductor is absorbed, and electrons are transferred to the conduction band near the surface.
Generates holes in the valence band. The electrons excited in the conduction band are transmitted to the inside of the semiconductor by the above-described potential gradient existing near the surface of the semiconductor, while the holes generated in the valence band rob electrons from the reductant in the redox solution.

【0006】酸化還元溶液に金属電極を浸して金属電極
と半導体間で回路を作ると、正孔に電子を奪われた還元
体は溶液中を拡散して金属電極から電子を受け取り、再
び還元される。このサイクルを繰り返し、半導体電極は
負極として、金属電極は正極としてそれぞれ働き、外部
へ電力を供給することができる。したがって、光起電力
は酸化還元溶液の酸化還元準位と半導体中のフェルミ準
位との差になる。
When a circuit is formed between a metal electrode and a semiconductor by immersing the metal electrode in an oxidation-reduction solution, the reduced form whose electrons have been deprived of holes diffuses through the solution, receives electrons from the metal electrode, and is reduced again. You. By repeating this cycle, the semiconductor electrode functions as a negative electrode and the metal electrode functions as a positive electrode, so that electric power can be supplied to the outside. Therefore, the photovoltaic power is the difference between the redox level of the redox solution and the Fermi level in the semiconductor.

【0007】光起電力を大きくするためには、酸化還
元準位の低い、すなわち酸化力の強い酸化還元溶液を用
いること、酸化還元準位と半導体中のフェルミ準位と
の間に大きな差を作り出せる、すなわちバンドギャップ
の大きい半導体を用いることである。
In order to increase the photovoltaic power, it is necessary to use a redox solution having a low oxidation-reduction level, that is, a strong oxidation power, and a large difference between the oxidation-reduction level and the Fermi level in a semiconductor. That is, a semiconductor which can be produced, that is, has a large band gap is used.

【0008】しかしながら、酸化還元溶液の酸化力があ
まり大きすぎると半導体自身の表面に酸化膜を形成し、
光電流は短時間のうちにストップする。また、バンドギ
ャップについては、一般にバンドギャップが3.0eV
以下さらには2.0eV以下の半導体は光電変換の際に
流れる電流により溶液中に溶解しやすい問題がある。例
えば、n-Siは水中の光照射で表面に不活性な酸化物
被膜を形成し、n-GaAsやn-CdSは酸化的に溶解
する。
[0008] However, if the oxidizing power of the redox solution is too large, an oxide film is formed on the surface of the semiconductor itself,
The photocurrent stops within a short time. The band gap is generally 3.0 eV.
The semiconductor having a voltage of 2.0 eV or less has a problem that it is easily dissolved in a solution by a current flowing at the time of photoelectric conversion. For example, n-Si forms an inactive oxide film on the surface by light irradiation in water, and n-GaAs and n-CdS dissolve oxidatively.

【0009】これらの問題を解決すために、半導体に保
護膜を被覆する工夫が試みられており、正孔輸送特性を
有するポリピロールやポリアニリン、ポリチオフェンな
どのp型導電性高分子を半導体の保護膜に使用する工夫
が提案されている。しかしながら耐久性に問題があり、
せいぜい数日程度しか安定しなかった。
In order to solve these problems, attempts have been made to coat a semiconductor with a protective film. A p-type conductive polymer such as polypyrrole, polyaniline, or polythiophene having a hole transporting property is coated with a semiconductor protective film. Ingenuity has been proposed. However, there is a problem with durability,
At best, it was stable for only a few days.

【0010】光溶解の問題を解決するために、バンドギ
ャップが3eV以上ある半導体の利用が考えられるが、
強度のピークが2.5eV付近にある太陽光を効率よく
吸収するには大きすぎる。そのため、太陽光のうち紫外
部しか吸収できず、大部分を占める可視域を全く吸収せ
ず、光電変換効率は極めて低くなる。
In order to solve the problem of photodissolution, use of a semiconductor having a band gap of 3 eV or more is considered.
The intensity peak is too large to efficiently absorb sunlight having a peak near 2.5 eV. Therefore, only ultraviolet rays of sunlight can be absorbed, and the visible region which occupies most of the sunlight is not absorbed at all, and the photoelectric conversion efficiency is extremely low.

【0011】可視光域の有効利用とバンドギャップの大
きな半導体の光安定性を両立させるために、半導体のバ
ンドギャップより小さい長波長側の可視光を吸収する増
感色素を半導体に担持させた色素増感太陽電池が知られ
ている。従来の半導体を用いた湿式太陽電池と異なると
ころは、色素に光を照射して電子が励起され、励起電子
が色素から半導体へ移動する光電荷分離過程である。
In order to achieve both effective use of the visible light region and photostability of a semiconductor having a large band gap, a dye having a semiconductor loaded with a sensitizing dye that absorbs visible light of a longer wavelength smaller than the band gap of the semiconductor. Sensitized solar cells are known. The difference from a conventional wet solar cell using a semiconductor is a photocharge separation process in which electrons are excited by irradiating light to a dye, and the excited electrons move from the dye to the semiconductor.

【0012】色素増感太陽電池は光合成と関連づけてと
らえられることが多い。当初、色素としては光合成と同
様にクロロフィルが考えられていたが、絶えず新しい葉
緑素と交換される自然のクロロフィルと違い、太陽電池
に用いる色素では安定性の面で問題があり、また、太陽
電池としての光電変換効率も0.5%に満たないもので
あった。自然界の光合成の過程をそのまま模擬し、太陽
電池を構成することは非常に困難である。
Dye-sensitized solar cells are often considered in connection with photosynthesis. At first, chlorophyll was considered as a pigment, as in photosynthesis.However, unlike natural chlorophyll, which is constantly replaced with new chlorophyll, pigments used in solar cells have problems in terms of stability. Also had a photoelectric conversion efficiency of less than 0.5%. It is very difficult to simulate the process of photosynthesis in nature as it is to construct a solar cell.

【0013】このように、色素増感太陽電池は、光合成
からヒントを得て長波長の可視光を吸収しようというも
のであるが、実際には電子の伝導機構が複雑になったた
め、却って損失の増大が問題となった。固体の太陽電池
では、光を吸収する層を厚くすれば吸収効率は上げるこ
とができる。しかしながら、色素増感太陽電池に関して
は、半導体電極に電子を注入できるのは表面上の単分子
層のみである。そのため無駄な光の吸収をなくすため
に、半導体表面上の色素は単分子層とすることが望まし
い。
As described above, the dye-sensitized solar cell is intended to absorb long-wavelength visible light with a hint from photosynthesis. However, in practice, the conduction mechanism of electrons has become complicated, and thus the dye-sensitized solar cell has rather a loss. Growth was a problem. In a solid-state solar cell, the absorption efficiency can be increased by increasing the thickness of the light-absorbing layer. However, for dye-sensitized solar cells, electrons can be injected into the semiconductor electrode only from the monolayer on the surface. Therefore, in order to eliminate useless absorption of light, it is desirable that the dye on the semiconductor surface be a monomolecular layer.

【0014】しかも励起された色素内の電子が効率的に
半導体内に注入されるためには、半導体表面と化学的に
結合していることが好ましい。例えば、酸化チタンに関
しては、半導体表面と化学的に結合するために、色素に
カルボキシル基があることなどが重要である。
Furthermore, in order for electrons in the excited dye to be efficiently injected into the semiconductor, the dye is preferably chemically bonded to the semiconductor surface. For example, with respect to titanium oxide, it is important that the dye has a carboxyl group in order to chemically bond to the semiconductor surface.

【0015】この点に関して、重要な改善をしたのはFu
jihiraらのグループである。彼らはローダミンBのカル
ボキシル基がSnO表面の水酸基とエステル結合する
ことにより,光電流が従来の吸着法の10倍以上になっ
たことを1977年に雑誌Natureに報告している。これ
は従来のアミド結合よりエステル結合の方が色素内で光
のエネルギーを吸収した電子の存在するπ軌道が半導体
の表面に近いためとしている。
An important improvement in this regard is that of Fu.
It is a group of jihira and others. They reported in 1977 to Nature magazine that the photocurrent was more than 10 times that of the conventional adsorption method due to the ester bond of the carboxyl group of Rhodamine B with the hydroxyl group on the surface of SnO 2 . This is because the ester bond of the ester bond is closer to the surface of the semiconductor in the dye than the conventional amide bond, in which the electron which absorbed light energy exists.

