JP2003142169A - Semiconductor electrode of organic dye sensitized metal oxide and solar cell having the semiconductor electrode - Google Patents

Semiconductor electrode of organic dye sensitized metal oxide and solar cell having the semiconductor electrode

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JP2003142169A
JP2003142169A JP2001335060A JP2001335060A JP2003142169A JP 2003142169 A JP2003142169 A JP 2003142169A JP 2001335060 A JP2001335060 A JP 2001335060A JP 2001335060 A JP2001335060 A JP 2001335060A JP 2003142169 A JP2003142169 A JP 2003142169A
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JP
Japan
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metal oxide
oxide semiconductor
semiconductor film
electrode
organic dye
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JP2001335060A
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Japanese (ja)
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Masahito Yoshikawa
雅人 吉川
Taichi Kobayashi
太一 小林
Itsuo Tanuma
逸夫 田沼
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Bridgestone Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal oxide conductor film formed simply at a low temperature and having a high energy converting efficiency and also an organic dye sensitized solar cell equipped with such a conductor film. SOLUTION: The organic dye sensitized metal oxide semiconductor electrode 3 is composed of a base board 1 having a transparent electrode 2 on its surface, metal oxide semiconductor film formed on the transparent electrode and organic pigment adsorbed to the surface of the semiconductor film, wherein the semiconductor film is formed through the gas-form film forming method in such a way that the arithmetic mean of the surface roughness Ra is over 2 nm while the rate of voids is over 25%, and using this semiconductor electrode, the intended solar cell is completed.

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、有機色素増感型太
陽電池、これに有利に使用することができる有機色素増
感型金属酸化物半導体電極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 an organic dye-sensitized solar cell, an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode which can be advantageously used for the solar cell, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、省エネルギー、資源の有効利用や
環境汚染の防止等の面から、太陽光を直接電気エネルギ
ーに変換する太陽電池が注目され、開発が進められてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, from the viewpoint of energy saving, effective use of resources, prevention of environmental pollution, etc., a solar cell which directly converts sunlight into electric energy has been drawing attention and being developed.

【0003】太陽電池は、光電変換材料として、結晶性
シリコン、アモルファスシリコンを用いたものが主流で
ある。しかしながら、このような結晶性シリコン等を形
成するには多大なエネルギーを要し、従ってシリコンの
利用は、太陽光を利用する省エネルギー電池である太陽
電池の本来の目的とは相反するものとなっている。また
多大なエネルギーを使用する結果として、光電変換材料
としてシリコンを用いる太陽電池は高価なものと成らざ
るを得ない。
Solar cells using crystalline silicon or amorphous silicon as a photoelectric conversion material are mainly used. However, a large amount of energy is required to form such crystalline silicon, and thus the use of silicon conflicts with the original purpose of a solar cell that is an energy-saving battery that uses sunlight. There is. Further, as a result of using a large amount of energy, solar cells using silicon as a photoelectric conversion material have to be expensive.

【0004】光電変換材料は、電極間の電気化学反応を
利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料
である。例えば、光電変換材料に光を照射すると、一方
の電極側で電子が発生し、対電極に移動する。対電極に
移動した電子は、電解質中をイオンとして移動して一方
の電極にもどる。すなわち、光電変換材料は光エネルギ
ーを電気エネルギーとして連続して取り出せる材料であ
り、このため太陽電池に利用される。
The photoelectric conversion material is a material which converts light energy into electric energy by utilizing an electrochemical reaction between electrodes. For example, when the photoelectric conversion material is irradiated with light, electrons are generated on one electrode side and move to the counter electrode. The electrons that have moved to the counter electrode move as ions in the electrolyte and return to one electrode. That is, the photoelectric conversion material is a material that can continuously extract light energy as electric energy, and is therefore used in a solar cell.

【0005】光電変換材料として、シリコンを用いず、
有機色素で増感された酸化物半導体を用いた太陽電池が
知られている。Nature, 268 (1976), 402頁に、酸化亜
鉛粉末を圧縮成形し、1300℃で1時間焼結して形成
した焼結体ディスク表面に有機色素としてローズベンガ
ルを吸着させた金属酸化物半導体電極を用いた太陽電池
が提案されている。この太陽電池の電流/電圧曲線は、
0.2Vの起電圧時の電流値は約25μA程度と非常に
低く、その実用化は殆ど不可能と考えられるものであっ
た。しかしながら、前記シリコンを用いる太陽電池とは
異なり、使用される酸化物半導体及び有機色素はいずれ
も大量生産されており、且つ比較的安価なものであるこ
とから、材料の点からみると、この太陽電池は非常に有
利であることは明らかである。
Silicon is not used as the photoelectric conversion material,
A solar cell using an oxide semiconductor sensitized with an organic dye is known. Nature, 268 (1976), p. 402, a metal oxide semiconductor electrode in which rose bengal is adsorbed as an organic dye on the surface of a sintered disk formed by compression molding zinc oxide powder and sintering at 1300 ° C. for 1 hour. A solar cell using is proposed. The current / voltage curve of this solar cell is
The current value when the electromotive voltage was 0.2 V was about 25 μA, which was extremely low, and it was thought that practical application was almost impossible. However, unlike the solar cells using silicon, the oxide semiconductors and organic dyes used are both mass-produced and relatively inexpensive, so in terms of materials, this solar Clearly, batteries are very advantageous.

【0006】光電変換材料として、前記のように有機色
素で増感された酸化物半導体を用いた太陽電池として
は、前記のもの以外に、たとえば、特開平1−2203
80号公報に記載の金属酸化物半導体の表面に、遷移金
属錯体などの分光増感色素層を有するもの、また、特表
平5−504023号に記載の、金属イオンでドープし
た酸化チタン半導体層の表面に、遷移金属錯体などの分
光増感色素層を有するものが知られている。
As a photoelectric conversion material, as a solar cell using an oxide semiconductor sensitized with an organic dye as described above, in addition to those described above, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-2203
A metal oxide semiconductor having a spectral sensitizing dye layer such as a transition metal complex on the surface of the metal oxide semiconductor described in JP-A-80, and a titanium oxide semiconductor layer doped with a metal ion described in JP-A-5-504023. It is known to have a spectral sensitizing dye layer such as a transition metal complex on its surface.

【0007】上記太陽電池は実用性のある電流/電圧曲
線が得られない。電流/電圧曲線が実用性レベルに達し
た分光増感色素層を有する太陽電池として、特開平10
−92477号公報に、酸化物半導体微粒子集合体の焼
成物からなる酸化物半導体膜を用いた太陽電池が開示さ
れている。このような半導体膜は、酸化物半導体微粉末
のスラリーを透明電極上に塗布し、乾燥させ、その後5
00℃、1時間程度で焼成させることにより形成してい
る。
The above solar cell cannot obtain a practical current / voltage curve. A solar cell having a spectral sensitizing dye layer whose current / voltage curve has reached a practical level is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. HEI10-110.
Japanese Patent Publication No.-92477 discloses a solar cell using an oxide semiconductor film made of a fired product of an oxide semiconductor fine particle aggregate. Such a semiconductor film is obtained by applying a slurry of oxide semiconductor fine powder on a transparent electrode, drying the slurry, and then applying 5
It is formed by firing at 00 ° C. for about 1 hour.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記特開平10−92
477号公報の太陽電池では、いわゆるゾルゲル法によ
り、酸化物半導体微粒子集合体の焼成物の酸化物半導体
膜を形成している。このような形成方法は、塗布後、高
温で長時間の加熱が必要なため、基材、透明電極にも耐
熱性が要求される。通常の透明電極であるITO等で
は、このような耐熱性を有していないため、特に耐熱性
に優れた透明電極であるフッ素ドープ酸化スズを用いる
必要があるが、フッ素ドープ酸化スズは、導電性が劣
り、太陽電池のような大面積を必要とする用途には不適
当である。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
In the solar cell of Japanese Patent No. 477, the oxide semiconductor film of the fired product of the oxide semiconductor fine particle aggregate is formed by the so-called sol-gel method. Since such a forming method requires heating at a high temperature for a long time after coating, the substrate and the transparent electrode are also required to have heat resistance. Since ITO, which is a normal transparent electrode, does not have such heat resistance, it is necessary to use fluorine-doped tin oxide, which is a transparent electrode having particularly excellent heat resistance. It is inferior in properties and is not suitable for applications requiring a large area such as solar cells.

