JP2005353318A - 色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 製造が容易で、光電変換特性および耐久性に優れた乾式の色素増感型太陽電池を得る。
【解決手段】 色素２で被覆された多孔性半導体層９を有する作用電極５と、この作用電極５に対向して設けられた対極７と、上記作用電極５と上記対極７の間に配置された正孔輸送層１０とを備え、上記正孔輸送層１０が、例えば化学式（１）で示される、導電性高分子の少なくとも主鎖骨格にメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物を含有する。
【化１】
【選択図】 図１
【解決手段】 色素２で被覆された多孔性半導体層９を有する作用電極５と、この作用電極５に対向して設けられた対極７と、上記作用電極５と上記対極７の間に配置された正孔輸送層１０とを備え、上記正孔輸送層１０が、例えば化学式（１）で示される、導電性高分子の少なくとも主鎖骨格にメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物を含有する。
【化１】
【選択図】 図１
Description
本発明は、製造が容易であるとともに、光電変換特性および耐久性に優れた乾式の色素増感型太陽電池に関するものである。
色素増感型太陽電池は、色素を吸着させた半導体層を有する作用電極と、触媒能のある対極と、これら電極間に存在する電荷移動層とから構成される。上記対極は、外部回路に電流を取り出すための集電電極としての役割と、電子を放出した後の色素の酸化体（還元体）を還元（酸化）することにより結果的に酸化（還元）された電荷移動層の電荷輸送材料を還元（酸化）し再生する役割を担うものである。
しかし、湿式の色素増感型太陽電池では、上記電荷移動層が電解液を含有しているため、経時での電解液の枯渇が問題となる。
それに対して、上記電荷移動層に、正孔輸送高分子固体電解質層である電気伝導性の良いポリピロール層を用いた乾式の色素増感型太陽電池がある（例えば、特許文献１参照）。
しかし、湿式の色素増感型太陽電池では、上記電荷移動層が電解液を含有しているため、経時での電解液の枯渇が問題となる。
それに対して、上記電荷移動層に、正孔輸送高分子固体電解質層である電気伝導性の良いポリピロール層を用いた乾式の色素増感型太陽電池がある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記従来の乾式の色素増感型太陽電池は、湿式の太陽電池と比べ光電変換特性が大幅に劣っており、耐久性も不十分である。また、ポリピロール層の形成には光照射が必要であることから、塗布等の手法を用いて、大面積化に対応することが困難であり、さらに、ポリピロールは導電性高分子であるが、空気中で酸化されやすく、材料安定性に劣るという課題がある。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、容易に製造されるとともに、光電変換特性および耐久性に優れた乾式の色素増感型太陽電池を提供することを目的とするものである。
本発明に係る第１の色素増感型太陽電池は、色素で被覆された多孔性半導体層を有する作用電極と、この作用電極に対向して設けられた対極と、上記作用電極と上記対極の間に配置された正孔輸送層とを備えた色素増感型太陽電池において、上記正孔輸送層が、導電性高分子の少なくとも主鎖骨格にメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物を含有することを特徴とするものである。
本発明の第１の色素増感型太陽電池は、色素で被覆された多孔性半導体層を有する作用電極と、この作用電極に対向して設けられた対極と、上記作用電極と上記対極の間に配置された正孔輸送層とを備えた色素増感型太陽電池において、上記正孔輸送層が、導電性高分子の少なくとも主鎖骨格にメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物を含有することを特徴とするもので、容易に製造されるとともに、光電変換特性および耐久性に優れた乾式の色素増感型太陽電池を提供する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の色素増感型太陽電池の構成図である。
本発明にかかる色素増感型太陽電池は、作用電極５と、この作用電極５と対向する対極７と、作用電極５と対極７の間に正孔輸送層１０を設けて構成される。作用電極５は、作用電極基材６の表面に設けられた透明導電層１１と、その上に色素２で被覆された多孔性半導体層９を設けて構成され、上記多孔性半導体層９は半導体微粒子１からなるものである。また、対極７は、対極基材８の表面に電極物質を坦持した導電層１２を設けて構成される。
図１は、本発明の実施の形態１の色素増感型太陽電池の構成図である。
本発明にかかる色素増感型太陽電池は、作用電極５と、この作用電極５と対向する対極７と、作用電極５と対極７の間に正孔輸送層１０を設けて構成される。作用電極５は、作用電極基材６の表面に設けられた透明導電層１１と、その上に色素２で被覆された多孔性半導体層９を設けて構成され、上記多孔性半導体層９は半導体微粒子１からなるものである。また、対極７は、対極基材８の表面に電極物質を坦持した導電層１２を設けて構成される。
正孔輸送層１０はメタロセン化合物３を含有し、色素２の酸化体を還元する作用（第１の作用）、色素との界面で注入された正孔を対極７に輸送する作用（第２の作用）、および対極７を酸化する作用（第３の作用）を有するものである。
ここで、本実施の形態においては、正孔輸送層１０が導電性高分子の少なくとも主鎖骨格に、レドックス活性を有し材料安定性に優れたメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物３を含有するものであり、上記メタロセン化合物は導電性高分子の主鎖骨格にメタロセン部位が導入されていることから、パイ共役が寸断されておらず、導電性高分子の有する上記第２の作用を妨げることなく、優れた正孔輸送特性を示し、これにより正孔輸送層に必要とされる上記第１の作用〜第３の作用を実現できるのである。
それに対して、上記従来の乾式の太陽電池で用いたポリピロールは電気伝導性に優れているため上記第２の作用は得られるが、上記第１の作用である還元作用と、第３の作用である酸化作用、即ちレドクス活性が不十分であるため、色素と対極間で正孔を効率良く伝達することができず、光電変換特性が劣るのである。
ここで、本実施の形態においては、正孔輸送層１０が導電性高分子の少なくとも主鎖骨格に、レドックス活性を有し材料安定性に優れたメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物３を含有するものであり、上記メタロセン化合物は導電性高分子の主鎖骨格にメタロセン部位が導入されていることから、パイ共役が寸断されておらず、導電性高分子の有する上記第２の作用を妨げることなく、優れた正孔輸送特性を示し、これにより正孔輸送層に必要とされる上記第１の作用〜第３の作用を実現できるのである。
それに対して、上記従来の乾式の太陽電池で用いたポリピロールは電気伝導性に優れているため上記第２の作用は得られるが、上記第１の作用である還元作用と、第３の作用である酸化作用、即ちレドクス活性が不十分であるため、色素と対極間で正孔を効率良く伝達することができず、光電変換特性が劣るのである。
正孔輸送層に用いられる上記メタロセン化合物は例えば下記化学式（１）〜（３）のいずれかで示されるものがあげられる。
