JP2002280084A - Photoelectric conversion device and manufacturing method therefor - Google Patents

Photoelectric conversion device and manufacturing method therefor

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JP2002280084A
JP2002280084A JP2001074348A JP2001074348A JP2002280084A JP 2002280084 A JP2002280084 A JP 2002280084A JP 2001074348 A JP2001074348 A JP 2001074348A JP 2001074348 A JP2001074348 A JP 2001074348A JP 2002280084 A JP2002280084 A JP 2002280084A
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Japan
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crystal
tin oxide
needle
layer
photoelectric conversion
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JP2001074348A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Okura
央 大倉
Toru Den
透 田
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Canon Inc
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To transfer and move an electron and a hole smoothly. SOLUTION: This photoelectric conversion device has at least an electron receive type charge transportation layer 11, an electron providing type charge transportation layer 12, and a light absorption layer 16 provided between these charge transportation layers. The electron receive type charge transportation layer forms a needle crystal 17, and particlelike tin oxide 18 is formed on the needlelike crystal.

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、光電変換装置及び
その製造方法に関し、特に電子受容型の電荷輸送層と、
電子供与型の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存
在する光吸収層とを少なくとも有する光電変換装置及び
その製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an electron-accepting type charge transport layer.
The present invention relates to a photoelectric conversion device having at least an electron donating type charge transport layer and a light absorbing layer existing between these charge transport layers, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】光エネルギーを電気エネルギーに変換す
る方法としては、シリコンやガリウム−砒素などの半導
体接合を用いた太陽電池が一般的である。中でも半導体
のpn接合を用いた単結晶シリコン太陽電池や多結晶シ
リコン太陽電池、pin接合を用いたアモルファスシリ
コン太陽電池がよく知られており、実用化が進みつつあ
る。しかしながらシリコン太陽電池は製造コストが高
く、また製造自体でエネルギーを多く消費するので、導
入コストや消費エネルギ−を回収するには、長期間の使
用が必要である。現在の普及のネックになっているのは
主にこのコストにある。
2. Description of the Related Art As a method of converting light energy into electric energy, a solar cell using a semiconductor junction such as silicon or gallium-arsenic is generally used. Above all, a single-crystal silicon solar cell and a polycrystalline silicon solar cell using a pn junction of a semiconductor, and an amorphous silicon solar cell using a pin junction are well known, and their practical use is progressing. However, silicon solar cells are expensive to manufacture and consume a large amount of energy in the manufacturing itself. Therefore, long-term use is required to recover introduction costs and consumed energy. It is mainly at this cost that the bottleneck of the current spread is.

【0003】一方、近年、第2世代薄膜太陽電池として
CdTeやCuIn(Ga)Seなどの実用化研究も進
展しているが、これらの材料系では環境問題や資源的な
問題が提起されている。
On the other hand, in recent years, research on practical use of CdTe, CuIn (Ga) Se, and the like as second-generation thin-film solar cells has been progressing, but these materials have raised environmental and resource problems. .

【0004】上記半導体接合以外の方法として、半導体
と電解質溶液との界面で起きる光電気化学反応を利用し
た湿式太陽電池が報告されている。この湿式太陽電池に
おいて用いられる酸化チタン、酸化錫等の金属酸化物半
導体は、乾式太陽電池において用いられるシリコン、ガ
リウム−砒素等と比較して、低コストで製造が可能であ
り、特に酸化チタンは光電変換特性と安定性との両面に
おいて優れていることから、将来のエネルギー変換材料
として期待されている。しかし、酸化チタン等の安定な
光半導体は、バンドギャップが3eV以上と広いため、
太陽光の約4%である紫外光しか利用できず、変換効率
が十分に高いとは言えなかった。
As a method other than the above-mentioned semiconductor bonding, a wet solar cell utilizing a photoelectrochemical reaction occurring at an interface between a semiconductor and an electrolyte solution has been reported. Metal oxide semiconductors such as titanium oxide and tin oxide used in this wet solar cell can be manufactured at low cost as compared with silicon and gallium-arsenic used in a dry solar cell. Since it is excellent in both photoelectric conversion characteristics and stability, it is expected as a future energy conversion material. However, a stable optical semiconductor such as titanium oxide has a wide band gap of 3 eV or more.
Only ultraviolet light, which is about 4% of sunlight, could be used, and the conversion efficiency was not sufficiently high.

【0005】そこで、該光半導体の表面に、色素を吸着
した光化学電池(色素増感太陽電池)が研究された。初
期の頃は半導体の単結晶電極が用いられてきた。この電
極としては、酸化チタン、酸化亜鉛、硫化カドミウム、
酸化錫等がある。しかし、単結晶電極は色素の吸着量が
少ないため効率が低くコストが高かった為、半導体電極
を多孔質にする試みがなされた。坪村らは微粒子を焼結
した多孔質酸化亜鉛からなる半導体電極に色素を吸着さ
せ効率が改善した報告をしている(NATURE,261(1976)
p402)。
Accordingly, a photochemical cell (dye-sensitized solar cell) in which a dye is adsorbed on the surface of the optical semiconductor has been studied. In the early days, semiconductor single-crystal electrodes were used. The electrodes include titanium oxide, zinc oxide, cadmium sulfide,
And tin oxide. However, single-crystal electrodes have a low efficiency because of a small amount of dye adsorbed and are expensive, and attempts have been made to make the semiconductor electrodes porous. Tsubomura et al. Reported that dyes were adsorbed on a semiconductor electrode composed of porous zinc oxide with sintered fine particles to improve efficiency (NATURE, 261 (1976))
p402).

【0006】また、Graetzelらは色素と半導体電極をさ
らに改善してシリコン太陽電池並みの性能が得られたこ
とを報告している(J. Am. Chem. Soc. 115(1993)638
2、米国特許第5350644号)。ここでは色素にル
テニウム系色素を用い、半導体電極としてはアナターゼ
型の多孔質酸化チタン(TiO2)を用いている。
Have reported that a dye and a semiconductor electrode have been further improved to obtain a performance comparable to that of a silicon solar cell (J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 638).
2, U.S. Pat. No. 5,350,644). Here, a ruthenium-based dye is used as the dye, and anatase-type porous titanium oxide (TiO 2 ) is used as the semiconductor electrode.

【0007】図4はGraetzel型の色素増感半導体電極を
用いた光化学電池(以下、Graetzel型セルという)の概
略構成を示す模式的な断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing a schematic structure of a photochemical battery (hereinafter referred to as a Graetzel type cell) using a Graetzel type dye-sensitized semiconductor electrode.

【0008】図4中44a、44bはガラス基板であ
り、45はガラス基板44aの表面に形成した透明電極
(アノード)であり、41はアナターゼ型多孔質酸化チ
タン層であり酸化チタン微粒子同士が接合したポーラス
状の接合体からできている。また、42はその酸化チタ
ン微粒子表面に接合させた色素であり光吸収層として作
用する。43は電解液、46はガラス基板44bの表面
に形成した透明電極(カソード)である。
In FIG. 4, reference numerals 44a and 44b denote glass substrates; 45, a transparent electrode (anode) formed on the surface of the glass substrate 44a; 41, an anatase-type porous titanium oxide layer; It is made of a porous bonded body. Reference numeral 42 denotes a dye bonded to the surface of the titanium oxide fine particles, which functions as a light absorbing layer. 43 is an electrolytic solution, and 46 is a transparent electrode (cathode) formed on the surface of the glass substrate 44b.

【0009】次に、Graetzel型セルの製造方法について
図4を用いて説明する。
Next, a method of manufacturing a Graetzel type cell will be described with reference to FIG.

【0010】まず透明電極45が付いたガラス基板44
aにアナターゼ型TiO2微粒子41の膜を作製する。
作製方法には各種があるが、一般的には20nm程度の
微粒子径を有するアナターゼ型TiO2微粒子を分散さ
せたペーストを電極上に塗布し、350〜500℃で焼
成して厚み約10μmのアナターゼ型TiO2微粒子膜
を作製する。この際微粒子同士程よく接合して、空孔度
が50%程度でラスネスファクター(実質的な表面積/
見かけ上の表面積)が1000程度の構造の膜が得られ
る。
First, a glass substrate 44 provided with a transparent electrode 45
A film of anatase type TiO 2 fine particles 41 is formed on a.
Although there are various production methods, generally, a paste in which anatase-type TiO 2 fine particles having a fine particle diameter of about 20 nm are dispersed is applied on an electrode, fired at 350 to 500 ° C., and baked at about 10 μm in thickness. Form a TiO 2 fine particle film. At this time, the fine particles are appropriately bonded to each other, and the porosity is about 50% and the lathness factor (substantial surface area /
A film having a structure with an apparent surface area of about 1000 is obtained.