【0009】従って、かかる点に鑑みなされた本発明の
目的は、低温で簡易に得られ、且つ色素吸着性の向上し
た金属酸化物導電体膜を有する有機色素増感型金属酸化
物半導体電極及びこれを有する有機色素増感太陽電池を
提供することにある。
Therefore, an object of the present invention made in view of the above points is to obtain an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode having a metal oxide conductor film which is easily obtained at a low temperature and has improved dye adsorption. An object is to provide an organic dye-sensitized solar cell having this.

【0010】また、本発明の目的は、低温且つ高速で成
膜でき、さらに光のエネルギー変換効率の高い有機色素
増感型金属酸化物半導体電極及びこれを有する有機色素
増感太陽電池を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode which can be formed at a low temperature and a high speed and has a high energy conversion efficiency of light, and an organic dye-sensitized solar cell having the same. Especially.

【0011】さらに本発明の目的は、上記有機色素増感
型金属酸化物半導体電極を有利に製造する方法を提供す
ることにある。
A further object of the present invention is to provide a method for advantageously producing the above organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、表面に透明電
極を有する基板、その透明電極上に形成された金属酸化
物半導体膜、及びその半導体膜表面に吸着した有機色素
を含む有機色素増感型金属酸化物半導体電極において、
前記金属酸化物半導体膜が気相成膜法により形成され、
且つその表面粗さRa(中心線平均粗さ)が2nm以上あ
り、そしてその空隙率が25%以上であることを特徴と
する有機色素増感型金属酸化物半導体電極;及び上記の
有機色素増感型金属酸化物半導体電極と、この電極に対
向して設けられた対電極とからなり、さらに両電極間に
レッドクス電解質が注入されてなる有機色素増感型太陽
電池にある。
The present invention is directed to a substrate having a transparent electrode on the surface thereof, a metal oxide semiconductor film formed on the transparent electrode, and an organic dye sensitizer containing an organic dye adsorbed on the surface of the semiconductor film. In the sensitive metal oxide semiconductor electrode,
The metal oxide semiconductor film is formed by a vapor deposition method,
And an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode having a surface roughness Ra (center line average roughness) of 2 nm or more and a porosity of 25% or more; An organic dye-sensitized solar cell comprising a sensitive metal oxide semiconductor electrode and a counter electrode provided so as to face the electrode, and further a redox electrolyte is injected between the two electrodes.

【0013】上記有機色素増感型金属酸化物半導体電極
及び太陽電池において、表面粗さRaが5nm以上(特
に10nm以上)であることが好ましく、空隙率が30
%以上(特に35%以上)であることが好ましい。これ
により一層有機色素吸着量が増大し、光のエネルギー変
換効率が向上する。気相成膜法としては、物理蒸着法、
真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング
法、CVD法またはプラズマCVD法、特に対向2極タ
ーゲット方式スパッタリング法が好適である。また反応
性スパッタリング法も好ましい。
In the above organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode and solar cell, the surface roughness Ra is preferably 5 nm or more (particularly 10 nm or more) and the porosity is 30.
% Or more (particularly 35% or more) is preferable. This further increases the amount of organic dye adsorbed and improves the energy conversion efficiency of light. As the vapor deposition method, a physical vapor deposition method,
A vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a CVD method or a plasma CVD method, particularly a facing bipolar target system sputtering method is suitable. A reactive sputtering method is also preferable.

【0014】金属酸化物半導体膜が、酸化チタン、酸化
亜鉛、酸化スズ、酸化アンチモン、酸化ニオブ、酸化タ
ングステン又は酸化インジウム、或いはこれらの金属酸
化物に他の金属若しくは他の金属酸化物をドーピングし
たものであることが好ましく、特に酸化チタン、中でも
アナタース型酸化チタンが好ましい。金属酸化物半導体
膜の膜厚が10nm以上であることが好ましい。
The metal oxide semiconductor film has titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, antimony oxide, niobium oxide, tungsten oxide or indium oxide, or these metal oxides doped with another metal or another metal oxide. Of these, titanium oxide is preferable, and anatase-type titanium oxide is particularly preferable. The thickness of the metal oxide semiconductor film is preferably 10 nm or more.

【0015】上記金属酸化物半導体電極は、表面に透明
電極を有する基板の該透明電極上に、ターゲットとして
金属及び/又は金属酸化物を用いて、2.6W/cm
以上の電力密度及び0.6Pa以上の圧力の条件下にス
パッタリング法により金属酸化物半導体膜を形成し、そ
の半導体膜表面に有機色素を吸着させることを特徴とす
る有機色素増感型金属酸化物半導体電極の製造方法によ
り有利に得ることができる。
The above metal oxide semiconductor electrode is 2.6 W / cm 2 on the transparent electrode of the substrate having the transparent electrode on the surface thereof, using metal and / or metal oxide as a target.
An organic dye-sensitized metal oxide characterized by forming a metal oxide semiconductor film by a sputtering method under the conditions of the above power density and a pressure of 0.6 Pa or more, and adsorbing an organic dye on the surface of the semiconductor film. It can be advantageously obtained by the method of manufacturing a semiconductor electrode.

【0016】上記製造方法において、電力密度は、11
W/cm以上とすることが好ましく、圧力は2.0P
a以上とすることが好ましい。スパッタリングを、ター
ゲットとして金属チタンを用い、且つ酸素ガスを供給し
て行うことが好ましい。スパッタリングを、ターゲット
として導電性酸化チタンを用い、且つ酸素ガスを供給し
て行うことが好ましい。金属酸化物半導体膜が、酸化チ
タンである、特にアナタース型酸化チタンであることが
好ましい。金属酸化物半導体膜の膜厚が、10nm以上
であることが好ましい。スパッタリング法としては、特
に対向2極ターゲット方式スパッタリング法が好適であ
り、また反応性スパッタリング法も好ましい。
In the above manufacturing method, the power density is 11
W / cm 2 or more is preferable, and pressure is 2.0P
It is preferably a or more. It is preferable to perform sputtering by using titanium metal as a target and supplying oxygen gas. It is preferable to perform sputtering by using conductive titanium oxide as a target and supplying oxygen gas. The metal oxide semiconductor film is preferably titanium oxide, particularly preferably anatase-type titanium oxide. The thickness of the metal oxide semiconductor film is preferably 10 nm or more. As the sputtering method, the opposed bipolar target type sputtering method is particularly preferable, and the reactive sputtering method is also preferable.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の金
属酸化物半導体電極及びこれを有する有機色素増感型太
陽電池の実施の形態を詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a metal oxide semiconductor electrode of the present invention and an organic dye-sensitized solar cell having the same will be described below in detail with reference to the drawings.

【0018】図1は本発明の有機色素増感太陽電池の実
施形態の一例を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an embodiment of the organic dye-sensitized solar cell of the present invention.

