JP2006128204A - Photoelectric conversion device and optical power generating apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に太陽電池,光センサー,光電変換原理に基づく水素発生装置等に好適に使用できる光電変換装置およびそれを用いた光発電装置に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion device that can be suitably used for a solar cell, a photosensor, a hydrogen generation device based on a photoelectric conversion principle, and a photovoltaic device using the photoelectric conversion device.
近年開発が盛んとなっている光電変換装置である低コスト型太陽電池の主流として、色素増感型太陽電池が挙げられる。初期に発表された色素増感型太陽電池は、光励起体となるルテニウム錯体増感色素を電子輸送体となる酸化チタン多孔質体に担持するものであり、キャリアの励起と輸送とを異なる構成部位において動作させるタイプの太陽電池に分類される(例えば、特許文献1を参照。)。 A dye-sensitized solar cell is a mainstream of low-cost solar cells, which are photoelectric conversion devices that have been actively developed in recent years. The dye-sensitized solar cell, which was announced earlier, carries a ruthenium complex sensitizing dye as a photoexciter on a titanium oxide porous body as an electron transporter, and has different constituent parts for excitation and transport of carriers. Is classified into the type of solar cell operated (see, for example, Patent Document 1).
このタイプの太陽電池は、使用する材料が安価であること、使用する材料を高純度に精製することなく用いることができること、製造過程で真空装置を殆ど用いないこと、低温プロセスであること、製造コストが安いこと等が特長である。 This type of solar cell is inexpensive to use, can be used without purifying the material used with high purity, uses almost no vacuum equipment in the manufacturing process, is a low-temperature process, is manufactured Its feature is its low cost.
一方、色素増感型太陽電池に使用される金属錯体色素としては、例えば、ルテニウムを配位中心とし、チオシアン酸イオン、1,10−フェナントロリン、1,10−フェナントロリン誘導体、2,2’−ビピリジルおよび2,2’−ビピリジル誘導体等を配位子とするイソチオシアネート錯体、チオシアネート錯体、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素等が知られている。また、金属錯体色素の他に有機色素も使用される場合があり、このような有機色素としては、キサンテン系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素等が知られている。 On the other hand, examples of the metal complex dye used in the dye-sensitized solar cell include thiocyanate ion, 1,10-phenanthroline, 1,10-phenanthroline derivative, and 2,2′-bipyridyl having a coordination center of ruthenium. Also known are isothiocyanate complexes, thiocyanate complexes, porphyrin-based dyes, phthalocyanine-based dyes and the like having 2,2′-bipyridyl derivatives and the like as ligands. In addition to metal complex dyes, organic dyes may also be used. Such organic dyes include xanthene dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, phenylxanthene dyes, triphenylmethane dyes, rhodacyanine. System dyes and the like are known.
また、光励起体となる色素に無機半導体ナノ粒子を用いることが試みられている。無機半導体ナノ粒子として例えば、CdS,PbS,Ag2S,Sb2S3,Bi2S3等を用いて、これらの無機半導体ナノ粒子を酸化チタン多孔質半導体に担持させる光電変換装置について検討が行なわれている(例えば、非特許文献1,2を参照。)。
In addition, attempts have been made to use inorganic semiconductor nanoparticles as a dye serving as a photoexciter. For example, CdS, PbS, Ag 2 S, Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3, etc. are used as inorganic semiconductor nanoparticles, and a photoelectric conversion device for supporting these inorganic semiconductor nanoparticles on a titanium oxide porous semiconductor has been studied. (For example, see Non-Patent
さらに、色素増感型太陽電池として、外部光照射によって電子あるいはホールを発生する増感色素有機物としての有機物層を電子輸送体として機能する多孔質半導体層と光励起体あるいはホール輸送体として機能する無機半導体層との間に介在させる構造において、無機半導体に硫化銅インジウム(CuInS2)等を用いる例がある(例えば、特許文献2,3を参照。)。
しかしながら、上記のような色素増感型太陽電池においては、光励起体に有機色素を用いることから、光照射中に電解質または多孔質半導体中に発生する活性酸素種(例えば、ヒドロキシラジカル,一重項酸素,原子状酸素,オゾン,スーパーオキシドアニオン,過酸化物アニオン,酸素アニオン等)により酸化分解されてしまう、または、紫外光の吸収によって色素自体が光分解されてしまうという問題があった。 However, in the dye-sensitized solar cell as described above, since an organic dye is used as a photoexciter, active oxygen species (for example, hydroxy radical, singlet oxygen) generated in an electrolyte or a porous semiconductor during light irradiation are used. , Atomic oxygen, ozone, superoxide anion, peroxide anion, oxygen anion, etc.), or the dye itself is photodegraded by absorption of ultraviolet light.
このため、色素増感型太陽電池は耐候性に関して大きな不安を抱えており、現在主流となっているバルクSiを用いた太陽電池に比して、信頼性の面において劣るものとなっている。 For this reason, the dye-sensitized solar cell has a great concern about the weather resistance, and is inferior in terms of reliability as compared with the solar cell using bulk Si which is currently mainstream.
一方、色素増感型太陽電池と同様の構成で光励起体に無機半導体ナノ粒子を用いる場合には、金属錯体色素または有機色素に比して耐久性は向上するものの、これまで知られている無機半導体材料では変換効率が低いという問題を有していた。 On the other hand, when inorganic semiconductor nanoparticles are used for the photoexciter with the same structure as that of the dye-sensitized solar cell, the durability is improved as compared with the metal complex dye or the organic dye, but the known inorganic Semiconductor materials have the problem of low conversion efficiency.
さらに、光励起体として機能する無機半導体層と電子輸送体として機能する多孔質半導体層との間に有機物層を介在させたものについても、上記と同様に有機物層が活性酸素種または紫外線によって変質するため、安定した特性を維持することが困難であるという問題があった。 Further, in the case where an organic substance layer is interposed between an inorganic semiconductor layer functioning as a photoexciter and a porous semiconductor layer functioning as an electron transporter, the organic substance layer is altered by active oxygen species or ultraviolet rays in the same manner as described above. Therefore, there is a problem that it is difficult to maintain stable characteristics.