【0016】しかしながら、半導体に電子を有効に注入
できたとしても伝導帯内にある電子は、色素の基底準位
と再結合する可能性や、酸化還元物質と再結合する可能
性などがある。このような問題点があったため、電子注
入について上記の改善にも関わらず光電変換効率は低い
ままであった。
However, even if electrons can be effectively injected into the semiconductor, the electrons in the conduction band may recombine with the ground level of the dye or may recombine with the redox substance. Due to such a problem, the photoelectric conversion efficiency remained low despite the above-described improvement in electron injection.

【0017】以上のように、従来の色素増感太陽電池の
大きな問題点として、半導体表面に単層で担持された増
感色素しか半導体へ電子を注入することができないこと
である。すなわち、これまで半導体電極によく用いられ
ていた単結晶や多結晶半導体は、表面が平滑で内部に細
孔を持たず、増感色素が担持される有効面積は電極面積
に等しく、増感色素の担持量が少ない。
As described above, a major problem of the conventional dye-sensitized solar cell is that only a sensitizing dye carried in a single layer on the semiconductor surface can inject electrons into the semiconductor. In other words, single-crystal and polycrystalline semiconductors, which have been often used for semiconductor electrodes, have a smooth surface and no pores inside, and the effective area where the sensitizing dye is carried is equal to the electrode area. Is small.

【0018】従って、このような電極を用いた場合、そ
の電極に担持された単分子層の増感色素は最大吸収波長
でも入射光の1%以下しか吸収できず、光の利用効率が
極めて悪くなる。光捕集力を高めるために増感色素を多
層にする試みも提案されているが、概して充分な効果が
得られていない。
Therefore, when such an electrode is used, the sensitizing dye of the monolayer supported on the electrode can absorb only 1% or less of the incident light even at the maximum absorption wavelength, and the light use efficiency is extremely poor. Become. Attempts have been made to increase the number of sensitizing dyes in order to increase the light-collecting power, but generally no sufficient effect has been obtained.

【0019】グレッツェル等は、このような問題を解決
する手段として、酸化チタン電極を多孔質化し、増感色
素を担持させ,内部面積を著しく増大させた(例えば、
特許2664196号)。ゾル・ゲル法によりこの酸化チタン
多孔質膜を作製し、膜のポロシティーは約50%ほどで
あり、非常に高い内部表面積を有するナノ多孔性構造が
形成されている。たとえば、8μmの膜厚ではラフネス
ファクター(基板面積に対する多孔質内部の実面積の割
合)は約720にも達する。この表面を幾何学的に計算
すると、増感色素の濃度は1.2×10−7mol/c
に達し、実に、最大吸収波長で入射光の約98%が
吸収されることになる。
Grettzel et al., As a means for solving such a problem, made the titanium oxide electrode porous, carried a sensitizing dye, and significantly increased the internal area (for example,
Patent No. 2664196). This titanium oxide porous film was prepared by a sol-gel method, and the porosity of the film was about 50%, and a nanoporous structure having a very high internal surface area was formed. For example, with a film thickness of 8 μm, the roughness factor (the ratio of the actual area inside the porous body to the substrate area) reaches about 720. When this surface is geometrically calculated, the concentration of the sensitizing dye is 1.2 × 10 −7 mol / c.
m 2 , indeed about 98% of the incident light will be absorbed at the wavelength of maximum absorption.

【0020】このグレッツェル・セルとも呼ばれる新し
い色素増感太陽電池は、上述の酸化チタンの多孔質化に
よる増感色素の飛躍的な担持量の増大と、太陽光を効率
よく吸収しかつ半導体への電子注入速度が著しく速い増
感色素の開発した点が大きな特徴である。
The new dye-sensitized solar cell, also called a Gretzell cell, has a dramatic increase in the amount of sensitizing dye carried due to the above-mentioned porous titanium oxide, and has an ability to efficiently absorb sunlight and to adhere to a semiconductor. A major feature is that a sensitizing dye having an extremely high electron injection speed has been developed.

【0021】グレッツェルらは、色素増感太陽電池のた
めにビス(ビピリジル)Ru(II)錯体を開発した。その
Ru錯体は一般式シス−X2ビス(2,2’−ビピリジ
ル−4,4’−ジカルボキシレート)Ru(II)の構造を
持つ。XはCl−,CN−,SCN−である。これらに
ついて蛍光、可視光吸収、電気化学的および光酸化還元的
挙動について系統的な研究が行われた。これらのうち、
シス−(ジイソシアネート)−ビス(2,2’−ビピリ
ジル−4,4’−ジカルボキシレート)Ru(II)は、太
陽光吸収剤および色素増感剤として格段に優れた性能を
持つことが示された。
Have developed a bis (bipyridyl) Ru (II) complex for dye-sensitized solar cells. The Ru complex has the structure of the general formula cis-X2bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) Ru (II). X is Cl-, CN-, SCN-. A systematic study was performed on the fluorescence, visible light absorption, electrochemical and photo-redox behavior of these. Of these,
It has been shown that cis- (diisocyanate) -bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) Ru (II) has remarkably excellent performance as a solar absorber and a dye sensitizer. Was done.

【0022】この色素増感剤の可視光吸収は、金属から
配位子への電荷移動遷移である。また、配位子のカルボ
キシル基は表面のTiイオンに直接配位して、色素増感
剤と酸化チタンの間に密接な電子的接触を形成してい
る。この電子的な接触により、色素増感剤から酸化チタ
ンの伝導帯への電子注入が1ピコ秒以下の極めて速い速
度で起こり、その逆方向の酸化された色素増感剤による
酸化チタンの伝導帯へ注入された電子の再捕獲はマイク
ロ秒のオーダーで起こるとされている。この速度差が光
励起電子の方向性を生み出し、電荷分離が極めて高い効
率で行われる理由である。そして、これがpn接合面の
電位勾配により電荷分離を行うpn接合太陽電池との違
いであり、グレツェル・セルの本質的な特徴である。
The visible light absorption of the dye sensitizer is a charge transfer transition from a metal to a ligand. Also, the carboxyl group of the ligand coordinates directly to the Ti ion on the surface, forming a close electronic contact between the dye sensitizer and titanium oxide. Due to this electronic contact, electron injection from the dye sensitizer into the conduction band of titanium oxide occurs at a very high speed of 1 picosecond or less, and the conduction band of titanium oxide by the oxidized dye sensitizer in the opposite direction. It is said that the re-capture of the injected electrons occurs on the order of microseconds. This difference in speed produces the directionality of photoexcited electrons, which is the reason why charge separation is performed with extremely high efficiency. This is a difference from a pn junction solar cell that separates electric charges by a potential gradient of a pn junction surface, and is an essential feature of the Gretzell cell.

【0023】グレッツェル・セルの構成はフッ素ドープ
した酸化スズの透明導電膜をコーティングした導電ガラ
ス基板2枚の間に、酸化還元対を含む電解質溶液を封入
したサンドイッチ型のセルである。ガラス基板の一方
は、透明導電膜上にコロイド状の酸化チタン超微粒子か
ら構成される多孔質膜を積層し、さらに増感色素を吸着
させて作用電極としたものである。他方は、透明導電膜
上に少量の白金をコーティングして対極としたものであ
る。2枚のガラス基板の間にスペーサを挟み、その間の
ごくわずかの隙間に毛細管現象を利用して電解質溶液を
注入する。電解質溶液は、エチレンカーボネートとアセ
トニトリルの混合溶媒を使用し、ヨウ化テトラ-n-プロ
ピルアンモニウムとヨウ素を溶質としたもので、I-
3-の酸化還元対を含む。対極にコーティングされた白
金はこの酸化還元対のI3-をI-に陰極還元する触媒作
用がある。
The structure of the Grettzel cell is a sandwich type cell in which an electrolyte solution containing a redox couple is sealed between two conductive glass substrates coated with a transparent conductive film of fluorine-doped tin oxide. One of the glass substrates is one in which a porous film composed of colloidal titanium oxide ultrafine particles is laminated on a transparent conductive film, and a sensitizing dye is further adsorbed to form a working electrode. The other is a transparent conductive film coated with a small amount of platinum to serve as a counter electrode. A spacer is sandwiched between two glass substrates, and an electrolyte solution is injected into a very small gap between the two glass substrates by using a capillary phenomenon. The electrolyte solution uses a mixed solvent of ethylene carbonate and acetonitrile, obtained by the iodide tetra -n- propyl ammonium and iodine as solutes, I - /
Including the I 3- of oxidation-reduction pair. Platinum coated on the counter electrode is an I 3- this redox couple I - there is a catalytic effect of cathodic reduction to.