【0019】図1において、基板1、その上に透明電極
2が設けられ、透明電極上に分光増感色素を吸着させた
金属酸化物半導体膜3が形成され、その上方に透明電極
と対向して対電極4が設置されており、そして側部が封
止剤5により封止され、さらに金属酸化物半導体膜3と
対電極4との間に電解質(溶液)6が封入されている。
なお、本発明の金属酸化物半導体電極は、上記基板1、
その上に透明電極2及び、透明電極上に分光増感色素を
吸着させた金属酸化物半導体膜3から基本的に構成され
る。
In FIG. 1, a substrate 1 is provided with a transparent electrode 2 thereon, and a metal oxide semiconductor film 3 having a spectral sensitizing dye adsorbed thereon is formed on the substrate 1, and the metal oxide semiconductor film 3 is provided above the transparent electrode to face the transparent electrode. Counter electrode 4 is installed, the side portion is sealed with a sealant 5, and an electrolyte (solution) 6 is sealed between the metal oxide semiconductor film 3 and the counter electrode 4.
The metal oxide semiconductor electrode of the present invention includes the substrate 1,
It is basically composed of a transparent electrode 2 thereon and a metal oxide semiconductor film 3 having a spectral sensitizing dye adsorbed on the transparent electrode.

【0020】本発明の金属酸化物半導体電極及びこれを
有する有機色素増感型太陽電池は、基板上の透明電極に
設けられる金属酸化物半導体膜3は、図1から明らかな
ように、大小様々な球状粒子が接合した形状を有し、表
面に大きな凹凸と、内部に多数の空隙を有するものであ
る。すなわち、本発明の金属酸化物半導体膜は、気相成
膜法により形成され、且つその表面粗さ(Raの算術平
均値)が2nm以上あり、そしてその空隙率が25%以
上であることを特徴としている。さらに、表面粗さ(R
aの算術平均値)は5nm以上、特に10nm以上である
ことが好ましく、空隙率は30%以上、特に35%以上
であることが好ましい。表面粗さの上限は特に無く、有
機色素の吸着量が多くなるのであれば10mm以上の凹
凸があっても良いが、その上限は実際上1mm程度が好
ましい。また、空隙率の上限も有機色素の吸着量が多く
なるのであれば100%近くであっても良いが、膜とし
ての形状を保持する観点から95%程度が好ましい。
In the metal oxide semiconductor electrode of the present invention and the organic dye-sensitized solar cell having the same, the metal oxide semiconductor film 3 provided on the transparent electrode on the substrate has various sizes as shown in FIG. It has a shape in which spherical particles are joined together, and has large irregularities on the surface and a large number of voids inside. That is, the metal oxide semiconductor film of the present invention is formed by a vapor deposition method, has a surface roughness (Ra arithmetic average value) of 2 nm or more, and has a porosity of 25% or more. It has a feature. Furthermore, the surface roughness (R
The arithmetic mean value of a) is preferably 5 nm or more, particularly 10 nm or more, and the porosity is preferably 30% or more, particularly 35% or more. There is no particular upper limit to the surface roughness, and as long as the amount of organic dye adsorbed is large, irregularities of 10 mm or more may be present, but the upper limit is actually preferably about 1 mm. Further, the upper limit of the porosity may be close to 100% as long as the adsorption amount of the organic dye is large, but it is preferably about 95% from the viewpoint of maintaining the shape of the film.

【0021】このように、本発明の金属酸化物半導体膜
3は、表面の表面積が大きく、且つ内部の空洞の表面積
も大きく、このため有機色素が吸着する面積が大きい。
さらには、このような構造(形状)のため、有機色素の
表面及び内部への侵入が容易であり、短時間に色素吸着
を完遂することができる。また、表面及び内部共に大き
な表面積を有しているため、有機色素吸着量が増大して
おり、光のエネルギー変換効率が向上している。
As described above, in the metal oxide semiconductor film 3 of the present invention, the surface area of the surface is large, and the surface area of the cavity inside is also large. Therefore, the area where the organic dye is adsorbed is large.
Furthermore, due to such a structure (shape), the organic dye can easily penetrate into the surface and inside, and the dye adsorption can be completed in a short time. Further, since the surface and the inside have a large surface area, the amount of organic dye adsorbed is increased and the energy conversion efficiency of light is improved.

【0022】このような構造を有する金属酸化物半導体
膜3は、種々の気相成膜の形成条件により得ることがで
きるが、基本的には、高電力での短時間成膜、高ガス圧
下での成膜が好ましく、さらにガス混合流量比の変化、
アークイオンスパッタリングの使用等により、或いはこ
れらの方法を適宜組合せることにより行うことができ
る。
The metal oxide semiconductor film 3 having such a structure can be obtained under various vapor phase film forming conditions, but basically, it is basically formed at a high power for a short time and under a high gas pressure. Film formation is preferable, and further changes in the gas mixture flow rate ratio,
It can be performed by using arc ion sputtering or the like, or by appropriately combining these methods.

【0023】上記本発明の金属酸化物半導体膜3を形成
するための好ましい方法は、スパッタリング法を用い、
1.3W/cm以上、さらに2.6W/cm以上、
特に11W/cm以上のターゲット投入電力密度、及
び0.6Pa以上、さらに2.0Pa以上、特に2.6
Pa以上の圧力の条件下に行うことであり、スパッタリ
ング法としては、特に対向2極ターゲット方式スパッタ
リング法が好適であり、また反応性スパッタリング法も
好ましい。このような、通常のスパッタリング条件よ
り、過激な条件で行うことにより、半導体膜を急速に形
成することができ、これにより本発明の特定の形状、構
造を有する金属酸化物半導体膜を得ることができる。こ
れにより有機色素の吸着量を大幅に増加させることが可
能で、高いエネルギー変換効率を有し、高効率の太陽電
池を得ることができる。
A preferred method for forming the metal oxide semiconductor film 3 of the present invention is a sputtering method,
1.3 W / cm 2 or more, further 2.6 W / cm 2 or more,
In particular, a target input power density of 11 W / cm 2 or more, and 0.6 Pa or more, further 2.0 Pa or more, particularly 2.6
It is carried out under the condition of a pressure of Pa or higher, and as the sputtering method, the opposed bipolar target system sputtering method is particularly preferable, and the reactive sputtering method is also preferable. The semiconductor film can be rapidly formed by carrying out under more extreme conditions than the usual sputtering conditions, and as a result, a metal oxide semiconductor film having a specific shape and structure of the present invention can be obtained. it can. As a result, the amount of the organic dye adsorbed can be significantly increased, and a solar cell having high energy conversion efficiency and high efficiency can be obtained.

【0024】上記基板1としては、透明な基板であれば
よく、一般にガラス板であり、通常珪酸塩ガラスであ
る。しかしながら、可視光線の透過性を確保できる限
り、種々のプラスチック基板等を使用することができ
る。基板の厚さは、0.1〜10mmが一般的であり、
0.3〜5mmが好ましい。ガラス板は、化学的に、或
いは熱的に強化させたものが好ましい。
The substrate 1 may be any transparent substrate and is generally a glass plate, usually silicate glass. However, various plastic substrates and the like can be used as long as the transparency of visible light can be secured. The thickness of the substrate is generally 0.1 to 10 mm,
0.3-5 mm is preferable. The glass plate is preferably chemically or thermally reinforced.

【0025】上記透明電極2としては、InやS
nOの導電性金属酸化物薄膜を形成したものや金属等
の導電性材料からなる基板が用いられる。導電性金属酸
化物の好ましい例としては、In:Sn(IT
O)、SnO:Sb、SnO :F、ZnO:Al、
ZnO:F、CdSnOを挙げることができる。
The transparent electrode 2 is made of InTwoOThreeAnd S
nOTwoFormed with conductive metal oxide thin film, metal, etc.
A substrate made of a conductive material is used. Conductive metal acid
As a preferable example of the compound, InTwoOThree: Sn (IT
O), SnOTwo: Sb, SnO Two: F, ZnO: Al,
ZnO: F, CdSnOFourCan be mentioned.

