JP2006339245A - 光電変換素子及び光電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高表面積構造を呈する一対の電極A及びCと、これらの電極A及びCが直接接触しないように、これら電極間に300nm〜1500nmの波長領域間の一部またはすべてにおいて光励起可能な有機化合物Bを存在させる。
【選択図】図2
Description
高表面積構造を呈する一対の電極A及びCと、
前記一対の電極が直接接触しないように、前記一対の電極間に存在する300nm〜1500nmの波長領域間の一部またはすべてにおいて光励起可能な有機化合物Bと、
を具えることを特徴とする、光電変換素子に関する。
上述したように、本発明の光電変換素子においては、電極A及び有機化合物B間の電子授受を良好に行うべく、化学結合前の電極Aの仕事関数は化学結合前の有機化合物Bの励起準位における仕事関数と等しいか大きいことが好ましい。かかる観点より、電極Aは、例えば、Cs、Na、K、Mg、Ca、Ba、Ce、Al、Li、Ti等の金属および、MgAg、MgIn、MgCu等のMg化合物、AlLi、AlMg等のAl化合物、LiF、Li2O、LiCH3COOHなどのLi化合物、Ca化合物、K化合物、Cs化合物などのアルカリ金属化合物やアルカリ土類金属化合物、可視光透過率の高いSnドープIn2O3、GaドープIn2O3、WドープIn2O3などのIn系酸化物、AlドープZnO、InドープZnO、GaドープZnO、BドープZnO、Zn系酸化物、SbドープSnO2、などが挙げられる。さらには、C、Si、GeなどのIV族またはGaAs、InP、AlNなどのIII−V型半導体、ZnO、ZnSe、CdSe、CdTeなどのII−VI族半導体やそれらの合金、又は化合物を二種類以上複合させた、AlドープSnZnO3、InドープSnZnO3、 GaドープSnZnO3などのSnZn系酸化物などの材料が挙げられるが、これらのものに限定されない。
上述したように、本発明の光電変換素子においては、電極C及び有機化合物B間の電子授受を良好に行うべく、化学結合前の電極Cの仕事関数は化学結合前の有機化合物Bの基底準位における仕事関数と同等か小さいことが好ましい。また、上述した有機化合物Bを挟む二つの電極A及びCでの電子の授受を容易にすべく、電極Aの仕事関数が電極Cの仕事関数よりも小さいことが好ましい。かかる観点より、電極Cは、例えば、白金、金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル、酸化スズドープ・酸化インジウム(ITO、低ドープタイプ)、フッ素ドープ・酸化スズ(FTO、低ドープタイプ)、カーボン、さらには、これらの金属の合金や化合物半導体を二種類以上複合させた材料などの、導電性材料から構成することができるが、これらに限定されるものではない。
本発明の光電変換素子において、有機化合物Bは、300nm〜1500nmの波長領域間の一部またはすべてにおいて光励起可能であって、電極A及びCと電子授受を容易に行うことができるように、最高被占分子軌道(HOMO)部位及び最低空分子軌道(LUMO)部位を有することが好ましい。上述したように、有機化合物Bは、電極A及びCに対して金属結合、イオン結合、共有結合、配位結合などの化学結合により結合する。そのための最低空分子軌道(LUMO)部位および最高被占分子軌道(HOMO)部位は、アンカー基として、不対電子を有する。不対電子を有するものとしてP、O、N、S、Se、Teなどを含む官能基であって、COOH基、CO基、CH2COOH基、NCS基、OH基、SH基などを例示することができる。
(Mは、Cu、Ag、Mg、Ca、Ba、Zn、Al、Sn、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Pdなど金属イオンであるが、これらに限定されない。そのうち好ましくはCu、Znなどである。)
基板としてFドープSnO2透明導電性ガラス基板(以下、FTOガラス)を用い、その透明導電性膜上に10〜30nmのTiO2ナノ粒子含有ペーストをスクリーン印刷し、焼成することで膜厚4μmの高表面構造を有するTiO2膜を形成した。このときの表面積は見かけの面積の500倍であった。このTiO2高表面膜を0.3mM Ru(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)2 (以下、N3)のアセトニトリル、t-ブタノール溶液に24時間浸漬させた後、10nmのAuコロイド溶液を滴下して電極を作製した。この際に、有機分子の-NCS基のS部分にAuが化学吸着していることがFT−IR、XPSにより確認された。この素子のFTOガラスとAu電極とに電流計および電圧計を接続し、AM1.5Gのソーラーシミュレーターの擬似太陽光を用いて光電変換特性を測定した。結果を図5に示す。