【0024】グレッツェル・セルの動作原理は、基本的
に従来の半導体を用いた湿式太陽電池と変わらない。た
だし、グレッツェル・セルのような多孔質電極のどの部
分においても光電荷分離応答が均一かつ効率的に行われ
るのは、主に電解質層が液体であるためである。すなわ
ち、色素担持多孔質電極を溶液に浸すだけで溶液が均一
に多孔質内に拡散し、理想的な電気化学的界面を形成で
きるからである。
The principle of operation of the Grettzel cell is basically the same as that of a conventional wet solar cell using a semiconductor. However, the reason why the photocharge separation response is performed uniformly and efficiently in any part of the porous electrode such as the Gretzell cell is mainly because the electrolyte layer is a liquid. That is, only by immersing the dye-carrying porous electrode in the solution, the solution is uniformly diffused into the porous material and an ideal electrochemical interface can be formed.

【0025】しかし、従来のグレッツェル・セルにおい
ては、電解液中に水分が微量でも存在すると、増感色素
や電解質が分解し、光電変換特性が劣化するなどの問題
点が存在していた。そのため、電解液中の水分を完全に
取り除いた後に、光電変換素子の電解質層に注入される
のであるが、などにより、経時的に電解質層内に水分が
発生することがある。また、光電変換素子の使用状態に
より、時々、半導体層と対電極との接触が生じたり、半
導体層と対電極との距離が不均一となって、光電変換特
性が劣化することがあった。
However, in the conventional Grettzel cell, there is a problem that when a small amount of water is present in the electrolytic solution, the sensitizing dye and the electrolyte are decomposed and the photoelectric conversion characteristics are deteriorated. For this reason, after the water in the electrolytic solution is completely removed, the water is injected into the electrolyte layer of the photoelectric conversion element. In addition, depending on the use state of the photoelectric conversion element, the semiconductor layer sometimes comes into contact with the counter electrode, or the distance between the semiconductor layer and the counter electrode becomes non-uniform, so that the photoelectric conversion characteristics may be deteriorated.

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、電解液中の水分の問題及び半導体層と対電極との間
の距離の問題を解決し、光電変換効率及び長期信頼性に
優れた光電変換素子を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the problem of moisture in an electrolytic solution and the problem of the distance between a semiconductor layer and a counter electrode, and to achieve excellent photoelectric conversion efficiency and long-term reliability. To provide a photoelectric conversion element.

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】前記課題は、少なくと
も、一方の面上に半導体層が被着された電極と、この電
極の前記半導体層と対峙する対電極と、該電極の前記半
導体層と対電極との間に配置された電解質層を有する光
電変換素子において、前記電解質層を構成する電解液中
に脱水作用及び絶縁性を有する粒子を配合することによ
り解決される。
The object of the present invention is to provide at least an electrode having a semiconductor layer deposited on one surface, a counter electrode facing the semiconductor layer of the electrode, and a semiconductor layer of the electrode. In a photoelectric conversion element having an electrolyte layer disposed between the electrode and a counter electrode, the problem is solved by blending particles having a dehydrating action and an insulating property into an electrolyte solution constituting the electrolyte layer.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の光電変換素子の一例について具体的に説明する。図1
は本発明の光電変換素子の一例の概要断面図である。図
示されているように、本発明の光電変換素子1は、基板
2の一方の表面に形成された電極3を有する。この電極
3の一方の表面には色素増感半導体層6が形成されてい
る。更に、この色素増感半導体層6に対峙して対電極4
が存在する。対電極4は別の基板7の一方の表面に形成
されている。色素増感半導体層6と対電極4との間には
電解質層5が存在し、電解質層5は脱水作用及び絶縁性
を有する粒子8と電解液9とから構成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an example of the photoelectric conversion device of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Figure 1
1 is a schematic sectional view of an example of the photoelectric conversion element of the present invention. As shown, the photoelectric conversion element 1 of the present invention has an electrode 3 formed on one surface of a substrate 2. A dye-sensitized semiconductor layer 6 is formed on one surface of the electrode 3. Further, the counter electrode 4 is opposed to the dye-sensitized semiconductor layer 6.
Exists. The counter electrode 4 is formed on one surface of another substrate 7. An electrolyte layer 5 exists between the dye-sensitized semiconductor layer 6 and the counter electrode 4, and the electrolyte layer 5 is composed of particles 8 having a dehydrating action and an insulating property and an electrolyte 9.

【0029】本発明の光電変換素子の特徴は、図1に示
されるように、電解質層5を構成する電解液9の中に、
脱水作用及び絶縁性を有する粒子8が配合されているこ
とである。この粒子8の存在により、電解質層5を構成
する電解液9中の水分が除去され、水分の存在に起因す
る弊害を取り除くことができる。また、前記粒子が絶縁
作用を持つことにより、粒子の存在が、半導体極と対極
との接触を防ぎ、かつ、前記電極間距離を一定に保つ作
用を発揮する。以上の作用により、電解液9中に脱水作
用および絶縁性の粒子を存在させることにより高い光電
変換特性をもつ光電変換素子を得ることができる。
The feature of the photoelectric conversion device of the present invention is that, as shown in FIG.
That is, particles 8 having a dehydrating action and an insulating property are blended. The presence of the particles 8 removes the water in the electrolyte solution 9 constituting the electrolyte layer 5, and can remove the adverse effects caused by the presence of the water. Further, since the particles have an insulating action, the presence of the particles prevents the contact between the semiconductor electrode and the counter electrode, and exerts an effect of keeping the distance between the electrodes constant. By the above operation, the presence of particles having a dehydrating effect and insulating properties in the electrolyte solution 9 can provide a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion characteristics.

【0030】本発明の光電変換素子1で使用できる、脱
水作用及び絶縁性を有する粒子8は例えば、ホウ素化合
物のB、HBO、(CHO)B、(C
O)B、(CHO)B−Bなどや、活
性アルミナ、ゼオライト、シリカゲル、酸化マグネシウ
ム、酸化カルシウム、無水フタル酸及び無水コハク酸な
どが挙げられる。これらの粒子は一種類でもよいが、二
種類以上を併用することもできる。
The particles 8 having a dehydrating action and an insulating property that can be used in the photoelectric conversion element 1 of the present invention are, for example, boron compounds B 2 O 3 , H 3 BO 3 , (CH 3 O) 3 B, (C 2
H 5 O) 3 B, (CH 3 O) 3 BB 2 O 3 and the like, activated alumina, zeolite, silica gel, magnesium oxide, calcium oxide, phthalic anhydride, succinic anhydride, and the like. One type of these particles may be used, or two or more types may be used in combination.

【0031】脱水作用及び絶縁性を有する粒子8の代わ
りに、脱水剤とガラスビーズ、プラスチックビーズなど
の絶縁性粒子からなるスペーサを併用して配置すること
は課題の解決手段とはならない。なぜなら、電解質層5
中は酸化還元体が移動する領域であり、脱水剤やスペー
サーの存在は酸化還元体の移動を妨げる効果をもつから
である。従って、水分の問題と、電極間距離の問題とを
解決することは重要であるものの、酸化還元体の移動を
妨げる脱水剤及びスペーサーの添加は逆効果となる。従
って、本発明においても、脱水作用しか有しない粒子と
絶縁性しか有しない粒子を組み合わせて使用することは
好ましくない。
The use of a dehydrating agent and spacers made of insulating particles such as glass beads and plastic beads in place of the particles 8 having a dehydrating action and insulating properties does not solve the problem. Because the electrolyte layer 5
The inside is a region where the redox substance moves, and the presence of the dehydrating agent and the spacer has an effect of preventing the movement of the redox substance. Therefore, although it is important to solve the problem of moisture and the problem of the distance between electrodes, the addition of a dehydrating agent and a spacer that hinders the movement of the redox substance has an adverse effect. Therefore, also in the present invention, it is not preferable to use particles having only a dehydrating action and particles having only an insulating property in combination.