【0011】次にこの微粒子付き電極に色素を吸着させ
る。色素には各種の物質が検討されているが、一般的に
はRu錯体などが利用される。この色素を溶かした溶液
に電極を浸して乾燥させると、TiO2微粒子の表面に
光吸収層42が結合される。この溶媒には色素をよく溶
解し、かつ色素の電極への吸着を阻害せず、仮に電極表
面に残留していても電気化学的に不活性なエタノールや
アセトニトリルなどが用いられる。
Next, a dye is adsorbed on the electrode with fine particles. Various substances have been studied for the dye, but generally a Ru complex or the like is used. When the electrode is immersed in a solution in which the dye is dissolved and dried, the light absorbing layer 42 is bonded to the surface of the TiO 2 fine particles. In this solvent, ethanol or acetonitrile, which dissolves the dye well and does not inhibit the adsorption of the dye to the electrode and is electrochemically inactive even if it remains on the electrode surface, is used.

【0012】次に対極としてやはり透明電極46が付い
たガラス基板44bを用意し、表面に白金やグラファイ
トなどの超薄膜を形成する。この薄膜はレドックス(酸
化還元)における電荷やり取りの際の触媒として作用す
る。
Next, a glass substrate 44b also having a transparent electrode 46 as a counter electrode is prepared, and an ultra-thin film such as platinum or graphite is formed on the surface. This thin film acts as a catalyst when transferring charges in redox (redox).

【0013】そして、電解液43を上記2つの電極間に
保持して重ねるとGraetzel型セルができあがる。電解液
の溶媒としては電気化学的に不活性で、かつ電解質を充
分な量溶解できるアセトニトリルや炭酸エチレンなどが
用いられる。また、電解質については安定なイオンのレ
ドックス対であるI-/I3 -やBr-/Br 3 -などが用
いられる。例えば、I -/I3 -対をつくるときにはヨウ
素のアンモニウム塩とヨウ素を混合する。
When the electrolyte 43 is held between the two electrodes and overlapped, a Graetzel type cell is completed. As a solvent for the electrolytic solution, acetonitrile, ethylene carbonate, or the like that is electrochemically inert and can dissolve a sufficient amount of the electrolyte is used. As the electrolyte, a stable ion redox pair such as I / I 3 or Br / Br 3 is used. For example, I - / I 3 - mixing the ammonium salt and iodine iodine when making pairs.

【0014】その後、耐久性を持たせるため接着剤など
でセルの封止をすることが好ましい。
Thereafter, it is preferable to seal the cells with an adhesive or the like in order to impart durability.

【0015】続いて、Graetzel型セルの動作原理につい
て説明する。このGraetzel型セルに図4左側から光を入
射させる。すると、入射光により光吸収層42を構成す
る色素中の電子が励起され、酸化チタンの伝導帯に移動
する。電子を失って酸化状態にある色素は迅速に電解液
43のヨウ素イオンから電子を受け取って還元され元の
状態に戻る。酸化チタン層41に注入された電子は、酸
化チタン微粒子の間をホッピング伝導などの機構により
移動しアノード45に到達する。また、色素に電子を供
給して酸化状態(I3 -)になったヨウ素イオンはカソー
ド46から電子を受け取って還元され、元の状態
(I-)に戻る。
Next, the operating principle of the Graetzel type cell will be described. Light is incident on this Graetzel type cell from the left side of FIG. Then, the electrons in the dye constituting the light absorbing layer 42 are excited by the incident light, and move to the conduction band of titanium oxide. The dye that has lost electrons and is in an oxidized state quickly receives electrons from iodine ions in the electrolyte 43 and is reduced to return to the original state. The electrons injected into the titanium oxide layer 41 move between the titanium oxide fine particles by a mechanism such as hopping conduction and reach the anode 45. Further, iodine ions which have been converted to an oxidized state (I 3 ) by supplying electrons to the dye receive electrons from the cathode 46 and are reduced to return to the original state (I ).

【0016】上記動作原理から推測できるように、色素
で生成した電子とホールが効率良く分離、移動するため
には、色素の励起状態の電子のエネルギー準位はTiO
2の伝導帯より高い必要があり、色素のホールのエネル
ギー準位はレドックス準位より低い必要性がある。
As can be inferred from the above operating principle, in order for electrons and holes generated by the dye to efficiently separate and move, the energy level of the electrons in the excited state of the dye is TiO.
It must be higher than the conduction band of 2 , and the energy level of the holes in the dye must be lower than the redox level.

【0017】また、近年このGraetzel型セルを種々の形
で改良した多孔質半導体電極も報告されている。例え
ば、酸化ニオブ微粒子を用いてGraetzel型セルを作製し
た特開平9−237641号公報がある。さらに、酸化
亜鉛微粒子と酸化錫微粒子の混合により高効率のセルを
作製したこともTennakone等によって報告されている
(J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,15(1999))。
In recent years, porous semiconductor electrodes in which the Graetzel type cell has been improved in various forms have been reported. For example, there is JP-A-9-237641 in which a Graetzel type cell is manufactured using niobium oxide fine particles. Furthermore, it has been reported by Tennakone et al. That a highly efficient cell was produced by mixing zinc oxide fine particles and tin oxide fine particles (J. Chem. Soc., Chem. Commun., 15 (1999)).

【0018】この様なGraetzel型セルがシリコン太陽電
池にとって代わるためには今まで以上に高いエネルギー
変換効率や、さらに高い短絡電流、開放電圧、形状因
子、耐久性が必要になってくる。
In order for such a Graetzel type cell to replace a silicon solar cell, higher energy conversion efficiency, higher short-circuit current, open-circuit voltage, shape factor, and durability are required.

【0019】[0019]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の色素増感半導体電極は、チタニア微粒子を分散
させた溶液を透明導電膜付きの基板上に塗布し、乾燥後
に高温焼結して得られた酸化チタン膜を用いていたため
に、透明電極とチタニア微粒子の界面や、酸化チタン微
粒子間の界面において電子伝導が散乱される傾向があっ
た。このため透明導電膜と酸化チタン膜との界面、及び
酸化チタン微粒子同士の界面に生じる内部抵抗が大きく
なり、その結果光電変換効率が低下する原因となってい
た。これは、チタニア以外の微粒子を用いた時も、同様
の問題が発生していた。
However, the above-described dye-sensitized semiconductor electrode of the prior art is obtained by applying a solution in which fine particles of titania are dispersed on a substrate having a transparent conductive film, followed by drying and sintering at a high temperature. Since the titanium oxide film was used, electron conduction tended to be scattered at the interface between the transparent electrode and the titania fine particles and at the interface between the titanium oxide fine particles. For this reason, the internal resistance generated at the interface between the transparent conductive film and the titanium oxide film and at the interface between the titanium oxide fine particles is increased, and as a result, the photoelectric conversion efficiency is reduced. The same problem occurred when fine particles other than titania were used.

【0020】また、色素増感半導体電極が微粒子の焼結
体で構成されていたため、透明電極近傍の微粒子には色
素を吸着させるのに時間がかかり、また電解液中のイオ
ンの拡散も遅いなどの問題点があった。
In addition, since the dye-sensitized semiconductor electrode is made of a sintered body of fine particles, it takes time to adsorb the dye to the fine particles near the transparent electrode, and the diffusion of ions in the electrolyte is slow. There was a problem.

【0021】よって本発明の目的は、電子の授受がスム
ーズに行われ、変換効率が高い光電変換装置の製造方法
を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device in which the transfer of electrons is performed smoothly and the conversion efficiency is high.

【0022】また本発明の別の目的は、色素などの光吸
収層や電解液などの電荷輸送層のしみ込みや移動が速い
半導体電極を有する光電変換装置の製造方法を提供する
ことにある。
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device having a semiconductor electrode in which a light-absorbing layer of a dye or the like or a charge transporting layer of an electrolyte or the like is quickly absorbed and moved.

【0023】また本発明の別の目的は、短絡電流値が大
きい光電変換装置の製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device having a large short-circuit current value.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上記の課題は本発明の光
電変換装置、及びその製法により解決できる。
The above objects can be attained by the photoelectric conversion device of the present invention and its manufacturing method.