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、色素増感型太陽電池と同様の構成において、太陽電池や光センサー等に好適に使用できる、特に長期信頼性を有する無機半導体材料を光励起体に用いた、変換効率の優れた光電変換装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its object is to have a particularly long-term reliability that can be suitably used for solar cells, photosensors, etc., in the same configuration as a dye-sensitized solar cell. An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having an excellent conversion efficiency using an inorganic semiconductor material as a photoexciter.
本発明の光電変換装置は、硫化インジウム銅を主成分とする粒子からなる、光電変換を行なう光励起体と、この光励起体が表面に多数付着した、前記光励起体で光電変換により生じた電子を輸送する多孔質電子輸送体と、前記光励起体で光電変換により生じたホールを輸送するホール輸送体とを具備することを特徴とするものである。 The photoelectric conversion device of the present invention transports electrons generated by photoelectric conversion by the photoexcited body, which is composed of particles mainly composed of indium copper sulfide and performs photoelectric conversion, and a large number of the photoexcited bodies adhere to the surface. And a hole transporter that transports holes generated by photoelectric conversion in the photoexciter.
また、本発明の光電変換装置は、上記構成において、前記光励起体の平均粒径が20nm以下であることを特徴とするものである。 Moreover, the photoelectric conversion device of the present invention is characterized in that, in the above structure, the photoexciter has an average particle diameter of 20 nm or less.
また、本発明の光電変換装置は、上記各構成において、前記光励起体が液相法によって前記多孔質電子輸送体の表面に形成されたことを特徴とするものである。 Moreover, the photoelectric conversion device of the present invention is characterized in that, in each of the above structures, the photoexciter is formed on the surface of the porous electron transporter by a liquid phase method.
さらに、本発明の光電変換装置は、上記各構成において、前記多孔質電子輸送体が二酸化チタンを主成分とすることを特徴とするものである。 Furthermore, the photoelectric conversion device of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the porous electron transporter has titanium dioxide as a main component.
また、本発明の光電変換装置は、上記のいずれかの本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とするものである。 The photoelectric conversion device of the present invention is characterized in that any one of the above-described photoelectric conversion devices of the present invention is used as a power generation means, and the generated power of the power generation means is supplied to a load. .
本発明の光電変換装置によれば、光電変換を行なう粒子状の光励起体と、この光励起体が表面に多数付着した、光励起体で光電変換により生じた電子を輸送する多孔質電子輸送体と、光励起体で光電変換により生じたホールを輸送するホール輸送体とを具備する光電変換装置であって、光励起体が、硫化インジウム銅(CuInS2)を主成分とする粒子からなることを特徴とするものであり、これにより、従来の他の無機半導体を光励起体に用いたものに比して、光励起体の電子伝導準位と二酸化チタンを代表とする多孔質電子輸送体の電子伝導準位とのオフセットが、多孔質電子輸送体への電子注入に適したエネルギー差となるので、光電変換により生じた電子およびホールの光励起体から多孔質電子輸体およびホール輸送体への注入量を増大させることができ、変換効率を向上させることができる。また、光励起体となる硫化インジウム銅(CuInS2)は、太陽光に相当する熱エネルギーまたは光エネルギーに関して安定であるので、活性酸素種または紫外線によって変質しないため安定した特性を維持することができ、長期信頼性にも優れたものとなる。 According to the photoelectric conversion device of the present invention, a particulate photoexciter that performs photoelectric conversion, a porous electron transporter that transports electrons generated by photoelectric conversion in the photoexciter, in which a large number of the photoexciters adhere to the surface, A photoelectric conversion device comprising a hole transporter that transports holes generated by photoelectric conversion in a photoexciter, wherein the photoexciter comprises particles containing indium copper sulfide (CuInS 2 ) as a main component. As a result, compared with the conventional one using other inorganic semiconductors as the photoexciter, the electron conduction level of the photoexciter and the electron conduction level of the porous electron transporter represented by titanium dioxide The offset is an energy difference suitable for electron injection into the porous electron transporter, so that electrons and holes generated by photoelectric conversion are injected from the photoexciter into the porous electron transporter and hole transporter. It can be increased, thereby improving the conversion efficiency. In addition, indium copper sulfide (CuInS 2 ) serving as a photoexciter is stable with respect to thermal energy or light energy corresponding to sunlight, so that it is not altered by active oxygen species or ultraviolet rays, so that stable characteristics can be maintained. Excellent long-term reliability.
また、本発明の光電変換装置によれば、光励起体の平均粒径が20nm以下であるときには、量子サイズ効果によって、バルクの状態に比してより短波長光を吸収することが可能となるので、光励起体で発生するキャリア密度が増大し、高い短絡電流値が得られるようになる。 In addition, according to the photoelectric conversion device of the present invention, when the average particle size of the photoexciter is 20 nm or less, it becomes possible to absorb shorter wavelength light than the bulk state due to the quantum size effect. The carrier density generated in the photoexciter increases, and a high short-circuit current value can be obtained.
また、本発明の光電変換装置によれば、光励起体が液相法によって多孔質電子輸送体の表面に形成されたものであるときには、光励起体のプリカーサが多孔質電子輸送体中へ効率良く侵入して、多孔質の内部で光励起体が形成されるため、光励起体の多孔質電子輸送体上へのカバレッジが向上し、高い短絡電流値が得られるようになる。 Further, according to the photoelectric conversion device of the present invention, when the photoexciter is formed on the surface of the porous electron transporter by a liquid phase method, the precursor of the photoexciter efficiently penetrates into the porous electron transporter. Then, since the photoexciter is formed inside the porous body, the coverage of the photoexcited body on the porous electron transporter is improved, and a high short-circuit current value can be obtained.