【0026】上記透明電極上には、光電変換材料用半導
体である、分光増感色素を吸着させる金属酸化物半導体
膜が形成される。本発明の金属酸化物半導体としては、
酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化アンチ
モン、酸化ニオブ、酸化インジウム、チタン酸バリウ
ム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウムなどの公
知の半導体の一種または二種以上を用いることができ
る。特に、安定性、安全性の点から酸化チタンが好まし
い。酸化チタンとしてはアナタース型酸化チタン、ルチ
ル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、オ
ルソチタン酸などの各種の酸化チタンあるいは水酸化チ
タン、含水酸化チタンが含まれる。本発明ではアナター
ス型酸化チタンが好ましい。金属酸化物半導体の膜厚
が、10nm以上であることが一般的であり、100〜
1000nmが好ましい。
A metal oxide semiconductor film for adsorbing a spectral sensitizing dye, which is a semiconductor for photoelectric conversion material, is formed on the transparent electrode. As the metal oxide semiconductor of the present invention,
One or more known semiconductors such as titanium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, antimony oxide, niobium oxide, indium oxide, barium titanate, strontium titanate, and cadmium sulfide can be used. In particular, titanium oxide is preferable in terms of stability and safety. Examples of titanium oxide include various titanium oxides such as anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide, amorphous titanium oxide, metatitanic acid, orthotitanic acid, titanium hydroxide, and hydrous titanium oxide. In the present invention, anatase type titanium oxide is preferable. The film thickness of the metal oxide semiconductor is generally 10 nm or more,
1000 nm is preferred.

【0027】本発明の金属酸化物半導体膜は、上記材料
に対応する金属及び/又は金属酸化物をターゲットとし
て用いて、気相成膜法、例えば、物理蒸着法、真空蒸着
法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CV
D法またはプラズマCVD法前記のようにスパッタリン
グ法により、上記のような条件で形成することができ
る。本発明の金属酸化物半導体膜3を形成するための好
ましい方法は、スパッタリング法を用い、前記のターゲ
ット投入電力密度及び圧力の条件下に行うことであり、
スパッタリング法としては、特に対向2極ターゲット方
式スパッタリング法が好適であり、また反応性スパッタ
リング法も好ましい。
The metal oxide semiconductor film of the present invention uses a metal and / or metal oxide corresponding to the above-mentioned material as a target, and a vapor phase film formation method such as physical vapor deposition method, vacuum vapor deposition method, sputtering method, Ion plating method, CV
D method or plasma CVD method As described above, it can be formed by the sputtering method under the above conditions. A preferred method for forming the metal oxide semiconductor film 3 of the present invention is to use a sputtering method under the conditions of the target input power density and pressure,
As the sputtering method, the opposed bipolar target type sputtering method is particularly preferable, and the reactive sputtering method is also preferable.

【0028】本発明では、前記のように、金属酸化物半
導体膜を、対向2極ターゲット方式スパッタリング法に
より形成することが好ましい。この金属酸化物半導体膜
の形成方法について、図2を参照しながら説明する。タ
ーゲット電極21a、21b(表面にターゲットを有す
る)が向かい合って配置され、それらの背後に磁石22
a,22bが設置され、ターゲット面に垂直に磁界Mが
形成される。電圧が印加されると、磁界の前面にプラズ
マが形成され、そのプラズマの外側におかれた基板23
上にスパッタリングされた粒子が付着し、半導体膜が形
成される。基板がプラズマの外側に置かれているため、
成長膜面が高エネルギー粒子により直接叩かれること無
く、多孔性の膜が形成される。このため、金属酸化物半
導体膜の色素吸着性能が向上しており、これにより高い
エネルギー変換効率を有する太陽電池を得ることができ
る。
In the present invention, as described above, the metal oxide semiconductor film is preferably formed by the opposed bipolar target system sputtering method. A method for forming this metal oxide semiconductor film will be described with reference to FIG. The target electrodes 21a, 21b (having targets on the surface) are arranged facing each other, and a magnet 22 is placed behind them.
a and 22b are installed, and a magnetic field M is formed perpendicularly to the target surface. When a voltage is applied, a plasma is formed in front of the magnetic field and the substrate 23 placed outside the plasma
The sputtered particles adhere to the surface of the semiconductor film to form a semiconductor film. Since the substrate is placed outside the plasma,
A porous film is formed without directly hitting the growth film surface with high-energy particles. For this reason, the dye adsorption performance of the metal oxide semiconductor film is improved, whereby a solar cell having high energy conversion efficiency can be obtained.

【0029】上記対向2極ターゲット方式スパッタリン
グ法においても、1.3W/cm以上、さらに2.6
W/cm以上、特に11W/cm以上のターゲット
投入電力密度、及び0.6Pa以上、さらに2.0Pa
以上、特に2.6Pa以上の圧力の条件下にスパッタリ
ングを行うことが同様に好ましい。成長膜面を直接叩く
ことなく、且つ急速に膜形成を行うことにより本発明の
表面に大きな凹凸と、高い空隙率の半導体膜を得ること
ができると考えられる。
Also in the above facing bipolar target type sputtering method, 1.3 W / cm 2 or more, and 2.6
Target input power density of W / cm 2 or more, particularly 11 W / cm 2 or more, and 0.6 Pa or more, further 2.0 Pa
Above, it is also preferable to carry out the sputtering under the condition of a pressure of 2.6 Pa or more. It is considered that a semiconductor film having large irregularities on the surface of the present invention and a high porosity can be obtained by rapidly forming the film without directly hitting the growth film surface.

【0030】本発明の対向2極ターゲット方式スパッタ
リング法は、反応性スパッタリング法、即ち酸素ガス等
の反応性のガスを導入しながら金属又は金属酸化物をス
パッタリングすることが好ましい。特にターゲットとし
て金属チタン、酸化チタン、とりわけ導電性酸化チタン
を用いて、酸素ガスを供給しながらスパッタリングを行
うことが好ましい。
The opposed bipolar target type sputtering method of the present invention is preferably a reactive sputtering method, that is, sputtering a metal or a metal oxide while introducing a reactive gas such as oxygen gas. In particular, it is preferable to perform sputtering while supplying oxygen gas, using metallic titanium, titanium oxide, particularly conductive titanium oxide as a target.

【0031】前記のようにして得られた基板上の酸化物
半導体膜表面に、有機色素(分光増感色素)を単分子膜
として吸着させる。
An organic dye (spectral sensitizing dye) is adsorbed as a monomolecular film on the surface of the oxide semiconductor film on the substrate obtained as described above.