FTOガラス基板上に、10〜30nmのTiO2ナノ粒子含有ぺーストをスクリーン印刷し、焼成することで膜厚4μmの高表面構造を有するTiO2膜を形成した。そのナノポーラスTiO2膜の表面に、poly(3−dodecylthiophene)を含む1,2−ジクロロベンゼン溶液をスピンコートし、さらに表面にAuを真空蒸着することにより素子を作製した。この素子のFTOガラスとAu電極に電流計および電圧計を接続し、AM1.5Gのソーラーシミュレーターの擬似太陽光を用いて光電変換特性を測定した。その結果、良好なダイオード特性ならびに0.49Vの開放電圧が得られた。結果を図6に示す。
FTOガラス基板上に、10〜30nmのTiO2ナノ粒子含有ペーストをスクリーン印刷し、焼成することで膜厚4μmの高表面構造を有するTiO2膜を形成した。このTiO2薄膜クマリン系有機色素NKX−2897のアセトニトリル、t−ブタノール溶液(0.3mM)に10時間浸漬させ、酸化チタン表面に色素を吸着させた。その薄膜を、さらに、塩化金酸のアセトニトリル溶液、ヨウ化ナトリウムのアセトニトリル溶液の順に処理し、最後に表面上に、10nmのAuコロイド溶液を滴下して素子を作製した。この素子のFTOガラスとAu電極に電流計および電圧計を接続し、AM1.5Gのソーラーシミュレターの擬似太陽光を用いて光電変換特性を測定した。その結果、良好なダイオード特性ならびに0.49Vの開放電圧が得られた。結果を図7に示す。
Claims (15)
- 高表面積構造を呈する一対の電極A及びCと、
電極A及びCが直接接触しないように、これら電極間に存在する300nm〜1500nmの波長領域間の一部またはすべてにおいて光励起可能な有機化合物Bと、
を具えることを特徴とする、光電変換素子。 - 電極Aの仕事関数が電極Cの仕事関数よりも小さいことを特徴とする、請求項1に記載の光電変換素子。
- 電極Aと有機化合物B及び有機化合物Bと電極Cは、化学結合によって接合されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の光電変換素子。
- 化学結合前の電極Aの仕事関数が、化学結合前の有機化合物Bの励起準位における仕事関数と等しいか大きいことを特徴とする、請求項3に記載の光電変換素子。
- 化学結合前の電極Cの仕事関数が、化学結合前の有機化合物Bの基底準位における仕事関数と等しいか小さいことを特徴とする、請求項3又は4に記載の光電変換素子。
- 電極Aの表面積が見かけの表面積の1〜10000倍であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一に記載の光電変換素子。
- 電極Aは、透明導電膜を含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の光電変換素子。
- 電極Aは、透明導電性ナノ粒子を含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一にに記載の光電変換素子。
- 透明導電性ナノ粒子は、0.1nm〜1000nmの平均粒径を有することを特徴とする、請求項8に記載の光電変換素子。
- 電極Cの表面積が見かけの表面積の1〜10000倍であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一に記載の光電変換素子。
- 電極Cは、導電膜を含むことを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一に記載の光電変換素子。
- 電極Cは、導電性ナノ粒子を含むことを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一に記載の光電変換素子。
- 電極A及びC、並びに有機化合物Bの少なくとも一つは支持基板上に保持されていることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一に記載の光電変換素子。
- 前記支持基板が前記高表面積構造を呈し、電極A及びCの少なくとも一方が前記支持基板上に保持されることにより、前記高表面積構造を呈することを特徴とする、請求項13に記載の光電変換素子。
- 請求項1〜14のいずれか一に記載の光電変換素子を具えることを特徴とする、光電池。
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2005
- 2005-05-31 JP JP2005159503A patent/JP2006339245A/ja active Pending
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