また、本発明の光電変換装置によれば、多孔質電子輸送体が二酸化チタンを主成分とするものであるときには、光励起体となる硫化インジウム銅(CuInS2)の電子伝導準位と二酸化チタンの電子伝導準位のオフセットが、多孔質電子輸送体への電子注入に適したエネルギー値となるので、光電変換により生じた電子の光励起体から多孔質電子輸体への注入量を増大させることができ、変換効率を向上させることができるものとなる。 Further, according to the photoelectric conversion device of the present invention, when the porous electron transporter is mainly composed of titanium dioxide, the electron conduction level of indium copper sulfide (CuInS 2 ) serving as a photoexciter and the titanium dioxide Since the offset of the electron conduction level becomes an energy value suitable for electron injection into the porous electron transporter, it is possible to increase the injection amount of electrons generated by photoelectric conversion from the photoexciter to the porous electron transporter. Therefore, the conversion efficiency can be improved.
そして、本発明の光発電装置は、上記のいずれかの本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことから、変換効率が高く、長期信頼性にも優れた光発電装置を提供することができる。 And the photovoltaic device of the present invention uses any of the above-described photoelectric conversion devices of the present invention as a power generation means, and is configured to supply the generated power of this power generation means to a load, so the conversion efficiency is high, A photovoltaic device having excellent long-term reliability can be provided.
以下、本発明の光電変換装置の実施の形態の例について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、1は基板、2は電極、3は多孔質電子輸送体、4は光励起体、5は対向基板、6は対向電極、7はホール輸送体、8は封止材である。図1に示すように、本発明の光電変換装置は、硫化インジウム銅を主成分とする粒子からなる、光電変換を行なう光励起体4と、この光励起体4が表面に多数付着した、光励起体4で光電変換により生じた電子を輸送する多孔質電子輸送体3と、光励起体4で光電変換により生じたホールを輸送するホール輸送体7とを具備することを特徴とするものである。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention. 1 is a substrate, 2 is an electrode, 3 is a porous electron transporter, 4 is a photoexciter, 5 is a counter substrate, and 6 is The counter electrode, 7 is a hole transporter, and 8 is a sealing material. As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion device of the present invention includes a
まず、基板1は、支持体としての機能を有するものであれば、例えば透明なガラス基板や、ガラス基板の表面にテクスチャー構造を形成して光の反射を防止したものや、半透明ガラス基板,透明プラスチック板,透明プラスチック膜,無機物透明結晶体等の光を透過する透光性材料、あるいは金属基板,金属フィルム,セラミック基板等の有色材料を用いることができる。 First, as long as the substrate 1 has a function as a support, for example, a transparent glass substrate, a textured structure formed on the surface of the glass substrate to prevent reflection of light, a translucent glass substrate, A light-transmitting material that transmits light such as a transparent plastic plate, a transparent plastic film, an inorganic transparent crystal, or a colored material such as a metal substrate, a metal film, or a ceramic substrate can be used.
電極2は、低抵抗材料であり、例えば錫酸化物,インジウム酸化物またはその複合酸化物である。具体的には、F(フッ素)またはSb(アンチモン)をドープしたSnO2、SnO2やMnやMoをドープしたIn2O3,In4Sn3O12のようなIn2O3−SnO2複合酸化物が挙げられる。錫酸化物,インジウム酸化物またはその複合酸化物は、透明導電性材料の中でも、可視光域における透過率が高く、低抵抗のものが得られやすいため、光電変換装置の受光面側の電極材料として特に好適に用いられる。
The
また、電極2のシート抵抗は20Ω/□以下、望ましくは10Ω/□以下であり、これを達成するために、網目状金属等からなる取り出し電極(図示せず)を付加形成してもよい。取り出し電極の材料としては、Ag,Al,Cu,Ti,Ni,Fe,Zn,Mo,Wまたはその合金や化合物を用いることができる。
Further, the sheet resistance of the
なお、電極2の形成は、スパッタリング法,蒸着法,イオンプレーティング法,CVD法等の真空成膜技術を用いることができる他、スプレー熱分解法,ペースト法,ディップコート法等によっても容易に形成することが可能である。
The
また、基板1が充分に低抵抗材料である場合には、電極2を省いて基板1に電極機能を持たせてもよい。
When the substrate 1 is made of a sufficiently low resistance material, the
多孔質電子輸送体3には、In2O3,SnO2,WO3,ZnO,TiO2,Nb2O5,ZrO2,Ta2O5,Ag2O,MnO2,Cu2O3,Fe2O3,V2O5,Cr2O3,NiO,SrTiO3,K4NbO17等が用いられる。また、これらの材料にバンドギャップ調整材、あるいは電荷輸送特性を向上させる目的で微量の不純物をドープしたものを用いてもよい。さらに、これらの材料を複合して用いてもよい。特に、これらの材料の中ではTiO2を用いることが好ましい。これは、電子輸送体として利用される金属酸化物の中において、特に電子の輸送特性に優れ、かつ製造プロセスが簡易であり、大面積への形成が容易であるといった特長を有しているからである。 The porous electron transporter 3 includes In 2 O 3 , SnO 2 , WO 3 , ZnO, TiO 2 , Nb 2 O 5 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , Ag 2 O, MnO 2 , Cu 2 O 3 , Fe 2 O 3 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , NiO, SrTiO 3 , K 4 NbO 17 or the like is used. Moreover, you may use the thing which doped a trace amount impurity for the purpose of improving a band gap adjusting material or a charge transport characteristic to these materials. Further, these materials may be used in combination. In particular, it is preferable to use TiO 2 among these materials. This is because, among metal oxides used as an electron transporter, it is particularly excellent in electron transport properties, has a simple manufacturing process, and is easy to form in a large area. It is.