なお、式（１）〜（３）中、Ｍはそれぞれ同一でも異っていても良く、鉄原子またはルテニウム原子であり、Ｚはそれぞれ同一でも異っていても良く、硫黄原子または置換窒素原子（Ｎ−Ｒ２１）であり、Ｒ１〜Ｒ２１はそれぞれ同一でも異っていても良く、Ｒ１とＲ２は繰り返し単位間で異なっていても良く、水素原子、炭素数１〜８のアルキル、アルコキシ基であり、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ０または１であり、ｘは１〜６の整数、ｙは１〜１００の整数である。
なお、上記化学式（１）〜（３）において、ｘは１〜６の整数であるが、１〜４の整数であることが好ましい。ｘが６より大きいと正孔輸送特性が小さくなる傾向にある。
ｙは１〜１００の整数であるが、１〜５０の整数であることが好ましい。ｙが１００より大きいと多孔性半導体層に吸着された色素から正孔輸送層への正孔輸送特性が小さくなる傾向にある。
Ｍは鉄原子またはルテニウム原子であるが、材料安定性の点で、鉄原子が好ましい。また、Ｚは硫黄原子または置換窒素原子であるが、正孔輸送特性に優れるため硫黄原子が好ましい。
上記炭素数１〜８のアルキルとしては、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、それらの異性体等のアルキル、上記炭素数１〜８のアルコキシ基としては、例えば、メトキシプロピル、メトキシブチル、メトキシヘキシル、メトキシヘプチル、メトキシオクチル等のアルコキシアルキルが挙げられる。
ｙは１〜１００の整数であるが、１〜５０の整数であることが好ましい。ｙが１００より大きいと多孔性半導体層に吸着された色素から正孔輸送層への正孔輸送特性が小さくなる傾向にある。
Ｍは鉄原子またはルテニウム原子であるが、材料安定性の点で、鉄原子が好ましい。また、Ｚは硫黄原子または置換窒素原子であるが、正孔輸送特性に優れるため硫黄原子が好ましい。
上記炭素数１〜８のアルキルとしては、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、それらの異性体等のアルキル、上記炭素数１〜８のアルコキシ基としては、例えば、メトキシプロピル、メトキシブチル、メトキシヘキシル、メトキシヘプチル、メトキシオクチル等のアルコキシアルキルが挙げられる。
なお、上記化学式（１）〜（３）のメタロセン化合物は、各種溶媒に可溶であり、導電性高分子は一般に酸化に弱いという問題があるが、本発明のメタロセン化合物では酸化還元を材料安定性の優れたメタロセン部位が担うため、材料安定性が向上して、取り扱いが容易で製造適性に優れている。
また、π共役系オリゴマー部位とレドクス活性なメタロセン部位から構成されるメタロセン化合物を有機正孔輸送材料として用いた色素増感型太陽電池は、光電変換効率が高く、経時での特性劣化が少なく耐久性が向上するという効果がある。
また、π共役系オリゴマー部位とレドクス活性なメタロセン部位から構成されるメタロセン化合物を有機正孔輸送材料として用いた色素増感型太陽電池は、光電変換効率が高く、経時での特性劣化が少なく耐久性が向上するという効果がある。
下記化学式（４）〜（８）に具体的なメタロセン化合物を示す。
なお、式（４）〜（６）中、Ｒ２はメトキシ基またはヘキシル基であり、ｘは２〜３、ｙは１〜５０の整数である。
なお、式（７）、（８）中、ｙは１〜５０の整数である。
なお、本実施の形態に係わるメタロセン化合物においては、導電性高分子としてポリチオフェンを用いたが、メタロセン部位とパイ共役が形成可能なものであれば良く、例えば、ポリピロールであっても良い。しかし、ポリチオフェンを用いることは正孔輸送特性に優れるため望ましい。
また、本実施の形態に係わるメタロセン部位は導電性高分子にレドックス活性を付与するためのものであるため、レドックス活性を付与するものとしては、導電性高分子とパイ共役が形成可能なものであれば、他の有機金属錯体、例えば、アレーン錯体であっても良いが、メタロセン部位はレドックス活性と材料安定性に優れるため望ましい。
また、本実施の形態に係わるメタロセン部位は導電性高分子にレドックス活性を付与するためのものであるため、レドックス活性を付与するものとしては、導電性高分子とパイ共役が形成可能なものであれば、他の有機金属錯体、例えば、アレーン錯体であっても良いが、メタロセン部位はレドックス活性と材料安定性に優れるため望ましい。
本発明の実施の形態に係わるメタロセン化合物の製造方法には、多くの合成方法が適しているが、主に導入するメタロセン部位にどのような構造のものを望むかという点に依存する。
例えば化学式（１）において、Ｍ＝Ｆｅで、Ｒ１〜Ｒ２０＝Ｈで、ａ＝ｂ＝ｃ＝０で、ｘ＝２で示されるメタロセン化合物における、メタロセン部位に相当するフェロセン化合物は、１、２―ジリチオフェロセンと５、５´―ジブロモ―２、２´―バイチオフェンとのカップリング反応で製造される。
また、化学式（２）においてＭ＝Ｆｅで、Ｒ２＝メトキシ基で、Ｒ１、Ｒ３〜Ｒ２０＝Ｈで、ａ＝ｂ＝ｃ＝０で、ｘ＝２で示されるメタロセン化合物における、メタロセン部位に相当するフェロセン化合物は、１、２―ジリチオフェロセンを、２―ブロモ―３―メトキシチオフェンとマグネシウムの反応生成物である３―メトキシチエニル―マグネシウムブロマイドと反応させて得られる１、２−ビス（３―メトキシチエニル）フェロセンをＦｅＣｌ３触媒下の重合反応によって製造される。
また、化学式（３）においてＭ＝Ｆｅで、Ｒ１〜Ｒ２０＝Ｈで、ａ＝ｂ＝ｃ＝１で、ｘ＝３で示されるメタロセン化合物における、メタロセン部位に相当するフェロセン化合物は、１、３―ビス（ブロモメチル）フェロセンとトリフェニルホフィンの反応生成物である１、３―ビス（トリフェニルホフホニウムメチル）―フェロセンと、５、５´´―ジフォルミル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンをウッティヒ重合反応によって製造される。
例えば化学式（１）において、Ｍ＝Ｆｅで、Ｒ１〜Ｒ２０＝Ｈで、ａ＝ｂ＝ｃ＝０で、ｘ＝２で示されるメタロセン化合物における、メタロセン部位に相当するフェロセン化合物は、１、２―ジリチオフェロセンと５、５´―ジブロモ―２、２´―バイチオフェンとのカップリング反応で製造される。
また、化学式（２）においてＭ＝Ｆｅで、Ｒ２＝メトキシ基で、Ｒ１、Ｒ３〜Ｒ２０＝Ｈで、ａ＝ｂ＝ｃ＝０で、ｘ＝２で示されるメタロセン化合物における、メタロセン部位に相当するフェロセン化合物は、１、２―ジリチオフェロセンを、２―ブロモ―３―メトキシチオフェンとマグネシウムの反応生成物である３―メトキシチエニル―マグネシウムブロマイドと反応させて得られる１、２−ビス（３―メトキシチエニル）フェロセンをＦｅＣｌ３触媒下の重合反応によって製造される。
また、化学式（３）においてＭ＝Ｆｅで、Ｒ１〜Ｒ２０＝Ｈで、ａ＝ｂ＝ｃ＝１で、ｘ＝３で示されるメタロセン化合物における、メタロセン部位に相当するフェロセン化合物は、１、３―ビス（ブロモメチル）フェロセンとトリフェニルホフィンの反応生成物である１、３―ビス（トリフェニルホフホニウムメチル）―フェロセンと、５、５´´―ジフォルミル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンをウッティヒ重合反応によって製造される。
上記メタロセン化合物を含有する正孔輸送層は、真空蒸着法、キャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法等により色素を吸着した、半導体微粒子からなる多孔性半導体層の上に設けられるが、製造適性、コストパフォーマンス等の観点から、塗布法によるのが好ましい。