【0025】すなわち、電子受容型の電荷輸送層と、電
子供与型の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存在
する光吸収層とを少なくとも有する光電変換装置であっ
て、前記電子受容型の電荷輸送層が、表面上に粒状酸化
錫が形成された針状結晶からなる光電変換装置を提供す
る。
That is, a photoelectric conversion device having at least an electron-accepting type charge transporting layer, an electron-donating type charge-transporting layer, and a light-absorbing layer present between these charge-transporting layers. Provided is a photoelectric conversion device in which the charge transport layer is formed of acicular crystals having granular tin oxide formed on the surface.

【0026】さらに、前記針状結晶は、酸化亜鉛である
ことが好ましい。
Further, it is preferable that the needle-like crystal is zinc oxide.

【0027】また、電子受容型の電荷輸送層と、電子供
与型の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存在する
光吸収層とを少なくとも有する光電変換装置の製造方法
であって、針状結晶を生成する工程と、前記針状結晶上
に粒状酸化錫を形成する工程とを含み、前記電子受容型
の電荷輸送層とすることを特徴とする光電変換装置の製
造方法を提供する。
The present invention also provides a method for manufacturing a photoelectric conversion device having at least an electron-accepting type charge transport layer, an electron-donating type charge transport layer, and a light absorbing layer existing between these charge transporting layers. There is provided a method for manufacturing a photoelectric conversion device, including a step of forming a crystal and a step of forming granular tin oxide on the needle-like crystal, wherein the method is used as the electron-accepting type charge transport layer.

【0028】さらに、前記酸化錫は酸化錫のコロイド溶
液を塗布し焼成することにより生成される工程、若しく
は錫のアルコキシドを塗布し焼成することにより生成さ
れる工程を含むことが好ましく、前記針状結晶は電着に
より生成される工程を有することが好ましい。
Further, the tin oxide preferably includes a step of applying a colloidal solution of tin oxide and firing, or a step of applying and firing an alkoxide of tin and firing. Preferably, the crystal has a step of being generated by electrodeposition.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明にかかる光電変換装置の製
造方法における主たる特徴は、針状結晶を形成し、前記
針状結晶上に粒状酸化錫が形成されている酸化錫吸着結
晶を電子受容型(n型)の電荷輸送層に用いて作製する
ことである。針状結晶とは例えば、所謂ウィスカーであ
り、欠陥の無い針状単結晶もしくは螺旋転移などを含ん
だ針状結晶からなっている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The main feature of the method of manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention is that a needle-like crystal is formed, and a tin oxide-adsorbed crystal in which granular tin oxide is formed on the needle-like crystal is electron-accepting. It is to be used for a type (n-type) charge transport layer. The acicular crystal is, for example, a so-called whisker, and is formed of an acicular single crystal having no defect or an acicular crystal containing a spiral transition or the like.

【0030】さらに、図7(a)、(b)及び(c)に
示したように針状結晶はテトラポッド状を含む1点より
多数の針状結晶が成長したものや、樹枝状に形成された
ものや、折れ線状に成長したものも含む。
Further, as shown in FIGS. 7 (a), 7 (b) and 7 (c), the needle-like crystal has a larger number of needle-like crystals than one point including a tetrapod-like shape, or has a dendritic shape. Included are those that have been grown and those that have grown in a polygonal shape.

【0031】また、針状結晶は円柱及び円錐、円錐で先
端が平坦なもの、円柱で先端が尖っているものや先端が
平坦なものなどすべて含む。さらに、三角錐、四角錐、
六角錐、それ以外の多角錐状やその多角錐の先端が平坦
なもの、また三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角
柱状、あるいは先端が尖った三角柱、四角柱、六角柱、
それ以外の多角柱状やその先端が平坦なものなども含ま
れ、さらに、これらの折れ線状構造も含まれる。
The needle-shaped crystal includes a cylinder, a cone, a cone having a flat tip, a column having a sharp tip, and a flat tip. In addition, triangular pyramids, square pyramids,
Hexagonal pyramids, other polygonal pyramids and those with flat tips, and triangular prisms, quadrangular prisms, hexagonal prisms, other polygonal prisms, or triangular prisms, tetragonal prisms, hexagonal prisms with sharpened tips,
Other polygonal columns and those having a flat tip are also included, and further, these broken line structures are also included.

【0032】また、粒状酸化錫とは酸化錫そのものを塗
布し結合させたものや、針状結晶上で錫及び錫を含んだ
化合物を酸化させることにより生成したものなど全てを
含む。
The granular tin oxide includes all of tin oxide itself which is applied and bonded, and tin oxide which is formed by oxidizing tin and a compound containing tin on a needle crystal.

【0033】図5は上記酸化錫吸着結晶についての具体
的な構成例を示す図である。図4に示したGraetzel型セ
ルと比較すると、粒界の影響がほとんど解消されること
により電子及びホールの移動が容易にでき、粒状酸化錫
18が吸着しているため、粒界の影響が小さいままラフ
ネスファクターを向上することができる。さらに、どの
面に光を照射しても広範囲に照射光が到達することがで
きる。そのため、多くの電子移動が可能となり、短絡電
流や変換効率のよい光電変換装置のセルを作製すること
ができる。この酸化錫吸着電極の効果を説明する為に、
本発明と従来のGraetzel型セルとを比較しながら説明す
る。
FIG. 5 is a diagram showing a specific example of the structure of the tin oxide adsorption crystal. Compared to the Graetzel type cell shown in FIG. 4, the influence of the grain boundary is almost eliminated, the movement of electrons and holes can be facilitated, and the influence of the grain boundary is small because the granular tin oxide 18 is adsorbed. The roughness factor can be improved as it is. Furthermore, irradiation light can reach a wide range regardless of which surface is irradiated with light. Therefore, many electrons can be transferred, and a cell of a photoelectric conversion device with high short-circuit current and high conversion efficiency can be manufactured. In order to explain the effect of this tin oxide adsorption electrode,
The present invention will be described by comparing the present invention with a conventional Graetzel type cell.

【0034】<本発明の光電変換装置の構成について>
まず本発明の構成について説明する。
<Configuration of Photoelectric Conversion Device of the Present Invention>
First, the configuration of the present invention will be described.

【0035】前述したGraetzel型セルを始めとする色素
増感型セルでは、色素1層の光吸収率が十分ではないた
めに、表面積を大きくして実質的な光吸収量を大きくし
ている。本発明は色素増感に限らず、光吸収率が十分で
はないために表面積を大きくする構成の光電変換装置一
般に広く利用可能である。この表面を大きくする方法に
は上記Graetzel型セルの様に微粒子を分散、接合させる
方法が簡単ではあるが、電子の移動が十分効率的ではな
い問題がある。例えば上記Graetzel型セルにおいて酸化
チタン半導体層41を有するアノード透明電極45側か
ら光入射を行った場合と、カソード透明電極46側から
光入射を行った場合を比較すると、前者の方が光電変換
効率が良い場合が多い。これは単なる色素による光吸収
量の差だけではなく、光吸収により励起された電子が酸
化チタン半導体層41を移動してアノード透明電極45
に到達する確率が、透明電極から光励起位置が離れるに
従って低下していくことを示唆している。即ち、結晶粒
界が多いGraetzel型セルでは十分効率的な電子移動が達
成されていないことを示唆している。
In a dye-sensitized cell such as the above-described Graetzel type cell, the light absorption of one dye layer is not sufficient, so that the surface area is increased to increase the substantial light absorption. The present invention is not limited to dye sensitization but can be widely used in general for photoelectric conversion devices having a structure in which the surface area is increased due to insufficient light absorption. As a method for enlarging the surface, it is simple to disperse and join the fine particles as in the Graetzel type cell, but there is a problem that the transfer of electrons is not sufficiently efficient. For example, in the above Graetzel type cell, comparing the case where light is incident from the anode transparent electrode 45 side having the titanium oxide semiconductor layer 41 and the case where light is incident from the cathode transparent electrode 46 side, the former is more efficient in photoelectric conversion. Is often good. This is not only the difference in the amount of light absorbed by the dye, but also the electrons excited by the light absorption move through the titanium oxide semiconductor layer 41 to form the anode transparent electrode 45.
Implies that the probability of reaching the value decreases as the photoexcitation position moves away from the transparent electrode. That is, this suggests that a Graetzel type cell having many crystal grain boundaries has not achieved sufficiently efficient electron transfer.

