JP2006093002A - Photoelectric cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric cell with high photoelectric conversion efficiency and excellent durability. <P>SOLUTION: In the photoelectric cell in which a substrate having an electrode layer 1 on its surface and a semiconductor film 2 absorbing a photosensitive material formed on the surface of the electrode layer 1 and a substrate having an electrode layer 3 on its surface are arranged so that the electrode layer 1 and the electrode layer 3 are opposed to each other, and equipped with an electrolyte layer between the semiconductor film 2 and the electrode layer 3, the electrolyte layer contains at least one kind of ion-conduction promoting material selected from titanium oxide nanotube, fibrous titanium oxide, and carbon nanotube, and at least either of the substrates and the electrode layers have transparency. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、新規な光電気セルに関する。さらに詳しくは光電変換効率の高い光電気セルに関する。   The present invention relates to a novel photovoltaic cell. More particularly, the present invention relates to a photoelectric cell having high photoelectric conversion efficiency.

近年、酸化チタンは高いバンドギャップを有することから光触媒、さらには光エネルギーを電気エネルギーに変換する、いわゆる光電変換材料として好適に用いられるようになっている。また、リチウムバッテリーのような2次電池、水素吸蔵材料、プロトン導電材料等にも利用されるようになってきている。   In recent years, since titanium oxide has a high band gap, it has been suitably used as a photocatalyst, and also as a so-called photoelectric conversion material that converts light energy into electric energy. Moreover, it has come to be used also for secondary batteries such as lithium batteries, hydrogen storage materials, proton conductive materials, and the like.

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、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。この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、対電極に移動し、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戻る。このようなエネルギー変換は連続的に行われるため、たとえば、太陽電池などに利用されている。   The photoelectric conversion material is a material that can continuously extract light energy as electric energy, and is a material that converts light energy into electric energy using an electrochemical reaction between electrodes. When this photoelectric conversion material is irradiated with light, electrons are generated on one electrode side, move to the counter electrode, and the electrons moved to the counter electrode move as ions in the electrolyte and return to the one electrode. Since such energy conversion is performed continuously, it is used, for example, for solar cells.

一般的な太陽電池は、先ず透明性導電膜をコートしたガラス板などの支持体上に光電変換材料用半導体の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支持体を備え、これらの電極間に電解質を封入して構成されている。   In general solar cells, first a semiconductor film for photoelectric conversion material is formed on a support such as a glass plate coated with a transparent conductive film as an electrode, and then another transparent conductive film is used as a counter electrode. A support such as a coated glass plate is provided, and an electrolyte is sealed between these electrodes.

光電変換材料用半導体に吸着した光増感材に太陽光を照射すると、光増感材は可視領域の光を吸収し、光増感材中の電子が励起され、励起された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し、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光増感材は、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連続的に流れることから光電変換材料用半導体を用いた太陽電池として機能する。   When the photosensitizer adsorbed on the semiconductor for photoelectric conversion material is irradiated with sunlight, the photosensitizer absorbs light in the visible region, the electrons in the photosensitizer are excited, and the excited electrons are applied to the semiconductor. The electrons then move to the counter electrode through the transparent conductive glass electrode, and the electrons transferred to the counter electrode reduce the redox system in the electrolyte. On the other hand, the photosensitizer that has moved electrons to the semiconductor is in an oxidant state, but this oxidant is reduced by the redox system in the electrolyte and returns to its original state. Thus, since electrons flow continuously, it functions as a solar cell using a semiconductor for photoelectric conversion materials.

このような光電変換材料としては、半導体膜表面に可視光領域に吸収を持つ光増感色素を吸着させたものが用いられている。たとえば、特開平1−220380号公報(特許文献1)には、金属酸化物半導体の表面に、遷移金属錯体などの発色剤層を有する太陽電池を記載している。また、特表平5−504023号公報(特許文献2)には、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光増感色素層を有する太陽電池が開示されている。   As such a photoelectric conversion material, a material in which a photosensitizing dye having absorption in a visible light region is adsorbed on the surface of a semiconductor film is used. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380 (Patent Document 1) describes a solar cell having a color former layer such as a transition metal complex on the surface of a metal oxide semiconductor. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-504023 (Patent Document 2) discloses a solar cell having a photosensitizing dye layer such as a transition metal complex on the surface of a titanium oxide semiconductor layer doped with metal ions. .

また、本願出願人は、さらに、光電変換効率が向上した光電気セルとして、特開平11−339867号公報(特許文献3)に特定範囲の細孔容積の金属産物半導体膜を用いたもの、特開2000−77691号公報(特許文献4)、特開2001−155791号公報(特許文献5)にコアセル構造を有する金属酸化物粒子を用いたものを提案している。また、特開2002−319439号公報(特許文献6)にて金属酸化物半導体膜に多孔質金属酸化物半導体膜と非孔質金属酸化物半導体膜を併用することを提案している。さらに、特開2003−168495号公報(特許文献7)に、アルカリ含有量が少なく、アナタース結晶性の高い管状酸化チタン(酸化チタンナノチューブ)を使用した半導体膜を用いると、光電変換効率の高い光電気セルが得られることを提案している。
特開平1−220380号公報 特表平5−504023号公報 特開平11−339867号公報 特開2000−77691号公報 特開2001−155791号公報 特開2002−319439号公報 特開2003−168495号公報
Further, the applicant of the present application further uses a metal product semiconductor film having a pore volume in a specific range as disclosed in JP-A-11-339867 (Patent Document 3) as a photoelectric cell with improved photoelectric conversion efficiency. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-77691 (Patent Document 4) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-155791 (Patent Document 5) propose using metal oxide particles having a core cell structure. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-319439 (Patent Document 6) proposes to use a metal oxide semiconductor film in combination with a porous metal oxide semiconductor film and a nonporous metal oxide semiconductor film. Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-168495 (Patent Document 7), when a semiconductor film using tubular titanium oxide (titanium oxide nanotubes) with low alkali content and high anatase crystallinity is used, light with high photoelectric conversion efficiency is used. It proposes that an electric cell can be obtained.
Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380 Japanese National Patent Publication No. 5-504023 JP 11-339867 A JP 2000-77691 A JP 2001-155791 A JP 2002-319439 A JP 2003-168495 A

特許文献1および2に記載された太陽電池では、光を吸収して励起した光増感色素層からチタニア膜へ電子の移動が迅速に行われることが光変換効率向上に重要であり、迅速に電子移動が行われないと再度ルテニウム錯体と電子の再結合が起こり、光変換効率が低下する問題がある。   In the solar cells described in Patent Documents 1 and 2, it is important for improving the light conversion efficiency that electrons are rapidly transferred from the photosensitizing dye layer excited by absorbing light to the titania film. If the electron transfer is not performed, the recombination of the ruthenium complex and the electrons occurs again, resulting in a problem that the light conversion efficiency is lowered.

また、昨今、省スペース化、小型化などの趨勢により、さらに光電変換効率の高いものが要求され、特許文献3〜7の光電気セルが提案されていたが、さらに高い効率を有するものの出現が望まれていた。   In recent years, due to the trend of space saving and miniaturization, a higher photoelectric conversion efficiency is required, and the photoelectric cells of Patent Documents 3 to 7 have been proposed. It was desired.

また、太陽電池に可撓性を持たせることが望まれており、基板にプラスチックを用いた太陽電池の開発、およびこの場合の液体電解質の長期使用時における漏出およびこれに伴う性能の低下の問題などがあり、この解決も求められている。   In addition, it is desired to make the solar cell flexible, and the development of the solar cell using plastic as the substrate, and the problem of leakage during the long-term use of the liquid electrolyte in this case and the resulting performance degradation. There is also a need for this solution.

このような状況のもと、本発明者らは、さらに鋭意研究を重ねた結果、電解質層に酸化チタンナノチューブ等の粒子からなるイオン伝導促進材を配合すると、(これらの表面または管内を通ってプロトンが伝導されるため、プロトン伝導性が高まり、プロトン移動におけるロスが少なくなるので、電解質の配向性が向上し、このため電解質層のイオン伝導性が向上し、かつ、暗電流の発生が抑制され、その結果、光電変換効率が高まることを見出した。また、イオン伝導促進材を配合することで、電解質の粘度が高くなってゲル化し、このような電解質を用いると電解質の漏出がなくなり、耐久性に優れた光電気セルを提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。
(1)すなわち、本発明に係る光電気セルは、
表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に光増感材を吸着した半導体膜(2)が形成されてなる基板と、
表面に電極層(3)を有する基板とが、
前記電極層(1)および電極層(3)が対向するように配置してなり、
半導体膜(2)と電極層(3)との間に電解質層を設けてなる光電気セルにおいて、
電解質層が酸化チタンナノチューブ、繊維状酸化チタン、カーボンナノチューブから選ばれる少なくとも1種のイオン伝導促進材を含んでなり、
少なくとも一方の基板および電極層が透明性を有している。
(2)電解質層中の前記イオン伝導促進材の含有量が、5〜40重量%の範囲にある。
(3)前記イオン伝導促進材の表面にフラーレンおよび/または水酸化フラーレンが担持されている。
(4)前記電解質層の粘度が1000cp以上である。
Under these circumstances, the present inventors have conducted further extensive research, and as a result, when an ion conduction promoting material composed of particles such as titanium oxide nanotubes is blended in the electrolyte layer (through these surfaces or through the tube). Proton conduction increases proton conductivity and reduces loss in proton transfer, improving electrolyte orientation, thereby improving ionic conductivity of the electrolyte layer and suppressing dark current generation As a result, it has been found that the photoelectric conversion efficiency is increased, and by adding an ion conduction promoter, the viscosity of the electrolyte is increased and gelled, and when such an electrolyte is used, there is no leakage of the electrolyte, The inventors have found that a photoelectric cell having excellent durability can be provided, and have completed the present invention.
(1) That is, the photoelectric cell according to the present invention is
A substrate having an electrode layer (1) on the surface and a semiconductor film (2) having a photosensitizer adsorbed on the surface of the electrode layer (1);
A substrate having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layer (1) and the electrode layer (3) are arranged so as to face each other,
In the photoelectric cell in which the electrolyte layer is provided between the semiconductor film (2) and the electrode layer (3),
The electrolyte layer comprises at least one ion conduction promoting material selected from titanium oxide nanotubes, fibrous titanium oxides, and carbon nanotubes;
At least one of the substrates and the electrode layer has transparency.
(2) The content of the ion conduction promoter in the electrolyte layer is in the range of 5 to 40% by weight.
(3) Fullerene and / or fullerene hydroxide is supported on the surface of the ion conduction promoting material.
(4) The electrolyte layer has a viscosity of 1000 cp or more.

本発明によれば、電解質層にイオン伝導促進材を含んでいるために電解質の配向性が向上し、このため電解質層のイオン伝導性が向上し、かつ、暗電流が防止できるために光電変換効率が高く、さらに液体電解質を用いた場合は電解質が固体化(ゲル状化)し、電解質の漏出がなく耐久性に優れた光電気セルが得られる。   According to the present invention, since the electrolyte layer contains an ion conduction promoting agent, the orientation of the electrolyte is improved. Therefore, the ionic conductivity of the electrolyte layer is improved and the dark current can be prevented. When the liquid electrolyte is used, the efficiency is high, and the electrolyte is solidified (gelled), so that there is no leakage of the electrolyte and a photoelectric cell with excellent durability can be obtained.