【0032】分光増感色素は、可視光領域および/また
は赤外光領域に吸収を持つものであり、本発明では、種
々の金属錯体や有機色素の一種または二種以上を用いる
ことができる。分光増感色素の分子中にカルボキシル
基、ヒドロキシアルキル基、ヒドロキシル基、スルホン
基、カルボキシアルキル基の官能基を有するものが半導
体への吸着が早いため、本発明では好ましい。また、分
光増感の効果や耐久性に優れているため、金属錯体が好
ましい。金属錯体としては、銅フタロシアニン、チタニ
ルフタロシアニンなどの金属フタロシアニン、クロロフ
ィル、ヘミン、特開平1−220380号公報、特許出
願公表平5−504023号公報に記載のルテニウム、
オスミウム、鉄、亜鉛の錯体を用いることができる。有
機色素としては、メタルフリーフタロシアニン、シアニ
ン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、ト
リフェニルメタン色素を用いることができる。シアニン
系色素としては、具体的には、NK1194、NK34
22(いずれも日本感光色素研究所(株)製)が挙げら
れる。メロシアニン系色素としては、具体的には、NK
2426、NK2501(いずれも日本感光色素研究所
(株)製)が挙げられる。キサンテン系色素としては、
具体的には、ウラニン、エオシン、ローズベンガル、ロ
ーダミンB、ジブロムフルオレセインが挙げられる。ト
リフェニルメタン色素としては、具体的には、マラカイ
トグリーン、クリスタルバイオレットが挙げられる。
The spectral sensitizing dye has absorption in the visible light region and / or the infrared light region, and in the present invention, one or more kinds of various metal complexes and organic dyes can be used. A spectral sensitizing dye having a carboxyl group, a hydroxyalkyl group, a hydroxyl group, a sulfone group, and a carboxyalkyl group in the molecule is preferable in the present invention because it is adsorbed quickly on the semiconductor. Further, a metal complex is preferable because it is excellent in spectral sensitization effect and durability. Examples of the metal complex include metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and titanyl phthalocyanine, chlorophyll, hemin, ruthenium described in JP-A 1-220380, and JP-A-5-504023.
Complexes of osmium, iron and zinc can be used. As the organic dye, metal-free phthalocyanine, cyanine dye, merocyanine dye, xanthene dye, triphenylmethane dye can be used. Specific examples of cyanine dyes include NK1194 and NK34.
22 (both manufactured by Japan Photosensitive Dye Research Institute Co., Ltd.). Specific examples of the merocyanine dye include NK
2426 and NK2501 (both manufactured by Japan Photosensitive Dye Research Institute). As a xanthene dye,
Specific examples include uranin, eosin, rose bengal, rhodamine B, and dibrom fluorescein. Specific examples of the triphenylmethane dye include malachite green and crystal violet.

【0033】有機色素(分光増感色素)を導電体膜に吸
着させるこのためには、有機色素を有機溶媒に溶解させ
て形成した有機色素溶液中に、常温又は加熱下に酸化物
半導体膜を基板ととも浸漬すればよい。前記の溶液の溶
媒としては、使用する分光増感色素を溶解するものであ
ればよく、具体的には、水、アルコール、トルエン、ジ
メチルホルムアミドを用いることができる。
In order to adsorb the organic dye (spectral sensitizing dye) on the conductor film, the oxide semiconductor film is placed in an organic dye solution formed by dissolving the organic dye in an organic solvent at room temperature or under heating. It may be dipped with the substrate. The solvent of the above solution may be any solvent that can dissolve the spectral sensitizing dye to be used, and specifically, water, alcohol, toluene or dimethylformamide can be used.

【0034】このようにして、本発明の有機色素増感型
金属酸化物半導体電極(光電変換材料用半導体)を得
る。
Thus, the organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode (semiconductor for photoelectric conversion material) of the present invention is obtained.

【0035】このようにして得られた基板上に、透明電
極及び有機色素吸着金属酸化物半導体が形成された有機
色素増感型金属酸化物半導体電極を用いて、太陽電池を
作製する。すなわち、透明電極(透明性導電膜)をコー
トしたガラス板などの基板上に光電変換材料用半導体膜
を形成して電極とし、次に、対電極として別の透明性導
電膜をコートしたガラス板などの基板を封止剤により接
合させ、これらの電極間に電解質を封入して太陽電池と
することができる。
On the thus obtained substrate, a transparent electrode and an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode on which an organic dye-adsorbing metal oxide semiconductor is formed are used to fabricate a solar cell. That is, a semiconductor film for photoelectric conversion material is formed on a substrate such as a glass plate coated with a transparent electrode (transparent conductive film) to form an electrode, and then a glass plate coated with another transparent conductive film as a counter electrode. A substrate such as the above can be bonded with a sealant, and an electrolyte can be enclosed between these electrodes to form a solar cell.

【0036】本発明の半導体膜に吸着した分光増感色素
に太陽光を照射すると、分光増感色素は可視領域の光を
吸収して励起する。この励起によって発生する電子は半
導体に移動し、次いで、透明導電性ガラス電極を通って
対電極に移動する。対電極に移動した電子は、電解質中
の酸化還元系を還元する。一方、半導体に電子を移動さ
せた分光増感色素は、酸化体の状態になっているが、こ
の酸化体は電解質中の酸化還元系によって還元され、元
の状態に戻る。このようにして、電子が流れ、本発明の
光電変換材料用半導体を用いた太陽電池を構成すること
ができる。
When the spectral sensitizing dye adsorbed on the semiconductor film of the present invention is irradiated with sunlight, the spectral sensitizing dye absorbs and excites light in the visible region. The electrons generated by this excitation move to the semiconductor and then to the counter electrode through the transparent conductive glass electrode. The electrons transferred to the counter electrode reduce the redox system in the electrolyte. On the other hand, the spectral sensitizing dye in which electrons have been transferred to the semiconductor is in an oxidant state. This oxidant is reduced by the redox system in the electrolyte and returns to its original state. In this way, electrons flow and a solar cell using the semiconductor for photoelectric conversion material of the present invention can be constructed.

【0037】上記電解質(レドックス電解質)として
は、I/I 系や、Br/Br 系、キノン/
ハイドロキノン系等が挙げられる。このようなレドック
ス電解質は、従来公知の方法によって得ることができ、
例えば、I/I 系の電解質は、ヨウ素のアンモニ
ウム塩とヨウ素を混合することによって得ることができ
る。電解質は、液体電解質又はこれを高分子物質中に含
有させた固体高分子電解質であることができる。液体電
解質において、その溶媒としては、電気化学的に不活性
なものが用いられ、例えば、アセトニトリル、炭酸プロ
ピレン、エチレンカーボネート等が用いられる。対極と
しては、導電性を有するものであればよく、任意の導電
性材料が用いられるが、I イオン等の酸化型のレド
ックスイオンの還元反応を充分な速さで行わせる触媒能
を持ったものの使用が好ましい。このようなものとして
は、白金電極、導電材料表面に白金めっきや白金蒸着を
施したもの、ロジウム金属、ルテニウム金属、酸化ルテ
ニウム、カーボン等が挙げられる。
As the above electrolyte (redox electrolyte)
Is I/ IThree System, Br/ Br Three System, quinone /
Examples thereof include hydroquinone type. Redock like this
The electrolyte can be obtained by a conventionally known method,
For example, I/ IThree The electrolyte of the system is ammonium of iodine.
Can be obtained by mixing um salt and iodine
It The electrolyte includes a liquid electrolyte or a polymer electrolyte containing the liquid electrolyte.
It can be a solid polymer electrolyte. Liquid
Electrolytically inactive as a solvent for degrading
However, for example, acetonitrile, carbonate
Pyrene, ethylene carbonate or the like is used. Opposite
As long as it has conductivity, any conductive
The material used isThree Redox of oxidized form such as ions
Catalytic ability to carry out reduction reaction of x ions at a sufficient speed
It is preferable to use one having As something like this
Apply platinum plating or vapor deposition on the surface of the platinum electrode or conductive material.
Applied, rhodium metal, ruthenium metal, ruthenium oxide
Examples include titanium and carbon.