【0036】図1(a)、(b)及び(c)は本発明の
光電変換装置の構成例を示す図である。図1(a)は模
式的な構成図、図1(b)は針状結晶を示す図、図1
(c)は針状結晶上に粒状酸化錫を形成した状態を示す
図である。
FIGS. 1 (a), 1 (b) and 1 (c) are views showing a configuration example of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 1A is a schematic configuration diagram, FIG. 1B is a diagram showing a needle crystal, and FIG.
(C) is a view showing a state in which granular tin oxide is formed on the needle-like crystals.

【0037】図1において、10は電極付き基板、11
は吸収層修飾半導体混合結晶層、12は電荷輸送層、1
3は電極付き基板である。電極付き基板10は例えば透
明電極層15が設けられたガラス基板14からなり、吸
収層修飾半導体混合結晶層11は半導体針状結晶17の
周囲に吸着した粒状酸化錫18とその表面上に形成され
た光吸収層16とからなる。半導体針状結晶17の周囲
に吸着した粒状酸化錫18は一方の電荷輸送層となり、
この電荷輸送層と電荷輸送層12との間に光吸収層16
が設けられることになる。
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a substrate with electrodes;
Denotes a semiconductor mixed crystal layer modified with an absorption layer, 12 denotes a charge transport layer, 1
3 is a substrate with electrodes. The substrate with electrodes 10 is composed of, for example, a glass substrate 14 on which a transparent electrode layer 15 is provided, and the absorption-layer-modified semiconductor mixed crystal layer 11 is formed on the surface of a granular tin oxide 18 adsorbed around a semiconductor needle crystal 17 and the surface thereof. Light absorbing layer 16. The granular tin oxide 18 adsorbed around the semiconductor needle crystal 17 becomes one charge transport layer,
A light absorbing layer 16 is provided between the charge transport layer and the charge transport layer 12.
Will be provided.

【0038】本発明に係わる酸化錫吸着層と微粒子結晶
層を比較すると、酸化錫吸着層の方が光励起により生成
した電子もしくはホールが集電極へ移動するまでに粒界
により散乱される確率が少なくなる。つまり図1(c)
に示した様に全ての酸化錫吸着結晶の一端が電極に接合
された状態で構成されている場合には、電子もしくはホ
ールの移動において、Graetzel型セルと比較すると、粒
界の影響はほどんど解消され、粒状酸化錫18が吸着し
ているため粒界の影響が小さいままラフネスファクター
を増大することができる。
Comparing the tin oxide adsorption layer and the fine particle crystal layer according to the present invention, the tin oxide adsorption layer has a smaller probability that electrons or holes generated by photoexcitation are scattered by grain boundaries before moving to the collector. Become. That is, FIG.
In the case where one end of all tin oxide adsorbed crystals is joined to the electrode as shown in Fig. 7, the effect of grain boundaries on the movement of electrons or holes is almost smaller than that of the Graetzel type cell. Since the granular tin oxide 18 is adsorbed, the roughness factor can be increased while the influence of the grain boundary is small.

【0039】本発明にかかる光電変換装置では、酸化錫
吸着結晶はn型ワイドギャップ半導体である。このよう
な半導体の場合には、色素の様な光吸収層16を挟んで
p型のワイドギャップ半導体やレドックス対を含んだ電
解液、高分子導電体などの電子供与型の電荷輸送層12
が必要である。
In the photoelectric conversion device according to the present invention, the tin oxide-adsorbed crystal is an n-type wide gap semiconductor. In the case of such a semiconductor, an electron donating type charge transporting layer 12 such as a p-type wide gap semiconductor, an electrolyte containing a redox pair, or a polymer conductor is sandwiched by a light absorbing layer 16 such as a dye.
is necessary.

【0040】光の照射面はどの面に透明電極を用いるか
によって決まる。図2(a)に示した構成はGraetzel型
セルと同様に半導体結晶層側に透明電極を用いた例であ
る。図2(b)に示した構成はそれとは逆の構成であ
り、光吸収層までの照射光の吸収や反射が少なければど
ちらの構成でも良い。また、図2(c)に示した様に、
どちらの面からの光照射でも利用可能にできる構成もあ
る。これらの構成は酸化錫吸着結晶の作製方法、及び組
み合わせる電荷輸送層の製法や組成に依存する。例えば
Pt膜上に酸化錫吸着結晶を作製した場合には、酸化錫
吸着結晶面からは光照射はできなくなる。また、酸化錫
結晶粉及び針状結晶粉の焼成の様な低温プロセスで酸化
錫吸着結晶面を作製する場合には透明電極層を劣化させ
ずに作製できるので、どちらの面でも光照射面にでき
る。
The light irradiation surface is determined by which surface is to be used with the transparent electrode. The configuration shown in FIG. 2A is an example in which a transparent electrode is used on the semiconductor crystal layer side similarly to the Graetzel type cell. The configuration shown in FIG. 2B is the opposite configuration, and either configuration may be used as long as the absorption and reflection of irradiation light to the light absorption layer is small. Also, as shown in FIG.
There is also a configuration that can be used by light irradiation from either surface. These configurations depend on the method for producing the tin oxide-adsorbed crystal and the method and composition of the charge transport layer to be combined. For example, when a tin oxide-adsorbed crystal is formed on a Pt film, light cannot be irradiated from the tin oxide-adsorbed crystal surface. In addition, when a tin oxide-adsorbed crystal surface is prepared by a low-temperature process such as firing of tin oxide crystal powder and needle-shaped crystal powder, the transparent electrode layer can be prepared without deteriorating, so that either surface can be used as a light irradiation surface. it can.

【0041】次に本発明に係わる酸化錫吸着結晶につい
て説明する。
Next, the tin oxide adsorption crystal according to the present invention will be described.

【0042】<酸化錫吸着結晶について>上記Graetzel
型セルの様な1層あたりの吸収効率が低い光吸収層を用
いるセルでは、表面積を大きくするために空孔度が大き
い微粒子膜を利用してラフネスファクターを増大させて
いるが、酸化錫吸着結晶を用いても、その針状結晶のア
スペクト比が大きければラフネスファクターも増大で
き、さらに粒状酸化錫を針状結晶上に吸着させることに
より、結晶粒界が少ない効率的な電子移動を成すことが
できる。
<Regarding tin oxide-adsorbed crystals>
In cells using a light-absorbing layer with low absorption efficiency per layer, such as a mold cell, the roughness factor is increased by using a fine-particle film having a large porosity in order to increase the surface area. Even if a crystal is used, the roughness factor can be increased if the aspect ratio of the needle-shaped crystal is large, and by adsorbing granular tin oxide on the needle-shaped crystal, efficient electron transfer with few crystal grain boundaries can be achieved. Can be.

【0043】針状結晶の横切断面は、結晶にもよるが、
三角形、四角形、六角形、それ以外の多角形となり、ほ
ぼ円形に近くなるものがある。各辺は必ずしも等しくな
らなくともよく、辺の長さが異なる場合もある。上述し
たように、針状結晶は先端が尖っているものの他に先端
が平坦なものも含まれる。
The cross section of the needle-shaped crystal depends on the crystal.
Triangles, quadrangles, hexagons, and other polygons, some of which are almost circular. The sides do not necessarily have to be equal, and may have different lengths. As described above, the needle-shaped crystals include those having a sharp tip as well as those having a sharp tip.

【0044】光吸収率にも依存するが、少なくとも針状
結晶のアスペクト比は5以上、できれば10以上、さら
に100以上が好ましい。また針状結晶の横切断面の重
心を通る最小長さも500nm以下であること、できれ
ば100nm以下、さらに50nm以下が好ましい。さ
らに、結晶性を高めるために針状結晶をc軸配向させて
成長させることは、電子移動効率の向上に好ましい。こ
こでアスペクト比とは針状結晶の横切断面が円形又は円
形に近い状態の形状の場合は直径に対する長さの比率を
いい、針状結晶の横切断面が六角形等の角形の場合は切
断面の重心を通る最小長さに対する長さの比率をいうも
のとする。また、アスペクト比は針状結晶が円錐や角錐
状の場合には、上記横切断面は断面積の最も大きい針状
結晶の底面を示すものとする。
Although it depends on the light absorptivity, the aspect ratio of at least the acicular crystal is preferably 5 or more, preferably 10 or more, and more preferably 100 or more. Further, the minimum length passing through the center of gravity of the transversely cut surface of the needle-shaped crystal is also 500 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less. Further, it is preferable to grow the needle-like crystal with c-axis orientation in order to enhance the crystallinity, in order to improve the electron transfer efficiency. Here, the aspect ratio refers to the ratio of the length to the diameter when the horizontal cut surface of the needle-shaped crystal is a circle or a shape close to a circle, and when the horizontal cut surface of the needle-shaped crystal is a square such as a hexagon. It refers to the ratio of the length to the minimum length passing through the center of gravity of the cut surface. When the needle-shaped crystal has a conical or pyramidal shape, the above-mentioned cross section indicates the bottom surface of the needle-shaped crystal having the largest cross-sectional area.