なお、電極2および多孔質電子輸送体3間に、1μm以下程度の厚さを有する緻密な層状の酸化物半導体層をスピンコート法やディッピング法等の薄膜形成手法によって挿入してもよい。これによって、電極2へホール輸送体7が直接接触することが抑止されることから、光電変換装置における電極2からホール輸送体7への逆電子移動に起因するのリーク電流が低減されるので、開放電圧値を向上させることができる。
Note that a dense layered oxide semiconductor layer having a thickness of about 1 μm or less may be inserted between the
光励起体4は、光照射によってキャリアが励起される部位を統括的に指し示すものである。本発明の光電変換装置においては、光励起体4の伝導帯の底部のエネルギー準位が、多孔質電子輸送体3の材料の伝導帯の底部のエネルギー準位より高エネルギー側に位置し、かつそのエネルギー差が0.2eV程度であることが好ましい。この0.2eVは、光励起体4で励起された電子が多孔質電子輸送体3に電荷移動する際に必要な電位差であり、エネルギー差がこの値より小さい場合には内部電界が低下するために電子の移動量が減少してしまうこととなって好ましくなく、逆に大きい場合にもバンドオフセットが大きくなり多孔質電子輸送体3への電子の注入効率が低下するため好ましくない。
The
ここで、本発明者等は、光励起体4の材料として硫化インジウム銅(CuInS2)からなる粒子が好適であることを見出した。CuInS2は約1.5eVのバンドギャップを有するカルコパイライト型構造の化合物半導体であり、可視光域において光吸収係数が大きいため、光励起体4として適した材料である。さらに、多孔質電子輸送体3の材料として有望であるTiO2やZnOに比して伝導帯の底部のエネルギー準位が0.1〜0.4eV程度高エネルギー側に位置するため、上記の電子移動の面におけるエネルギーマッチングが良好であり、光励起体4から多孔質電子輸送体3へスムーズに電荷移動が行なわれるものである。
Here, the present inventors have found that particles made of indium copper sulfide (CuInS 2 ) are suitable as the material of the
ところで、CuInSe2やCdSe等も同じく1〜1.8eV程度のバンドギャップを有し、TiO2やZnOからなる多孔質電子輸送体3に対する伝導帯のエネルギーマッチングも比較的良好であるが、これらはCdやSeといった毒性を有する元素を含有しているため、民生用機器としての普及が図られている光電変換装置の構成材料としては不適である。 By the way, CuInSe 2 and CdSe also have a band gap of about 1 to 1.8 eV, and the conduction band energy matching with respect to the porous electron transporter 3 made of TiO 2 or ZnO is relatively good. And toxic elements such as Se are unsuitable as constituent materials for photoelectric conversion devices that are widely used as consumer devices.
一方、従来から検討が行なわれてきたAg2S,Bi2S3およびSnSといった硫化物も可視光域における光吸収係数の高い材料であるが、これらの材料の伝導帯の底部のエネルギー準位はTiO2やZnOのそれに比して低エネルギー側に位置することから、光励起体から多孔質電子輸送体への電荷移動が困難であるといった問題を有している。 On the other hand, sulfides such as Ag 2 S, Bi 2 S 3 and SnS, which have been studied in the past, are also materials having a high light absorption coefficient in the visible light region, but the energy level at the bottom of the conduction band of these materials. Has a problem that charge transfer from the photoexciter to the porous electron transporter is difficult because it is located on the lower energy side than that of TiO 2 or ZnO.
なお上記のうち一部の材料に関するバンドダイアグラムをまとめたものを図2に示す。図2に示すバンドダイアグラムから、硫化インジウム銅(CuInS2)からなる光励起体4は、二酸化チタン(TiO2)からなる多孔質電子輸送体3とのマッチングが良好であることが分かる。
FIG. 2 shows a summary of band diagrams relating to some of the above materials. From the band diagram shown in FIG. 2, it can be seen that the
以上の理由から、本発明の光電変換装置では光励起体4をCuInS2を主成分として構成しており、これにより、光励起体4での光吸収量が多く、かつ発生したキャリアを効率良く多孔質電子輸送体3へ注入することが可能なため、無毒な材料から成る高効率の光電変換装置を作製することが可能となる。この際、多孔質電子輸送体3の材料としては二酸化チタンが最も好ましく、前述のように硫化インジウム銅(CuInS2)を主成分とする光励起体4に対して材料間の伝導帯の底部のエネルギー差が0.2eV程度と見積もられるため、電荷移動特性が優れており、その結果、高い変換効率を得ることができる。
For the reasons described above, in the photoelectric conversion device of the present invention, the
本発明の光電変換装置において、光励起体4には、光学的特性や電気的特性が顕著に劣化しない範囲において、硫化インジウム銅を主成分とするものとして、上記のCuInS2のみならず、これにCuIn5S8,CuIn5S9,Cu1.70In0.05S,CuIn11S17,Cu2S,In2S3等を含んだものを用いてもよい。
In the photoelectric conversion device of the present invention, the
なお、光励起体4は粒子からなるもの、とりわけ量子サイズ効果を発現し得るナノ粒子からなるものであることが好ましく、粒子の半径が有効ボーア半径以下の値となるものが好ましい。例えば、CuInS2では20nm以下の平均粒径とすることが好ましい。また、特に顕著に光吸収端をシフトさせる場合には8nm以下の平均粒径とすることが好ましい。これにより、光励起体4における吸収光量が増大し、結果として光電変換装置の短絡電流値を向上させることができる。
The
ナノ粒子の製法としては、大別して気相法と液相法が用いられるが、本発明の光電変換装置における光励起体4を形成する場合においては、液相法を用いることが好ましい。液相法では、気相法に比して基板温度が低い環境下で合成が可能であることから、電極2に透明導電膜を用いた場合等に熱履歴によるダメージを極力抑えることが可能である。さらに、多孔質電子輸送体3の空孔に光励起体4形成用の液体が充填された状態から光励起体4のナノ粒子を成長させるため、気相法に比して多孔質電子輸送体3への光励起体4のカバレッジが良好であるといった特長を有する。
As a method for producing nanoparticles, a gas phase method and a liquid phase method are roughly used. In the case of forming the
代表的な液相法には、コロイド法,均一沈殿法,アルコキシド法,水熱合成法およびマイクロエマルジョン法等の化学沈殿法、凍結乾燥法、噴霧乾燥法、および噴霧熱分解法等の溶媒蒸発法がある。特に粒径制御に優れた手法としては、逆ミセル法やホットソープ法があり、マイクロセルやマイクロチューブを反応場とした製法も好適に用いることができる。 Typical liquid phase methods include chemical precipitation methods such as colloid method, homogeneous precipitation method, alkoxide method, hydrothermal synthesis method and microemulsion method, solvent evaporation such as freeze drying method, spray drying method, and spray pyrolysis method. There is a law. In particular, methods excellent in particle size control include a reverse micelle method and a hot soap method, and a production method using a microcell or a microtube as a reaction field can also be suitably used.