真空蒸着法により正孔輸送層を形成する場合、増感色素を担持した多孔性半導体層上に、一般にボート加熱温度５０〜４００℃、真空度１０−６〜１０−３Ｐａ、蒸着速度０．０１〜５０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度−５０〜＋３００℃、膜厚５ｎｍ〜２０μｍの範囲で蒸着条件を適宜選択し、蒸着することができる。
塗布法によって正孔輸送層を形成する場合、正孔をトラップしにくいバインダー樹脂や、レベリング剤等の塗布性改良剤を添加し溶解した塗布溶液を調整し、スピンコート法、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ローラーコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法等により塗布、乾燥して正孔輸送層を形成することができる。バインダー樹脂としては、チオフェン化合物を含有する高分子、ポリスチレン、ポリシラン類、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル等が挙げられる。バインダー樹脂は添加量が多いと正孔移動度を低下させることが多いので、添加する場合の好ましい添加量は５０重量％以下である。
真空蒸着法により正孔輸送層を形成する場合、増感色素を担持した多孔性半導体層上に、一般にボート加熱温度５０〜４００℃、真空度１０−６〜１０−３Ｐａ、蒸着速度０．０１〜５０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度−５０〜＋３００℃、膜厚５ｎｍ〜２０μｍの範囲で蒸着条件を適宜選択し、蒸着することができる。
塗布法によって正孔輸送層を形成する場合、正孔をトラップしにくいバインダー樹脂や、レベリング剤等の塗布性改良剤を添加し溶解した塗布溶液を調整し、スピンコート法、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ローラーコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法等により塗布、乾燥して正孔輸送層を形成することができる。バインダー樹脂としては、チオフェン化合物を含有する高分子、ポリスチレン、ポリシラン類、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル等が挙げられる。バインダー樹脂は添加量が多いと正孔移動度を低下させることが多いので、添加する場合の好ましい添加量は５０重量％以下である。
また、本発明の実施の形態に係わる正孔輸送層１０がヨウ素とヨウ素化合物を含有するとメタロセン化合物の酸化体と多孔性半導体層間での電荷の再結合を抑制することができるため好ましく、一般に電池や太陽電池において使用することができるものであれば特に限定されず、具体的にはＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、ＣａＩ２等の金属ヨウ化物とヨウ素との組み合わせ、またはＬｉＢｒ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＣａＢｒ２等の金属臭化物と臭素との組み合わせが好ましく、この中でも、ＬｉＩとヨウ素との組み合わせが好ましい。
また、本発明の実施の形態に係わる正孔輸送層には導電率を向上するため、トリス（４−ブロモフェニル）アミニウムヘキサクロロアンチモネート、ＮＯＰＦ６、ＳｂＣｌ５、Ｉ２、Ｂｒ２、ＨＣｌＯ４、（ｎ−Ｃ４Ｈ９）４ＣｌＯ４、トリフルオロ酢酸、４−ドデシルベンゼンスルホン酸、１−ナフタレンスルホン酸、ＦｅＣｌ３、ＡｕＣｌ３、ＮＯＳｂＦ６、ＡｓＦ５、ＮＯＢＦ４、ＬｉＢＦ４、Ｈ３［ＰＭｏ１２Ｏ４０］、７、７、８、８−テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等のアクセプタードーピング剤を添加することも好ましい。上記ドーピング剤の好ましい添加量は上記オリゴピロールに対して０．０２〜０．３（モル比）であり、さらに好ましくは０．０５〜０．１５である。また、正孔輸送層内の正電荷による空間電荷層を補償するためにＬｉ［（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ］、Ｌｉ［（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ］、ＬｉＣｌＯ４等の塩を添加することも好ましい。塩を添加する場合の好ましい添加量は上記オリゴピロールに対して０．１〜１（モル比）であり、さらに好ましくは０．２〜０．５である。
本発明の実施の形態に係わる多孔性半導体層９を構成する半導体微粒子１の材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等の半導体の１種または２種以上を用いることができる。なかでも、変換効率、安定性、安全性の点から酸化チタンまたは酸化亜鉛が好ましい。
上記多孔性半導体層には、粒子状、膜状等種々な形態の半導体を用いることができるが、基板上に形成された膜状の多孔性半導体が好ましい。膜状の多孔性半導体を形成する作用電極基材としては、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等を使用することができ、なかでも透明性の高い基板が好ましい。
膜状の多孔性半導体層を上記基板上に形成する方法としては、公知の種々の方法を使用することができる。具体的には、基板上に半導体粒子を含有する懸濁液を塗布し、乾燥および焼成する方法、基板上に所望の原料ガスを用いたＣＶＤ法またはＭＯＣＶＤ法により半導体膜を成膜する方法、原料固体を用いたＰＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法またはゾルーゲル法により半導体膜を形成する方法がある。なお、この際の半導体の膜厚は、特に限定されるものではないが、透過性、変換効率等の観点より、０．５〜２０μｍ程度が好ましい。さらに、変換効率を向上させるためには、下記色素を膜状の多孔性半導体により多く吸着させることが必要である。このために、膜状の多孔性半導体は比表面積が大きなものが好ましく、１０ｍ2／ｇ〜２００ｍ2／ｇ程度が好ましい。
上記粒子状の半導体としては、市販されているもののうち適当な平均粒径、例えば１ｎｍ〜５００ｎｍ程度の平均粒径を有する単一または化合物半導体の粒子がある。また、この半導体粒子を懸濁させるために使用される溶媒は、エチレングリコールモノメチルエーテル等のグライム系溶媒、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、イソプロピルアルコール／トルエン等の混合溶媒、水が挙げられる。
上記多孔性半導体層の乾燥および焼成は、使用する基板や半導体粒子の種類により、温度、時間、雰囲気等を適宜調整することも必要になる。例えば、大気下または不活性ガス雰囲気下、５０〜８００℃程度の範囲内で、１０秒〜１２時間程度行うことができる。この乾燥および焼成は、単一の温度で１回または温度を変化させて２回以上行うことができる。
上記多孔性半導体層には、粒子状、膜状等種々な形態の半導体を用いることができるが、基板上に形成された膜状の多孔性半導体が好ましい。膜状の多孔性半導体を形成する作用電極基材としては、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等を使用することができ、なかでも透明性の高い基板が好ましい。