【0045】また、針状結晶としてはエネルギーギャッ
プが大きなものが好ましく、具体的にはエネルギーギャ
ップが3eV以上のものが好ましい。電子受容型(n
型)結晶としては、例えばTiO2、ZnO 、SnO2
などが挙げられる。
Further, the needle-shaped crystal preferably has a large energy gap, and more specifically, has a energy gap of 3 eV or more. Electron accepting type (n
Examples of the (type) crystal include TiO 2 , ZnO 2 and SnO 2
And the like.

【0046】このような酸化錫吸着結晶を作製するとき
は、針状結晶が図3(a)の様に基板14と平行に重な
ってしまう状態より、基板より直線状に成長させた図1
(b)や、樹枝状に成長させた図3(b)に見られる様
に針状結晶の末端部が透明電極15に接合させた状態
で、基板14と垂直方向に形成されている方が好まし
い。また、針状結晶の軸方向と基板の主面とのなす角6
0°以上であることが好ましく、80°以上であること
がより好ましい。また、針状結晶の形態は、直線状が好
ましい。
When such a tin oxide-adsorbed crystal is produced, the needle-like crystal is grown linearly from the substrate rather than overlapping with the substrate 14 as shown in FIG.
3 (b), or in a state where the ends of the needle-shaped crystals are bonded to the transparent electrode 15 and formed in the direction perpendicular to the substrate 14, as shown in FIG. preferable. Further, an angle 6 between the axial direction of the needle-shaped crystal and the main surface of the substrate.
It is preferably at least 0 °, more preferably at least 80 °. The form of the needle-like crystals is preferably linear.

【0047】また、図1(c)や図3(c)の様な酸化
錫吸着結晶において粉状酸化錫18は粒状酸化錫を塗布
し吸着させる方法や、針状結晶上で錫及び錫を含んだ化
合物を酸化させることにより生成させる方法がある。こ
のとき、粉状酸化錫18の直径が100nm以下、でき
れば20nm以下の微粒子が好ましい。また、粉状酸化
錫18は針状結晶の表面に存在することが好ましい。さ
らに、酸化錫のコロイド溶液を作製して、そのコロイド
溶液を塗布し焼成させて、酸化錫吸着結晶を作製するこ
とが好ましい。また、酸化錫のアルコキシドを溶媒に溶
解して、その溶液を塗布し焼成させることで、酸化錫吸
着結晶を作製する方法がある。特に、C 2〜C4の低級錫
(IV)アルコキシドであるテトラエトキシ錫(IV)、テ
トラ‐i‐プロポキシ錫(IV)、テトラ‐n‐ブトキシ
錫(IV)等を有機溶媒に溶解して使用することが好まし
い。
Also, as shown in FIG. 1C and FIG.
In tin-adsorbed crystals, powdered tin oxide 18 is coated with granular tin oxide
Method of adsorbing and forming tin and tin on needle-shaped crystals
There is a method of producing the compound by oxidizing the compound. This
When the diameter of the powdery tin oxide 18 is 100 nm or less,
If so, fine particles of 20 nm or less are preferable. Also, powdery oxidation
The tin 18 is preferably present on the surface of the needle crystal. Sa
Furthermore, a colloidal solution of tin oxide was prepared and the colloid
The solution is applied and fired to produce tin oxide adsorbed crystals.
Is preferred. Also, the alkoxide of tin oxide is dissolved in a solvent.
Then, the solution is applied and baked to absorb tin oxide.
There is a method for producing a deposited crystal. In particular, C Two~ CFourLow tin
(IV) alkoxides of tetraethoxytin (IV),
Tora-i-propoxytin (IV), tetra-n-butoxy
It is preferable to use tin (IV) dissolved in an organic solvent.
No.

【0048】このことにより、針状結晶の表面積が不十
分な場合でもラフネスファクターが大きい酸化錫吸着結
晶を作製することができ、且つ電子もしくはホールの移
動において粒界の影響が少ない酸化錫吸着結晶を作製す
ることができる。
As a result, a tin oxide-adsorbed crystal having a large roughness factor can be produced even when the surface area of the needle-shaped crystal is insufficient, and a tin oxide-adsorbed crystal having a small influence of a grain boundary on the movement of electrons or holes. Can be produced.

【0049】<電解及び無電解針状結晶膜作製について
>半導体針状結晶層17は、電着による製造方法があ
る。大きく分けると2種類の電着が存在し、その1つは
電解電着法による製造方法である。他は、無電解電着法
による製造方法である。各製造方法について説明する。
<Regarding Preparation of Electrolytic and Electroless Needle-Shaped Crystal Films> The semiconductor needle-shaped crystal layer 17 may be manufactured by electrodeposition. Broadly speaking, there are two types of electrodeposition, one of which is a manufacturing method using an electrolytic electrodeposition method. The other is a manufacturing method by an electroless electrodeposition method. Each manufacturing method will be described.

【0050】図8は、図1(b)に示す半導体針状結晶
層を電解電着法によって製造するときの製造方法の説明
図である。図8に示すように、マントルヒーター61
に、電解液67を入れたビーカー66を載置する。そし
て、ビーカー66の中に、対極82、参照極81及び作
用極83を入れて電解すると、作用極83に針状結晶が
形成される。このとき、作用極83は直接電極付き基板
10を使用しても良いし、冶具などを用いて絶縁部を作
り、希望範囲のみ電極付き基板10に針状結晶を形成し
ても良い。
FIG. 8 is an explanatory view of a manufacturing method when the semiconductor needle crystal layer shown in FIG. 1B is manufactured by the electrolytic electrodeposition method. As shown in FIG.
, A beaker 66 containing an electrolyte 67 is placed. When the counter electrode 82, the reference electrode 81, and the working electrode 83 are placed in the beaker 66 and electrolyzed, needle crystals are formed on the working electrode 83. At this time, for the working electrode 83, the substrate 10 with electrodes may be used directly, or an insulating part may be formed using a jig or the like, and needle crystals may be formed on the substrate 10 with electrodes only in a desired range.

【0051】電解液67は、アセトニトリルやIPAや
水等の電解溶媒を用いることができ、電解液67の溶質
の種類、溶質濃度、溶液中の酸素などの活性気体濃度、
電解液の温度、デキストリン等の反応促進剤を混入の有
無及びその混入した場合にあっては濃度や、作用極83
への電解電位値、電解電流値、電解時間などによって、
針状結晶の形状を変更することができる。また、針状結
晶は、たとえば暗室で形成するようにしてもよく、ま
た、電解液67を撹拌等によって対流を起こすことによ
り形状を変更することができる。
As the electrolytic solution 67, an electrolytic solvent such as acetonitrile, IPA or water can be used. The type of solute of the electrolytic solution 67, the solute concentration, the concentration of active gas such as oxygen in the solution,
The temperature of the electrolytic solution, the presence or absence of a reaction accelerator such as dextrin, and the concentration,
Depending on the electrolysis potential value, electrolysis current value, electrolysis time, etc.
The shape of the needle crystal can be changed. Further, the needle-shaped crystals may be formed in, for example, a dark room, and the shape can be changed by causing convection by stirring the electrolytic solution 67 or the like.

【0052】また、電極付き基板10等の材質により多
少異なるが、一般的に表面洗浄としてIPA及びアセト
ンを用いて、あらかじめ透明電極層15等を洗浄してお
くことが好ましく、透明電極電極層15等をごく微量溶
解するアノード処理が重要である。
Although it differs somewhat depending on the material of the substrate with electrodes 10 and the like, it is generally preferable to wash the transparent electrode layer 15 and the like in advance using IPA and acetone for surface cleaning. It is important to carry out anodic treatment for dissolving a very small amount.