対向基板5は、支持体としての機能を有するものであれば、例えばガラス基板,プラスチック板,プラスチック膜,無機物透明結晶体等の光を透過する透光性材料、あるいは金属基板,金属フィルム,セラミック基板等の有色材料を用いることができる。
As long as the
対向電極6は、高い導電性を有する材料から構成されることが好ましく、金属や透明導電層が好適に用いられる。具体的には、金属ではAg,Al,Cu,Ti,Ni,Fe,Zn,Mo,Wまたはその合金や化合物、透明導電層ではFまたはSbをドープしたSnO2、SnO2やMnやMoをドープしたIn2O3,In4Sn3O12のようなIn2O3−SnO2複合酸化物が挙げられる。 The counter electrode 6 is preferably made of a material having high conductivity, and a metal or a transparent conductive layer is suitably used. Specifically, Ag, Al, Cu, Ti, Ni, Fe, Zn, Mo, W or alloys or compounds thereof are used for metals, and SnO 2 , SnO 2 , Mn, and Mo doped with F or Sb are used for transparent conductive layers. Examples thereof include In 2 O 3 —SnO 2 composite oxides such as doped In 2 O 3 and In 4 Sn 3 O 12 .
また、電解液をホール輸送体7として用いる場合には、電解液中のレドックスイオンの還元反応を充分な速度で行なわせるために、対向電極5上に白金,金,カーボン,ロジウム,ルテニウム等の触媒層(図示せず)を形成することが好ましい。
Further, when an electrolytic solution is used as the hole transporter 7, platinum, gold, carbon, rhodium, ruthenium, etc. are formed on the
なお、対向電極5のシート抵抗は20Ω/□以下、望ましくは10Ω/□以下であり、これを達成するために、網目状金属等からなる取り出し電極(図示せず)を付加形成してもよい。取り出し電極の材料としては、Ag,Al,Cu,Ti,Ni,Fe,Zn,Mo,Au,Wまたはその合金や化合物を用いることができる。
The sheet resistance of the
また、対向基板5が充分に低抵抗材料である場合には、対向電極6を省いて対向基板5に電極機能を持たせてもよい。
Further, when the
ホール輸送体7は、電解液を用いる場合であれば、例えば塩化カリウムまたは水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムまたは硫黄を含有する材料を水溶液にしたものが用いられる。また他には、アセトニトリルまたはメトキシプロピオニトリル等に、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム,ヨウ化リチウム,ヨウ素等を混合し調製したものを用いることができる。 If the electrolytic solution is used as the hole transporter 7, for example, a material containing a material containing potassium chloride or sodium hydroxide and sodium sulfide or sulfur in an aqueous solution is used. In addition, a mixture prepared by mixing tetrapropylammonium iodide, lithium iodide, iodine or the like with acetonitrile or methoxypropionitrile can be used.
上記に代わるホール輸送層7の材料としては、透明導電性酸化物、ゲル電解質や固体電解質等の電解質、有機ホール輸送剤、極薄膜金属等が挙げられる。 Examples of the material for the hole transport layer 7 instead of the above include transparent conductive oxides, electrolytes such as gel electrolytes and solid electrolytes, organic hole transport agents, and ultrathin metal films.
透明導電性酸化物としては、CuI,Cu2O,CuS,CuSCN,CoO,NiO,FeO,MoO2およびCr2O3等が挙げられる。 Examples of the transparent conductive oxide include CuI, Cu 2 O, CuS, CuSCN, CoO, NiO, FeO, MoO 2 and Cr 2 O 3 .
ゲル電解質は、大別して化学ゲルと物理ゲルに分けられる。化学ゲルは架橋反応等により化学結合でゲルを形成しているものであり、物理ゲルは、物理的な相互作用により室温付近でゲル化しているものである。ゲル電解質としては、アセトニトリル,エチレンカーボネート,プロピレンカーボネートまたはそれらの混合物に対し、ポリエチレンオキサイド,ポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,ポリビニルアルコール,ポリアクリル酸,ポリアクリルアミド等のホストポリマーを混入して重合させたゲル電解質が好ましい。なお、ゲル電解質や固体電解質を使用する場合は、低粘度の前駆体を酸化物半導体層に含有させ、加熱,紫外線照射,電子線照射等の手段で二次元,三次元の架橋反応を起こさせることによって、ゲル化または固体化できる。 Gel electrolytes are roughly classified into chemical gels and physical gels. A chemical gel is a gel formed by a chemical bond by a cross-linking reaction or the like, and a physical gel is gelled near room temperature due to a physical interaction. The gel electrolyte is a gel obtained by mixing a host polymer such as polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, or polyacrylamide with acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, or a mixture thereof. An electrolyte is preferred. When using a gel electrolyte or solid electrolyte, a low-viscosity precursor is contained in the oxide semiconductor layer, and a two-dimensional or three-dimensional crosslinking reaction is caused by means such as heating, ultraviolet irradiation, or electron beam irradiation. By this, it can be gelled or solidified.