膜状の多孔性半導体層を上記基板上に形成する方法としては、公知の種々の方法を使用することができる。具体的には、基板上に半導体粒子を含有する懸濁液を塗布し、乾燥および焼成する方法、基板上に所望の原料ガスを用いたＣＶＤ法またはＭＯＣＶＤ法により半導体膜を成膜する方法、原料固体を用いたＰＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法またはゾルーゲル法により半導体膜を形成する方法がある。なお、この際の半導体の膜厚は、特に限定されるものではないが、透過性、変換効率等の観点より、０．５〜２０μｍ程度が好ましい。さらに、変換効率を向上させるためには、下記色素を膜状の多孔性半導体により多く吸着させることが必要である。このために、膜状の多孔性半導体は比表面積が大きなものが好ましく、１０ｍ2／ｇ〜２００ｍ2／ｇ程度が好ましい。
上記粒子状の半導体としては、市販されているもののうち適当な平均粒径、例えば１ｎｍ〜５００ｎｍ程度の平均粒径を有する単一または化合物半導体の粒子がある。また、この半導体粒子を懸濁させるために使用される溶媒は、エチレングリコールモノメチルエーテル等のグライム系溶媒、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、イソプロピルアルコール／トルエン等の混合溶媒、水が挙げられる。
上記多孔性半導体層の乾燥および焼成は、使用する基板や半導体粒子の種類により、温度、時間、雰囲気等を適宜調整することも必要になる。例えば、大気下または不活性ガス雰囲気下、５０〜８００℃程度の範囲内で、１０秒〜１２時間程度行うことができる。この乾燥および焼成は、単一の温度で１回または温度を変化させて２回以上行うことができる。
多孔性半導体層上に光増感剤として機能する色素２（以下、単に「色素」と記す）を吸着させる方法としては、例えば基板上に形成された多孔性半導体層を、色素を溶解した溶液に浸漬する方法が挙げられる。
ここで使用することができる色素は、種々の可視光領域および赤外光領域に吸収を持つものであって、半導体層に強固に吸着させるために、色素分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル記、メルカプト基、ホスホニル基等のインターロック基を有するものが好ましい。
インターロック基は、励起状態の色素と半導体の導電帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供するものである。これらインターロック基を含有する色素として、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。
色素を溶解するために用いる溶媒は、エタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物、クロロホルム等のハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類が挙げられる。
溶液中の色素濃度は、使用する色素および溶媒の種類は適宜調整することができ、吸着機能を向上させるためにはできるだけ高濃度である方が好ましい。例えば５×１０-5モル／リットル以上の濃度であればよい。
色素を溶解した溶液中に半導体を浸漬する際、溶液、雰囲気の温度および圧力は特に限定されるものではなく、例えば室温程度、かつ大気圧下が挙げられ、浸漬時間は、使用する色素、溶媒の種類、溶液の濃度等により適宜調整することができる。なお、効果的に行うには加熱下にて浸漬を行えばよい。これにより、多孔性半導体上に色素を吸着させることができる。
ここで使用することができる色素は、種々の可視光領域および赤外光領域に吸収を持つものであって、半導体層に強固に吸着させるために、色素分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル記、メルカプト基、ホスホニル基等のインターロック基を有するものが好ましい。
インターロック基は、励起状態の色素と半導体の導電帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供するものである。これらインターロック基を含有する色素として、例えば、ルテニウムビピリジン系色素、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。
色素を溶解するために用いる溶媒は、エタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物、クロロホルム等のハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類が挙げられる。
溶液中の色素濃度は、使用する色素および溶媒の種類は適宜調整することができ、吸着機能を向上させるためにはできるだけ高濃度である方が好ましい。例えば５×１０-5モル／リットル以上の濃度であればよい。
色素を溶解した溶液中に半導体を浸漬する際、溶液、雰囲気の温度および圧力は特に限定されるものではなく、例えば室温程度、かつ大気圧下が挙げられ、浸漬時間は、使用する色素、溶媒の種類、溶液の濃度等により適宜調整することができる。なお、効果的に行うには加熱下にて浸漬を行えばよい。これにより、多孔性半導体上に色素を吸着させることができる。
本発明の実施の形態に係わる多孔性半導体層を設ける作用電極基材６としては、ガラスまたはプラスチックフィルム等、絶縁性、透明性のある基材であれば何ら制限されるものではなく、例えばポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース等を用いることができるが、さらには、太陽電池を使用する環境、寿命の観点から耐光性、耐熱性を伴う基材が好ましい。入射する光を有効に取り入れるために、作用電極基材６の光透過性導電層１１が積層されていない側の表面に反射防止層を設けたり、エンボス処理を行ったりしてもよい。
また、光透過性導電層１１として使用する導電膜は特に限定されるものではないが、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ2等の透明導電膜が好ましい。これら導電膜の形成方法としては、真空蒸着法、反応性蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法等の真空成膜プロセスによることができるが、いかなる成膜方法であっても構わない。
また、光透過性導電層１１として使用する導電膜は特に限定されるものではないが、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ2等の透明導電膜が好ましい。これら導電膜の形成方法としては、真空蒸着法、反応性蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法等の真空成膜プロセスによることができるが、いかなる成膜方法であっても構わない。
対極７を構成する電極物質としては特に制限はないが炭やカーボンブラックやカーボンナノチューブ等の導電性の炭素材料、または白金ナノ粒子が挙げられる。また、対極７は、対極基材８上に導電層を形成した後、電極物質を担持して作製してもよい。この場合、導電層としては特に制限は無いが、銅、アルミ、白金等の金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の導電性を有する酸化物からなる薄膜が好ましい。また、対極基材８には作用電極基材６同様のものを用いることができ、両者には同じでも異なる材質を選んでもよい。
実施例１．
上記化学式（７）で示されるメタロセン化合物の合成
（１）１、１´―ジリチオフェロセンの合成