【0038】本発明の太陽電池は、前記酸化物半導体電
極、電解質及び対極をケース内に収納して封止するが、
それら全体を樹脂封止しても良い。この場合、その酸化
物半導体電極には光があたる構造とする。このような構
造の電池は、その酸化物半導体電極に太陽光又は太陽光
と同等な可視光をあてると、酸化物半導体電極とその対
極との間に電位差が生じ、両極間に電流が流れるように
なる。
In the solar cell of the present invention, the oxide semiconductor electrode, the electrolyte and the counter electrode are housed and sealed in a case.
All of them may be resin-sealed. In this case, the oxide semiconductor electrode has a structure in which light is applied. In the battery having such a structure, when sunlight or visible light equivalent to sunlight is applied to the oxide semiconductor electrode, a potential difference is generated between the oxide semiconductor electrode and its counter electrode, and a current flows between both electrodes. become.

【0039】[0039]

【実施例】以下に実施例を示し、本発明についてさらに
詳述する。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0040】[実施例1] (1)透明電極の作製 スパッタリング装置を用いて、透明電極膜を作製した。[Example 1] (1) Preparation of transparent electrode A transparent electrode film was produced using a sputtering device.

【0041】5×5cmのガラス基板(厚さ:2mm)
上に、100mmφのITO(インジウム−スズ酸化
物)のセラミックターゲットを用い、アルゴンガスを1
0cc/分、酸素ガスを1.5cc/分で供給しなが
ら、装置内の圧力を5ミリトール(mTorr)に設定し、供
給電力500Wの条件で5分間スパッタリングを行い、
厚さ3000ÅのITO膜を形成した。表面抵抗は10
Ω/□であった。
5 × 5 cm glass substrate (thickness: 2 mm)
On top, a 100 mmφ ceramic target of ITO (indium-tin oxide) was used, and argon gas was set to 1
While supplying oxygen gas at 0 cc / min and oxygen gas at 1.5 cc / min, the pressure inside the apparatus was set to 5 mTorr, and sputtering was performed for 5 minutes under the condition of a power supply of 500 W.
An ITO film having a thickness of 3000Å was formed. Surface resistance is 10
It was Ω / □.

【0042】(2)金属酸化物半導体膜の作製 図2に示すような対向ターゲット方式スパッタリング装
置を用いて、上記のITO透明電極ガラス上に、直径1
00mmの金属チタンターゲットを2枚配置し、酸素ガ
スを5cc/分、アルゴンガスを5cc/分で供給した
後、装置内の圧力を5ミリトール(0.7Pa)に設定
し、供給電力3kW(電力密度19W/cm)の条件
で32分間スパッタリングを行い、厚さ3000Åの酸
化チタン膜を形成した。
(2) Preparation of Metal Oxide Semiconductor Film Using a facing target type sputtering apparatus as shown in FIG. 2, a diameter of 1 is formed on the ITO transparent electrode glass.
Two 00 mm metallic titanium targets were placed, oxygen gas was supplied at 5 cc / min, and argon gas was supplied at 5 cc / min. Then, the pressure inside the device was set to 5 mTorr (0.7 Pa), and the supplied power was 3 kW (power). Sputtering was performed for 32 minutes under the condition of a density of 19 W / cm 2 ) to form a titanium oxide film having a thickness of 3000 Å.

【0043】得られた半導体膜の表面粗さRa(中心線
平均粗さ)及び空隙率を測定した。
The surface roughness Ra (center line average roughness) and the porosity of the obtained semiconductor film were measured.

【0044】表面粗さの測定方法:接触式表面粗さ計
(Talystep;テーラーホプソン(株)製)を用い、得ら
れた酸化チタン膜の中心線平均粗さ(Ra)を測定し
た。
Surface roughness measuring method: The center line average roughness (Ra) of the obtained titanium oxide film was measured using a contact type surface roughness meter (Talystep; manufactured by Taylor Hopson Co., Ltd.).

【0045】空隙率の測定方法:下記の質量をそれぞれ
測定し、下記式より求めた(測定はJISZ8807に
準じて行った): w1:水を充分に含ませた試料質量(g) w2:試料の絶乾質量(g) w3:試料の浮力(g) 空隙率=(w1−w2)/w3×100 上記測定により、上記半導体膜の表面粗さRa(中心線
平均粗さ)は5.2nm及び空隙率は32%であった。
Measuring method of porosity: The following mass was measured and determined from the following formula (measurement was carried out in accordance with JIS Z8807): w1: sample mass sufficiently containing water (g) w2: sample Absolute dry mass (g) w3: buoyancy of sample (g) porosity = (w1-w2) / w3 × 100 According to the above measurement, the surface roughness Ra (center line average roughness) of the semiconductor film is 5.2 nm. And the porosity was 32%.

【0046】(3)分光増感色素の吸着 シス−ジ(チオシアナト)−ビス(2,2’−ビピリジ
ル−4−ジカルボキシレート−4’−テトラブチルアン
モニウムカルボキシレート)ルテニウム(II)で表され
る分光増感色素をエタノール液に溶解した。この分光増
感色素の濃度は3×10−4モル/lであった。次に、
このエタノールの液体に、膜状の酸化チタンを形成した
前記の基板を入れ、室温で18時間浸漬して、本発明の
金属酸化物半導体電極を得た。この試料の分光増感色素
の吸着量は、酸化チタン膜の比表面積1cmあたり1
0μgであった。
(3) Adsorption of spectral sensitizing dye cis-di (thiocyanato) -bis (2,2'-bipyridyl-4-dicarboxylate-4'-tetrabutylammoniumcarboxylate) represented by ruthenium (II). The spectral sensitizing dye was dissolved in an ethanol solution. The concentration of this spectral sensitizing dye was 3 × 10 −4 mol / l. next,
The substrate on which the film-shaped titanium oxide was formed was put into this ethanol liquid and immersed at room temperature for 18 hours to obtain a metal oxide semiconductor electrode of the present invention. The adsorption amount of the spectral sensitizing dye of this sample was 1 per 1 cm 2 of the specific surface area of the titanium oxide film.
It was 0 μg.

【0047】(4)太陽電池の作製 前記の金属酸化物半導体電極を一方の電極として備え、
対電極として、フッ素をドープした酸化スズをコート
し、さらにその上に白金を担持した透明導電性ガラス板
を用いた。2つの電極の間に電解質を入れ、この側面を
樹脂で封入した後、リード線を取付けて、本発明の太陽
電池を作製した。なお、電解質は、アセトニトリルの溶
媒に、ヨウ化リチウム、1,2−ジメチル−3−プロピ
ルイミダゾリウムアイオダイド、ヨウ素及びt−ブチル
ピリジンを、それぞれの濃度が0.1モル/l、0.3
モル/l、0.05モル/l、0.5モル/lとなるよ
うに溶解したものを用いた。得られた太陽電池に、ソー
ラーシュミレーターで100W/m の強度の光を照
射したところ、Voc(開回路状態の電圧)は0.58
Vであり、Joc(回路を短絡したとき流れる電流の密
度)は1.30mA/cmであり、FF(曲線因子)
は0.53であり、η(変換効率)は4.01%であっ
た。これは太陽電池として有用であることがわかった。
(4) Preparation of solar cell The above metal oxide semiconductor electrode is provided as one electrode,
As the counter electrode, a transparent conductive glass plate coated with fluorine-doped tin oxide and further carrying platinum thereon was used. An electrolyte was put between two electrodes, the side surface was sealed with a resin, and then a lead wire was attached to manufacture a solar cell of the present invention. In addition, as an electrolyte, the concentration of each of lithium iodide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide, iodine and t-butylpyridine in a solvent of acetonitrile was 0.1 mol / l, 0.3.
What was melt | dissolved so that it might become mol / l, 0.05 mol / l, and 0.5 mol / l was used. When the obtained solar cell was irradiated with light having an intensity of 100 W / m 2 with a solar simulator, Voc (voltage in an open circuit state) was 0.58.
V, Joc (density of current flowing when the circuit is short-circuited) is 1.30 mA / cm 2 , and FF (fill factor).
Was 0.53 and η (conversion efficiency) was 4.01%. It has been found to be useful as a solar cell.