イオン伝導性の固体電解質としては、ポリエチレンオキサイド,ポリエチレンオキサイドもしくはポリエチレン等の高分子鎖にスルホンイミダゾリウム塩,テトラシアノキノジメタン塩,ジシアノキノジイミン塩等の塩を持つ固体電解質が好ましい。ヨウ化物の溶融塩としては、イミダゾリウム塩,第4級アンモニウム塩,イソオキサゾリジニウム塩,イソチアゾリジニウム塩,ピラゾリジウム塩,ピロリジニウム塩,ピリジニウム塩等のヨウ化物を用いることができる。 As the ion conductive solid electrolyte, a solid electrolyte having a polymer chain such as polyethylene oxide, polyethylene oxide or polyethylene having a salt such as a sulfoimidazolium salt, a tetracyanoquinodimethane salt or a dicyanoquinodiimine salt is preferable. As the molten salt of iodide, an iodide such as an imidazolium salt, a quaternary ammonium salt, an isoxazolidinium salt, an isothiazolidinium salt, a pyrazolidium salt, a pyrrolidinium salt, or a pyridinium salt can be used.
前述のヨウ化物の溶融塩としては、例えば、1,1−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1,メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールアイオダイド、1−エチル−3−イソプロピルイミダゾリウムアイオダイド、ピロリジニウムアイオダイド等を挙げることができる。 Examples of the aforementioned molten salt of iodide include 1,1-dimethylimidazolium iodide, 1, methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-pentylimidazolium iodide, 1-methyl- 3-isopentylimidazolium iodide, 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazole iodide, 1-ethyl- Examples thereof include 3-isopropylimidazolium iodide and pyrrolidinium iodide.
有機ホール輸送剤としては、トリフェニルジアミンやOMeTAD等が挙げられる。また、イミダゾリウム塩,トリアゾリウム塩およびピリジニウム塩等の溶融塩電解質や、LiI,NaI,KIおよびCaI2とI2の混合物、またはLiBr,NaBr,KBrおよびCaBr2とBr2の混合物をアルコール類,ニトリル化合物,カーボネート化合物に溶解させた電解液、有機ポリシランが好適に用いられる。 Examples of the organic hole transport agent include triphenyldiamine and OMeTAD. Further, molten salt electrolytes such as imidazolium salts, triazolium salts and pyridinium salts, LiI, NaI, KI and a mixture of CaI 2 and I 2 , or LiBr, NaBr, KBr and a mixture of CaBr 2 and Br 2 are used as alcohols, An electrolyte solution or an organic polysilane dissolved in a nitrile compound or a carbonate compound is preferably used.
極薄膜金属としては、例えば、Au等の金属を100nm以下で形成したものが好適に用いられる。 As the ultra-thin metal, for example, a metal such as Au formed at 100 nm or less is preferably used.
封止材8は、ホール輸送体7の材料に対する腐食耐性および吸湿防止機能を有し、かつ充分な接着強度を有するものがよく、例えば、EVA(エチレン酢酸ビニル共重合樹脂),エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA),フッ素樹脂,エポキシ樹脂,アクリル樹脂,飽和ポリエステル樹脂,アミノ樹脂,フェノール樹脂,ポリアミドイミド樹脂,UV硬化樹脂,シリコーン樹脂,フッ素樹脂,ウレタン樹脂またはその複合物等を用いることができる。
The sealing
以上のようにして構成された本発明の光電変換装置によれば、硫化インジウム銅を主成分とする粒子からなる、光電変換を行なう光励起体4と、この光励起体4が表面に多数付着した、光励起体4で光電変換により生じた電子を輸送する多孔質電子輸送体3と、光励起体4で光電変換により生じたホールを輸送するホール輸送体7とを具備することにより、従来の他の無機半導体を光励起体に用いたものに比して、光励起体4の電子伝導準位と二酸化チタンを代表とする多孔質電子輸送体3の電子伝導準位とのオフセットが、多孔質電子輸送体3への電子注入に適したエネルギー値となるので、光電変換により生じた電子およびホールの光励起体4から多孔質電子輸体3およびホール輸送体7への注入量を増大させることができ、変換効率を向上させることができる。また、光励起体4となる硫化インジウム銅(CuInS2)は、太陽光に相当する熱エネルギーまたは光エネルギーに関して安定であるので、活性酸素種または紫外線によって変質しないため安定した特性を維持することができ、長期信頼性にも優れたものとなる。
According to the photoelectric conversion device of the present invention configured as described above, a
そして、本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷へ供給するように成すことによって、本発明の光発電装置とすることができる。 Then, the photovoltaic device of the present invention can be obtained by using the photoelectric conversion device of the present invention as the power generation means and supplying the generated power from the power generation means to the load.
すなわち、上述した光電変換装置を1つ以上(複数であれば、直列,並列または直並列に)接続したものを発電手段として用い、この発電手段から直接に直流負荷へ発電電力を供給するようにすればよい。また、上述した光電変換装置から出力された直流電力をインバータ等の電力変換手段を介して適当な交流電力に変換した後で、この発電電力を商用電源系統や各種の電気機器等の交流負荷に供給することが可能な光発電装置としてもよい。さらに、このような光発電装置を日当たりのよい建物に設置する等して、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能であり、これにより、変換効率が高く、かつ耐久性のある光発電装置を提供することができる。 That is, one or more of the photoelectric conversion devices described above (in the case of multiple photoelectric conversion devices connected in series, parallel or series-parallel) is used as the power generation means, and the generated power is supplied directly to the DC load from this power generation means. do it. In addition, after the DC power output from the above-described photoelectric conversion device is converted into appropriate AC power via power conversion means such as an inverter, this generated power is applied to an AC load such as a commercial power supply system or various electric devices. It is good also as a photovoltaic device which can be supplied. Furthermore, it is also possible to use such a photovoltaic power generation device as a photovoltaic power generation device such as a photovoltaic power generation system in various aspects by installing it in a building with good sunlight. A durable photovoltaic device can be provided.