【0053】図6は、図1に示す半導体針状結晶17を
無電解電着法によって製造するときの製造方法の説明図
である。図6に示すように、電極付き基板10(サンプ
ル64)を電解液67に浸して、石英筒65越しに光源
63から電極付き基板10に光を照射することにより電
極付き基板10上に針状結晶を形成する。なお、上記の
電解電着法による製造と同様に、針状結晶の形成時の種
々の条件を変更すると、針状結晶の形状を変えることが
できる。また、無電解時には触媒としてPdやAgを透
明電極層15等に付着させることが有効である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a manufacturing method when the semiconductor needle-like crystal 17 shown in FIG. 1 is manufactured by an electroless electrodeposition method. As shown in FIG. 6, the electrode-attached substrate 10 (sample 64) is immersed in an electrolytic solution 67, and a light source 63 irradiates the electrode-attached substrate 10 with light through a quartz tube 65, thereby forming a needle-like shape on the electrode-attached substrate 10. Form crystals. As in the case of the above-mentioned production by the electrolytic electrodeposition method, the shape of the needle crystal can be changed by changing various conditions at the time of forming the needle crystal. Further, it is effective to attach Pd or Ag as a catalyst to the transparent electrode layer 15 or the like during electroless.

【0054】<光吸収層について>本発明の光電変換装
置の光吸収層としては、各種の半導体や色素が利用可能
である。半導体としてはi型の光吸収係数が大きなアモ
ルファス半導体や直接遷移型半導体が好ましい。色素と
しては金属錯体色素および/もしくはポリメチン色素、
ペリレン色素、ローズベンガル、エオシンY、マーキュ
ロクロム、サンタリン(Santalin)色素、シアニン(Cy
anin)色素などの有機色素や天然色素が好ましい。該色
素は半導体微粒子の表面に対する適当な結合基を有して
いることが好ましい。好ましい結合基としては、COOH
基、シアノ基、PO3H2 基、または、オキシム、ジオキシ
ム、ヒドロキシキノリン、サリチレートおよびαケトエ
ノレートのようなπ伝導性を有するキレート化基が挙げ
られる。この中でもCOOH基、PO3H 2基が特に好ましい。
本発明に使用する色素が金属錯体色素の場合、ルテニウ
ム錯体色素{Ru(dcbpy)2(SCN)2、(dcbpy=2,2-bipyridi
ne-4,4'-dicarboxylic acid)等}が利用できるが、酸
化・還元体が安定であることが重要である。また、光吸
収層の励起された電子の電位、即ち光励起した色素の電
位(色素のLUMO電位)や半導体中の伝導帯電位が、電子
受容型電荷輸送層の電子受容電位(n型半導体の伝導帯
電位など)より高く、かつ光吸収層で光励起により生成
したホール電位が、電子供与型電荷移動層の電子供与電
位(p型半導体の価電子帯電位、レドックス対のポテン
シャル電位など)より低いことが必要である。光吸収層
近傍における励起された電子−ホールの再結合確率を低
くすることも、光電変換効率を増大させる上で重要とな
る。
<About the light absorbing layer> The photoelectric conversion device of the present invention
Various semiconductors and dyes can be used as the light absorbing layer
It is. As a semiconductor, an i-type light absorption coefficient is large.
Rufus semiconductors and direct transition semiconductors are preferred. With dye
A metal complex dye and / or a polymethine dye,
Perylene dye, Rose Bengal, Eosin Y, Mercu
Lochrome, Santalin dye, cyanine (Cy)
Anin) Organic dyes such as dyes and natural dyes are preferred. The color
Element has an appropriate bonding group to the surface of the semiconductor particles.
Is preferred. Preferred linking groups include COOH
Group, cyano group, POThreeHTwo Group, or oxime, dioxy
, Hydroxyquinoline, salicylate and alpha ketoe
Chelating groups having π conductivity such as nolate
Can be Among them, COOH group, POThreeH TwoGroups are particularly preferred.
When the dye used in the present invention is a metal complex dye, ruthenium
Complex dye {Ru (dcbpy)Two(SCN)Two, (Dcbpy = 2,2-bipyridi
ne-4,4'-dicarboxylic acid), etc.
It is important that the compound / reductant is stable. Also, light absorption
The potential of the excited electrons in the absorption layer, that is, the
Charge (LUMO potential of the dye) and the conductive charge position in the semiconductor
Electron accepting potential of the accepting charge transport layer (conduction band of n-type semiconductor)
Potential) and generated by light excitation in the light absorbing layer
Hole potential is the electron donating charge of the electron donating charge transfer layer.
Potential (valence charge potential of p-type semiconductor, potential of redox couple)
(Such as the Char potential). Light absorbing layer
Low recombination probability of excited electron-hole in the vicinity
Is also important in increasing photoelectric conversion efficiency.
You.

【0055】<電子供与型の電荷移動層について>n型
の酸化錫吸着結晶を用いた場合、光吸収層を挟んでホー
ル輸送層を作製する必要がある。このホール輸送層には
湿式太陽電池同様レドックス系が利用可能である。レド
ックスを用いる場合でも単純な溶液系のみでなく、カー
ボンパウダーを保持材にしたり、電解質をゲル化する方
法がある。また、溶融塩やイオン伝導性ポリマーを用い
る方法もある。さらに電子(ホール)を輸送する方法と
して電界重合有機ポリマーやCuI、CuSCN、Ni
Oなどのp型半導体を用いることもできる。
<Regarding Electron Donating Type Charge Transfer Layer> When an n-type tin oxide adsorption crystal is used, it is necessary to form a hole transport layer with a light absorption layer interposed therebetween. For this hole transport layer, a redox system can be used as in a wet solar cell. Even when redox is used, not only a simple solution system but also a method of using carbon powder as a holding material or gelling an electrolyte is available. There is also a method using a molten salt or an ion conductive polymer. Further, as a method of transporting electrons (holes), there are electropolymerized organic polymers, CuI, CuSCN, Ni
A p-type semiconductor such as O can also be used.

【0056】上記輸送層は粉状酸化錫結晶間に入り込む
必要があるため、作製には液体や高分子などに利用でき
る浸透法や、固体の輸送層に利用できる電着、CVD法な
どが適している。
Since the transport layer needs to penetrate between the powdery tin oxide crystals, a permeation method that can be used for a liquid or a polymer, an electrodeposition method that can be used for a solid transport layer, a CVD method, and the like are suitable. ing.

【0057】<電極について>酸化錫吸着結晶層及びそ
れに対する電子供与型の電荷輸送層に隣接するように電
極が設けられる。電極はこれらの層の外側の前面に設け
てもよいし一部に設けてもよい。電子供与型の電荷輸送
層が固体でない場合、電子供与型の電荷輸送層を保持す
るという観点から前面に電極を設けたほうがよい。電子
供与型の電荷輸送層に隣接する電極の表面には、例えば
レドックス対の還元を効率よく行わせる為にPt、Cな
どの触媒を設けておくことが好ましい。
<Electrode> An electrode is provided so as to be adjacent to the tin oxide adsorption crystal layer and the electron donating type charge transporting layer. The electrodes may be provided on the outer front surface of these layers or may be provided partially. When the electron donating type charge transporting layer is not solid, it is better to provide an electrode on the front surface from the viewpoint of holding the electron donating type charge transporting layer. It is preferable to provide a catalyst such as Pt or C on the surface of the electrode adjacent to the electron donating type charge transport layer, for example, in order to efficiently reduce the redox couple.

【0058】光入射側の電極としては、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か
らなる透明電極が好適に用いられる。光入射側の電極に
接する層(電子供与型の電荷輸送層或いは酸化錫吸着結
晶層)の抵抗が十分低い場合には、光入射側の電極とし
て部分的な電極、例えばフィンガー電極などを設けるこ
とも可能である。
As the electrode on the light incident side, a transparent electrode made of indium-tin composite oxide, tin oxide doped with fluorine or the like is preferably used. If the resistance of the layer (electron donating type charge transport layer or tin oxide adsorption crystal layer) in contact with the electrode on the light incident side is sufficiently low, a partial electrode such as a finger electrode is provided as the electrode on the light incident side. Is also possible.

【0059】光入射側とはならない電極は、Cu,A
g,Al等からなる金属電極が好適に用いられる。
The electrodes which are not on the light incident side are Cu, A
A metal electrode made of g, Al, or the like is preferably used.

【0060】<基板について>基板の材質、厚さは、光
起電力装置に要求される耐久性に応じて適宜設計するこ
とができる。光入射側の基板は透光性である限り、ガラ
ス基板、プラスチック基板などが好適に用いられる。光
入射側とはならない基板としては、金属基板、セラミッ
ク基板などを適宜用いることができる。光入射側の基板
の表面には、SiO2などからなる反射防止膜を設ける
ことが好ましい。
<Regarding the Substrate> The material and thickness of the substrate can be appropriately designed according to the durability required for the photovoltaic device. As the substrate on the light incident side, a glass substrate, a plastic substrate, or the like is suitably used as long as it is translucent. As a substrate that does not become the light incident side, a metal substrate, a ceramic substrate, or the like can be used as appropriate. It is preferable to provide an anti-reflection film made of SiO 2 or the like on the surface of the substrate on the light incident side.