【0032】本発明の光電変換素子1において、色素増
感半導体層6と対電極4との間の距離が1mmを超える
と、酸化還元体の移動距離が長くなりすぎて光電変換特
性が低下する傾向がある。従って、色素増感半導体層6
と対電極4との間の間隔は1mm以下であることが好ま
しい。よって、脱水作用及び絶縁性を有する粒子8の粒
径は1mm以下でなければならない。また、脱水作用及
び絶縁性を有する粒子8の粒径が小さいほど、色素増感
半導体層6と対電極4との間の距離が短くなることか
ら、それ自体は特に特性に悪影響を及ぼすことはない。
しかしながら、前記粒子の径が0.1μm以下になると
前記粒子を単層で配置することが困難となり、前記粒子
により色素増感半導体層6と対電極4との間の距離を制
御することが困難となる。よって、色素増感半導体層6
と対電極4との間の距離を制御するという観点から、粒
子8の粒径としては0.1μm以上とすることが好まし
い。一般的に、光電変換素子1を設計する際、色素増感
半導体層6と対電極4との間の距離が予め決定されるの
で、この設計距離値に基づき、電解質層9内に配置され
る脱水作用及び絶縁性を有する粒子8の粒径も自ずから
決定される。
In the photoelectric conversion device 1 of the present invention, if the distance between the dye-sensitized semiconductor layer 6 and the counter electrode 4 exceeds 1 mm, the moving distance of the redox body becomes too long, and the photoelectric conversion characteristics deteriorate. Tend. Therefore, the dye-sensitized semiconductor layer 6
Preferably, the distance between the electrode and the counter electrode 4 is 1 mm or less. Therefore, the particle size of the particles 8 having the dehydrating action and the insulating property must be 1 mm or less. In addition, the smaller the particle size of the particles 8 having the dehydrating action and the insulating property, the shorter the distance between the dye-sensitized semiconductor layer 6 and the counter electrode 4, so that the characteristics themselves will not adversely affect the characteristics. Absent.
However, when the diameter of the particles is 0.1 μm or less, it is difficult to arrange the particles in a single layer, and it is difficult to control the distance between the dye-sensitized semiconductor layer 6 and the counter electrode 4 by the particles. Becomes Therefore, the dye-sensitized semiconductor layer 6
From the viewpoint of controlling the distance between the electrode 8 and the counter electrode 4, it is preferable that the particle size of the particles 8 be 0.1 μm or more. Generally, when the photoelectric conversion element 1 is designed, the distance between the dye-sensitized semiconductor layer 6 and the counter electrode 4 is determined in advance. Therefore, the photoelectric conversion element 1 is arranged in the electrolyte layer 9 based on the design distance value. The particle size of the particles 8 having a dehydrating action and an insulating property is also determined by itself.

【0033】本発明の光電変換素子1において、基板2
及び7としては、ガラス又はプラスチックなどを使用で
きる。プラスチックは可撓性なので、柔軟性を必要とす
る用途に適する。基板2は光入射側基板として機能する
ので透明であることが好ましい。一方、基板7は透明で
も、不透明でもよいが、両側の基板から光を入射させる
ことができるので、透明であることが好ましい。
In the photoelectric conversion device 1 of the present invention, the substrate 2
Glass and plastic can be used as and. Because plastic is flexible, it is suitable for applications requiring flexibility. Since the substrate 2 functions as a light incident side substrate, it is preferably transparent. On the other hand, the substrate 7 may be transparent or opaque, but is preferably transparent because light can be incident from both substrates.

【0034】基板2の一方の面に成膜される電極3は、
金属そのものか、またはガラスもしくはプラスチック上
に導電剤層を有するものである。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−錫複合酸化物、フッ素をドープした
酸化錫等)が挙げられる。
The electrode 3 formed on one surface of the substrate 2
It has a conductive agent layer on metal itself or glass or plastic. Preferred conductive agents include metals (eg, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, and conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, fluorine-doped tin oxide, etc.). No.

【0035】電極3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50Ω/□以下であり、より
好ましくは30Ω/□以下である。下限に特に制限はな
いが、通常0.1Ω/□である。
The lower the surface resistance of the electrode 3, the better. A preferred range of the surface resistance is 50 Ω / □ or less, more preferably 30 Ω / □ or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually 0.1 Ω / □.

【0036】電極3は、光透過率が高い程よい。好まし
い光透過率としては50%以上であり、より好ましくは
80%である。電極3としてはガラスもしくはプラスチ
ック上に導電剤層を有するものが好ましい。電極3の膜
厚は0.1〜10μmが好ましい。電極3の膜厚が0.
1μm未満の場合、均一な膜厚の電極膜を形成すること
が困難になる。一方、膜厚が10μm超の場合、光透過
性が低下し、十分な光が色素増感半導体層7に入射され
なくなる。透明電極3を使用する場合、光は色素増感半
導体層6が被着される側の電極3から入射させることが
好ましい。
The higher the light transmittance of the electrode 3, the better. The preferred light transmittance is 50% or more, and more preferably 80%. The electrode 3 preferably has a conductive agent layer on glass or plastic. The thickness of the electrode 3 is preferably 0.1 to 10 μm. The electrode 3 has a thickness of 0.
When the thickness is less than 1 μm, it is difficult to form an electrode film having a uniform thickness. On the other hand, when the film thickness is more than 10 μm, the light transmittance decreases, and sufficient light does not enter the dye-sensitized semiconductor layer 7. When the transparent electrode 3 is used, it is preferable that light is incident from the electrode 3 on the side on which the dye-sensitized semiconductor layer 6 is applied.

【0037】対電極4は光電変換素子1の正極として機
能し、前記の色素増感半導体層6が被着される側の電極
3と同義である。本発明における光電変換素子1の対電
極4としては、光電変換素子1の正極として効率よく作
用するために、電解質の還元体に電子を与える触媒作用
を有する素材が好ましい。このような素材は例えば、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)、グラファイト、もしくは導電性の
金属酸化物(インジウム−錫複合酸化物、フッ素をドー
プした酸化錫等)などである。これらのうち、白金やグ
ラファイトなどが特に好ましい。対電極4が配設される
側の基板7は、対電極4の被着面側に透明導電膜(図示
されていない)を有することもできる。この透明導電膜
は例えば、前記の電極3と同じ材料から成膜することが
できる。この場合、対電極4も透明であることが好まし
い。
The counter electrode 4 functions as a positive electrode of the photoelectric conversion element 1 and has the same meaning as the electrode 3 on the side on which the dye-sensitized semiconductor layer 6 is attached. As the counter electrode 4 of the photoelectric conversion element 1 in the present invention, a material having a catalytic action of giving electrons to a reductant of the electrolyte is preferable in order to efficiently act as a positive electrode of the photoelectric conversion element 1. Examples of such a material include metals (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), graphite, and conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, fluorine-doped tin oxide, etc.). ). Of these, platinum and graphite are particularly preferred. The substrate 7 on which the counter electrode 4 is provided may have a transparent conductive film (not shown) on the surface on which the counter electrode 4 is attached. This transparent conductive film can be formed, for example, from the same material as the electrode 3 described above. In this case, it is preferable that the counter electrode 4 is also transparent.

【0038】色素増感半導体層6の膜厚は0.1μm〜
100μmの範囲内であることが好ましい。色素増感半
導体層7の膜厚が0.1μm未満の場合には、十分な光
電変換効果が得られない可能性がある。一方、膜厚が1
00μm超の場合には、可視光および近赤外光に対する
透過性が著しく悪化するなどの不都合が生じるので好ま
しくない。半導体層6の膜厚の一層好ましい範囲は、1
μm〜50μmであり、特に好ましい範囲は5μm〜3
0μmであり、最も好ましい範囲は10μm〜20μm
である。
The thickness of the dye-sensitized semiconductor layer 6 is 0.1 μm to
It is preferable that it is within the range of 100 μm. When the thickness of the dye-sensitized semiconductor layer 7 is less than 0.1 μm, a sufficient photoelectric conversion effect may not be obtained. On the other hand, when the film thickness is 1
If the thickness is more than 00 μm, disadvantages such as remarkable deterioration of the transmittance with respect to visible light and near-infrared light occur, which is not preferable. A more preferable range of the film thickness of the semiconductor layer 6 is 1
μm to 50 μm, and a particularly preferred range is 5 μm to 3 μm.
0 μm, and the most preferable range is 10 μm to 20 μm.
It is.