以下、本発明に係る光電気セルについて具体的に説明する。
[光電気セル]
本発明に係る光電気セルは、表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に光増感材を吸着した半導体膜(2)が形成されてなる基板と、
表面に電極層(3)を有する基板とが、
前記電極層(1)および電極層(3)が対向するように配置してなり、
半導体膜(2)と電極層(3)との間に電解質層を設けてなる光電気セルにおいて、
電解質層が酸化チタンナノチューブ、繊維状酸化チタン、カーボンナノチューブから選ばれる少なくとも1種のイオン伝導促進材を含んでなり、
少なくとも一方の基板および電極層が透明性を有している。
The photoelectric cell according to the present invention will be specifically described below.
[Photoelectric cell]
The photoelectric cell according to the present invention comprises a substrate having an electrode layer (1) on the surface and a semiconductor film (2) adsorbing a photosensitizer on the surface of the electrode layer (1);
A substrate having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layer (1) and the electrode layer (3) are arranged so as to face each other,
In the photoelectric cell in which the electrolyte layer is provided between the semiconductor film (2) and the electrode layer (3),
The electrolyte layer comprises at least one ion conduction promoting material selected from titanium oxide nanotubes, fibrous titanium oxides, and carbon nanotubes;
At least one of the substrates and the electrode layer has transparency.

このような光電気セルとして、たとえば、図1に示すものが挙げられる。
図1は、本発明に係る光電気セルの一実施例を示す概略断面図であり、透明基板5表面に透明電極層1を有し、かつ該透明電極層1表面に光増感材を吸着した半導体膜2が形成されてなる基板と、基板6表面に還元触媒能を有する電極層3を有する基板とが、前記電極層1および3が対向するように配置され、さらに半導体膜2と電極層3との間に電解質4が封入されている。
An example of such a photoelectric cell is shown in FIG.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the photoelectric cell according to the present invention, which has a transparent electrode layer 1 on the surface of a transparent substrate 5 and adsorbs a photosensitizer on the surface of the transparent electrode layer 1. The substrate on which the semiconductor film 2 is formed and the substrate having the electrode layer 3 having reduction catalytic ability on the surface of the substrate 6 are arranged so that the electrode layers 1 and 3 face each other, and further the semiconductor film 2 and the electrode An electrolyte 4 is enclosed between the layer 3.

本発明で使用される基板5および6としては、硬質のものであっても、また可撓性を有するものであってもよい。
透明基板5
透明基板5としてはガラス基板、PET等の有機ポリマー基板等の透明でかつ絶縁性を有する基板を用いることができる。
The substrates 5 and 6 used in the present invention may be hard or flexible.
Transparent substrate 5
As the transparent substrate 5, a transparent and insulating substrate such as a glass substrate or an organic polymer substrate such as PET can be used.

基板6
また、基板6としては使用に耐える強度を有していれば特に制限はなく、ガラス基板、PET等の有機ポリマー基板等の絶縁性基板の他に金属チタン、金属アルミ、金属銅、金属ニッケルなどの導電性基板を使用することができる。
Board 6
In addition, the substrate 6 is not particularly limited as long as it has enough strength to be used, and in addition to an insulating substrate such as a glass substrate or an organic polymer substrate such as PET, metal titanium, metal aluminum, metal copper, metal nickel, etc. The conductive substrate can be used.

透明電極層1
透明基板5表面に形成された透明電極層1としては、酸化錫、Sb、FまたはPがドーピングされた酸化錫、Snおよび/またはFがドーピングされた酸化インジウム、酸化アンチモン、酸化亜鉛、貴金属等の従来公知の電極を使用することができる。このような透明電極層1は、熱分解法、CVD法等の従来公知の方法により形成することができる。
Transparent electrode layer 1
The transparent electrode layer 1 formed on the surface of the transparent substrate 5 includes tin oxide, tin oxide doped with Sb, F or P, indium oxide doped with Sn and / or F, antimony oxide, zinc oxide, noble metal, etc. Conventionally known electrodes can be used. Such a transparent electrode layer 1 can be formed by a conventionally known method such as a thermal decomposition method or a CVD method.

電極層3
また、基板6表面に形成された電極層3としては、白金、ロジウム、ルテニウム金属、ルテニウム酸化物等の電極材料、酸化錫、Sb、FまたはPがドーピングされた酸化錫、Snおよび/またはFがドーピングされた酸化インジウム、酸化アンチモンなどの導電性材料の表面に前記電極材料をメッキあるいは蒸着した電極、カーボン電極など従来公知の電極を用いることができる。
Electrode layer 3
The electrode layer 3 formed on the surface of the substrate 6 includes electrode materials such as platinum, rhodium, ruthenium metal, ruthenium oxide, tin oxide doped with tin oxide, Sb, F or P, Sn and / or F. Conventionally known electrodes such as an electrode obtained by plating or vapor-depositing the electrode material on the surface of a conductive material such as indium oxide or antimony oxide doped with carbon, or a carbon electrode can be used.

このような電極層3は、基板6上に前記電極を直接コーティング、メッキあるいは蒸着させて、導電性材料を熱分解法、CVD法等の従来公知の方法により導電層を形成した後、該導電層上に前記電極材料をメッキあるいは蒸着するなど従来公知の方法により形成することができる。   Such an electrode layer 3 is formed by directly coating, plating, or vapor-depositing the electrode on the substrate 6 and forming a conductive layer from a conductive material by a conventionally known method such as a thermal decomposition method or a CVD method. The electrode material can be formed on the layer by a conventionally known method such as plating or vapor deposition.

これらの電極層は通常還元触媒能を有している。還元触媒能により、例えば、I3 -が3I-と還元される
なお、基板6は、透明基板5と同様に透明なものであってもよく、また電極層3は、透
明電極層1と同様に透明電極であってもよい。
These electrode layers usually have a reduction catalytic ability. For example, I 3 is reduced to 3I by the reduction catalytic ability. The substrate 6 may be transparent like the transparent substrate 5, and the electrode layer 3 is the same as the transparent electrode layer 1. Alternatively, a transparent electrode may be used.

このような透明基板5と透明電極層1の可視光透過率は高い方が好ましく、具体的には50%以上、特に好ましくは90%以上であることが望ましい。可視光透過率が50%未満の場合は光電変換効率が低くなることがある。   It is preferable that the visible light transmittance of the transparent substrate 5 and the transparent electrode layer 1 is higher, specifically 50% or more, particularly preferably 90% or more. When the visible light transmittance is less than 50%, the photoelectric conversion efficiency may be lowered.

これら透明電極層1および電極層3の抵抗値は、各々100Ω/cm2以下であること
が好ましい。電極層の抵抗値が100Ω/cm2を超えて高くなると光電変換効率が低く
なることがある。
The resistance values of the transparent electrode layer 1 and the electrode layer 3 are each preferably 100 Ω / cm 2 or less. When the resistance value of the electrode layer exceeds 100 Ω / cm 2 , the photoelectric conversion efficiency may be lowered.

半導体膜2
半導体膜2は、前記透明基板5上に形成された透明電極層1上に形成されている。なお半導体膜2は、基板6上に形成された電極層3上に形成されていてもよい。
Semiconductor film 2
The semiconductor film 2 is formed on the transparent electrode layer 1 formed on the transparent substrate 5. The semiconductor film 2 may be formed on the electrode layer 3 formed on the substrate 6.

この半導体膜2の膜厚は、0.1〜50μm、さらには2〜20μmの範囲にあることが好ましい。
また、半導体膜2の細孔容積は、0.05〜0.8ml/g、平均細孔径が2〜250nmの範囲にあることが好ましい。この範囲にあれば、後述する分光増感色素の吸着量を多くすることが可能であるとともに、膜内の電子移動性がスムーズとなり光電変換効率を高めることが可能となる。
The thickness of the semiconductor film 2 is preferably in the range of 0.1 to 50 μm, more preferably 2 to 20 μm.
Moreover, it is preferable that the pore volume of the semiconductor film 2 is in the range of 0.05 to 0.8 ml / g and the average pore diameter is in the range of 2 to 250 nm. Within this range, it is possible to increase the adsorption amount of a spectral sensitizing dye, which will be described later, and to smooth the electron mobility in the film and to increase the photoelectric conversion efficiency.

細孔容積が前記下限より小さい場合は分光増感色素吸着量が低く、前記上限を超えて高い場合は膜内の電子移動性が低下し光電変換効率が低下することがあるので好ましくない。   When the pore volume is smaller than the lower limit, the spectral sensitizing dye adsorption amount is low. When the pore volume is higher than the upper limit, the electron mobility in the film is lowered and the photoelectric conversion efficiency may be lowered.

また平均細孔径が前記下限より小さい場合は分光増感色素の吸着量が低下し、前記上限を超えて高い場合は電子移動性が低下し光電変換効率が低下することがあるので好ましくない。   On the other hand, when the average pore diameter is smaller than the lower limit, the adsorption amount of the spectral sensitizing dye is decreased, and when the average pore diameter is higher than the upper limit, the electron mobility may be decreased and the photoelectric conversion efficiency may be decreased.

半導体膜2は、酸化チタンから構成される。好適には、バインダーとして作用するペルオキソチタン酸に由来する酸化チタンバインダーと、酸化チタン粒子から構成され、膜内では酸化チタン粒子が緻密に並んでいるとともに、バインダーが各粒子の隙間を埋めている。   The semiconductor film 2 is composed of titanium oxide. Preferably, it is composed of a titanium oxide binder derived from peroxotitanic acid acting as a binder and titanium oxide particles, and the titanium oxide particles are densely arranged in the film, and the binder fills the gaps between the particles. .

(i)酸化チタン粒子
酸化チタン粒子は他の金属酸化物粒子に比較して分光増感色素の吸着量が高く且つ半導体膜内の電子移動性が高く、さらに安定性、安全性、膜形成が容易である等の優れた特性がある。酸化チタン粒子としては、アナタース型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタン、ルチル型酸化チタン等の結晶性酸化チタンが好ましく、なかでもアナタース型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタンはバンドギャップが高く光電変換効率の高い光電気セルを得ることができる。
(i) Titanium oxide particles Titanium oxide particles have higher spectral sensitizing dye adsorption and higher electron mobility in the semiconductor film than other metal oxide particles, and are more stable, safe, and film-forming. Excellent characteristics such as being easy. As the titanium oxide particles, crystalline titanium oxides such as anatase-type titanium oxide, brookite-type titanium oxide, and rutile-type titanium oxide are preferable. Among them, anatase-type titanium oxide and brookite-type titanium oxide have a high band gap and high photoelectric conversion efficiency. A photoelectric cell can be obtained.

前記アナタース型酸化チタン粒子、ブルッカイト型酸化チタン粒子としては従来公知の方法により得られるものを使用することができるが、酸化チタンがペルオキソチタン酸に由来する酸化チタン粒子が好ましい。   As the anatase-type titanium oxide particles and brookite-type titanium oxide particles, those obtained by a conventionally known method can be used, and titanium oxide particles derived from peroxotitanic acid are preferred.