(実施例1)
まず、基板1となる厚さ1.1mmのガラス基板上に、電極2となるフッ素ドープ酸化錫が形成されたものを用いて、光電変換装置の作製を行なった。電極2のシート抵抗は約10Ω/□であった。
Example 1
First, a photoelectric conversion device was manufactured using a glass substrate having a thickness of 1.1 mm to be the substrate 1 and fluorine-doped tin oxide to be the
次に、この基板1上に多孔質電子輸送体3となるTiO2層を部分的に形成した。具体的には、ゾルゲル法から作製した平均粒径が約10nmのTiO2ペーストをスクリーン印刷法で塗布し、室温にて予備乾燥させた後、マッフル炉内で450℃×30分の焼結熱処理を行なった。さらに、平均粒径が約20〜100nmのTiO2ペーストを先のペースト量の20%程度の分量でスクリーン印刷法により塗布し、同じく室温にて予備乾燥させた後、マッフル炉内で450℃×30分の焼結熱処理を行なった。このとき、焼結後のTiO2層の層厚は約10μmであり、多孔質形状であった。 Next, a TiO 2 layer to be a porous electron transporter 3 was partially formed on the substrate 1. Specifically, a TiO 2 paste having an average particle diameter of about 10 nm prepared from the sol-gel method is applied by screen printing, pre-dried at room temperature, and then subjected to sintering heat treatment in a muffle furnace at 450 ° C. for 30 minutes. Was done. Further, a TiO 2 paste having an average particle size of about 20 to 100 nm is applied by screen printing in an amount of about 20% of the amount of the previous paste, and preliminarily dried at room temperature, and then 450 ° C. in a muffle furnace. A 30 minute sintering heat treatment was performed. At this time, the layer thickness of the sintered TiO 2 layer was about 10 μm, and it was a porous shape.
なお、このとき、後で形成する光励起体4の吸着量を増大させるために空孔率を増加させたい場合には、TiO2ペースト作製時にTiO2に対して40〜80重量%の分子量が20,000程度のPEG(ポリエチレングリコール)を添加するとよい。
At this time, when it is desired to increase the porosity in order to increase the adsorption amount of the
この後、0.1mol/lの四塩化チタン溶液に12時間浸漬した後、再度マッフル炉内で450℃×30分の熱処理を行なった。 Then, after being immersed in a 0.1 mol / l titanium tetrachloride solution for 12 hours, heat treatment was again performed in a muffle furnace at 450 ° C. for 30 minutes.
次に、多孔質電子輸送体3上に光励起体4となるCuInS2粒子の形成を行なった。まず、15mmol/lの硫酸銅水溶液,10mmol/lの硫酸インジウム水溶液および350mmol/lのチオ硫酸ナトリウム水溶液を混合し、低圧水銀ランプを照射しながら、これに多孔質電子輸送体3まで形成した基板1を浸漬した。このとき、混合した水溶液の温度は0〜10℃と低温に保持し、急激に結晶成長が進行しないように反応速度の管理を行なった。その後、マッフル炉にて400℃×1時間の熱処理を行なった。
Next, CuInS 2 particles to be the
因みに、上記の条件にて基板1を浸漬させずにCuInS2粒子を単独で形成した際に得られた粉末のX線回折スペクトルを図3に線図で示す。図3に示す結果より、このようにして形成した光励起体4においては、化学的量論比の組成を有するCuInS2が形成されていることが分かる。
Incidentally, the X-ray diffraction spectrum of the powder obtained when CuInS 2 particles are formed alone without immersing the substrate 1 under the above conditions is shown in FIG. From the results shown in FIG. 3, it can be seen that CuInS 2 having a composition of stoichiometric ratio is formed in the
次いで、対向基板5となるガラス基板上に、対向電極6となるフッ素ドープ酸化錫およびPt層をパターン形成したものを、上記のように光励起体4まで形成した基板1と、封止材8となる熱可塑性エポキシ樹脂を介して対向配置させ、電解液注入孔(図示せず)を残して局部加熱により周囲を封止した。
Next, a substrate in which the fluorine-doped tin oxide and Pt layer to be the counter electrode 6 are patterned on the glass substrate to be the
引き続き、対向基板5に設けた電解液注入孔より、ホール輸送層7となる0.1mol/lの亜硫酸ナトリウム水溶液および0.4mol/lの硫化ナトリウム水溶液の混合液に硫黄を少量溶解させたものを注入した。最後に、この電解液注入孔をエポキシ樹脂により封止した。
Subsequently, a solution in which a small amount of sulfur is dissolved in a mixed solution of a 0.1 mol / l sodium sulfite aqueous solution and a 0.4 mol / l sodium sulfide aqueous solution to be the hole transport layer 7 is injected from an electrolyte solution injection hole provided in the
以上のようにして作製した本発明の光電変換装置の実施例1について、入射光強度が100mW/cm2に調整された擬似太陽光を照射して特性評価を行なった。 About Example 1 of the photoelectric conversion apparatus of this invention produced as mentioned above, the pseudo-sunlight with which incident light intensity was adjusted to 100 mW / cm < 2 > was irradiated, and the characteristic evaluation was performed.
なお、比較例(従来例1)として、上記の実施例1においてCdSeのナノ粒子を光励起体として用いた光電変換装置についても評価を行なった。このCdSeのナノ粒子の多孔質電荷輸送体上への形成は、0.1mol/lの硫酸カドミウム水溶液,0.1mol/lのニトリロ三酢酸三ナトリウム水溶液および0.1mol/lの亜硫酸カリウム水溶液にセレンを少量溶解させた混合液に、多孔質電荷輸送体となるTiO2を形成した基板を浸漬することにより行なった。 In addition, as a comparative example (conventional example 1), the photoelectric conversion device using CdSe nanoparticles as the photoexciter in Example 1 was also evaluated. The formation of the CdSe nanoparticles on the porous charge transporter was carried out by using a small amount of selenium in 0.1 mol / l cadmium sulfate aqueous solution, 0.1 mol / l trisodium nitrilotriacetate aqueous solution and 0.1 mol / l potassium sulfite aqueous solution. This was performed by immersing a substrate on which TiO 2 serving as a porous charge transporter was formed in the dissolved mixed solution.