【0039】色素増感半導体層6において使用する半導
体粒子としては、Cd、Zn、In、Pb、Mo、W、
Sb、Bi、Cu、Hg、Ti、Ag、Mn、Fe、
V、Sn、Zr、Sr、Ga、Si、Crの酸化物、S
rTiO、CaTiOのようなペロブスカイト、ま
たは、CdS、ZnS、In、PbS、Mo
S、WS、Sb、Bi、ZnCd
、CuSの硫化物、CdSe、InSe、W
Se、HgS、PbSe、CdTeの金属カルコゲナ
イド、その他GaAs、Si、Se、Cd、Zn
、InP、AgBr、PbI、HgI、Bi
が好ましい。または、前記半導体から選ばれる少な
くとも一種以上を含む複合体、例えば、CdS/TiO
、CdS/AgI、AgS/AgI、CdS/Zn
O、CdS/HgS、CdS/PbS、ZnO/Zn
S、ZnO/ZnSe、CdS/HgS、CdS/C
dSe1−x、CdS/Te1−x、CdSe/T
1−x、ZnS/CdSe、ZnSe/CdSe、C
dS/ZnS、TiO/Cd、CdS/CdS
eCdZn1−yS、CdS/HgS/CdSが好ま
しい。
The semiconductor particles used in the dye-sensitized semiconductor layer 6 include Cd, Zn, In, Pb, Mo, W,
Sb, Bi, Cu, Hg, Ti, Ag, Mn, Fe,
Oxides of V, Sn, Zr, Sr, Ga, Si, Cr, S
Perovskite such as rTiO 3 , CaTiO 3 , or CdS, ZnS, In 2 S 3 , PbS, Mo
2 S, WS 2 , Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3 , ZnCd
S 2 , Cu 2 S sulfide, CdSe, In 2 Se 3 , W
Se 2 , HgS, PbSe, CdTe metal chalcogenide, GaAs, Si, Se, Cd 2 P 3 , Zn
2 P 3 , InP, AgBr, PbI 2 , HgI 2 , Bi
I 3 is preferred. Alternatively, a composite containing at least one or more selected from the above semiconductors, for example, CdS / TiO
2 , CdS / AgI, Ag 2 S / AgI, CdS / Zn
O, CdS / HgS, CdS / PbS, ZnO / Zn
S, ZnO / ZnSe, CdS / HgS, CdS x / C
dSe 1-x, CdS x / Te 1-x, CdSe x / T
e 1-x , ZnS / CdSe, ZnSe / CdSe, C
dS / ZnS, TiO 2 / Cd 3 P 2, CdS / CdS
eCd y Zn 1-y S, the CdS / HgS / CdS preferred.

【0040】また、この半導体粒子に担持させる増感色
素としては、従来の色素増感性光電変換素子で常用され
る色素であれば全て使用できる。このような色素は当業
者に公知である。このような色素は例えば、RuL2(H2O)2
タイプのルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体
又はルテニウム−トリス(RuL3)、ルテニウム−ビス(RuL
2)、オスニウム−トリス(OsL3)、オスニウム−ビス(OsL
2)タイプの遷移金属錯体若しくは、亜鉛−テトラ(4−
カルボキシフェニル)ポルフィリン、鉄−ヘキサシアニ
ド錯体、フタロシアニンなどが挙げられる。有機色素と
しては、9-フェニルキサンテン系色素、クマリン系色
素、アクリジン系色素、トリフェニルメタン系色素、テ
トラフェニルメタン系色素、キノン系色素、アゾ系色
素、インジゴ系色素、シアニン系色素、メロシアニン系
色素、キサンテン系色素などが挙げられる。この中でも
ルテニウム−ビス(RuL2)誘導体が好ましい。
As the sensitizing dye carried on the semiconductor particles, any dye commonly used in conventional dye-sensitized photoelectric conversion elements can be used. Such dyes are known to those skilled in the art. Such dyes are, for example, RuL 2 (H 2 O) 2
Type ruthenium-cis-diaqua-bipyridyl complex or ruthenium-tris (RuL 3 ), ruthenium-bis (RuL
2 ), Osnium-Tris (OsL 3 ), Osnium-bis (OsL
2 ) type transition metal complex or zinc-tetra (4-
(Carboxyphenyl) porphyrin, iron-hexacyanide complex, phthalocyanine and the like. Organic dyes include 9-phenylxanthene dyes, coumarin dyes, acridine dyes, triphenylmethane dyes, tetraphenylmethane dyes, quinone dyes, azo dyes, indigo dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes Dyes, xanthene-based dyes, and the like. Among them, a ruthenium-bis (RuL 2 ) derivative is preferable.

【0041】半導体粒子へ増感色素を担持させる方法と
しては、当業者に公知の任意の方法を使用することがで
きる。例えば、特願平2000−092803号明細書
に記載されているように、半導体粒子内部に細孔を形成
し、多孔質化させた半導体粒子に増感色素を担持させる
方法が使用できる。この方法によれば、半導体粒子の外
表面の他、細孔内にも増感色素を担持させることがで
き、増感色素の担持量を増大させることができる。その
結果、光電変換効率を増大させることができる。
As a method for supporting the sensitizing dye on the semiconductor particles, any method known to those skilled in the art can be used. For example, as described in Japanese Patent Application No. 2000-092803, a method in which pores are formed inside semiconductor particles and the sensitizing dye is carried on the porous semiconductor particles can be used. According to this method, the sensitizing dye can be supported not only on the outer surface of the semiconductor particles but also in the pores, and the amount of the sensitizing dye supported can be increased. As a result, the photoelectric conversion efficiency can be increased.

【0042】本発明の光電変換素子1における電解質層
5で使用される電解質としては、酸化体と還元体からな
る一対の酸化還元系構成物質が溶媒中に含まれていれ
ば、特に限定されないが、酸化体と還元体が同一電荷を
持つ酸化還元系構成物質が好ましい。この明細書におけ
る、酸化還元系構成物質とは、酸化還元反応において、
可逆的に酸化体及び還元体の形で存在する一対の物質を
意味する。このような酸化還元系構成物質自体は当業者
に公知である。本発明で使用できる酸化還元系構成物質
は例えば、塩素化合物−塩素、ヨウ素化合物−ヨウ素、
臭素化合物−臭素、タリウムイオン(III)−タリウムイ
オン(I)、水銀イオン(II)−水銀イオン(I)、ルテニウム
イオン(III)−ルテニウムイオン(II)、銅イオン(II)−
銅イオン(I)、鉄イオン(III)−鉄イオン(II)、バナジウ
ムイオン(III)−バナジウムイオン(II)、マンガン酸イ
オン−過マンガン酸イオン、フェリシアン化物−フェロ
シアン化物、キノン−ヒドロキノン、フマル酸−コハク
酸などが挙げられる。言うまでもなく、その他の酸化還
元系構成物質も使用できる。中でも、ヨウ素化合物−ヨ
ウ素が好ましく、ヨウ素化合物としては、ヨウ化リチウ
ム、ヨウ化カリウム等の金属ヨウ化物、テトラアルキル
アンモニウムヨージド、ピリジニウムヨージド等のヨウ
化4級アンモニウム塩化合物、ヨウ化ジメチルプロピル
イミダゾリウム等のヨウ化ジイミダゾリウム化合物が特
に好ましい。
The electrolyte used in the electrolyte layer 5 in the photoelectric conversion element 1 of the present invention is not particularly limited as long as the solvent contains a pair of oxidation-reduction constituents composed of an oxidant and a reductant. An oxidation-reduction constituent material in which the oxidized form and the reduced form have the same charge is preferable. In the present specification, the oxidation-reduction-based constituents are:
It refers to a pair of substances that are reversibly present in the oxidized and reduced forms. Such redox components are known to those skilled in the art. Redox-based constituents that can be used in the present invention include, for example, chlorine compounds-chlorine, iodine compounds-iodine,
Bromine compound-bromine, thallium ion (III)-thallium ion (I), mercury ion (II)-mercury ion (I), ruthenium ion (III)-ruthenium ion (II), copper ion (II)-
Copper ion (I), iron ion (III)-iron ion (II), vanadium ion (III)-vanadium ion (II), manganate ion-permanganate ion, ferricyanide-ferrocyanide, quinone-hydroquinone , Fumaric acid-succinic acid, and the like. Needless to say, other redox components can also be used. Among them, an iodine compound-iodine is preferable. Examples of the iodine compound include metal iodides such as lithium iodide and potassium iodide, quaternary ammonium salt compounds such as tetraalkylammonium iodide and pyridinium iodide, and dimethylpropyl iodide. Diimidazolium iodide compounds such as imidazolium are particularly preferred.