不活性アルゴン雰囲気中、１０００ｍｌの丸底フラスコ内の、１６０ｍｍｏｌのヨードフェロセンを溶解した１２０ｍｌのベンゼン溶液に、１６０ｍｍｏｌのマーキュリックアセテートを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液を、５分間かけてゆっくり加えた。この溶液を約２２〜約２５℃の室温で２０分間撹拌した後、７２０ｍｍｏｌのカルシウムクロライドを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液にゆっくり加えた。この溶液を２ｌの冷水に注ぎ、沈殿物をフィルターでろ過し、４００ｍｌの冷水で洗浄した。洗浄物を２５０ｍｌのベンゼンに溶解し、アルミナ上でのクロマトグラフィー法により１，１´−ジヨードフェロセン溶液を分離した。この溶液を濃縮し１，１´−ジヨードフェロセンを得た。得られた１，１´−ジヨードフェロセンを１００ｍｌのＴＨＦに溶解したものに、ターシャルブチルリチウム１．６モル／リットルのペンタン溶液８４ｍｌを、約０℃で３０分間かけてゆっくり加えた後、この溶液を濃縮して１、１´―ジリチオフェロセンを得た。収率は約７４％であった。
（２）５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの合成
アルゴン雰囲気下で、３口フラスコ内の、８ｍｍｏｌの３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した２００ｍｌのジクロロメタン溶液に、３ｍｍｏｌのＮ−ブロモスクシンイミドの小片を１０〜２０分かけて加えた。２時間反応させた後、シリカゲル上でのクロマトグラフィー法により５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェン溶液を分離、濃縮して５、５´´―ジブロモ―３、３´´ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを得た。収率は約６２％であった。
（３）１、１´―ジリチオフェロセンと５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの重合
不活性アルゴン雰囲気中、３００ｍｌの丸底フラスコ内の、９ｍｍｏｌの１、１´―ジリチオフェロセンを溶解した３０ｍｌのクロロホルム溶液に、３ｍｍｏｌの５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した１０ｍｌのクロロホルム溶液をゆっくり加えた。得られた混合物を不活性アルゴン気流中、５０℃で１時間、次に４０℃で２４時間加熱した。重合後、この混合物を２００ｍｌのトルエンで希釈し、水で３回洗った。有機相を分け、２００ｍｌの７．５％アンモニア水溶液と１時間半撹拌し、水で３回洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成物を沈殿させた。これを、メタノール、ヘキサン、およびベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製した。
上記化学式（７）で示されるメタロセン化合物の合成
（１）１、１´―ジリチオフェロセンの合成
不活性アルゴン雰囲気中、１０００ｍｌの丸底フラスコ内の、１６０ｍｍｏｌのヨードフェロセンを溶解した１２０ｍｌのベンゼン溶液に、１６０ｍｍｏｌのマーキュリックアセテートを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液を、５分間かけてゆっくり加えた。この溶液を約２２〜約２５℃の室温で２０分間撹拌した後、７２０ｍｍｏｌのカルシウムクロライドを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液にゆっくり加えた。この溶液を２ｌの冷水に注ぎ、沈殿物をフィルターでろ過し、４００ｍｌの冷水で洗浄した。洗浄物を２５０ｍｌのベンゼンに溶解し、アルミナ上でのクロマトグラフィー法により１，１´−ジヨードフェロセン溶液を分離した。この溶液を濃縮し１，１´−ジヨードフェロセンを得た。得られた１，１´−ジヨードフェロセンを１００ｍｌのＴＨＦに溶解したものに、ターシャルブチルリチウム１．６モル／リットルのペンタン溶液８４ｍｌを、約０℃で３０分間かけてゆっくり加えた後、この溶液を濃縮して１、１´―ジリチオフェロセンを得た。収率は約７４％であった。
（２）５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの合成
アルゴン雰囲気下で、３口フラスコ内の、８ｍｍｏｌの３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した２００ｍｌのジクロロメタン溶液に、３ｍｍｏｌのＮ−ブロモスクシンイミドの小片を１０〜２０分かけて加えた。２時間反応させた後、シリカゲル上でのクロマトグラフィー法により５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェン溶液を分離、濃縮して５、５´´―ジブロモ―３、３´´ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを得た。収率は約６２％であった。
（３）１、１´―ジリチオフェロセンと５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの重合
不活性アルゴン雰囲気中、３００ｍｌの丸底フラスコ内の、９ｍｍｏｌの１、１´―ジリチオフェロセンを溶解した３０ｍｌのクロロホルム溶液に、３ｍｍｏｌの５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジヘキシル―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した１０ｍｌのクロロホルム溶液をゆっくり加えた。得られた混合物を不活性アルゴン気流中、５０℃で１時間、次に４０℃で２４時間加熱した。重合後、この混合物を２００ｍｌのトルエンで希釈し、水で３回洗った。有機相を分け、２００ｍｌの７．５％アンモニア水溶液と１時間半撹拌し、水で３回洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成物を沈殿させた。これを、メタノール、ヘキサン、およびベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製した。
実施例２．
上記化学式（８）で示されるメタロセン化合物の合成
（１）５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの合成
アルゴン雰囲気下で、３口フラスコ内の、１０ｍｍｏｌの３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した２００ｍｌのジクロロメタン溶液に、４ｍｍｏｌのＮ−ブロモスクシンイミドの小片を１０〜２０分かけて加えた。２時間反応させた後、シリカゲル上でのクロマトグラフィー法により５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェン溶液を分離、濃縮して５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを得た。収率は約５８％であった。
（２）１、１´―ジリチオフェロセンと５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの重合