【0061】なお、前述した電極に基板としての機能を
兼ねさせることにより、電極とは別部材の基板を設けな
い様にしても良い。
It should be noted that the above-mentioned electrode may also serve as a substrate, so that a substrate separate from the electrode may not be provided.

【0062】<封止について>図示してはないが、本発
明の光電変換装置は少なくとも基板以外の部分を封止す
ることが、耐候性を高める観点から好ましい。封止材と
しては接着剤や樹脂を用いることができる。なお、光入
射側を封止する場合、封止材は透光性であることが好ま
しい。
<About Sealing> Although not shown, it is preferable that the photoelectric conversion device of the present invention seal at least a portion other than the substrate from the viewpoint of improving weather resistance. An adhesive or a resin can be used as the sealing material. When the light incident side is sealed, the sealing material is preferably light-transmitting.

【0063】[0063]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに説明す
る。
The present invention will be further described below with reference to examples.

【0064】(実施例1)本実施例は、電解電着により
基板電極から半導体針状結晶を作製した後に錫化合物を
塗布し焼成させた例であり、図1を用いて説明する。
(Example 1) This example is an example in which a semiconductor needle crystal is formed from a substrate electrode by electrolytic electrodeposition, and then a tin compound is applied and baked, and will be described with reference to FIG.

【0065】導電性ガラス基板(FドープSnO2、1
0Ω/□)を用意し、この基板を作用極として2mmo
l/L(ミリモル/リットル)硝酸亜鉛水溶液に浸し、
−1.2Vの電位を5000秒間印加を行った。電解
後、基板表面にはZnO針状結晶17が電極から図1
(b)に示した様に成長していた。このZnO針状結晶
の径は40〜50nmであり、長さはその20〜30倍
であった。そして、この針状結晶に酸化錫を吸着させる
ために、先ずイソプロポキシドSn(IV)をイソプロパ
ノール溶液に溶かし、その溶液内に針状結晶電極を浸し
た。その後、酸素を1.67×10-3L/s(リットル
/秒)流しながら550℃で1時間焼成することによ
り、図1(c)に示した様な酸化錫吸着電極を作製し
た。色素はGraetzelらが報告しているRu錯体であるRu
((dcbpy)(COOH)2)2(SCN)2を用いた。色素を蒸留エタノ
ールに溶解し、この中にZnO電極を24時間浸して色
素を電極に吸着させた後取りだし、80℃で乾燥させ
た。また、導電性ガラス(FドープSnO2、10Ω/
□)上に白金を10nm厚にスパッタ成膜した対極を用
い、レドックス対はI-/I3 -を用いた。溶質はテトラ
プロピルアンモニウムヨウ化物(tetrapropylammonium
iodide)(0.46mol/L)とヨウ素(0.06m
ol/L)、溶媒はエチレンカルボナート(ethylene c
arbonate)(80vol%)とアセトニトリル(aceton
itrile)(20vol%)の混合液を用いた。この混合
液を酸化錫吸着結晶上に滴下し、対極で挟んでセルとし
た。
A conductive glass substrate (F-doped SnO 2 , 1
0Ω / □), and use this substrate as a working electrode for 2 mm
l / L (mmol / L) zinc nitrate aqueous solution,
A potential of -1.2 V was applied for 5000 seconds. After the electrolysis, ZnO needle-like crystals 17 were placed on the substrate surface from
It grew as shown in (b). The diameter of the ZnO needle crystal was 40 to 50 nm, and the length was 20 to 30 times the length. Then, in order to adsorb tin oxide on the needle crystals, first, isopropoxide Sn (IV) was dissolved in an isopropanol solution, and the needle crystal electrodes were immersed in the solution. Thereafter, by baking at 550 ° C. for 1 hour while flowing oxygen at 1.67 × 10 −3 L / s (liter / second), a tin oxide adsorption electrode as shown in FIG. 1C was produced. The dye is Ru, a Ru complex reported by Graetzel et al.
((dcbpy) (COOH) 2 ) 2 (SCN) 2 was used. The dye was dissolved in distilled ethanol, and a ZnO electrode was immersed in the ethanol for 24 hours to allow the dye to be adsorbed on the electrode, and then taken out and dried at 80 ° C. In addition, conductive glass (F-doped SnO 2 , 10Ω /
□) A counter electrode on which platinum was formed by sputtering to a thickness of 10 nm was used, and a redox pair of I / I 3 was used. The solute is tetrapropylammonium iodide
iodide) (0.46mol / L) and iodine (0.06m
ol / L) and the solvent is ethylene carbonate (ethylene c
arbonate) (80 vol%) and acetonitrile (aceton)
Itrile) (20 vol%) was used. This mixed solution was dropped onto the tin oxide-adsorbed crystal, and was sandwiched between counter electrodes to form a cell.

【0066】また、比較例として粒径30nmを主成分
としたZnO粉末を熱処理したものを用いて同様にセル
を組み立てた。
As a comparative example, a cell was assembled in the same manner using a heat-treated ZnO powder having a particle size of 30 nm as a main component.

【0067】そして紫外線カットフィルターを取り付け
た500Wのキセノンランプ光を対極側から照射した。
そしてこの時生じた光電変換反応による光電流の値を測
定した。その測定結果本実施例によるセルの方が短絡電
流、光電変換効率ともに10%程度、比較例よりも大き
かった。これは酸化錫吸着電極を用いたことによって電
子受容型電荷輸送層の内部抵抗が減少したことに起因す
ると考えられる。
Then, a xenon lamp light of 500 W equipped with an ultraviolet cut filter was irradiated from the counter electrode side.
Then, the value of the photocurrent due to the photoelectric conversion reaction generated at this time was measured. As a result of the measurement, both the short-circuit current and the photoelectric conversion efficiency of the cell according to the present example were about 10%, which were higher than the comparative example. This is considered to be because the internal resistance of the electron-accepting charge transport layer was reduced by using the tin oxide adsorption electrode.

【0068】(実施例2)本実施例は、針状酸化亜鉛の
スラリーを電極上に塗布し焼成させることにより基板か
ら半導体針状結晶を作製し、その後に酸化錫を塗布し焼
成させた例であり、図3を用いて説明する。
Example 2 In this example, a needle-like zinc oxide slurry was applied to an electrode and baked to produce a semiconductor needle-like crystal from a substrate, and then tin oxide was applied and baked. This will be described with reference to FIG.

【0069】導電性ガラス基板(FドープSnO2、1
0Ω/□)を用意し、この基板を作用極として針状酸化
亜鉛結晶3gを水5mL(ミリリットル)、アセチルア
セトン0.2mL、トリトン−X(登録商標:ユニオン
・カーバイト社)0.2mLとを混合し、スラリー状に
した溶液を基板上に塗布し、酸素を1.67×10-3
/s流しながら550℃で1時間焼成を行った。その基
板を、酸化錫コロイド溶液に浸漬させ、さらに酸素を
1.67×10-3L/s流しながら550℃で1時間焼
成を行い、図3(c)に示したように酸化錫吸着結晶1
8を作製した。色素は市販のマーキュロクロムを用い
た。色素を蒸留エタノールに溶解し、この中にZnO電
極を24時間浸して色素を電極に吸着させた後取りだ
し、80℃で乾燥させた。そして、導電性ガラス(Fド
ープSnO2、10Ω/□)上に白金を10nm厚にス
パッタ成膜した対極を用い、レドックス対はI-/I3 -
を用いた。溶質は0.05mol/LのI2(ヨウ素)と0.1
mol/Lの LiI(よう化リチウム)と0.6mol/L
のDMPI(Im)(1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウ
ムアイオダイド)と0.5mol/L TBP(4-tert-ブチル
ピリジン)、溶媒はMAN(MeOAN)(メトキシアセトニト
リル)を用いた。この混合液を酸化錫吸着結晶上に滴下
し、対極で挟んでセルとした。
A conductive glass substrate (F-doped SnO 2 , 1
0 Ω / □), and using this substrate as a working electrode, 3 g of acicular zinc oxide crystals were mixed with 5 mL of water (milliliter), 0.2 mL of acetylacetone, and 0.2 mL of Triton-X (registered trademark: Union Carbide Co.). The mixed and slurried solution was applied on a substrate, and oxygen was added at 1.67 × 10 −3 L.
Calcination was performed at 550 ° C. for 1 hour while flowing at a flow rate of / s. The substrate was immersed in a tin oxide colloid solution, and baked at 550 ° C. for 1 hour while flowing oxygen at 1.67 × 10 −3 L / s. As shown in FIG. 1
No. 8 was produced. Commercially available mercurochrome was used as the dye. The dye was dissolved in distilled ethanol, and a ZnO electrode was immersed in the ethanol for 24 hours to allow the dye to be adsorbed on the electrode, and then taken out and dried at 80 ° C. Then, a counter electrode in which platinum was sputtered to a thickness of 10 nm on conductive glass (F-doped SnO 2 , 10Ω / □) was used, and the redox pair was I / I 3 −.
Was used. The solutes were 0.05 mol / L I 2 (iodine) and 0.1
mol / L LiI (lithium iodide) and 0.6 mol / L
DMPI (Im) (1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide) and 0.5 mol / L TBP (4-tert-butylpyridine), and MAN (MeOAN) (methoxyacetonitrile) as a solvent. This mixed solution was dropped onto the tin oxide-adsorbed crystal, and was sandwiched between counter electrodes to form a cell.