【0043】電解質を溶解するために使用される溶媒
は、酸化還元系構成物質を溶解しイオン伝導性に優れた
化合物が好ましい。溶媒としては水性溶媒及び有機溶媒
の何れも使用できるが、酸化還元系構成物質をより安定
するため、有機溶媒が好ましい。例えば、ジメチルカー
ボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボ
ネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネー
ト等のカーボネ−ト化合物、酢酸メチル、プロピオン酸
メチル、ガンマーブチロラクトン等のエステル化合物、
ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,3
−ジオキソシラン、テトラヒドロフラン、2−メチルー
テトラヒドラフラン等のエーテル化合物、3−メチル−
2−オキサゾジリノン、2−メチルピロリドン等の複素
環化合物、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、
プロピオニトリル等のニトリル化合物、スルフォラン、
ジジメチルスルフォキシド、ジメチルフォルムアミド等
の非プロトン性極性化合物などが挙げられる。これらは
それぞれ単独で用いることもできるし、また、2種類以
上を混合して併用することもできる。中でも、エチレン
カーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネ−
ト化合物、3−メチル−2−オキサゾジリノン、2−メ
チルピロリドン等の複素環化合物、アセトニトリル、メ
トキシアセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル
化合物が特に好ましい。従って、電解質を溶媒に溶解さ
せて得られたものが電解液9である。
The solvent used for dissolving the electrolyte is preferably a compound that dissolves the redox constituents and has excellent ion conductivity. As the solvent, any of an aqueous solvent and an organic solvent can be used, but an organic solvent is preferable in order to further stabilize the oxidation-reduction constituent material. For example, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, ethylene carbonate, carbonate compounds such as propylene carbonate, methyl acetate, methyl propionate, ester compounds such as gamma-butyrolactone,
Diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, 1,3
Ether compounds such as dioxosilane, tetrahydrofuran and 2-methyl-tetrahydrafuran, 3-methyl-
Heterocyclic compounds such as 2-oxazodilinone and 2-methylpyrrolidone, acetonitrile, methoxyacetonitrile,
Nitrile compounds such as propionitrile, sulfolane,
Aprotic polar compounds such as didimethylsulfoxide and dimethylformamide; Each of these can be used alone, or two or more of them can be used in combination. Among them, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate
Compounds, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazodylinone and 2-methylpyrrolidone, and nitrile compounds such as acetonitrile, methoxyacetonitrile and propionitrile are particularly preferred. Therefore, the solution obtained by dissolving the electrolyte in the solvent is the electrolyte solution 9.

【0044】[0044]

【実施例】つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的
に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限
定されるものではない。
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to only these examples.

【0045】実施例1 界面活性剤を含む水とアセチルアセトンとの混合液(容
量混合比=20/1)中に酸化チタン粒子(日本アエロ
ジル社製,P25,粒径20nm)を濃度約38wt%
で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラリ
ー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(旭硝子製,F−
SnO,10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得られ
た乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、基板
上に厚さ10μmの多孔質酸化チタン膜を形成した。次
に、この多孔質酸化チタン膜を設けた基板と共に、[Ru
(4,4’-ジカルボキシル-2,2’-ビピリジン)2-(NCS)2
で表される増感色素溶液中に浸漬し、80℃で還流を行
いながら色素吸着処理を行った。なお、粒径の測定は走
査型電子顕微鏡(日立製S4000)により行い、その
電子顕微鏡写真の任意の範囲より100個の粒子を選
び、その粒子の径の平均値をもって粒径とした。
Example 1 Titanium oxide particles (P25, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., particle size: 20 nm) in a mixture of water containing a surfactant and acetylacetone (volume mixing ratio = 20/1) having a concentration of about 38 wt%.
To prepare a slurry liquid. Next, this slurry liquid was applied to a conductive glass substrate having a thickness of 1 mm (manufactured by Asahi Glass, F-
(SnO 2 , 10Ω / sq) and dried, and the obtained dried product was baked in air at 500 ° C. for 30 minutes to form a porous titanium oxide film having a thickness of 10 μm on the substrate. Next, together with the substrate provided with the porous titanium oxide film, [Ru
(4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine) 2- (NCS) 2 ]
Was immersed in a sensitizing dye solution represented by the formula (1), and dye adsorption treatment was performed while refluxing at 80 ° C. The particle size was measured using a scanning electron microscope (S4000, manufactured by Hitachi), and 100 particles were selected from an arbitrary range of the electron micrograph, and the average value of the particle sizes was defined as the particle size.

【0046】前記のようにして得た半導体電極とその対
極とにより電解液をはさみこみ光電変換素子を構成し
た。この場合、対極としては、白金を20nm厚さで蒸
着した導電性ガラスを用いた。両電極間には、粒径50
0μmの酸化ホウ素(B)粒子及び電解液を挟み
込むことで調製した。電解液としては,テトラプロピル
アンモニウムヨーダイド(0.46M)とヨウ素(0.
6M)を含むエチレンカーボネートとアセトニトリルと
の混合液(容量混合比=80/20)を用いた。
An electrolyte was sandwiched between the semiconductor electrode obtained as described above and its counter electrode to form a photoelectric conversion element. In this case, as a counter electrode, conductive glass in which platinum was deposited to a thickness of 20 nm was used. A particle size of 50 between both electrodes
It was prepared by sandwiching 0 μm boron oxide (B 2 O 3 ) particles and an electrolytic solution. As an electrolyte, tetrapropylammonium iodide (0.46M) and iodine (0.
6M) and a mixture of ethylene carbonate and acetonitrile (volume mixing ratio = 80/20) was used.

【0047】比較例1 界面活性剤を含む水とアセチルアセトンとの混合液(容
量混合比=20/1)中に酸化チタン粒子(日本アエロ
ジル社製,P25,平均粒径20nm)を濃度約38wt
%で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラ
リー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(旭硝子製,F
−SnO,10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得ら
れた乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、基
板上に厚さ10μmの多孔質酸化チタン膜を形成した。
次に、この多孔質酸化チタン膜を設けた基板と共に、
[Ru(4,4’-ジカルボキシル-2,2’-ビピリジン)2-(NCS)
2]で表される増感色素溶液中に浸漬し、80℃で還流
を行いながら色素吸着処理を行った。
Comparative Example 1 Titanium oxide particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., P25, average particle diameter: 20 nm) were mixed in a liquid mixture of water containing a surfactant and acetylacetone (volume mixing ratio = 20/1) at a concentration of about 38 wt.
% To prepare a slurry liquid. Next, this slurry liquid was applied to a conductive glass substrate having a thickness of 1 mm (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., F
-SnO 2 , 10Ω / sq) and dried. The obtained dried product was fired at 500 ° C. for 30 minutes in air to form a 10 μm thick porous titanium oxide film on the substrate.
Next, together with the substrate provided with the porous titanium oxide film,
[Ru (4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine) 2- (NCS)
2 ], and the dye was adsorbed while refluxing at 80 ° C.

【0048】前記のようにして得た半導体電極とその対
極とにより電解液をはさみこみ光電変換素子を構成し
た。この場合、対極としては、白金を20nm厚さで蒸
着した導電性ガラスを用いた。両電極間の距離は0.1
mmとした。これは、光電変換素子の外周部に0.1m
m厚のフィルムを挟み込むことで調整した。電解液とし
ては,テトラプロピルアンモニウムヨーダイド(0.4
6M)とヨウ素(0.6M)を含むエチレンカーボネー
トとアセトニトリルとの混合液(容量混合比=80/2
0)を用いた。
An electrolyte was sandwiched between the semiconductor electrode obtained as described above and its counter electrode to form a photoelectric conversion element. In this case, as a counter electrode, conductive glass in which platinum was deposited to a thickness of 20 nm was used. The distance between both electrodes is 0.1
mm. This is 0.1 m on the outer periphery of the photoelectric conversion element.
It was adjusted by inserting a film having a thickness of m. As the electrolyte, tetrapropylammonium iodide (0.4
6M) and a mixture of ethylene carbonate and acetonitrile containing iodine (0.6 M) (volume mixing ratio = 80/2).
0) was used.