不活性アルゴン雰囲気中、３００ｍｌの丸底フラスコ内の、９ｍｍｏｌの１、１´―ジリチオフェロセンを溶解した３０ｍｌのクロロホルム溶液に、４ｍｍｏｌの５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した１０ｍｌのクロロホルム溶液をゆっくり加えた。得られた混合物を不活性アルゴン気流中、５０℃で１時間、次に４０℃で２４時間加熱した。重合後、この混合物を２００ｍｌのトルエンで希釈し、水で３回洗った。有機相を分け、２００ｍｌの７．５％アンモニア水溶液と１時間半撹拌し、水で３回洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成物を沈殿させた。これを、メタノール、ヘキサン、およびベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製した。
上記化学式（８）で示されるメタロセン化合物の合成
（１）５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの合成
アルゴン雰囲気下で、３口フラスコ内の、１０ｍｍｏｌの３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した２００ｍｌのジクロロメタン溶液に、４ｍｍｏｌのＮ−ブロモスクシンイミドの小片を１０〜２０分かけて加えた。２時間反応させた後、シリカゲル上でのクロマトグラフィー法により５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェン溶液を分離、濃縮して５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを得た。収率は約５８％であった。
（２）１、１´―ジリチオフェロセンと５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの重合
不活性アルゴン雰囲気中、３００ｍｌの丸底フラスコ内の、９ｍｍｏｌの１、１´―ジリチオフェロセンを溶解した３０ｍｌのクロロホルム溶液に、４ｍｍｏｌの５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した１０ｍｌのクロロホルム溶液をゆっくり加えた。得られた混合物を不活性アルゴン気流中、５０℃で１時間、次に４０℃で２４時間加熱した。重合後、この混合物を２００ｍｌのトルエンで希釈し、水で３回洗った。有機相を分け、２００ｍｌの７．５％アンモニア水溶液と１時間半撹拌し、水で３回洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成物を沈殿させた。これを、メタノール、ヘキサン、およびベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製した。
実施例３．
上記化学式（６）で示されるメタロセン化合物の合成
（１）１、２―ジリチオフェロセンの合成
不活性アルゴン雰囲気中、１０００ｍｌの丸底フラスコ内の、１６０ｍｍｏｌのヨードフェロセンを溶解した１２０ｍｌのベンゼン溶液に、１６０ｍｍｏｌのマーキュリックアセテートを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液を、５分間かけてゆっくり加えた。この溶液を約２２〜約２５℃の室温で２０分間撹拌した後、７２０ｍｍｏｌのカルシウムクロライドを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液にゆっくり加えた。この溶液を２ｌの冷水に注ぎ、沈殿物をフィルターでろ過し、４００ｍｌの冷水で洗浄した。洗浄物を２５０ｍｌのベンゼンに溶解し、アルミナ上でのクロマトグラフィー法により１，２−ジヨードフェロセン溶液を分離した。この溶液を濃縮し１，２−ジヨードフェロセンを得た。得られた１，２−ジヨードフェロセンを１００ｍｌのＴＨＦに溶解したものに、ターシャルブチルリチウム１．６モル／リットルのペンタン溶液８４ｍｌを、約０℃で３０分間かけてゆっくり加えた後、この溶液を濃縮して１、２―ジリチオフェロセンを得た。収率は約６５％であった。
（２）１、２―ジリチオフェロセンと５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの重合
不活性アルゴン雰囲気中、３００ｍｌの丸底フラスコ内の、９ｍｍｏｌの１、２―ジリチオフェロセンを溶解した３０ｍｌのクロロホルム溶液に、３ｍｍｏｌの５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した１０ｍｌのクロロホルム溶液をゆっくり加えた。得られた混合物を不活性アルゴン気流中、５０℃で１時間、次に４０℃で２４時間加熱した。重合後、この混合物を２００ｍｌのトルエンで希釈し、水で３回洗った。有機相を分け、２００ｍｌの７．５％アンモニア水溶液と１時間半撹拌し、水で３回洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成物を沈殿させた。これを、メタノール、ヘキサン、およびベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製した。
上記化学式（６）で示されるメタロセン化合物の合成
（１）１、２―ジリチオフェロセンの合成
不活性アルゴン雰囲気中、１０００ｍｌの丸底フラスコ内の、１６０ｍｍｏｌのヨードフェロセンを溶解した１２０ｍｌのベンゼン溶液に、１６０ｍｍｏｌのマーキュリックアセテートを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液を、５分間かけてゆっくり加えた。この溶液を約２２〜約２５℃の室温で２０分間撹拌した後、７２０ｍｍｏｌのカルシウムクロライドを溶解した８００ｍｌのメタノール溶液にゆっくり加えた。この溶液を２ｌの冷水に注ぎ、沈殿物をフィルターでろ過し、４００ｍｌの冷水で洗浄した。洗浄物を２５０ｍｌのベンゼンに溶解し、アルミナ上でのクロマトグラフィー法により１，２−ジヨードフェロセン溶液を分離した。この溶液を濃縮し１，２−ジヨードフェロセンを得た。得られた１，２−ジヨードフェロセンを１００ｍｌのＴＨＦに溶解したものに、ターシャルブチルリチウム１．６モル／リットルのペンタン溶液８４ｍｌを、約０℃で３０分間かけてゆっくり加えた後、この溶液を濃縮して１、２―ジリチオフェロセンを得た。収率は約６５％であった。
（２）１、２―ジリチオフェロセンと５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンの重合
不活性アルゴン雰囲気中、３００ｍｌの丸底フラスコ内の、９ｍｍｏｌの１、２―ジリチオフェロセンを溶解した３０ｍｌのクロロホルム溶液に、３ｍｍｏｌの５、５´´―ジブロモ―３、３´´―ジメトキシ―２、２´：５´、２´´―ターチオフェンを溶解した１０ｍｌのクロロホルム溶液をゆっくり加えた。得られた混合物を不活性アルゴン気流中、５０℃で１時間、次に４０℃で２４時間加熱した。重合後、この混合物を２００ｍｌのトルエンで希釈し、水で３回洗った。有機相を分け、２００ｍｌの７．５％アンモニア水溶液と１時間半撹拌し、水で３回洗った後、メタノール中に注いで粗ポリチオフェン生成物を沈殿させた。これを、メタノール、ヘキサン、およびベンゼンを用いたソックスレー抽出により精製した。
実施例４．
図１に示す本発明の実施例の色素増感型太陽電池を、以下のようにして製造する。
（１）酸化チタン膜の形成
酸化チタン粒子（アナターゼ型結晶、平均粒径３０ｎｍ、比表面積５０ｍ２／ｇ）｛商品名：ＡＭＴ−６００，テイカ（株）製｝４．０ｇと、ジエチレングリコールモノメチルエーテル２０ｍｌとをガラスビーズを使用し、ペイントシェイカーで６時間分散させて酸化チタン懸濁液を調整する。
ガラスからなる作用電極基材６上に設けたＳｎＯ２からなる透明導電層１１に、上記酸化チタン懸濁液をドクターブレード法を用いて、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の面積に、１０μｍ程度の膜厚で塗布し、１００℃で３０分間予備乾燥した後、４６０℃で４０分間酸素下で焼成することにより、膜厚が８μｍ程度の酸化チタン膜を得る。