【0070】また、比較例として粒径約30nmを主成
分としたZnO粉末を熱処理したものを用いて同様にセ
ルを組み立てた。
Further, as a comparative example, a cell was similarly assembled using a heat-treated ZnO powder having a particle size of about 30 nm as a main component.

【0071】そして実施例1と同様に紫外線カットフィ
ルターを取り付けた500Wのキセノンランプ光を対極
側から照射した。そしてこの時生じた光電変換反応によ
る光電流の値を測定した。その測定結果本発明のセルの
方が短絡電流、光電変換効率ともに比較例よりも6%程
度大きかった。これは酸化錫吸着電極を用いたことによ
って電子受容型電荷輸送層の内部抵抗が減少したことに
起因すると考えられる。
Then, in the same manner as in Example 1, a 500 W xenon lamp light equipped with an ultraviolet cut filter was irradiated from the counter electrode side. Then, the value of the photocurrent due to the photoelectric conversion reaction generated at this time was measured. As a result of the measurement, the short-circuit current and the photoelectric conversion efficiency of the cell of the present invention were about 6% larger than those of the comparative example. This is considered to be because the internal resistance of the electron-accepting charge transport layer was reduced by using the tin oxide adsorption electrode.

【0072】[0072]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子やホールの授受及び移動がスムーズに行われ、内部抵
抗や再結合確率が低く、変換効率が高い光電変換装置を
提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device in which transfer and movement of electrons and holes are performed smoothly, internal resistance and recombination probability are low, and conversion efficiency is high. it can.

【0073】また本発明により、色素などの光吸収層や
電解液などの電荷輸送層のしみ込みや移動が速い半導体
電極を有する光電変換装置を提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device having a semiconductor electrode in which a light absorbing layer of a dye or the like or a charge transporting layer of an electrolyte or the like is quickly absorbed and moved.

【0074】また本発明により、短絡電流が大きい光電
変換装置を提供することができる。
Further, according to the present invention, a photoelectric conversion device having a large short-circuit current can be provided.

【0075】また本発明により、上記の特性を有する光
電変換装置の製造方法を提供することができる。
Further, according to the present invention, a method for manufacturing a photoelectric conversion device having the above characteristics can be provided.

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

【図1】本発明の光電変換装置を示す断面概略図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a photoelectric conversion device of the present invention.

【図2】本発明の光照射と透明電極、酸化錫吸着結晶層
の構成例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of light irradiation, a transparent electrode, and a tin oxide adsorption crystal layer of the present invention.

【図3】本発明の酸化錫吸着結晶の接合状態を示す断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a bonding state of a tin oxide adsorption crystal of the present invention.

【図4】従来例のGraetzelセルを示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional Graetzel cell.

【図5】酸化錫吸着結晶を用いたセルを示す断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view showing a cell using a tin oxide adsorption crystal.

【図6】無電解電着の装置図である。FIG. 6 is a diagram of an apparatus for electroless electrodeposition.

【図7】針状結晶の構造を示す図である。FIG. 7 is a view showing a structure of a needle-like crystal.

【図8】電解電着の装置図である。FIG. 8 is a diagram of an apparatus for electrolytic electrodeposition.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 電極付き基板 11 吸収層修飾半導体針状結晶層 12 電荷輸送層 13 電極付き基板 14 ガラス 15 透明電極層 16 光吸収層 17 半導体針状結晶 18 粒状酸化錫結晶 41 アナターゼ型TiO2微粒子 42 光吸収層 43 電解液 44 ガラス 45 透明電極層(アノード) 46 透明電極層(カソード) 61 マントルヒーター 62 固定台 63 光源 64 サンプル 65 石英筒 66 ビーカー 67 電解液 81 参照極 82 対極 83 サンプル(参照極)REFERENCE SIGNS LIST 10 Substrate with electrode 11 Absorbing layer-modified semiconductor acicular crystal layer 12 Charge transport layer 13 Substrate with electrode 14 Glass 15 Transparent electrode layer 16 Light absorbing layer 17 Semiconductor acicular crystal 18 Granular tin oxide crystal 41 Anatase TiO 2 fine particles 42 Light absorption Layer 43 Electrolyte 44 Glass 45 Transparent electrode layer (Anode) 46 Transparent electrode layer (Cathode) 61 Mantle heater 62 Fixed base 63 Light source 64 Sample 65 Quartz tube 66 Beaker 67 Electrolyte 81 Reference pole 82 Counter pole 83 Sample (Reference pole)

フロントページの続き Fターム(参考) 5F051 AA14 FA02 FA03 FA08 GA03 GA06 5H032 AA06 AS16 BB02 BB05 CC11 CC16 EE02 Continued on the front page F term (reference) 5F051 AA14 FA02 FA03 FA08 GA03 GA06 5H032 AA06 AS16 BB02 BB05 CC11 CC16 EE02

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電子受容型の電荷輸送層と、電子供与型
の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存在する光吸
収層とを少なくとも有する光電変換装置であって、 前記電子受容型の電荷輸送層が、表面上に粒状酸化錫が
形成された針状結晶からなる光電変換装置。
1. A photoelectric conversion device comprising at least an electron-accepting type charge transporting layer, an electron-donating type charge-transporting layer, and a light-absorbing layer existing between these charge-transporting layers, A photoelectric conversion device in which the charge transport layer is formed of needle-like crystals having granular tin oxide formed on the surface.
【請求項2】 前記針状結晶は、酸化亜鉛であることを
特徴とする請求項1記載の光電変換装置。
2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the needle-like crystal is zinc oxide.
【請求項3】 電子受容型の電荷輸送層と、電子供与型
の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存在する光吸
収層とを少なくとも有する光電変換装置の製造方法であ
って、 針状結晶を生成する工程と、前記針状結晶上に粒状酸化
錫を形成する工程とを含み、該粒状酸化錫を形成した該
針状結晶を前記電子受容型の電荷輸送層とすることを特
徴とする光電変換装置の製造方法。
3. A method for producing a photoelectric conversion device comprising at least an electron-accepting type charge transporting layer, an electron-donating type charge transporting layer, and a light absorbing layer existing between these charge transporting layers. Generating a crystal, comprising the step of forming granular tin oxide on the needle-like crystal, characterized in that the needle-like crystal formed the granular tin oxide is the electron-accepting type charge transport layer. Of manufacturing a photoelectric conversion device.
【請求項4】 前記粒状酸化錫は、酸化錫のコロイド溶
液を塗布し焼成することにより生成されることを特徴と
する請求項3記載の光電変換装置の製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein the particulate tin oxide is produced by applying a colloidal solution of tin oxide and baking it.
【請求項5】 前記粒状酸化錫は、錫のアルコキシドを
塗布し焼成することにより生成されることを特徴とする
請求項3記載の光電変換装置の製造方法。
5. The method according to claim 3, wherein the particulate tin oxide is produced by applying and firing an alkoxide of tin.
【請求項6】 前記針状結晶は、電着により生成される
ことを特徴とする請求項3から5のいずれかの請求項に
記載の光電変換装置の製造方法。
6. The method according to claim 3, wherein the needle-like crystal is generated by electrodeposition.
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