【0049】比較例2 界面活性剤を含む水とアセチルアセトンとの混合液(容
量混合比=20/1)中に酸化チタン粒子(日本アエロ
ジル社製,P25,平均粒径20nm)を濃度約38wt
%で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラ
リー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(旭硝子製,F
−SnO,10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得ら
れた乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、基
板上に厚さ10μmの多孔質酸化チタン膜を形成した。
次に、この多孔質酸化チタン膜を設けた基板と共に、
[Ru(4,4’-ジカルボキシル-2,2’-ビピリジン)2-(NCS)
2]で表される増感色素溶液中に浸漬し、80℃で還流
を行いながら色素吸着処理を行った。
Comparative Example 2 Titanium oxide particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., P25, average particle diameter: 20 nm) were mixed in a liquid mixture of water containing a surfactant and acetylacetone (volume mixing ratio = 20/1) at a concentration of about 38 wt.
% To prepare a slurry liquid. Next, this slurry liquid was applied to a conductive glass substrate having a thickness of 1 mm (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., F
-SnO 2 , 10Ω / sq) and dried. The obtained dried product was fired at 500 ° C. for 30 minutes in air to form a 10 μm thick porous titanium oxide film on the substrate.
Next, together with the substrate provided with the porous titanium oxide film,
[Ru (4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine) 2- (NCS)
2 ], and the dye was adsorbed while refluxing at 80 ° C.

【0050】前記のようにして得た半導体電極とその対
極とにより電解液をはさみこみ光電変換素子を構成し
た。この場合、対極としては、白金を20nm厚さで蒸
着した導電性ガラスを用いた。両電極間には、両電極間
には、粒径3mmの酸化ホウ素(B)粒子及び電
解液を挟み込むことで調製した。電解液としては,テト
ラプロピルアンモニウムヨーダイド(0.46M)とヨ
ウ素(0.6M)を含むエチレンカーボネートとアセト
ニトリルとの混合液(容量混合比=80/20)を用い
た。
An electrolyte was sandwiched between the semiconductor electrode obtained as described above and its counter electrode to form a photoelectric conversion element. In this case, as a counter electrode, conductive glass in which platinum was deposited to a thickness of 20 nm was used. It was prepared by sandwiching boron oxide (B 2 O 3 ) particles having a particle diameter of 3 mm and an electrolytic solution between the two electrodes. As the electrolytic solution, a mixed solution of ethylene carbonate containing tetrapropylammonium iodide (0.46 M) and iodine (0.6 M) and acetonitrile (volume mixing ratio = 80/20) was used.

【0051】比較例3 界面活性剤を含む水とアセチルアセトンとの混合液(容
量混合比=20/1)中に酸化チタン粒子(日本アエロ
ジル社製,P25,平均粒径20nm)を濃度約38wt
%で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラ
リー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(旭硝子製,F
−SnO,10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得ら
れた乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、基
板上に厚さ10μmの多孔質酸化チタン膜を形成した。
次に、この多孔質酸化チタン膜を設けた基板と共に、
[Ru(4,4’-ジカルボキシル-2,2’-ビピリジン)2-(NCS)
2]で表される増感色素溶液中に浸漬し、80℃で還流
を行いながら色素吸着処理を行った。
Comparative Example 3 Titanium oxide particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., P25, average particle diameter: 20 nm) were mixed in a mixed solution of water containing surfactant and acetylacetone (volume mixing ratio = 20/1) at a concentration of about 38 wt.
% To prepare a slurry liquid. Next, this slurry liquid was applied to a conductive glass substrate having a thickness of 1 mm (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., F
-SnO 2 , 10Ω / sq) and dried. The obtained dried product was fired at 500 ° C. for 30 minutes in air to form a 10 μm thick porous titanium oxide film on the substrate.
Next, together with the substrate provided with the porous titanium oxide film,
[Ru (4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine) 2- (NCS)
2 ], and the dye was adsorbed while refluxing at 80 ° C.

【0052】前記のようにして得た半導体電極とその対
極とにより電解液をはさみこみ光電変換素子を構成し
た。この場合、対極としては、白金を20nm厚さで蒸
着した導電性ガラスを用いた。両電極間には、両電極間
には、平均粒径500μmのガラスビーズ及び電解液を
挟み込むことで調製した。電解液としては,テトラプロ
ピルアンモニウムヨーダイド(0.46M)とヨウ素
(0.6M)を含むエチレンカーボネートとアセトニト
リルとの混合液(容量混合比=80/20)を用いた。
An electrolyte was sandwiched between the semiconductor electrode obtained as described above and its counter electrode to form a photoelectric conversion element. In this case, as a counter electrode, conductive glass in which platinum was deposited to a thickness of 20 nm was used. It was prepared by sandwiching glass beads having an average particle diameter of 500 μm and an electrolytic solution between the two electrodes. As the electrolytic solution, a mixed solution of ethylene carbonate containing tetrapropylammonium iodide (0.46 M) and iodine (0.6 M) and acetonitrile (volume mixing ratio = 80/20) was used.

【0053】比較例4 界面活性剤を含む水とアセチルアセトンとの混合液(容
量混合比=20/1)中に酸化チタン粒子(日本アエロ
ジル社製,P25,平均粒径20nm)を濃度約38wt
%で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラ
リー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(旭硝子製,F
−SnO,10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得ら
れた乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、基
板上に厚さ10μmの多孔質酸化チタン膜を形成した。
次に、この多孔質酸化チタン膜を設けた基板と共に、
[Ru(4,4’-ジカルボキシル-2,2’-ビピリジン)2-(NCS)
2]で表される増感色素溶液中に浸漬し、80℃で還流
を行いながら色素吸着処理を行った。
Comparative Example 4 Titanium oxide particles (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd., P25, average particle diameter: 20 nm) were mixed in a liquid mixture of water containing surfactant and acetylacetone (volume mixing ratio = 20/1) at a concentration of about 38 wt.
% To prepare a slurry liquid. Next, this slurry liquid was applied to a conductive glass substrate having a thickness of 1 mm (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., F
-SnO 2 , 10Ω / sq) and dried. The obtained dried product was fired at 500 ° C. for 30 minutes in air to form a 10 μm thick porous titanium oxide film on the substrate.
Next, together with the substrate provided with the porous titanium oxide film,
[Ru (4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine) 2- (NCS)
2 ], and the dye was adsorbed while refluxing at 80 ° C.

【0054】前記のようにして得た半導体電極とその対
極とにより電解液をはさみこみ光電変換素子を構成し
た。この場合、対極としては、白金を20nm厚さで蒸
着した導電性ガラスを用いた。両電極間には、両電極間
には、平均粒径500μmのガラスビーズ及び平均粒径
20μmの酸化ホウ素(B)粒子と電解液を挟み
込むことで調製した。電解液としては,テトラプロピル
アンモニウムヨーダイド(0.46M)とヨウ素(0.
6M)を含むエチレンカーボネートとアセトニトリルと
の混合液(容量混合比=80/20)を用いた。
An electrolyte was sandwiched between the semiconductor electrode obtained as described above and its counter electrode to form a photoelectric conversion element. In this case, as a counter electrode, conductive glass in which platinum was deposited to a thickness of 20 nm was used. It was prepared by sandwiching between glass and glass oxide particles having an average particle diameter of 500 μm and boron oxide (B 2 O 3 ) particles having an average particle diameter of 20 μm, and an electrolytic solution. As an electrolyte, tetrapropylammonium iodide (0.46M) and iodine (0.
6M) and a mixture of ethylene carbonate and acetonitrile (volume mixing ratio = 80/20) was used.

【0055】前記実施例1及び比較例1〜4で組立てた
光電変換素子の光電変換効率及び長期信頼性を評価し
た。光電変換効率に関しては、光電変換素子に45mW
/cm のキセノンランプ光を照射し、光電流−電圧特
性を測定し求めた。長期信頼性は、JISC8917付
属書9記載の耐熱性(高温保存)試験B−1の試験前後
の変換効率より変換効率保持率を求め、これを指標とし
判断した。なお、JISC8917付属書9記載の耐熱
性(高温保存)試験B−1の方法を下記に示す。また、
測定結果を表1に要約して示す。
Assembled in Example 1 and Comparative Examples 1-4
Evaluate the photoelectric conversion efficiency and long-term reliability of the photoelectric conversion element
Was. Regarding the photoelectric conversion efficiency, 45 mW
/ Cm 2Xenon lamp light, and the photocurrent-voltage characteristics
The properties were measured and determined. Long-term reliability is with JISC8917
Before and after the heat resistance (high temperature storage) test B-1 described in Annex 9
The conversion efficiency retention rate is calculated from the conversion efficiency of
It was judged. In addition, heat resistance described in Appendix 9 of JISC8917
The method of the property (high temperature storage) test B-1 is shown below. Also,
Table 1 summarizes the measurement results.