具体的には以下の製造方法で得られた酸化チタン粒子が好適である。先ず、チタン化合物の水溶液、または水和酸化チタンのゾルまたはゲルに過酸化水素を加えて加熱してペルオキソチタン酸を調製する。本発明でペルオキソチタン酸とは過酸化水和チタンをいい、可視光領域に吸収を持っている。   Specifically, titanium oxide particles obtained by the following production method are suitable. First, hydrogen peroxide is added to a titanium compound aqueous solution, or a hydrated titanium oxide sol or gel, and heated to prepare peroxotitanic acid. In the present invention, peroxotitanic acid refers to titanium peroxide hydrated titanium and has absorption in the visible light region.

水和酸化チタンのゾルまたはゲルは、ハロゲン化チタン、硫酸チタニル等のチタン塩、テトラアルコキシチタン等のチタンアルコキシド、水素化チタン等のチタン化合物の水溶液に酸またはアルカリを加えて加水分解し、必要に応じて洗浄しあるいは洗浄して加熱熟成することによって得られる。   Hydrated titanium oxide sol or gel is hydrolyzed by adding acid or alkali to titanium salt such as titanium halide, titanyl sulfate, titanium alkoxide such as tetraalkoxy titanium, titanium compound such as titanium hydride, etc. Depending on the condition, it is obtained by washing or washing and aging by heating.

次いで、ペルオキソチタン酸にアルカリ、好ましくはアンモニアおよび/またはアミンを添加してアルカリ性にした後、80〜350℃の温度範囲で加熱熟成することによって酸化チタンコロイド粒子を得る。必要に応じて得られた酸化チタンコロイド粒子を種粒子としてペルオキソチタン酸に添加した後、前記工程を繰り返すことも可能である。このようにして得られる酸化チタンコロイド粒子はX線解折により結晶性の高いアナターゼ型チタンである。また、ブルッカイト型酸化チタンは、特開2000−335919号公報に記載されているように、チタン酸のゾルまたはゲルを調製したのち、過酸化水素を加えて解膠したのち、チタン以外の陽イオンおよび/または陰イオンを脱イオン処理してイオン濃度が1000ppm以下のペルオキソチタン酸溶液を調製し、ペルオキソチタン酸溶液に
有機塩基および/またはアンモニアを添加して、pHを8〜14の範囲に維持しながら120℃〜350℃の温度範囲で水熱処理することによって調製することができる。
Next, alkali, preferably ammonia and / or amine is added to peroxotitanic acid to make it alkaline, and then titanium oxide colloidal particles are obtained by heating and aging at a temperature range of 80 to 350 ° C. The titanium oxide colloidal particles obtained as necessary may be added as seed particles to peroxotitanic acid, and then the above steps may be repeated. The titanium oxide colloidal particles thus obtained are anatase-type titanium having high crystallinity by X-ray diffraction. In addition, as described in JP-A No. 2000-335919, brookite-type titanium oxide is prepared by preparing a sol or gel of titanic acid, peptizing by adding hydrogen peroxide, and then cations other than titanium. A peroxotitanic acid solution having an ion concentration of 1000 ppm or less is prepared by deionizing anions and / or anions, and an organic base and / or ammonia is added to the peroxotitanic acid solution to maintain the pH in the range of 8-14. However, it can be prepared by hydrothermal treatment in a temperature range of 120 ° C to 350 ° C.

このような、結晶性酸化チタンの結晶子径は5〜50nm、さらには7〜30nmの範囲にあることが好ましい。
例えば、アナタース型酸化チタン粒子の結晶子径は、X線解折により(1.0.1)面のピークの半値幅を測定しDebye-Scherrerの式により計算によって求めることができる。アナタース型酸化チタン粒子の結晶子径が5nm未満の場合は粒子内の電子移動性が低下し、50nmを超えて大きい場合は分光増感色素の吸着量が低下し、光電変換効率が低下する。
The crystallite diameter of such crystalline titanium oxide is preferably in the range of 5 to 50 nm, more preferably 7 to 30 nm.
For example, the crystallite size of anatase-type titanium oxide particles can be determined by measuring the half width of the peak of the (1.0.1) plane by X-ray diffraction and calculating by the Debye-Scherrer equation. When the crystallite size of the anatase-type titanium oxide particles is less than 5 nm, the electron mobility in the particles decreases, and when it exceeds 50 nm, the adsorption amount of the spectral sensitizing dye decreases and the photoelectric conversion efficiency decreases.

また、酸化チタン粒子の粒子径はレーザードップラー式粒子径測定機(日機装(株)製:マイクロトラック)によって測定することができ、平均粒子径は5〜600nm、さらには10〜500nmの範囲にあることが好ましい。この範囲であれば、少ない回数で所望の膜厚を有する半導体膜を形成可能であり、しかも、得られた半導体膜にはクラックの発生がなく、しかも細孔径、細孔容積が高いものが得られる。   Moreover, the particle diameter of the titanium oxide particles can be measured by a laser Doppler type particle diameter measuring machine (manufactured by Nikkiso Co., Ltd .: Microtrac), and the average particle diameter is in the range of 5 to 600 nm, further 10 to 500 nm. It is preferable. Within this range, a semiconductor film having a desired film thickness can be formed with a small number of times, and the obtained semiconductor film is free from cracks and has a high pore diameter and pore volume. It is done.

平均粒子径が前記下限未満では、形成された半導体膜にクラックが発生しやすく、少ない回数で後述する膜厚を有するクラックのない厚膜を形成することが困難であり、さらに半導体膜の細孔径、細孔容積が低下し分光増感色素の吸着量が低下することがある。また平均粒子径が、前記上限を超えて大きい場合は半導体膜の強度が不充分となることがある。   If the average particle diameter is less than the lower limit, cracks are likely to occur in the formed semiconductor film, and it is difficult to form a crack-free thick film having a film thickness described later with a small number of times, and the pore diameter of the semiconductor film In some cases, the pore volume decreases and the amount of spectral sensitizing dye adsorbed decreases. Further, when the average particle size is larger than the upper limit, the strength of the semiconductor film may be insufficient.

(ii)バインダー(ペルオキソチタン酸)
酸化チタンバインダーとしては、アナタース型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタンのいずれであってもよい。
(ii) Binder (peroxotitanic acid)
The titanium oxide binder may be any of anatase type titanium oxide, brookite type titanium oxide, rutile type titanium oxide, and amorphous titanium oxide.

このような酸化チタンバインダー成分としては、酸化チタンゾルおよび/またはゾル・ゲル法などで得られたオルソチタン酸のゲルまたはゾルに過酸化水素を加えて含水チタン酸を溶解したペルオキソチタン酸から誘導された酸化チタンが挙げられる。(半導体膜形成時にペルオキソチタン酸は分解して、酸化チタンとなっている)
このようなバインダー成分を含んでいると電極との密着性が向上し、得られる半導体膜の強度が向上し、かつ、酸化チタン粒子の表面に光増感材の吸着層を形成することができ、さらに酸化チタン粒子同士の接触面積が増加し、電子移動性を向上させることが可能となり、光電変換効率の高い光電気セルを得ることができる。
Such a titanium oxide binder component is derived from peroxotitanic acid obtained by adding hydrogen peroxide to a gel or sol of orthotitanic acid obtained by a titanium oxide sol and / or sol-gel method to dissolve hydrous titanic acid. And titanium oxide. (Peroxotitanic acid is decomposed into titanium oxide during semiconductor film formation)
When such a binder component is contained, the adhesion with the electrode is improved, the strength of the resulting semiconductor film is improved, and an adsorption layer of a photosensitizer can be formed on the surface of the titanium oxide particles. Furthermore, the contact area between the titanium oxide particles is increased, the electron mobility can be improved, and a photoelectric cell with high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

半導体膜2中の酸化チタンバインダー成分と酸化チタン粒子との比率は、酸化物換算重量比(酸化チタンバインダー成分/酸化チタン粒子)で0.03〜0.50、好ましくは0.1〜0.3の範囲にあることが望ましい。この範囲にあると、充分に光増感剤を吸着しうる多孔質な半導体膜を形成できる。なお、重量比が少ない(すなわちバインダーが少ない)と、光増感材の吸着量が不充分となり、基材との密着性、半導体膜の強度等が不充分となることがある。また、重量比が0.50を超えて高い場合、バインダーが多すぎて、多
孔質な半導体膜が得られないことがあり、さらに光増感材吸着量が増加しないことがある。
The ratio of the titanium oxide binder component to the titanium oxide particles in the semiconductor film 2 is 0.03 to 0.50, preferably 0.1 to 0.00 in terms of weight ratio in terms of oxide (titanium oxide binder component / titanium oxide particles). It is desirable to be in the range of 3. Within this range, a porous semiconductor film capable of sufficiently adsorbing the photosensitizer can be formed. If the weight ratio is small (that is, the binder is small), the amount of adsorption of the photosensitizer becomes insufficient, and the adhesion to the substrate, the strength of the semiconductor film, etc. may be insufficient. On the other hand, when the weight ratio is higher than 0.50, there are too many binders, a porous semiconductor film may not be obtained, and the photosensitizer adsorption amount may not increase.

半導体膜2は、細孔容積が0.1〜0.8ml/g、好適には0.2〜0.8ml/g、平均細
孔径が2〜250nm、好適には5〜100nmの範囲にあることが望ましい。このような細孔容積および平均細孔径であれば、光増感材吸着量が高く、また膜内の電子移動性も高い状態を保つことができ、光電変換効率が高い光電気セルが得られる。
The semiconductor film 2 has a pore volume of 0.1 to 0.8 ml / g, preferably 0.2 to 0.8 ml / g, and an average pore diameter of 2 to 250 nm, preferably 5 to 100 nm. It is desirable. With such pore volume and average pore diameter, the photosensitizer adsorbed amount is high, the electron mobility in the film can be kept high, and a photoelectric cell with high photoelectric conversion efficiency can be obtained. .

細孔容積が小さい場合は光増感材の吸着量が低くなり、また高い場合には膜内の電子移動性が低下して光電変換効率を低下させることがある。また平均細孔径が小さい場合にも光増感材の吸着量が低下し、高い場合には膜内での電子移動性が低下し光電変換効率が低下することがある。   When the pore volume is small, the adsorption amount of the photosensitizer is low. When the pore volume is high, the electron mobility in the film is lowered, and the photoelectric conversion efficiency may be lowered. Also, when the average pore diameter is small, the amount of adsorption of the photosensitizer decreases, and when it is high, the electron mobility in the film may decrease and the photoelectric conversion efficiency may decrease.

このような半導体膜2は、たとえば、酸化チタンバインダー成分の前駆体としてのペルオキソチタン酸と酸化チタン粒子分散ゾルと分散媒とからなる光電気セル用半導体膜形成用塗布液を、電極上に塗布・乾燥して形成することができる。なお、ペルオキソチタン酸は、チタン化合物の水溶液、または水和酸化チタンのゾルまたはゲルに過酸化水素を加え、加熱することによって調製される。   Such a semiconductor film 2 is formed, for example, by applying a coating liquid for forming a semiconductor film for a photoelectric cell comprising peroxotitanic acid as a precursor of a titanium oxide binder component, a titanium oxide particle-dispersed sol, and a dispersion medium onto an electrode. -It can be formed by drying. Peroxotitanic acid is prepared by adding hydrogen peroxide to a titanium compound aqueous solution, or a hydrated titanium oxide sol or gel, followed by heating.