【0048】[実施例2]金属酸化物半導体膜の作製
(2)を下記のように行った以外、実施例1と同様にし
て太陽電池を作製した。
Example 2 A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the production (2) of the metal oxide semiconductor film was carried out as follows.

【0049】(2)金属酸化物半導体膜の作製 実施例1において、装置内の圧力を20ミリトール
(2.8Pa)に変更して、他は同じ条件で37分間スパ
ッタリングを行って厚さ3000Åの酸化チタン膜を形
成した。
(2) Preparation of Metal Oxide Semiconductor Film In Example 1, the pressure in the apparatus was 20 mTorr.
After changing to (2.8 Pa), sputtering was performed for 37 minutes under the same conditions except that a titanium oxide film having a thickness of 3000 Å was formed.

【0050】実施例1と同じ測定により得られた、上記
半導体膜の表面粗さ(Raの算術平均)は10.3nm及
び空隙率は38%であった。
The surface roughness (arithmetic average of Ra) of the semiconductor film obtained by the same measurement as in Example 1 was 10.3 nm and the porosity was 38%.

【0051】得られた太陽電池に、ソーラーシュミレー
ターで100W/m の強度の光を照射したところ、
Voc(開回路状態の電圧)は0.59Vであり、Jo
c(回路を短絡したとき流れる電流の密度)は1.31
mA/cm であり、FF(曲線因子)は0.53で
あり、η(変換効率)は4.12%であり、太陽電池と
して有用であることがわかった。
When the obtained solar cell was irradiated with light having an intensity of 100 W / m 2 with a solar simulator,
Voc (voltage in open circuit state) is 0.59V, and Jo
c (density of current flowing when the circuit is short-circuited) is 1.31
It was mA / cm 2 , FF (fill factor) was 0.53, and η (conversion efficiency) was 4.12%, which proved to be useful as a solar cell.

【0052】[比較例1]金属酸化物半導体膜の作製を
下記のように行った以外、実施例1と同様にして太陽電
池を作製した。
Comparative Example 1 A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the metal oxide semiconductor film was prepared as follows.

【0053】(2)金属酸化物半導体膜の作製 チタン粉末(P−25、日本アエロジル(株)製)6g
を、脱イオン水8ml、アセチルアセトン0.2ml及
び界面活性剤0.2mlを、均一に分散し、ITO透明
電極上に塗布し、500℃で1時間焼成し、10μmの
厚さの半導体電極を得た。
(2) Preparation of metal oxide semiconductor film 6 g of titanium powder (P-25, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.)
8 ml of deionized water, 0.2 ml of acetylacetone and 0.2 ml of a surfactant are evenly dispersed, coated on an ITO transparent electrode, and baked at 500 ° C. for 1 hour to obtain a semiconductor electrode having a thickness of 10 μm. It was

【0054】この半導体の分光増感色素の吸着量は、酸
化チタンの比表面積1cm当たり10μgであった。
The amount of the spectral sensitizing dye adsorbed on this semiconductor was 10 μg per 1 cm 2 of the specific surface area of titanium oxide.

【0055】実施例1と同じ測定により得られた、上記
半導体膜の表面粗さ(Raの算術平均)は10.5nm及
び空隙率は60%であった。
The surface roughness (arithmetic mean of Ra) of the semiconductor film obtained by the same measurement as in Example 1 was 10.5 nm and the porosity was 60%.

【0056】得られた太陽電池に、ソーラーシュミレー
ターで100W/m の強度の光を照射したところ、
Voc(開回路状態の電圧)は0.62Vであり、Jo
c(回路を短絡したとき流れる電流の密度)は1.00
mA/cm であり、FF(曲線因子)は0.56で
あり、η(変換効率)は3.50%であった。これは前
記実施例の太陽電池に比較して、変換効率が低く、太陽
電池として有用であるとは言えない。これは高温長時間
焼成により透明電極が劣化したためと考えられる。
When the obtained solar cell was irradiated with light having an intensity of 100 W / m 2 with a solar simulator,
Voc (voltage in open circuit state) is 0.62V, and Jo
c (density of current flowing when the circuit is short-circuited) is 1.00
It was mA / cm 2 , FF (fill factor) was 0.56, and η (conversion efficiency) was 3.50%. This has a lower conversion efficiency than the solar cells of the above-mentioned examples and cannot be said to be useful as a solar cell. It is considered that this is because the transparent electrode deteriorated due to high temperature and long time firing.

【0057】[比較例2]金属酸化物半導体膜の作製
(2)を下記のように行った以外、実施例1と同様にし
て太陽電池を作製した。
Comparative Example 2 A solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the production (2) of the metal oxide semiconductor film was carried out as follows.

【0058】(2)金属酸化物半導体膜の作製 実施例1において、装置内の供給電力を0.4kW(電
力密度2.5W/cm )に変更した以外実施例1と同
一の条件で240分間スパッタリングを行って厚さ30
00Åの酸化チタン膜を形成した。
(2) Preparation of metal oxide semiconductor film In Example 1, the power supplied in the device was 0.4 kW (power
Power density 2.5W / cm Two) Same as Example 1 except that
Sputtering is performed for 240 minutes under one condition to obtain a thickness of 30.
A titanium oxide film of 00Å was formed.

【0059】実施例1と同じ測定により得られた、上記
半導体膜の表面粗さ(Raの算術平均)は1.8nm及び
空隙率は24%であった。
The semiconductor film obtained by the same measurement as in Example 1 had a surface roughness (Ra arithmetic average) of 1.8 nm and a porosity of 24%.

【0060】得られた太陽電池に、ソーラーシュミレー
ターで100W/m の強度の光を照射したところ、
Voc(開回路状態の電圧)は0.58Vであり、Jo
c(回路を短絡したとき流れる電流の密度)は0.30
mA/cm であり、FF(曲線因子)は0.60で
あり、η(変換効率)は1.05%であり、太陽電池と
して有用とはいえないことがわかった。
When the obtained solar cell was irradiated with light having an intensity of 100 W / m 2 with a solar simulator,
Voc (voltage in open circuit state) is 0.58V, and Jo
c (density of current flowing when the circuit is short-circuited) is 0.30
It was mA / cm 2 , FF (fill factor) was 0.60, and η (conversion efficiency) was 1.05%, which proved to be not useful as a solar cell.

【0061】比較例2は、実施例1と同様にスパッタリ
ングで半導体膜を形成しても表面粗さ、空隙率が低いた
め、太陽電池として十分な性能が得られ無かった。
In Comparative Example 2, even if a semiconductor film was formed by sputtering as in Example 1, sufficient performance as a solar cell could not be obtained because the surface roughness and porosity were low.

【0062】[0062]

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明の有機
色素増感型金属酸化物半導体電極を有する太陽電池は、
低温で簡易に得られる金属酸化物導電体膜を有し、且つ
色素吸着量が大幅に増大した有機色素増感太陽電池であ
り、従って光のエネルギー変換効率が高く、太陽電池と
しての十分な性能を備えたものである。
As apparent from the above, the solar cell having the organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode of the present invention is
It is an organic dye-sensitized solar cell that has a metal oxide conductor film that can be easily obtained at low temperatures, and has a significantly increased amount of dye adsorbed. Therefore, it has high light energy conversion efficiency and sufficient performance as a solar cell. It is equipped with.

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

【図1】本発明の太陽電池の実施形態の一例を示す断面
図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a solar cell of the present invention.