【0056】耐熱性(高温保存)試験法 耐熱性(高温保存)試験には、C8917結晶系太陽電
池モジュールの環境試験方法及び耐久性試験方法附属書
9記載の耐熱性(高温保存)試験B−1に準じて行っ
た。下記にその試験方法を記す。 (1) 試験に先立ち,試料の変換効率を測定する。 (2) 恒温槽にて,室温より85℃まで加温後、温度
85±2℃で、1000±12h保持する。試験槽内の
出力端子は、開放状態に保つ。 (3) 試験後,清浄な布などで表面を清掃した後、室
温に24h以上放置し、試料の変換効率を評価する。 (4) 試験前後の変換効率の値より、下記式で定義す
る変換効率保持率を求めた。 (変換効率保持率)={(耐熱性試験前の変換効率)―
(耐熱性試験後の変換効率)}×100/(耐熱性試験
前の変換効率)
Heat Resistance (High Temperature Storage) Test Method The heat resistance (high temperature storage) test includes the heat resistance (high temperature storage) test B- described in Annex 9 of the environmental test method and durability test method for the C8917 crystalline solar cell module. Performed according to 1. The test method is described below. (1) Prior to the test, measure the conversion efficiency of the sample. (2) After heating from room temperature to 85 ° C. in a thermostat, the temperature is maintained at 85 ± 2 ° C. for 1000 ± 12 h. The output terminals in the test chamber are kept open. (3) After the test, the surface is cleaned with a clean cloth and the like, and then left at room temperature for 24 hours or more to evaluate the conversion efficiency of the sample. (4) From the conversion efficiency values before and after the test, a conversion efficiency retention rate defined by the following equation was determined. (Conversion efficiency retention rate) = {(Conversion efficiency before heat resistance test)-
(Conversion efficiency after heat resistance test)} × 100 / (Conversion efficiency before heat resistance test)

【0057】[0057]

【表1】 試 料 光電変換効率(%) 変換効率保持率(%) 実施例1 5.4 99 比較例1 5.2 2 比較例2 3.0 98 比較例3 5.3 1 比較例4 2.8 85TABLE 1 specimen photoelectric conversion efficiency (%) Conversion Efficiency Retention (%) Example 1 5.4 99 Comparative Example 1 5.2 2 Comparative Example 2 3.0 98 Comparative Example 3 5.3 1 Comparative Example 4 2.8 85

【0058】前記の表1に示された結果から明らかなよ
うに、本発明の実施例1では比較例1に比較し、ほぼ同
等の光電変換効率を示し、かつ高い変換効率保持率を示
す。また、本発明の平均粒径500μmの酸化ホウ素粒
子を用いた実施例1では、平均粒径3mmの酸化ホウ素
粒子を用いた比較例2と比較し、光電変換効率は高い値
を示した。前記に関しては、酸化ホウ素の平均粒径を小
さくしたことにより半導体層と対極との間の距離が短く
なり、酸化還元対を媒介とした電子の授受反応が速やか
に行われるようになったことが原因であると推察する。
As is evident from the results shown in Table 1, Example 1 of the present invention shows almost the same photoelectric conversion efficiency as Comparative Example 1, and shows a high conversion efficiency retention rate. Further, in Example 1 of the present invention using boron oxide particles having an average particle diameter of 500 μm, the photoelectric conversion efficiency showed a higher value than Comparative Example 2 using boron oxide particles having an average particle diameter of 3 mm. Regarding the above, by reducing the average particle diameter of boron oxide, the distance between the semiconductor layer and the counter electrode was shortened, and the electron transfer reaction mediated by the oxidation-reduction pair was quickly performed. Infer that this is the cause.

【0059】また、多孔質酸化チタン膜を設けた電極と
白金を設けた電極との間に酸化ホウ素粒子を設けた実施
例1では、ガラスビーズを設けた比較例3と比較し、光
電変換効率はほぼ同程度であるが、変換効率保持率に関
しては高い値を示した。前記の光電変換効率に関しては
どちらも平均粒径が500μmのものを用いたため同程
度の値を示したと推察する。変換効率保持率に関して
は、酸化ホウ素粒子にはガラスビーズにはない脱水作用
があることが変換効率保持率の向上に寄与していると推
察する。
In Example 1 in which boron oxide particles were provided between an electrode provided with a porous titanium oxide film and an electrode provided with platinum, the photoelectric conversion efficiency was higher than that in Comparative Example 3 in which glass beads were provided. Were almost the same, but the conversion efficiency retention was high. It is presumed that the photoelectric conversion efficiencies of the above-described photoelectric conversion efficiencies were approximately the same because both had an average particle diameter of 500 μm. Concerning the conversion efficiency retention, it is inferred that the boron oxide particles have a dehydration action that glass beads do not contribute to improving the conversion efficiency retention.

【0060】また、比較例3に脱水作用をもつ平均粒径
20μmの酸化ホウ素粒子を添加した比較例4では、比
較例3に比べ変換効率保持率の向上は見られたが、同時
に光電変換効率の減少する傾向にあった。
In Comparative Example 4 in which boron oxide particles having an average particle size of 20 μm having a dehydrating effect were added to Comparative Example 3, the conversion efficiency retention was improved as compared with Comparative Example 3, but at the same time, the photoelectric conversion efficiency was improved. Tended to decrease.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電解質層内に脱水作用及び絶縁性を有する粒子を配置す
ることにより、優れた光電変換効率と長期信頼性を有す
る光電変換素子を得ることができる。
As described above, according to the present invention,
By arranging particles having a dehydrating action and an insulating property in the electrolyte layer, a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency and long-term reliability can be obtained.

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

【図1】本発明の光電変換素子の一例の概要断面図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a photoelectric conversion element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 本発明の光電変換素子 2,7 基板 3 電極 4 対電極 5 電解質層 6 色素増感半導体層 8 脱水作用及び絶縁性を有する粒子 9 電解液 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photoelectric conversion element of this invention 2, 7 Substrate 3 Electrode 4 Counter electrode 5 Electrolyte layer 6 Dye-sensitized semiconductor layer 8 Particles having dehydration action and insulating property 9 Electrolyte

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも、一方の面上に半導体層が被
着された電極と、この電極の前記半導体層と対峙する対
電極と、該電極の前記半導体層と対電極との間に配置さ
れた電解質層を有する光電変換素子において、 前記電解質層を構成する電解液中に脱水作用及び絶縁性
を有する粒子を配合したことを特徴とする光電変換素
子。
1. An electrode having a semiconductor layer deposited on at least one surface thereof, a counter electrode facing the semiconductor layer of the electrode, and a electrode disposed between the semiconductor layer and the counter electrode of the electrode. A photoelectric conversion element having an electrolyte layer, wherein particles having a dehydrating action and an insulating property are blended in an electrolyte solution constituting the electrolyte layer.
【請求項2】 前記脱水作用及び絶縁性を有する粒子
は、B、HBO、(CHO)B、(C
O)B、(CHO)B−B、活性アル
ミナ、ゼオライト、シリカゲル、酸化マグネシウム、酸
化カルシウム、無水フタル酸及び無水コハク酸からなる
群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の光
電変換素子。
2. The particles having a dehydrating action and an insulating property include B 2 O 3 , H 3 BO 3 , (CH 3 O) 3 B, and (C 2
H 5 O) 3 B, ( CH 3 O) 3 B-B 2 O 3, activated alumina, zeolite, silica gel, wherein magnesium oxide, calcium oxide, to be selected from the group consisting of phthalic anhydride and succinic anhydride The photoelectric conversion element according to claim 1.
【請求項3】 前記脱水作用及び絶縁性を有する粒子の
粒径が0.1μm〜1mmの範囲内であることを特徴と
する請求項1に記載の光電変換素子。
3. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the particles having the dehydrating action and the insulating property have a particle size in a range of 0.1 μm to 1 mm.
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