分散媒としては、ペルオキソチタン酸および酸化チタン粒子が分散でき、かつ乾燥した際に除去できるものであれば特に制限はなく使用することができるが、特にアルコール類が好ましい。塗布液には、必要に応じて、均一な膜を形成するため、酸化チタン粒子を緻密に充填させ、さらに電極との密着性を高めるためにさらに、膜形成助剤が含まれていてもよい。膜形成助剤としてはポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール等が挙げられる。   Any dispersion medium can be used as long as it can disperse peroxotitanic acid and titanium oxide particles and can be removed when dried. Alcohols are particularly preferred. In order to form a uniform film, the coating solution may further contain a film forming aid in order to densely fill the titanium oxide particles and further improve the adhesion to the electrode. . Examples of the film forming aid include polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, hydroxypropyl cellulose, polyacrylic acid, and polyvinyl alcohol.

塗布液の塗布方法としては、ディッピング法、スピナー法、スプレー法、ロールコーター法、フレキソ印刷、スクリーン印刷など従来公知の方法で塗布することができる。乾燥温度は分散媒を除去できる温度であればよい。必要に応じて、塗膜に紫外線を照射して、硬化させてもよい。紫外線の照射によって、ペルオキソチタン酸が分解して酸化チタンとなり、硬化する。紫外線照射して塗膜を硬化させた後に、さらに必要に応じて、O2、N2、H2、ネオン、アルゴン、クリプトンなど周期律表第0族の不活性ガスから選択される
少なくとも1種のガスのイオンを照射し、アニーリングしてもよい。ガスのイオンの照射によって、酸化チタン膜内にこれらのイオンが残留することがなく、チタニア粒子表面に欠陥が多く生成し、アニーリング後の酸化チタンの結晶性が向上するとともに粒子同士の接合が促進され、このため光増感材との結合力が高まるとともに吸着量が増加し、さらに粒子の接合の促進により電子移動性が向上することによって光電変換効率が向上することができる。
As a coating method of the coating solution, it can be applied by a conventionally known method such as a dipping method, a spinner method, a spray method, a roll coater method, flexographic printing, and screen printing. The drying temperature may be any temperature that can remove the dispersion medium. If necessary, the coating film may be irradiated with ultraviolet rays to be cured. By irradiation with ultraviolet rays, peroxotitanic acid is decomposed into titanium oxide and cured. After curing the coating film by irradiating with ultraviolet rays, if necessary, at least one selected from inert gases belonging to Group 0 of the periodic table, such as O 2 , N 2 , H 2 , neon, argon, krypton Annealing may be performed by irradiating ions of the gas. By irradiation with gas ions, these ions do not remain in the titanium oxide film, and many defects are formed on the surface of the titania particles, improving the crystallinity of the titanium oxide after annealing and promoting the bonding between the particles. For this reason, the bonding force with the photosensitizer increases, the amount of adsorption increases, and the electron mobility is improved by promoting the bonding of the particles, whereby the photoelectric conversion efficiency can be improved.

こうして得られた半導体膜の膜厚は、0.1〜50μmの範囲にあることが好ましい。
以上のような半導体膜2は光増感材を吸着している。
光増感材
光増感材としては、可視光領域および/または赤外光領域の光を吸収して励起するもの
であれば特に制限はなく、たとえば有機色素、金属錯体などを用いることができる。
The film thickness of the semiconductor film thus obtained is preferably in the range of 0.1 to 50 μm.
The semiconductor film 2 as described above adsorbs the photosensitizer.
The photosensitizer is not particularly limited as long as it absorbs and excites light in the visible light region and / or infrared light region. For example, an organic dye, a metal complex, or the like can be used. .

有機色素としては、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等の官能基を有する従来公知の有機色素が使用できる。具体的には、キサンテン、クマリン、アクリジン、テトラフェニルメタン、キノン、エオシンY、ジブロモフルオレセイン、フルオレセイン、フルオレシン、メタルフリーフタロシアニン、シアニン系色素、メタロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素およびウラニン、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等のキサンテン系色素等が挙げられる。これらの有機色素は半導体膜への吸着速度が早いという特性を有している。   As the organic dye, a conventionally known organic dye having a functional group such as a carboxyl group, a hydroxyalkyl group, a hydroxyl group, a sulfone group, or a carboxyalkyl group in the molecule can be used. Specifically, xanthene, coumarin, acridine, tetraphenylmethane, quinone, eosin Y, dibromofluorescein, fluorescein, fluorescein, metal-free phthalocyanine, cyanine dyes, metarocyanine dyes, triphenylmethane dyes and uranin, eosin, Examples thereof include xanthene dyes such as rose bengal, rhodamine B, and dibromofluorescein. These organic dyes have a characteristic that the adsorption rate to the semiconductor film is fast.

また、金属錯体としては、特開平1-220380号公報、特表平5-504023号公報などに記載された銅フタロシアニン、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、ルテニウム-トリス(2,2'-ビスピリジル-4,4'-ジカルボキシラート)、シス-(SCN-)-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシレート)ルテニウム、ルテニウム-シ
ス-ジアクア-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラート)などのルテニウム-シス-
ジアクア-ビピリジル錯体、亜鉛-テトラ(4-カルボキシフェニル)ポルフィンなどのポルフィリン、鉄-ヘキサシアニド錯体等のルテニウム、オスミウム、鉄、亜鉛などの錯体を挙
げることができる。これらの金属錯体は分光増感の効果や耐久性に優れている。
Examples of the metal complex include metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and titanyl phthalocyanine described in JP-A-1-220380 and JP-A-5-504023, chlorophyll, hemin, ruthenium-tris (2,2 ′ -Bispyridyl-4,4'-dicarboxylate), cis- (SCN-)-bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium, ruthenium-cis-diaqua-bis (2, Ruthenium-cis-, such as 2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)
Examples include complexes of ruthenium, osmium, iron, zinc and the like, such as diaqua-bipyridyl complexes, porphyrins such as zinc-tetra (4-carboxyphenyl) porphine, and iron-hexocyanide complexes. These metal complexes are excellent in the effect of spectral sensitization and durability.

上記の有機色素および金属錯体は単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよく、さらに有機色素と金属錯体とを併用してもよい。
このような光増感材の吸着方法は、特に制限はなく、光増感材を溶媒に溶解した溶液を、ディッピング法、スピナー法、スプレー法等の方法により半導体膜に吸収させ、次いで乾燥する等の一般的な方法が採用できる。さらに必要に応じて前記吸収工程を繰り返してもよい。また、光増感材溶液を加熱環流しながら前記基板と接触させて光増感材を半導体膜に吸着させることもできる。
The above organic dyes and metal complexes may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used, and an organic dye and a metal complex may be used in combination.
The method for adsorbing the photosensitizer is not particularly limited, and a solution obtained by dissolving the photosensitizer in a solvent is absorbed into the semiconductor film by a method such as a dipping method, a spinner method, or a spray method, and then dried. A general method such as can be adopted. Furthermore, you may repeat the said absorption process as needed. Further, the photosensitizer can be adsorbed to the semiconductor film by bringing the photosensitizer solution into contact with the substrate while heating and refluxing.

光増感材を溶解させる溶媒としては、光増感材を溶解するものであればよく、具体的には、水、アルコール類、トルエン、ジメチルホルムアミド、クロロホルム、エチルセルソルブ、N−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン等を用いることができる。   As the solvent for dissolving the photosensitizer, any solvent that dissolves the photosensitizer can be used. Specifically, water, alcohols, toluene, dimethylformamide, chloroform, ethyl cellosolve, N-methylpyrrolidone, Tetrahydrofuran or the like can be used.

半導体膜に吸着させる光増感材の量は、半導体膜の比表面積1cm2あたり50μg以上
であることが好ましい。光増感材の量が50μg未満の場合、光電変換効率が不充分となることがある。
The amount of the photosensitizer adsorbed on the semiconductor film is preferably 50 μg or more per 1 cm 2 of the specific surface area of the semiconductor film. When the amount of the photosensitizer is less than 50 μg, the photoelectric conversion efficiency may be insufficient.

本発明に係る光電気セルは、透明電極層1表面に半導体膜2が形成されている場合は、半導体膜2と電極層3とを対向して配置し、電極層3表面に半導体膜2が形成されている場合は、半導体膜2と透明電極層1とを対向して配置し、側面を樹脂などでシールし、イオン伝導促進材を含む電解質を注入し、注入口を封止して形成される。   In the photoelectric cell according to the present invention, when the semiconductor film 2 is formed on the surface of the transparent electrode layer 1, the semiconductor film 2 and the electrode layer 3 are disposed to face each other, and the semiconductor film 2 is disposed on the surface of the electrode layer 3. If formed, the semiconductor film 2 and the transparent electrode layer 1 are arranged facing each other, the side surfaces are sealed with resin, an electrolyte containing an ion conduction promoting material is injected, and the injection port is sealed. Is done.

イオン伝導促進材
イオン伝導促進材として、酸化チタンナノチューブ、繊維状酸化チタン、カーボンナノチューブからなる群から選ばれる少なくとも1種が例示される。これらを含んでいると、イオンの伝導が促進され、高い光電変換効率を発現できる。その理由は明確ではないものの、これらの粒子は直線状の長い粒子であり、これらの粒子表面に電解質が配向し、電子あるいはイオンは最短経路を流れるのでイオン伝導が促進されるものと思料される。
As an ion conductive promotor ion conduction promoting material, titanium oxide nanotubes, fibrous titanium oxide, at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes is exemplified. When these are included, ion conduction is promoted, and high photoelectric conversion efficiency can be expressed. Although the reason is not clear, it is thought that these particles are linear long particles, the electrolyte is oriented on the surface of these particles, and electrons or ions flow through the shortest path, so that ion conduction is promoted. .

(i)酸化チタンナノチューブ
本発明に用いる酸化チタンナノチューブは、酸化チタンからなるチューブ状の粒子であ
り、酸化チタンは、アナタース、ルチル、ブルッカイト、無定形、あるいはこれらの混合物であってもよいが、通常、結晶性の高いものが好適である。
(i) Titanium oxide nanotube The titanium oxide nanotube used in the present invention is a tube-like particle made of titanium oxide, and the titanium oxide may be anatase, rutile, brookite, amorphous, or a mixture thereof. Usually, those having high crystallinity are suitable.