【図2】本発明で好適に用いられる対向2極ターゲット
方式スパッタリング法を利用した金属酸化物半導体膜の
形成方法の一例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a method for forming a metal oxide semiconductor film using a facing bipolar electrode target sputtering method which is preferably used in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 透明電極 3 分光増感色素を吸着させた金属酸化物半導体膜 4 対電極 5 封止剤 6 電解質 21a、21b ターゲット電極 22a、22b 磁石 23 基板 1 substrate 2 transparent electrode 3 Metal oxide semiconductor film with a spectral sensitizing dye 4 counter electrodes 5 Sealant 6 electrolyte 21a, 21b Target electrodes 22a, 22b magnets 23 board

フロントページの続き Fターム(参考) 5F051 AA14 FA02 5H032 AA06 AS16 BB05 BB10 CC11 CC16 EE02 EE16 HH00 HH04 HH06 HH08 Continued front page    F-term (reference) 5F051 AA14 FA02                 5H032 AA06 AS16 BB05 BB10 CC11                       CC16 EE02 EE16 HH00 HH04                       HH06 HH08

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面に透明電極を有する基板、その透明
電極上に形成された金属酸化物半導体膜、及びその半導
体膜表面に吸着した有機色素を含む有機色素増感型金属
酸化物半導体電極において、前記金属酸化物半導体膜が
気相成膜法により形成され、且つその表面粗さRa(中
心線平均粗さ)が2nm以上であり、そしてその空隙率
が25%以上であることを特徴とする有機色素増感型金
属酸化物半導体電極。
1. A substrate having a transparent electrode on its surface, a metal oxide semiconductor film formed on the transparent electrode, and an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode containing an organic dye adsorbed on the surface of the semiconductor film. The metal oxide semiconductor film is formed by a vapor phase film forming method, has a surface roughness Ra (center line average roughness) of 2 nm or more, and has a porosity of 25% or more. An organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode.
【請求項2】 表面粗さRaが5nm以上である請求項
1に記載の半導体電極。
2. The semiconductor electrode according to claim 1, which has a surface roughness Ra of 5 nm or more.
【請求項3】 空隙率が30%以上である請求項1に記
載の半導体電極。
3. The semiconductor electrode according to claim 1, which has a porosity of 30% or more.
【請求項4】 気相成膜法が、物理蒸着法、真空蒸着
法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、CV
D法またはプラズマCVD法である請求項1〜3のいず
れかに記載の半導体電極。
4. The vapor deposition method is a physical vapor deposition method, a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, or a CV.
The semiconductor electrode according to claim 1, which is a D method or a plasma CVD method.
【請求項5】 気相成膜法が、対向2極ターゲット方式
スパッタリング法である請求項1〜4のいずれかに記載
の半導体電極。
5. The semiconductor electrode according to claim 1, wherein the vapor phase film forming method is a facing bipolar target system sputtering method.
【請求項6】 気相成膜法が、反応性スパッタリング法
である請求項1〜5のいずれかに記載の半導体電極。
6. The semiconductor electrode according to claim 1, wherein the vapor phase film forming method is a reactive sputtering method.
【請求項7】 金属酸化物半導体膜が、酸化チタン、酸
化亜鉛、酸化スズ、酸化アンチモン、酸化ニオブ、酸化
タングステン又は酸化インジウム、或いはこれらの金属
酸化物に他の金属若しくは他の金属酸化物をドーピング
したものである請求項1〜6のいずれかに記載の半導体
電極。
7. The metal oxide semiconductor film comprises titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, antimony oxide, niobium oxide, tungsten oxide or indium oxide, or these metal oxides with another metal or another metal oxide. The semiconductor electrode according to claim 1, which is doped.
【請求項8】 金属酸化物半導体膜が、酸化チタンであ
る請求項1〜7のいずれかに記載の半導体電極。
8. The semiconductor electrode according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor film is titanium oxide.
【請求項9】 金属酸化物半導体膜が、アナタース型酸
化チタンである請求項1〜8のいずれかに記載の半導体
電極。
9. The semiconductor electrode according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor film is anatase type titanium oxide.
【請求項10】 金属酸化物半導体膜の膜厚が、10n
m以上である請求項1〜9のいずれかに記載の半導体電
極。
10. The film thickness of the metal oxide semiconductor film is 10 n.
It is m or more, The semiconductor electrode in any one of Claims 1-9.
【請求項11】 請求項1〜6に記載の有機色素増感型
金属酸化物半導体電極と、この電極に対向して設けられ
た対電極とからなり、さらに両電極間にレッドクス電解
質が注入されてなる有機色素増感型太陽電池。
11. The organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode according to claim 1 and a counter electrode provided opposite to the electrode, wherein a redox electrolyte is further injected between both electrodes. An organic dye-sensitized solar cell.
【請求項12】 表面に透明電極を有する基板の該透明
電極上に、ターゲットとして金属及び/又は金属酸化物
を用いて、2.6W/cm以上の電力密度及び0.6
Pa以上の圧力の条件下にスパッタリング法により金属
酸化物半導体膜を形成し、その半導体膜表面に有機色素
を吸着させることを特徴とする有機色素増感型金属酸化
物半導体電極の製造方法。
12. A substrate having a transparent electrode on the surface thereof, and using a metal and / or a metal oxide as a target on the transparent electrode, a power density of 2.6 W / cm 2 or more and 0.6 or more.
A method for producing an organic dye-sensitized metal oxide semiconductor electrode, which comprises forming a metal oxide semiconductor film by a sputtering method under a pressure of Pa or higher and adsorbing an organic dye on the surface of the semiconductor film.
【請求項13】 スパッタリングの際の電力密度を、1
1W/cm以上とする請求項12に記載の製造方法。
13. The power density during sputtering is set to 1
The manufacturing method according to claim 12, wherein the rate is 1 W / cm 2 or more.
【請求項14】 スパッタリングの際の圧力を、2.0
Pa以上とする請求項12又は13に記載の製造方法。
14. The pressure during sputtering is 2.0.
The manufacturing method according to claim 12 or 13, wherein Pa or more is used.
【請求項15】 スパッタリングを、ターゲットとして
金属チタンを用い、且つ酸素ガスを供給して行う請求項
12〜14のいずれかに記載の製造方法。
15. The manufacturing method according to claim 12, wherein the sputtering is performed by using metallic titanium as a target and supplying oxygen gas.
【請求項16】 スパッタリングを、ターゲットとして
導電性酸化チタンを用い、且つ酸素ガスを供給して行う
請求項12〜15のいずれかに記載の製造方法。
16. The manufacturing method according to claim 12, wherein the sputtering is performed by using conductive titanium oxide as a target and supplying oxygen gas.
【請求項17】 気相成膜法が、対向2極ターゲット方
式スパッタリング法である請求項12〜16のいずれか
に記載の製造方法。
17. The manufacturing method according to claim 12, wherein the vapor phase film forming method is a facing bipolar target system sputtering method.
【請求項18】 金属酸化物半導体膜が、酸化チタンで
ある請求項12〜17のいずれかに記載の製造方法。
18. The manufacturing method according to claim 12, wherein the metal oxide semiconductor film is titanium oxide.
【請求項19】 金属酸化物半導体膜が、アナタース型
酸化チタンである請求項12〜18のいずれかに記載の
製造方法。
19. The manufacturing method according to claim 12, wherein the metal oxide semiconductor film is anatase-type titanium oxide.
【請求項20】 金属酸化物半導体膜の膜厚が、10n
m以上である請求項12〜19のいずれかに記載の製造
方法。
20. The thickness of the metal oxide semiconductor film is 10 n.
The manufacturing method according to any one of claims 12 to 19, which is m or more.
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