図１に示す本発明の実施例の色素増感型太陽電池を、以下のようにして製造する。
（１）酸化チタン膜の形成
酸化チタン粒子（アナターゼ型結晶、平均粒径３０ｎｍ、比表面積５０ｍ２／ｇ）｛商品名：ＡＭＴ−６００，テイカ（株）製｝４．０ｇと、ジエチレングリコールモノメチルエーテル２０ｍｌとをガラスビーズを使用し、ペイントシェイカーで６時間分散させて酸化チタン懸濁液を調整する。
ガラスからなる作用電極基材６上に設けたＳｎＯ２からなる透明導電層１１に、上記酸化チタン懸濁液をドクターブレード法を用いて、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の面積に、１０μｍ程度の膜厚で塗布し、１００℃で３０分間予備乾燥した後、４６０℃で４０分間酸素下で焼成することにより、膜厚が８μｍ程度の酸化チタン膜を得る。
（２）色素層の形成
ルテニウム色素｛商品名：Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ５３５，Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ（株）製｝を、濃度４×１０−４モル／リットルとなるように、無水エタノールに溶解させて吸着用色素溶液を作製する。
この吸着用色素溶液に、上記酸化チタン膜を約４時間浸漬させることにより上記酸化チタン膜に色素を吸着させ、その後無水エタノールで数回洗浄し、約６０℃で約２０分間乾燥させた。
ルテニウム色素｛商品名：Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ５３５，Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ（株）製｝を、濃度４×１０−４モル／リットルとなるように、無水エタノールに溶解させて吸着用色素溶液を作製する。
この吸着用色素溶液に、上記酸化チタン膜を約４時間浸漬させることにより上記酸化チタン膜に色素を吸着させ、その後無水エタノールで数回洗浄し、約６０℃で約２０分間乾燥させた。
（３）正孔輸送層の形成
実施例１で得られたメタロセン化合物を溶解したクロロベンゼン／アセニトリル＝１００／５溶液（濃度１５ｗｔ％）３０μｌを、上記色素を吸着した酸化チタン膜上にスピンコートし（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）、その後対極７となる金を蒸着して本実施例の色素増感型太陽電池を得た。
実施例１で得られたメタロセン化合物を溶解したクロロベンゼン／アセニトリル＝１００／５溶液（濃度１５ｗｔ％）３０μｌを、上記色素を吸着した酸化チタン膜上にスピンコートし（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）、その後対極７となる金を蒸着して本実施例の色素増感型太陽電池を得た。
（４）光電変換効率の測定
５００Ｗのキセノンランプ｛商品名：ＵＸＬ−５００Ｓ，ウシオ（株）製｝の光を分光フィルター｛商品名：ＡＭ１．５，Ｏｒｉｅｌ（株）製｝およびシャープカットフィルター｛商品名：ＫｅｎｋｏＬ−４２，Ｋｅｎｋｏ（株）製｝を通すことにより紫外線を含まない模擬太陽光を発生させる。この光の強度は８６ｍＷ／ｃｍ２である。
上記色素増感型太陽電池の導電性ガラスと対極層にそれぞれ、ワニ口クリップを接続し、上記模擬太陽光を照射して発生した電気を電流電圧測定装置｛商品名：ケースレーＳＭＵ２３８型，クースレーインスツルメンツ（株）製｝にて測定した。
上記のようにして求められた太陽電池の開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流密度（Ｊｓｃ）、形状因子（ｆｆ）、変換効率（η）、２４時間連続照射後の短絡電流密度（Ｊｓｃ’）、および短絡電流密度の低下率（Ｊｓｃに対するＪｓｃ’の低下率）を一括して表１に記載する。
５００Ｗのキセノンランプ｛商品名：ＵＸＬ−５００Ｓ，ウシオ（株）製｝の光を分光フィルター｛商品名：ＡＭ１．５，Ｏｒｉｅｌ（株）製｝およびシャープカットフィルター｛商品名：ＫｅｎｋｏＬ−４２，Ｋｅｎｋｏ（株）製｝を通すことにより紫外線を含まない模擬太陽光を発生させる。この光の強度は８６ｍＷ／ｃｍ２である。
上記色素増感型太陽電池の導電性ガラスと対極層にそれぞれ、ワニ口クリップを接続し、上記模擬太陽光を照射して発生した電気を電流電圧測定装置｛商品名：ケースレーＳＭＵ２３８型，クースレーインスツルメンツ（株）製｝にて測定した。
上記のようにして求められた太陽電池の開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流密度（Ｊｓｃ）、形状因子（ｆｆ）、変換効率（η）、２４時間連続照射後の短絡電流密度（Ｊｓｃ’）、および短絡電流密度の低下率（Ｊｓｃに対するＪｓｃ’の低下率）を一括して表１に記載する。
実施例５．
実施例２で得られたメタロセン化合物を用いて正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本発明の実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例２で得られたメタロセン化合物を用いて正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本発明の実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例６．
実施例３で得られたメタロセン化合物を用いて正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本発明の実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例３で得られたメタロセン化合物を用いて正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本発明の実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例７．
実施例１で得られたメタロセン化合物を溶解したクロロベンゼン／アセニトリル＝１００／５溶液（濃度１５ｗｔ％）に、ヨウ化リチウムとヨウ素を、各々、濃度０．５モル／リットルと濃度０．０５モル／リットルになるように添加した塗布液を調整した。実施例４で得られたと同様の、色素を吸着した酸化チタン膜上に、上記塗布液の３０μｌをスピンコート（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）し、正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例１で得られたメタロセン化合物を溶解したクロロベンゼン／アセニトリル＝１００／５溶液（濃度１５ｗｔ％）に、ヨウ化リチウムとヨウ素を、各々、濃度０．５モル／リットルと濃度０．０５モル／リットルになるように添加した塗布液を調整した。実施例４で得られたと同様の、色素を吸着した酸化チタン膜上に、上記塗布液の３０μｌをスピンコート（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）し、正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例８．