酸化チタンナノチューブは、外径(Dout)が5〜40nm、好ましくは10〜30n
mの範囲にあり、内径(Din)が4〜30nm、好ましくは5〜20nmの範囲にあり、チューブの厚みが1〜20nm、好ましくは2〜15nmの範囲にあり、長さ(L)が25〜1000nm、好ましくは50〜600nmの範囲にあり、この長さ(L)と前記外径(Dout)との比(L)/(Dout)が5〜200、好ましくは10〜100の範囲にあることが望ましい。
The titanium oxide nanotube has an outer diameter (Dout) of 5 to 40 nm, preferably 10 to 30 n.
m, the inner diameter (Din) is 4 to 30 nm, preferably 5 to 20 nm, the tube thickness is 1 to 20 nm, preferably 2 to 15 nm, and the length (L) is 25. -1000 nm, preferably in the range of 50-600 nm, and the ratio (L) / (Dout) of this length (L) to the outer diameter (Dout) is in the range of 5-200, preferably in the range of 10-100. It is desirable.

この範囲にあれば、電解質中で酸化チタンナノチューブが沈降することもなく、イオンの伝導を促進することが可能となり、またフラーレンの担持量も多くすることが可能となる。   Within this range, the titanium oxide nanotubes do not settle in the electrolyte, so that ion conduction can be promoted and the amount of fullerene supported can be increased.

酸化チタンナノチューブの外径(Dout)が前記下限未満の場合は、これに対応して内
径が狭くなり、後述する電解質の拡散が不充分となり、イオンの伝導を促進することが困難となり、またフラーレンの担持量も少なくなるので充分な光電変換効率が得られないことがある。酸化チタンナノチューブの外径(Dout)が前記上限を越えるものは得ること
が困難であるとともに、チューブである効果がなくなる。また、酸化チタンナノチューブの内径(Din)が前記下限未満の場合は、前述したように充分な光電変換効率が得られないことがあり、内径(Din)が前記上限を越えるものは得ることが困難であるとともに、チューブである効果がない。また、このときチューブの厚みが薄い場合は、結晶層の厚みが小さく、結晶構造がルーズになり、充分な光電変換効率が得られないことがある。チューブの厚みが厚すぎても内部の空洞の割合が低下し、ナノチューブを用いる効果が低減する。
When the outer diameter (Dout) of the titanium oxide nanotube is less than the lower limit, the inner diameter becomes correspondingly narrow, the electrolyte diffusion described later becomes insufficient, and it becomes difficult to promote ion conduction. In some cases, sufficient photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. It is difficult to obtain a titanium oxide nanotube having an outer diameter (Dout) exceeding the upper limit, and the effect of being a tube is lost. In addition, when the inner diameter (Din) of the titanium oxide nanotube is less than the lower limit, sufficient photoelectric conversion efficiency may not be obtained as described above, and it is difficult to obtain the inner diameter (Din) exceeding the upper limit. In addition, there is no effect of being a tube. At this time, if the tube is thin, the crystal layer is thin, the crystal structure becomes loose, and sufficient photoelectric conversion efficiency may not be obtained. Even if the thickness of the tube is too thick, the ratio of the internal cavities is lowered, and the effect of using the nanotube is reduced.

さらに、酸化チタンナノチューブの長さ(L)が上記下限未満の場合は、必ずしも理由は明らかではないが、粒子自体が短いため、イオン伝導性の向上効果が得られないことがある。酸化チタンナノチューブの長さ(L)が上記上限を越えると電解質中での分散性が低下し、酸化チタンナノチューブが電解質中に局在化するためにイオン伝導性の向上効果が不充分となることがある。   Furthermore, when the length (L) of the titanium oxide nanotube is less than the above lower limit, the reason is not necessarily clear, but the effect of improving ion conductivity may not be obtained because the particles themselves are short. When the length (L) of the titanium oxide nanotubes exceeds the above upper limit, the dispersibility in the electrolyte is lowered, and the titanium oxide nanotubes are localized in the electrolyte, so that the effect of improving ion conductivity becomes insufficient. There is.

また(L)/(Dout)が上記下限未満の場合は長さが短く、チューブを加えた意味が
なく、イオン伝導性の向上効果が得られないことがある。(L)/(Dout)が前記上限
を越えると、光の散乱が増大したり、粒子の長さが長く電解質中で沈降することがあり、また電解質の拡散が不充分となり充分な光電変換効率が得られないことがある。
When (L) / (Dout) is less than the above lower limit, the length is short, there is no meaning of adding a tube, and the effect of improving ion conductivity may not be obtained. If (L) / (Dout) exceeds the above upper limit, light scattering may increase, particles may be long and settle in the electrolyte, and electrolyte diffusion may be insufficient, resulting in sufficient photoelectric conversion efficiency. May not be obtained.

本発明では、酸化チタンナノチューブ中のアルカリ金属含有量が500ppm以下、さらには200ppm以下、特に100ppmであることが好ましい。
アルカリ金属含有量が500ppmを越えると、半導体機能が低下するとともに、経時的に光電変換効率が低下する傾向にある。半導体機能とは、電子、イオンの流れを一方向にする整流作用であり、この場合半導体膜の中にプラス欠陥を生じ、電子をトラップすることで電子の流れを阻害する。この機能が低下すると、電子の流れが悪くなり、光電変換効率が低下する。
In the present invention, the alkali metal content in the titanium oxide nanotube is preferably 500 ppm or less, more preferably 200 ppm or less, and particularly preferably 100 ppm.
When the alkali metal content exceeds 500 ppm, the semiconductor function tends to decrease and the photoelectric conversion efficiency tends to decrease with time. The semiconductor function is a rectifying action that makes the flow of electrons and ions in one direction. In this case, a positive defect is generated in the semiconductor film, and the electron flow is inhibited by trapping the electrons. When this function is lowered, the flow of electrons is deteriorated and the photoelectric conversion efficiency is lowered.

本発明に用いる酸化チタンナノチューブの製造方法は、前記した酸化チタンナノチューブが得られれば特に制限はなく、従来公知の方法を採用することができる。なかでも、本願出願人の出願による特開2003−168495号公報に開示した方法は結晶性の高い酸化チタンナノチューブが得られるので好適に採用することができる。   The method for producing a titanium oxide nanotube used in the present invention is not particularly limited as long as the above-described titanium oxide nanotube is obtained, and a conventionally known method can be adopted. Among them, the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-168495 filed by the applicant of the present application can be suitably employed because a titanium oxide nanotube with high crystallinity can be obtained.

繊維状酸化チタン
本発明に用いる繊維状酸化チタンは、酸化チタンからなる繊維状の粒子であり、酸化チタンは、アナタース、ルチル、ブルッカイト、無定形、あるいはこれらの混合物であってもよいが、通常、結晶性の高いものが好適である。
Fibrous titanium oxide Fibrous titanium oxide used in the present invention is a fibrous particle composed of titanium oxide. Titanium oxide may be anatase, rutile, brookite, amorphous, or a mixture thereof. Those having high crystallinity are preferred.

繊維状酸化チタンは、短軸の幅(W)が5〜40nm、好ましくは8〜30nmの範囲にあることが望ましい。また、繊維状酸化チタンは、長軸の長さ(L)が25〜1000nm、好ましくは50〜600nmの範囲にあることが望ましい。さらに、繊維状酸化チタンは、アスペクト比(L/W)が5〜200、好ましくは10〜100の範囲にあることが望ましい。このような範囲にあると、粒子は、繊維状を示すとともに、電解液中で繊維状酸化チタンが沈降することもなく、電解質をゲル化効果が高く、さらにイオン伝導を促進できるので光電変換効率を高めることが可能となる。   The fibrous titanium oxide has a minor axis width (W) of 5 to 40 nm, preferably 8 to 30 nm. Further, the fibrous titanium oxide has a long axis length (L) of 25 to 1000 nm, preferably 50 to 600 nm. Furthermore, it is desirable that the fibrous titanium oxide has an aspect ratio (L / W) of 5 to 200, preferably 10 to 100. In such a range, the particles show a fibrous shape, and the fibrous titanium oxide does not settle in the electrolytic solution, the electrolyte has a high gelling effect, and can further promote ionic conduction, so the photoelectric conversion efficiency Can be increased.

繊維状酸化チタン粒子の短軸の幅(W)が前記範囲を外れるものは、得ることが困難である。また、得られたとしても短軸の幅(W)が大きすぎると越えると繊維状酸化チタンが電解質中で沈降したり電解質をゲル化する効果が得られないことがありイオン伝導促進効果による光電、変換効率の向上効果が得られないことがある。   It is difficult to obtain a fibrous titanium oxide particle having a minor axis width (W) outside the above range. Moreover, even if it is obtained, if the width (W) of the minor axis is too large, the effect of precipitation of the fibrous titanium oxide in the electrolyte or gelation of the electrolyte may not be obtained. The effect of improving the conversion efficiency may not be obtained.

繊維状酸化チタンの長軸の長さ(L)が短いと、アスペクト比(L/W)も小さくなり、繊維状粒子を配合した意味がなく、電子・イオンの流れが途切れることになるので、イオン伝導促進効果が不充分となる。   If the long axis length (L) of the fibrous titanium oxide is short, the aspect ratio (L / W) also becomes small, there is no meaning of blending the fibrous particles, and the flow of electrons and ions is interrupted, Ion conduction promotion effect is insufficient.

繊維状酸化チタンの長軸の長さ(L)が上記上限を越えて長いものは、電解質中での粒子の分散性が低下し、局在化するためにイオン伝導性の向上効果が不充分となることがある。   When the long axis length (L) of the fibrous titanium oxide exceeds the above upper limit, the dispersibility of the particles in the electrolyte is lowered and localized, so the effect of improving ion conductivity is insufficient. It may become.

アスペクト比(L/W)が上記下限を超えて小さい場合は、繊維状粒子を使用した意味がなく、粒子長が短すぎるのでイオン伝導促進効果が不充分となる。
アスペクト比(L/W)が、上記上限を越えて大きいものは得ることが困難な場合があり、得られたとしても、電解質の拡散が不充分となり充分な光電変換効率が得られないことがある。
When the aspect ratio (L / W) is smaller than the above lower limit, there is no meaning of using fibrous particles, and the particle length is too short, so that the ion conduction promoting effect is insufficient.
In some cases, it is difficult to obtain a material having an aspect ratio (L / W) exceeding the above upper limit. Even if it is obtained, the diffusion of the electrolyte is insufficient and sufficient photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. is there.

このような繊維状酸化チタン中のアルカリ金属含有量も前記酸化チタンナノチューブと同様に500ppm以下、さらには200ppm以下、特に100ppmであることが好ましい。   The alkali metal content in such a fibrous titanium oxide is also preferably 500 ppm or less, more preferably 200 ppm or less, particularly 100 ppm, similarly to the titanium oxide nanotube.

本発明に用いる繊維状酸化チタンは、前記した酸化チタンナノチューブを350〜900℃、好ましくは500〜750℃で焼成することによって得ることができる。高温で焼成することによって酸化チタンナノチューブの内部空間が閉塞し、繊維状酸化チタンが得られる。このとき、焼成を減圧下、好ましくは真空排気しながら行うとより低温で結晶性が高い繊維状酸化チタンが得られる。   The fibrous titanium oxide used in the present invention can be obtained by firing the above-described titanium oxide nanotubes at 350 to 900 ° C, preferably 500 to 750 ° C. By firing at a high temperature, the internal space of the titanium oxide nanotube is closed, and fibrous titanium oxide is obtained. At this time, fibrous titanium oxide having higher crystallinity can be obtained at a lower temperature when firing is performed under reduced pressure, preferably while evacuating.