これら本発明の実施例1および比較例(従来例1)の光電変換装置について特性評価を行なった結果として、本発明例1の変換効率は2.18%であり、従来例1の0.75%を大きく上回る変換特性であった。 As a result of evaluating the characteristics of the photoelectric conversion devices of Example 1 and Comparative Example (Conventional Example 1) of the present invention, the conversion efficiency of Inventive Example 1 is 2.18%, greatly exceeding 0.75% of Conventional Example 1. It was a conversion characteristic.
(実施例2)
実施例1と同様にして、電極2が形成された基板1上に多孔質電子輸送体3となるTiO2層を形成した。さらに、この多孔質電子輸送体3上に光励起体4の半導体部分となるCuInS2粒子の形成を行なった。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a TiO 2 layer serving as the porous electron transporter 3 was formed on the substrate 1 on which the
まず、塩化インジウムおよび塩化銅をそれぞれ0.3mol/lとなるように脱イオン水に溶解させたものを準備した。この水溶液にチオ尿素を濃度が4mol/lとなるように混合し、チオ尿素からの硫黄の解離を促進するため、さらに25質量%のアンモニア水を溶液のpHが11となるまで添加した。このようにして作製した水溶液中に、多孔質電子輸送体3まで作製した基板1を24時間浸漬した。次いで、水溶液から取り出した基板1に対して真空中にて400℃で30分間の熱処理を行なった。 First, a solution prepared by dissolving indium chloride and copper chloride in deionized water at 0.3 mol / l was prepared. To this aqueous solution, thiourea was mixed so as to have a concentration of 4 mol / l, and in order to promote dissociation of sulfur from thiourea, 25% by mass of aqueous ammonia was added until the pH of the solution reached 11. The substrate 1 prepared up to the porous electron transporter 3 was immersed in the aqueous solution thus prepared for 24 hours. Next, the substrate 1 taken out from the aqueous solution was heat-treated at 400 ° C. for 30 minutes in a vacuum.
以降、実施例1と同様にして本発明の光電変換装置の実施例2を作製し、これに入射光強度が100mW/cm2に調整された擬似太陽光を照射して特性評価を行なった。その結果として、本実施例2の変換効率は1.70%と良好なものであった。 Thereafter, Example 2 of the photoelectric conversion device of the present invention was produced in the same manner as Example 1, and the characteristics evaluation was performed by irradiating it with pseudo-sunlight whose incident light intensity was adjusted to 100 mW / cm 2 . As a result, the conversion efficiency of Example 2 was as good as 1.70%.
(実施例3)
実施例1と同様にして、電極2が形成された基板1上に多孔質電子輸送体3となるTiO2層を形成した。さらに、この多孔質電子輸送体3上に光励起体4の半導体部分となるCuInS2粒子の形成を行なった。
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, a TiO 2 layer serving as the porous electron transporter 3 was formed on the substrate 1 on which the
まず、オートクレーブ容器内にエチレンジアミンを入れ、銅,インジウムおよび硫黄の粉末を、それぞれ0.01mol/l,0.01mol/lおよび0.02mol/lとなるように加えた。これを280℃に加熱して24時間保持を行なった。その後、溶液の温度が200℃以下となったところで、多孔質電子輸送体3まで形成した基板1を浸漬した。次いで、溶液から取り出した基板1を純水で洗浄した後、真空中にて400℃で30分間の熱処理を行なった。 First, ethylenediamine was put in an autoclave container, and copper, indium, and sulfur powders were added so as to be 0.01 mol / l, 0.01 mol / l, and 0.02 mol / l, respectively. This was heated to 280 ° C. and held for 24 hours. Thereafter, when the temperature of the solution became 200 ° C. or lower, the substrate 1 formed up to the porous electron transporter 3 was immersed. Next, the substrate 1 taken out of the solution was washed with pure water, and then heat-treated at 400 ° C. for 30 minutes in a vacuum.
以降、実施例1と同様にして本発明の光電変換装置の実施例3を作製し、これに入射光強度が100mW/cm2に調整された擬似太陽光を照射して特性評価を行なった。その結果として、本実施例3の変換効率は1.44%と良好なものであった。 Thereafter, Example 3 of the photoelectric conversion device of the present invention was produced in the same manner as Example 1, and the characteristics were evaluated by irradiating the same with pseudo-sunlight whose incident light intensity was adjusted to 100 mW / cm 2 . As a result, the conversion efficiency of Example 3 was as good as 1.44%.
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、上記実施例の光電変換装置と、シリコン系光電変換装置または色素増感太陽電池とを積層してもよく、これによれば、各光電変換装置が互いの光吸収領域を補完し合う構成となるので、多端子並列型タンデム構造とした場合には短絡電流値を、直列型タンデム構造とした場合には開放電圧を向上させることができるものとなる。 In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment, A various change may be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the photoelectric conversion device of the above embodiment and a silicon-based photoelectric conversion device or a dye-sensitized solar cell may be stacked, and according to this, each photoelectric conversion device is configured to complement each other's light absorption region. Therefore, when the multi-terminal parallel tandem structure is used, the short circuit current value can be improved, and when the series tandem structure is used, the open circuit voltage can be improved.
1・・・基板
2・・・電極
3・・・多孔質電子輸送体
4・・・光励起体
5・・・対向基板
6・・・対向電極
7・・・ホール輸送体
8・・・封止材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
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