実施例２で得られたメタロセン化合物を溶解したクロロベンゼン／アセニトリル＝１００／５溶液（濃度１５ｗｔ％）に、ヨウ化リチウムとヨウ素を、各々、濃度０．５モル／リットルと濃度０．０５モル／リットルになるように添加した塗布液を調整した。実施例４で得られたと同様の、色素を吸着した酸化チタン膜上に、上記塗布液の３０μｌをスピンコート（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）し、正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
実施例２で得られたメタロセン化合物を溶解したクロロベンゼン／アセニトリル＝１００／５溶液（濃度１５ｗｔ％）に、ヨウ化リチウムとヨウ素を、各々、濃度０．５モル／リットルと濃度０．０５モル／リットルになるように添加した塗布液を調整した。実施例４で得られたと同様の、色素を吸着した酸化チタン膜上に、上記塗布液の３０μｌをスピンコート（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）し、正孔輸送層を形成する他は、実施例４と同様にして本実施例の色素増感型太陽電池を作製して特性を測定し、その結果を表１に示す。
比較例１．
実施例４と同様にして得られた色素を吸着した酸化チタン膜を形成した作用電極と、白金線対極と、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極とを、ピロール５０ミリモル／リットルおよび過塩素酸リチウム０．１モル／リットルのアセトニトリル溶液２０ｍｌを含有する光電気化学セルに浸漬する。
上記作用電極、対極および参照電極をＰＯＴＥＮＴＩＯＳＴＡＴ／ＧＡＬＶＡＮＯＳＡＴＡＴ｛商品名：ＨＡ−５０５，ＨＯＫＵＴＯ ＤＥＮＫＯ（株）製｝に接続し、重合量が１００ｍＣ／ｃｍ２となるまで、５００Ｗのキセノンランプ｛商品名：ＵＸＬ−５００Ｓ，ウシオ（株）製｝の光を分光フィルター｛商品名ＡＭ１．５，Ｏｒｉｅｌ（株）製｝およびシャープカットフィルター｛商品名：Ｌ−４２，Ｋｅｎｋｏ（株）｝を通すことにより生成させた紫外線を含まない模擬太陽光（２２ｍＷ／ｃｍ２）を照射した。
重合後、過塩素酸リチウム０．１モル／リットルのアセトニトリル溶液に浸漬し、−３００ｍＶで脱ドーピングした。この後、乾燥して、金を蒸着して対極を形成し、比較例１の太陽電池を得た。
実施例４と同様にして得られた色素を吸着した酸化チタン膜を形成した作用電極と、白金線対極と、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極とを、ピロール５０ミリモル／リットルおよび過塩素酸リチウム０．１モル／リットルのアセトニトリル溶液２０ｍｌを含有する光電気化学セルに浸漬する。
上記作用電極、対極および参照電極をＰＯＴＥＮＴＩＯＳＴＡＴ／ＧＡＬＶＡＮＯＳＡＴＡＴ｛商品名：ＨＡ−５０５，ＨＯＫＵＴＯ ＤＥＮＫＯ（株）製｝に接続し、重合量が１００ｍＣ／ｃｍ２となるまで、５００Ｗのキセノンランプ｛商品名：ＵＸＬ−５００Ｓ，ウシオ（株）製｝の光を分光フィルター｛商品名ＡＭ１．５，Ｏｒｉｅｌ（株）製｝およびシャープカットフィルター｛商品名：Ｌ−４２，Ｋｅｎｋｏ（株）｝を通すことにより生成させた紫外線を含まない模擬太陽光（２２ｍＷ／ｃｍ２）を照射した。
重合後、過塩素酸リチウム０．１モル／リットルのアセトニトリル溶液に浸漬し、−３００ｍＶで脱ドーピングした。この後、乾燥して、金を蒸着して対極を形成し、比較例１の太陽電池を得た。
表１に示されているように、実施例４〜８は光電変換特性が高く、また経時劣化も少ないことが明らかである。
以上詳述したように、本発明の色素増感型太陽電池は正孔輸送層に、適当な溶媒に可溶であり、π共役系オリゴマー部位とレドクス活性なメタロセン部位から構成されるメタロセン化合物を有機正孔輸送材料として用いるため、製造適性に優れており、また光電変換効率が高く、経時での特性劣化が少ない。
以上詳述したように、本発明の色素増感型太陽電池は正孔輸送層に、適当な溶媒に可溶であり、π共役系オリゴマー部位とレドクス活性なメタロセン部位から構成されるメタロセン化合物を有機正孔輸送材料として用いるため、製造適性に優れており、また光電変換効率が高く、経時での特性劣化が少ない。
２ 色素、３ メタロセン化合物、５ 作用電極、７ 対極、９ 多孔性半導体層、１０ 正孔輸送層。
Claims (6)
- 色素で被覆された多孔性半導体層を有する作用電極と、この作用電極に対向して設けられた対極と、上記作用電極と上記対極の間に配置された正孔輸送層とを備えた色素増感型太陽電池において、上記正孔輸送層が、導電性高分子の少なくとも主鎖骨格にメタロセン部位が導入されてなるメタロセン化合物を含有することを特徴とする色素増感型太陽電池。
- メタロセン化合物が下記化学式（１）〜（３）のいずれかで示されるものであることを特徴とする請求項１に記載の色素増感型太陽電池。
- 化学式（１）〜（３）のいずれかで示されるメタロセン化合物において、Ｍは鉄原子であり、Ｚは硫黄原子であることを特徴とする請求項２に記載の色素増感型太陽電池。
- メタロセン化合物が下記化学式（４）〜（６）いずれかで示されるものであることを特徴とする請求項２に記載の色素増感型太陽電池。
- 多孔性半導体層が酸化チタン微粒子から構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
- 正孔輸送層が、ヨウ素とヨウ素化合物とを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。
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| JP2004170186A JP2005353318A (ja) | 2004-06-08 | 2004-06-08 | 色素増感型太陽電池 |
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| JP (1) | JP2005353318A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007007735A1 (ja) * | 2005-07-12 | 2007-01-18 | Osaka University | 光照射による金属酸化物表面上への有機導電性重合性材料の合成 |
| JP2009520861A (ja) * | 2005-12-23 | 2009-05-28 | コミツサリア タ レネルジー アトミーク | 増感錯体、その製造方法、それを備えた無機／有機ハイブリッド型半導性材料、及び、該材料を備えた太陽電池 |
| CN101853890A (zh) * | 2009-03-30 | 2010-10-06 | Tdk株式会社 | 光电转换元件及其制造方法 |
| JP2013026498A (ja) * | 2011-07-22 | 2013-02-04 | Konica Minolta Business Technologies Inc | 光電変換素子およびそれを含む太陽電池 |
| JP2015146438A (ja) * | 2008-11-19 | 2015-08-13 | 日産化学工業株式会社 | 有機エレクトロルミネッセンス素子用の電子受容性ドーパント |
| JP2018170382A (ja) * | 2017-03-29 | 2018-11-01 | 積水化学工業株式会社 | 太陽電池 |
-
2004
- 2004-06-08 JP JP2004170186A patent/JP2005353318A/ja not_active Withdrawn
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