本発明の光電気セルに用いる酸化チタンナノチューブ、繊維状酸化チタンはアナタース型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタン、ルチル型酸化チタンおよびこれらの混晶体、共晶体など結晶性の酸化チタンが好ましく、特にアナタース型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタンはバンドギャップが高いので好ましい。   The titanium oxide nanotubes and fibrous titanium oxides used in the photoelectric cell of the present invention are preferably anatase-type titanium oxide, brookite-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide and crystalline titanium oxides such as mixed crystals and eutectics thereof. Type titanium oxide and brookite type titanium oxide are preferred because of their high band gap.

また、酸化チタンは、TiO2で表される酸化チタンに限られず、たとえば、TiOn(nは2未
満)で表される低次(すなわち還元型)酸化チタンであってもよい。また、酸素の一部が
窒素で置換されていてもよい。
The titanium oxide is not limited to titanium oxide represented by TiO 2 , and may be, for example, low-order (that is, reduced) titanium oxide represented by TiO n (n is less than 2). Further, part of oxygen may be substituted with nitrogen.

カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブとしては従来公知のカーボンナノチューブを用いることができる。カーボンナノチューブは六角網目状のグラフェンシートを円筒状に巻いた単層もしくは多層のチューブ状物質である。
As the carbon nanotube, a conventionally known carbon nanotube can be used. The carbon nanotube is a single-layer or multi-layer tube-shaped material in which a hexagonal mesh graphene sheet is wound in a cylindrical shape.

本願で用いるカーボンナノチューブは概ね外径(D)が1〜40nm、さらには2〜30
nmの範囲にあり、長さ(L)が10〜1000nm、さらには20〜600nmの範囲
にあることが好ましい。このようなカーボンナノチューブとしては、例えば、日機装(株)製のカーボンナノチューブは好適に用いることができる。
The carbon nanotube used in the present application has an outer diameter (D) of 1 to 40 nm, more preferably 2 to 30.
It is in the range of nm, and the length (L) is preferably in the range of 10 to 1000 nm, more preferably in the range of 20 to 600 nm. As such a carbon nanotube, for example, a carbon nanotube manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be preferably used.

以上のようなイオン伝導促進材を含むことで、電解質がゲル化することがあるが、ゲル化により、電解質漏れを抑制することが可能となる。このようにイオン伝導促進材を含むことで、電解質のゲル化が起こる理由については定かではないものの、電解質中には+イオンと−イオンとが存在し、イオン伝導促進材を添加するとデバイ長が長くなり、粒子間のパーコレーションを生じるためであると考えている。換言すれば、イオン性の電解質の中に正または負の帯電粒子を分散させると、電気的な中和が起こり、ゲル化するものと思料される。   By including the ion conduction promoting material as described above, the electrolyte may be gelled, but it is possible to suppress electrolyte leakage by gelation. Although the reason why the gelation of the electrolyte occurs due to the inclusion of the ionic conduction promoting agent in this way is not clear, there are + ions and − ions in the electrolyte, and when the ionic conduction promoting material is added, the Debye length is increased. This is considered to be due to the increase in length and percolation between particles. In other words, when positive or negative charged particles are dispersed in an ionic electrolyte, it is considered that electrical neutralization occurs and gels.

イオン伝導促進材は、表面にフラーレンまたは水酸化フラーレン(フラーレンを構成する炭素原子にOH基が導入されたフラーレン、以後まとめてフラーレン類という)が担持されていることが好ましい。   It is preferable that fullerene or hydroxylated fullerene (fullerene in which an OH group is introduced into a carbon atom constituting the fullerene, hereinafter collectively referred to as fullerenes) is supported on the ion conduction promoting material.

本発明に用いるフラーレン類としては、酸化チタンナノチューブおよび/またはカーボンナノチューブに担持することができ、イオン伝導性を向上できれば特に制限はなく、例えばC36、C60、C70、C76、C78、C80、C82、C84等が挙げられる。このようなフラーレンは、公知のものを特に制限無く使用することが可能である。(例えば、特開2002−151094号号公報参照)さらに、水酸基以外に−COOH、−OSO3H、−SO3H、−OPO(OH)2等の基が導入されたものも使用可能である。 The fullerenes used in the present invention are not particularly limited as long as they can be supported on titanium oxide nanotubes and / or carbon nanotubes and can improve ion conductivity. For example, C36, C60, C70, C76, C78, C80, C82, C84 etc. are mentioned. As such fullerenes, known ones can be used without particular limitation. (For example, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-151094) Further, those having a group such as —COOH, —OSO 3 H, —SO 3 H, —OPO (OH) 2 introduced in addition to the hydroxyl group can be used. .

フラーレン類が担持されていると電解質イオンのイオン伝導促進材表面の移動(ホッピングということがある)速度が向上し、暗電流を抑制したり、光電変換効率を向上する効果をさらに向上させることができる。   When fullerenes are supported, the speed of movement (sometimes referred to as hopping) of the ion conduction promoting material surface of the electrolyte ions is improved, and the effect of suppressing dark current or improving photoelectric conversion efficiency can be further improved. it can.

フラーレン類の担持量は、イオン伝導促進材100重量部当たり、フラーレンに換算して5〜80重量部、さらには10〜60重量部の範囲にあることが好ましい。この範囲であれば、充分にフラーレンの効果が発現される。   The supported amount of fullerenes is preferably in the range of 5 to 80 parts by weight, more preferably 10 to 60 parts by weight in terms of fullerene per 100 parts by weight of the ion conduction promoting material. Within this range, the fullerene effect is sufficiently exhibited.

フラーレン類の担持量が少ないと電解質イオンのイオン伝導促進材表面の移動速度の向上効果が充分得られないことがある。フラーレン類の担持量が多すぎると電解質イオンのイオン伝導促進材表面の移動速度を低下させることがある。   If the amount of fullerenes supported is small, the effect of improving the moving speed of the surface of the ion conduction promoting material for the electrolyte ions may not be sufficiently obtained. If the amount of fullerenes supported is too large, the moving speed of the surface of the ion conduction promoting material for the electrolyte ions may be reduced.

このようなフラーレン類の担持方法は、酸化チタンナノチューブ、繊維状酸化チタン、カーボンナノチューブ等のイオン伝導促進材に所定量を担持できれば特に制限はない。例えば、ジメチルホルムアミド等の溶媒にフラーレンを分散させ、これにシランカップリング剤を混合したのち、この分散液に、前記イオン伝導促進材を分散させ、必要に応じて超音波を照射すればよい。   Such a fullerene loading method is not particularly limited as long as a predetermined amount can be supported on an ion conduction promoting material such as a titanium oxide nanotube, a fibrous titanium oxide, or a carbon nanotube. For example, fullerene is dispersed in a solvent such as dimethylformamide, and a silane coupling agent is mixed therewith. Then, the ion conduction promoting material is dispersed in the dispersion, and ultrasonic waves are irradiated as necessary.

電解質
電解質としては、電気化学的に活性な塩とともに酸化還元系を形成する少なくとも1種
の化合物との混合物が使用される。
As the electrolyte , a mixture with at least one compound that forms a redox system with an electrochemically active salt is used.

電気化学的に活性な塩としては、テトラプロピルアンモニウムアイオダイドなどの4級アンモニウム塩が挙げられる。酸化還元系を形成する化合物としては、キノン、ヒドロキノン、沃素(I-/I- 3)、沃化カリウム、臭素(Br-/Br- 3)、臭化カリウム等が挙げられる。 Examples of the electrochemically active salt include quaternary ammonium salts such as tetrapropylammonium iodide. Examples of the compound forming the redox system, quinone, hydroquinone, iodine (I - / I - 3) , potassium iodide, bromine (Br - / Br - 3) , potassium bromide, and the like.

このような電解質は、通常、溶媒に溶解されて電解液として使用される。
また、イオン性液体に電解質を溶解させてもよい。イオン性液体とは、常温で溶融した塩であり、高いイオン密度を有し、かつイオン移動度も大きいため、極めて高いイオン伝導度を示す。このため電解質のマトリックするとして使用することもできる。
Such an electrolyte is usually dissolved in a solvent and used as an electrolytic solution.
Further, the electrolyte may be dissolved in the ionic liquid. An ionic liquid is a salt melted at room temperature, has a high ion density, and has a high ion mobility, and thus exhibits an extremely high ion conductivity. For this reason, it can also be used as an electrolyte matrix.

イオン性液体としては、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、アンモニウム塩などの他に、2-メチル-1-ピロリン、1-メチルピラゾール、1-エチルカルバゾールなどが例示され
る。これらは高分子量化させることも可能であり、さらに必要に応じてゲル化させることもできる。
Examples of the ionic liquid include 2-methyl-1-pyrroline, 1-methylpyrazole, 1-ethylcarbazole and the like in addition to imidazolium salt, pyridinium salt, ammonium salt and the like. These can be made to have a high molecular weight, and can also be gelled if necessary.

また本発明では、前記電解質層には必要に応じて電解質に溶媒を混合して用いることもできる。このとき使用される溶媒は半導体膜に吸着した光増感材が脱着して溶解することのない程度に光増感材の溶解度の低いものが望ましい。溶媒として、具体的には水、アルコール類、オリゴエーテル類、プロピオンカーボネート等のカーボネート類、燐酸エステル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、スルホラン66の硫黄化合物、炭酸エチレン、アセトニトリル、バレロニトリル等が挙げられる。   Moreover, in this invention, a solvent can also be mixed and used for the said electrolyte layer as needed. The solvent used at this time is preferably a solvent having a low solubility of the photosensitizer so that the photosensitizer adsorbed on the semiconductor film does not desorb and dissolve. Specific examples of solvents include water, alcohols, oligoethers, carbonates such as propion carbonate, phosphate esters, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone, sulfolane 66, sulfur compounds, and carbonic acid. Examples include ethylene, acetonitrile, valeronitrile and the like.

また、電解質濃度としても特に制限されるものでもないが、通常合計で、0.01〜3mol/l、好ましくは0.1〜2mol/lの範囲にあることが望ましい。
なお、本発明では、上記したイオン伝導促進材を含んでいるので、前記したように電解液がゲル化していることがあるが、本発明ではゲル化していても何ら差し支えることがない。とくに、ゲル化していれば、電解液の漏液もなくなるの好都合である。
Also, the electrolyte concentration is not particularly limited, but it is generally desirable that the total concentration is in the range of 0.01 to 3 mol / l, preferably 0.1 to 2 mol / l.
In the present invention, since the above-described ion conduction promoting material is included, the electrolyte solution may be gelled as described above. However, in the present invention, there is no problem even if it is gelled. In particular, if it is gelled, it is convenient that there is no leakage of electrolyte.

さらに、本発明では電解質として固体電解質を用いることができる。
固体電解質としては、CuI、CuBr、CuSCN、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、アリールアミン系ポリマー、アクリル基および/またはメタクリル基を有するポリマー、ポリビニルカルバゾール、トリフェニルジアミンポリマー、L-valine誘導体低分子ゲル、ポリオリゴエチレングリコールメタクリレート、poly(o-methoxy aniline)
、poly(epichlorohydrin-Co-ethylene oxide)、2,2',7,7'-tetorakis(N,N-di-P-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluorene 、パーフルオロスルフォネートなどのようなプロトン伝導性を有するフッ素系のイオン交換樹脂、パーフルオロカーボン共重合体、パーフルオロカーボンスルホン酸等の他、ポリエチレンオキサイドや、イオンゲル法としてたとえばイミダゾールカチオンとBr-、BF4 -、N-(SO2CF32で対イオンを形成し、これにビニルモノマー、PMMAモノマーを加えて重合させたものも好適に用いることができる。これらの固体電解質を使用する場合、固体電解質を構成する成分を溶媒に分散または溶解させ、さらに前記イオン伝導促進材を分散させたのち、得られた分散液を注入し、電極間に注入したのち、必要に応じて溶媒を除去したのち、入り口を封して光電気セルが形成される。なお、ここで固体電解質はゲル状である電解質を含んで意味している。
Furthermore, in the present invention, a solid electrolyte can be used as the electrolyte.
Examples of solid electrolytes include CuI, CuBr, CuSCN, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, arylamine-based polymers, polymers having acrylic groups and / or methacrylic groups, polyvinylcarbazole, triphenyldiamine polymers, L-valine derivative low molecular gels, poly Oligoethylene glycol methacrylate, poly (o-methoxy aniline)
, Poly (epichlorohydrin-Co-ethylene oxide), 2,2 ', 7,7'-tetorakis (N, N-di-P-methoxyphenyl-amine) -9,9'-spirobifluorene, perfluorosulfonate, etc. In addition to proton-conducting fluorine-based ion exchange resins, perfluorocarbon copolymers, perfluorocarbon sulfonic acids, etc., polyethylene oxide, and ionic gel methods such as imidazole cations and Br , BF 4 , N (SO 2 CF 3 ) 2 which forms a counter ion and is polymerized by adding a vinyl monomer or PMMA monomer to this can also be suitably used. When using these solid electrolytes, the components constituting the solid electrolyte are dispersed or dissolved in a solvent, the ion conduction promoting material is further dispersed, and then the obtained dispersion is injected and injected between the electrodes. After removing the solvent as necessary, the entrance is sealed to form a photoelectric cell. Here, the solid electrolyte includes a gel electrolyte.

電解質はゲル状の場合、粘度が1000cp以上、さらには2000〜10,000c
pの範囲にあることが好ましい。電解質の粘度が1000cp未満の場合は電解質の逸散がなく、このため長期使用によっても光電変換効率が低下することがなく、また腐食等の
原因になることもない。
When the electrolyte is gel, the viscosity is 1000 cp or more, and further 2000 to 10,000 c.
It is preferable to be in the range of p. When the viscosity of the electrolyte is less than 1000 cp, there is no dissipation of the electrolyte, so that the photoelectric conversion efficiency does not decrease even when used for a long period of time and does not cause corrosion or the like.

電解質層中の前記イオン伝導促進材の含有量は、固形分として5〜40重量%、さらには10〜30重量%の範囲にあることが好ましい。この範囲にあれば、ゲル化が充分に起こるとともに、イオン伝導促進効果を高めることができる。   The content of the ion conduction promoting material in the electrolyte layer is preferably in the range of 5 to 40% by weight, more preferably 10 to 30% by weight as the solid content. If it exists in this range, while gelatinization fully occurs, the ionic conduction promotion effect can be heightened.

電解質層中のイオン伝導促進材の含有量が固形分として5重量%未満の場合は、液体電解質を用いた場合にゲル化が不充分となり電解質の漏出を防ぐことができない場合があり、またイオン伝導促進効果が充分得られないことがある。   When the content of the ionic conduction promoter in the electrolyte layer is less than 5% by weight as the solid content, the gelation may be insufficient when the liquid electrolyte is used, and the leakage of the electrolyte may not be prevented. In some cases, a sufficient conduction promoting effect may not be obtained.

電解質層中のイオン伝導促進材の含有量が固形分として40重量%を超えると相対的に電解質の濃度が低くなるので、イオン伝導性が不充分となる。
[実施例]
以下、実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
If the content of the ion conduction promoting material in the electrolyte layer exceeds 40% by weight as the solid content, the electrolyte concentration becomes relatively low, so that the ion conductivity becomes insufficient.
[Example]
Hereinafter, although an example explains, the present invention is not limited by these examples.

[実施例1]
半導体膜(A)の形成
10gの水素化チタンを2Lの純水に懸濁し、濃度5重量%過酸化水素液800gを30分かけて添加し、ついで80℃に加熱して溶解してペルオキソチタン酸の溶液を調製した。
[Example 1]
Formation of semiconductor film (A) 10 g of titanium hydride is suspended in 2 L of pure water, 800 g of 5 wt% hydrogen peroxide solution is added over 30 minutes, and then heated to 80 ° C. to dissolve and dissolve peroxotitanium. An acid solution was prepared.

この溶液の90重量%を分取し、これに濃アンモニア水を添加してpH9に調整し、オートクレーブに入れ、250℃で5時間、飽和蒸気圧下で水熱処理を行って酸化チタンコロイド粒子(A)を調製した。X線回折により結晶性の高いアナタース型酸化チタンであった。結晶子径は30nm、平均粒子径は40nmであった。   90% by weight of this solution was fractionated, and concentrated aqueous ammonia was added thereto to adjust the pH to 9, and the mixture was placed in an autoclave, hydrothermally treated at 250 ° C. for 5 hours under saturated vapor pressure, and colloidal titanium oxide particles (A ) Was prepared. It was anatase type titanium oxide having high crystallinity by X-ray diffraction. The crystallite size was 30 nm, and the average particle size was 40 nm.

次に、上記で得られた酸化チタンコロイド粒子(A)を濃度10重量%まで濃縮し、これに前記ペルオキソチタン酸溶液を混合し、この混合物中のチタンをTiO2に換算した重量の30重量%となるように膜形成助剤としてヒドロキシプロピルセルロースを添加して半導体膜形成用塗布液を調製した。次いで、フッ素ドープした酸化スズを電極として形成した透明ガラス基板に塗布し、自然乾燥し、引き続き低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソ酸を分解させ、膜を硬化させた。さらに、30
0℃で30分間加熱してヒドロキシプロピルセルロースの分解およびアニーリングを行って半導体膜(A)を形成した。
Next, the titanium oxide colloidal particles (A) obtained above are concentrated to a concentration of 10% by weight, mixed with the peroxotitanic acid solution, and titanium in the mixture is 30% by weight in terms of TiO 2. A coating solution for forming a semiconductor film was prepared by adding hydroxypropylcellulose as a film forming aid so as to be a%. Next, the fluorine-doped tin oxide is applied to a transparent glass substrate formed as an electrode, dried naturally, and subsequently irradiated with 6000 mJ / cm 2 of ultraviolet light using a low-pressure mercury lamp to decompose the peroxo acid and cure the film. It was. In addition, 30
The semiconductor film (A) was formed by heating at 0 ° C. for 30 minutes to decompose and anneal hydroxypropylcellulose.

得られた半導体膜(A)の膜厚は12μm、窒素吸着法によって求めた細孔容積は0.6ml/g、平均細孔径は18nmであった。
光増感材の吸着
次に、光増感材としてシス-(SCN-)-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシレー
ト)ルテニウム(II)で表されるルテニウム錯体の濃度3×10-4モル/リットルのエタノ
ール溶液を調製した。この光増感材溶液を、rpm100スピナーを用いて、半導体膜(A)上へ塗布して乾燥した。この塗布および乾燥工程を5回行った。得られた半導体膜の光増感材の吸着量は200μg/cm2であった。
The film thickness of the obtained semiconductor film (A) was 12 μm, the pore volume determined by the nitrogen adsorption method was 0.6 ml / g, and the average pore diameter was 18 nm.
Adsorption of photosensitizer Next, a ruthenium complex represented by cis- (SCN ) -bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II) is used as a photosensitizer. An ethanol solution having a concentration of 3 × 10 −4 mol / liter was prepared. This photosensitizer solution was applied onto the semiconductor film (A) using an rpm 100 spinner and dried. This coating and drying process was performed five times. The adsorption amount of the photosensitizer of the obtained semiconductor film was 200 μg / cm 2 .

光電気セル(A)の作成
以下にして酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)を調製した。
塩化チタン水溶液を純水で希釈してTiO2として濃度5重量%の塩化チタン水溶液を調製した。この水溶液を、温度を5℃に調節した濃度15重量%のアンモニア水に添加して中和・加水分解した。塩化チタン水溶液添加後のpHは10.5であった。ついで、生成
したゲルを濾過洗浄し、TiO2として濃度9重量%のオルソチタン酸のゲルを得た。
Production of Photoelectric Cell (A) Titanium oxide nanotube particles (TNT-1) were prepared as follows.
A titanium chloride aqueous solution was diluted with pure water to prepare a titanium chloride aqueous solution having a concentration of 5% by weight as TiO 2 . This aqueous solution was neutralized and hydrolyzed by adding it to 15% by weight ammonia water whose temperature was adjusted to 5 ° C. The pH after addition of the aqueous titanium chloride solution was 10.5. Next, the produced gel was washed by filtration to obtain an orthotitanic acid gel having a concentration of 9% by weight as TiO 2 .

このオルソチタン酸のゲル100gを純水2900gに分散させた後、濃度35重量%の過酸化水素水800gを加え、攪拌しながら、85℃で3時間加熱し、ペルオキソチタン酸水溶液を調製した。得られたペルオキソチタン酸水溶液のTiO2として濃度は0.5
重量%であった。
After 100 g of this orthotitanic acid gel was dispersed in 2900 g of pure water, 800 g of hydrogen peroxide having a concentration of 35% by weight was added and heated at 85 ° C. for 3 hours with stirring to prepare a peroxotitanic acid aqueous solution. The concentration of the resulting aqueous peroxotitanic acid solution as TiO 2 is 0.5.
% By weight.

ついで95℃で10時間加熱して酸化チタン粒子分散液とし、この酸化チタン粒子分散液に分散液中のTiO2に対するモル比が0.016となるようにテトラメチルアンモニウ
ムハイドロオキサイド(TMAH MW=149.2)を添加した。このときの分散液のpHは11であ
った。ついで、230℃で5時間水熱処理して酸化チタン粒子分散液を調製した。酸化チタン粒子の平均粒子径は30nmであった。
Next, the mixture was heated at 95 ° C. for 10 hours to obtain a titanium oxide particle dispersion, and tetramethylammonium hydroxide (TMAH MW = 149.2) was added to the titanium oxide particle dispersion so that the molar ratio to TiO 2 in the dispersion was 0.016. ) Was added. The pH of the dispersion at this time was 11. Next, hydrothermal treatment was performed at 230 ° C. for 5 hours to prepare a titanium oxide particle dispersion. The average particle diameter of the titanium oxide particles was 30 nm.

ついで、酸化チタン粒子分散液に、濃度40重量%のKOH水溶液70gを、TiO2のモル数(TM)とアルカリ金属水酸化物のモル数(AM)とのモル比(AM)/(TM)が10となるように添加し、150℃で2時間水熱処理した。 Then, the titanium oxide particle dispersion liquid, a concentration of 40 wt% KOH aqueous solution 70 g, TiO 2 molar number (T M) and the number of moles of alkali metal hydroxide (A M) and the molar ratio of (A M) / (T M ) was added so as to be 10 and hydrothermally treated at 150 ° C. for 2 hours.

得られた粒子は純水にて充分洗浄した。このときのK2O残存量は0.9重量%であった。純水で洗浄した後、粒子の水分散液(TiO2としての濃度5重量%)とし、これに粒子と同量の陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを添加し、60℃で24時間処理してアルカリの除去等高純度化を行った。ついで、凍結乾燥して酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)(平均粒子外径10nm、平均粒子内径7.5nm、平均粒子長さ180nm)を調製した。 The obtained particles were sufficiently washed with pure water. At this time, the residual amount of K 2 O was 0.9% by weight. After washing with pure water, an aqueous dispersion of particles (concentration of 5% by weight as TiO 2 ) was added, and the same amount of cation exchange resin and anion exchange resin as the particles were added, and the mixture was heated at 60 ° C. for 24 hours. It processed and refine | purified, such as removal of an alkali. Subsequently, it was freeze-dried to prepare titanium oxide nanotube particles (TNT-1) (average particle outer diameter 10 nm, average particle inner diameter 7.5 nm, average particle length 180 nm).

ついで、イオン性液体であるジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPI)0.6モルに沃素0.5モルを混合し、これに酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)
をTiO2としての濃度が6重量%となるように混合し、超音波を照射して充分分散させた電解質(A)を得た。この電解質(A)は、しばらく放置するとゲル状化した。
Next, 0.5 mol of iodine was mixed with 0.6 mol of dimethylpropylimidazolium iodide (DMPI), which is an ionic liquid, and titanium oxide nanotube particles (TNT-1) were mixed therewith.
Was mixed so that the concentration as TiO 2 would be 6% by weight, and the electrolyte (A) was sufficiently dispersed by irradiation with ultrasonic waves. This electrolyte (A) gelled when left standing for a while.

前記で調製した電極を一方の電極とし、他方の電極としてフッ素ドープした酸化スズを電極として形成し、その上に白金を担持した透明ガラス基板を対向して 配置し、側面を
樹脂にてシールし、電極間に上記の電解質(A)をゲル状化する前に封入し、さらに電極間をリード線で接続して光電気セル(A)を作成した。
The electrode prepared above is used as one electrode, and fluorine-doped tin oxide as the other electrode is formed as an electrode. A transparent glass substrate carrying platinum is placed on the opposite side, and the side is sealed with a resin. The electrolyte (A) was sealed between the electrodes before gelation, and the electrodes were connected with lead wires to produce a photoelectric cell (A).

光電気セル(A)は、ソーラーシュミレーターで100W/m2の強度の光を照射して
、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。
The photoelectric cell (A) is irradiated with light of 100 W / m 2 with a solar simulator, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve) Factor) and η (conversion efficiency).

結果を表1に示した。
[実施例2]
光電気セル(B)の作成
実施例1において、酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)をTiO2としての濃度が1
7重量%となるように混合して電解質(B)を得、これを電極間に封入した以外は同様にして光電気セル(B)を作成した。
The results are shown in Table 1.
[Example 2]
Production of Photoelectric Cell (B) In Example 1, the concentration of titanium oxide nanotube particles (TNT-1) as TiO 2 was 1
A photoelectric cell (B) was prepared in the same manner except that the electrolyte (B) was obtained by mixing to 7 wt%, and this was sealed between the electrodes.

ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。
結果を表1に示した。
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured.
The results are shown in Table 1.

[実施例3]
光電気セル(C)の作成
実施例1において、酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)をTiOとしての濃度が30重量%となるように混合して電解質(C)を得、これを電極間に封入した以外は同様にして光電気セル(C)を作成した。
[Example 3]
Production of Photoelectric Cell (C) In Example 1, titanium oxide nanotube particles (TNT-1) were mixed so that the concentration as TiO 2 was 30% by weight to obtain an electrolyte (C), which was obtained between the electrodes. A photoelectric cell (C) was prepared in the same manner except that it was encapsulated.

ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。結果を表1に示した。
[実施例4]
光電気セル(D)の作成
水酸化フラーレン(サイエンスラボラトリーズ社製:C−60)5gをジメチルホルムアミド95gに分散させ、これにイソシアネートシランカップリング剤(信越シリコン(株)製)2gを加えた。ついで、実施例1と同様にして調製した酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)10gを、フラーレン分散液に添加して、均一に分散させた後、遠心分離
により分離し、ついで乾燥して、水酸化フラーレンを担持した酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)を得た。
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured. The results are shown in Table 1.
[Example 4]
Preparation of Photoelectric Cell (D) 5 g of fullerene hydroxide (Science Laboratories: C-60) was dispersed in 95 g of dimethylformamide, and 2 g of an isocyanate silane coupling agent (Shin-Etsu Silicon Co., Ltd.) was added thereto. Next, 10 g of titanium oxide nanotube particles (TNT-1) prepared in the same manner as in Example 1 were added to the fullerene dispersion, dispersed uniformly, separated by centrifugation, then dried, Titanium oxide nanotube particles (TNT-1) carrying oxide fullerene were obtained.

フラーレンの担持量は固形分として酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)100重量
部当たり30重量部であった。
ついで、実施例1において、酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)の代わりにフラー
レン担持酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)を用いた以外は同様にして電解質(D)
を調製し、ついで、光電気セル(D)を作成した。
The supported amount of fullerene was 30 parts by weight per 100 parts by weight of titanium oxide nanotube particles (TNT-1) as a solid content.
Subsequently, the electrolyte (D) was similarly obtained in Example 1 except that fullerene-supported titanium oxide nanotube particles (TNT-1) were used instead of the titanium oxide nanotube particles (TNT-1).
Then, a photoelectric cell (D) was prepared.

ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。結果を表1に示した。
[実施例5]
光電気セル(E)の作成
実施例2において、酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)の代わりに実施例4と同様
にして調製したフラーレン担持酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)を用いた以外は同
様にして電解質(E)を調製し、ついで、光電気セル(E)を作成した。
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured. The results are shown in Table 1.
[Example 5]
Production of Photoelectric Cell (E) In Example 2, fullerene-supported titanium oxide nanotube particles (TNT-1) prepared in the same manner as in Example 4 were used instead of titanium oxide nanotube particles (TNT-1). Similarly, an electrolyte (E) was prepared, and then a photoelectric cell (E) was prepared.

ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。結果を表1に示した。
[実施例6]
光電気セル(F)の作成
実施例3において、酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)の代わりに実施例4と同様
にして調製したフラーレン担持酸化チタンナノチューブ粒子(TNT-1)を用いた以外は同
様にして電解質(F)を調製し、ついで、光電気セル(F)を作成した。
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured. The results are shown in Table 1.
[Example 6]
Production of Photoelectric Cell (F) In Example 3, fullerene-supported titanium oxide nanotube particles (TNT-1) prepared in the same manner as in Example 4 were used instead of titanium oxide nanotube particles (TNT-1). Similarly, an electrolyte (F) was prepared, and then a photoelectric cell (F) was prepared.

ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。結果を表1に示した。
[実施例7]
光電気セル(G)の作成
実施例1において、電解質として、イオン性液体であるジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPI)0.6モルに沃素0.5モルを混合し、これにカーボンナノチューブ粒子(CNT-1)をC(炭素)としての濃度が9重量%となるように混合し、超音
波を照射して充分分散させた電解質(G)を用いた以外は同様にして光電気セル(G)を作成した。
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured. The results are shown in Table 1.
[Example 7]
Production of Photoelectric Cell (G) In Example 1, 0.5 mol of iodine was mixed with 0.6 mol of dimethylpropylimidazolium iodide (DMPI), which is an ionic liquid, as an electrolyte, and carbon nanotube particles ( Photoelectric cell (G) in the same manner except that electrolyte (G) in which CNT-1) is mixed so that the concentration as C (carbon) is 9% by weight and is sufficiently dispersed by irradiation with ultrasonic waves is used. )created.

ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。結果を表1に示した。
[比較例1]
光電気セル(H)の作成
実施例1において、電解質(A)の代わりにイオン性液体であるジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイド(DMPI)0.6モルに沃素0.5モルを混合して電解質(H)を用いた以外は同様にして光電気セル(H)を作成した。(酸化チタンナノチューブは含まれていない)
ついで、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定した。結果を表1に示した。
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured. The results are shown in Table 1.
[Comparative Example 1]
Production of Photoelectric Cell (H) In Example 1, 0.5 mol of iodine was mixed with 0.6 mol of dimethylpropylimidazolium iodide (DMPI), which is an ionic liquid, instead of the electrolyte (A), and the electrolyte ( A photoelectric cell (H) was prepared in the same manner except that H) was used. (Titanium oxide nanotubes are not included)
Next, Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current that flows when the circuit is short-circuited), FF (curve factor), and η (conversion efficiency) were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 2006093002
Figure 2006093002

図1は、本発明に係る光電気セルの一実施例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a photoelectric cell according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・透明電極層
2・・・半導体膜
3・・・電極層
4・・・電解質
5・・・透明基板
6・・・基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transparent electrode layer 2 ... Semiconductor film 3 ... Electrode layer 4 ... Electrolyte 5 ... Transparent substrate 6 ... Substrate

Claims (4)

表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に光増感材を吸着した半導体膜(2)が形成されてなる基板と、
表面に電極層(3)を有する基板とが、
前記電極層(1)および電極層(3)が対向するように配置してなり、
半導体膜(2)と電極層(3)との間に電解質層を設けてなる光電気セルにおいて、
電解質層が酸化チタンナノチューブ、繊維状酸化チタン、カーボンナノチューブから選ばれる少なくとも1種のイオン伝導促進材を含んでなり、
少なくとも一方の基板および電極層が透明性を有していることを特徴とする光電気セル。
A substrate having an electrode layer (1) on the surface and a semiconductor film (2) having a photosensitizer adsorbed on the surface of the electrode layer (1);
A substrate having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layer (1) and the electrode layer (3) are arranged so as to face each other,
In the photoelectric cell in which the electrolyte layer is provided between the semiconductor film (2) and the electrode layer (3),
The electrolyte layer comprises at least one ion conduction promoting material selected from titanium oxide nanotubes, fibrous titanium oxides, and carbon nanotubes;
At least one substrate and an electrode layer have transparency, The photoelectric cell characterized by the above-mentioned.
電解質層中の前記イオン伝導促進材の含有量が5〜40重量%の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の光電気セル。   2. The photoelectric cell according to claim 1, wherein the content of the ion conduction promoting material in the electrolyte layer is in the range of 5 to 40 wt%. 前記イオン伝導促進材の表面にフラーレンおよび/または水酸化フラーレンが担持されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光電気セル。   The photoelectric cell according to claim 1, wherein fullerene and / or fullerene hydroxide is supported on the surface of the ion conduction promoting material. 前記電解質層の粘度が1000cp以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光電気セル。   The photoelectric cell according to claim 1, wherein the electrolyte layer has a viscosity of 1000 cp or more.
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