JP2007087772A - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element which is low in cost, easy to produce, high in light conversion efficiency and usable as a dye-sensitized solar cell. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion element comprises a laminated layer of a transparent electrode layer 1, a semiconductor layer 2, a dye adsorption layer 3 which is made by an adsorption in the semiconductor constituting the semiconductor layer 2, an electrolyte layer 4, and opposing electrode layer 5 in this order. The dye above mentioned is carbon black. In addition, carbon black having functional groups is preferred, and metal oxide semiconductor is preferred as the semiconductor layer 2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば太陽電池や光センサーとして利用することができる光電変換素子に関し、詳しくは、簡易に作製でき、高効率で安価な光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element that can be used as, for example, a solar cell or an optical sensor. Specifically, the present invention relates to a photoelectric conversion element that can be easily manufactured, and is highly efficient and inexpensive.

エネルギー需給の逼迫、環境汚染の問題などから、クリーンエネルギー源である太陽電池が注目を集めている。無機系太陽電池の単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、セレン化インジウム銅、あるいはテルル化カドミウムは、既に住宅用電源等として実用化されて久しい。しかしながら、これらの無機系太陽電池の作製工程はプロセス数が多く、特別な設備を必要とし、製造コストが高い。そこで、より安価で高性能な次世代型の太陽電池の開発が期待されてきた。   Solar cells, which are clean energy sources, are attracting attention due to tight energy supply and demand and environmental pollution problems. Single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, indium copper selenide, or cadmium telluride in inorganic solar cells have been put into practical use as a power source for homes for a long time. However, the manufacturing process of these inorganic solar cells has a large number of processes, requires special equipment, and has a high manufacturing cost. Therefore, development of a cheaper and higher performance next-generation solar cell has been expected.

近年、その候補として色素増感太陽電池が脚光を浴びている。色素増感太陽電池は、古くから研究されてきたが、色素の安定性の問題、色素吸着量が少ないことに伴う低変換効率の問題、電解質溶液を使用するので構成が複雑であるとの問題、等の技術的課題があり、実用化するには難しい状況であった。   In recent years, dye-sensitized solar cells have attracted attention as candidates. Dye-sensitized solar cells have been studied for a long time, but there are problems of dye stability, problems of low conversion efficiency due to low dye adsorption amount, and problems of complex structure due to the use of an electrolyte solution. There were technical problems such as, and so on, and it was difficult to put it into practical use.

しかし、1991年、グレッツェルらは、変換効率7.9%の高効率の新しいタイプの色素増感太陽電池(いわゆる「グレッツェルセル」)を発表した(特許文献1参照)。それ以来、世界中で精力的に研究が行われ、現在では一部実用化されつつある。   However, in 1991, Gretzell et al. Announced a new type of dye-sensitized solar cell (so-called “Gretzel cell”) with a high conversion efficiency of 7.9% (see Patent Document 1). Since then, research has been conducted energetically all over the world, and some are now being put into practical use.

グレッツェルらの太陽電池が高効率を達成できたのは、主に次の3つの点による。1つ目は光吸収領域の広いRu(ルテニウム)錯体色素を開発したこと、次に微粒子のTiO2(酸化チタン)を電極に用いて多孔質状にして高表面積化し、色素の担持量を増やしたこと、そしてそれらを用いてセルを組み上げたことである。 The Gretzel et al. Solar cell has achieved high efficiency mainly due to the following three points. The first was the development of Ru (ruthenium) complex dyes with a wide light absorption region, and then the use of fine particles of TiO 2 (titanium oxide) as electrodes to increase the surface area by increasing the surface area of the dye. And assembled cells using them.

しかしながら、Ruはいわゆるレアメタルであり、高価で資源的な制約がある。そのため、Ruを含まない有機色素、例えば、ポリエン系色素やクマリン系色素等の研究も行われてきており、安価で高性能な色素増感太陽電池を提供しうる他の色素が求められている。   However, Ru is a so-called rare metal and is expensive and resource-constrained. Therefore, organic dyes that do not contain Ru, such as polyene dyes and coumarin dyes, have been studied, and other dyes that can provide inexpensive and high-performance dye-sensitized solar cells are required. .

特開平01−220380号公報Japanese Patent Laid-Open No. 01-220380

したがって、本発明は、安価で製造が容易でありながら、光変換効率が高い、色素増感太陽電池として利用可能な光電変換素子を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element that can be used as a dye-sensitized solar cell, which is inexpensive and easy to manufacture but has high light conversion efficiency.

上記目的は、下記の本発明により達成される。すなわち、本発明は、透明電極層、半導体層、該半導体層を構成する半導体に色素が吸着されてなる色素吸着層、電解質層および対向電極層がこの順で積層されてなる光電変換素子であって、前記色素がカーボンブラックであることを特徴とする光電変換素子である。
つまり、本発明は、いわゆる色素増感太陽電池における色素(以下、「増感色素」と称する。)として、カーボンブラックを使用したことを特徴とするものである。
The above object is achieved by the present invention described below. That is, the present invention is a photoelectric conversion element in which a transparent electrode layer, a semiconductor layer, a dye adsorption layer in which a dye is adsorbed on a semiconductor constituting the semiconductor layer, an electrolyte layer, and a counter electrode layer are laminated in this order. In addition, the photoelectric conversion element is characterized in that the dye is carbon black.
That is, the present invention is characterized in that carbon black is used as a dye in a so-called dye-sensitized solar cell (hereinafter referred to as “sensitizing dye”).

色素増感太陽電池におけるカーボン系材料の適用は、比表面積の大きさの期待から、活性炭が対極として用いられた例はあるが(特開2003−297446号公報参照)、増感色素として用いた例は無く、そのような発想自体がこれまで無かった。また、カーボン系材料は黒色の顔料として、耐光性、化学的安定性に優れることから、その性質が色素増感太陽電池にも反映されることが期待できる。さらに、カーボン系材料は黒色なので、短波長領域から長波長領域まで幅広い波長の光を利用できる可能性がある。カーボン系材料の中でも特に、本発明において用いているカーボンブラックは、安価な大量生産技術は既に確立されており、増感色素の資源的な制約の問題を解決することができる。   The application of the carbon-based material in the dye-sensitized solar cell has been used as a sensitizing dye although there is an example in which activated carbon is used as a counter electrode from the expectation of the size of the specific surface area (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-297446). There are no examples, and there has never been such an idea. Further, since the carbon-based material is a black pigment and has excellent light resistance and chemical stability, it can be expected that the properties are reflected in the dye-sensitized solar cell. Furthermore, since the carbon-based material is black, light having a wide wavelength from a short wavelength region to a long wavelength region may be used. Among the carbon-based materials, particularly, carbon black used in the present invention has already established an inexpensive mass production technique, and can solve the problem of resource limitation of sensitizing dyes.

我々は、カーボン系材料を色素増感太陽電池の増感色素に適用するために鋭意検討した結果、カーボン系材料の中でもカーボンブラックが、カーボンナノチューブやフラーレン(C60)などの他のカーボン系材料よりも優れた性能を発揮することを見出した。 As a result of intensive studies to apply the carbon-based material to the sensitizing dye of the dye-sensitized solar cell, carbon black is another carbon-based material such as carbon nanotube and fullerene (C 60 ) among the carbon-based materials. It has been found that it exhibits superior performance.

一般の色素増感太陽電池では、増感色素を担持する半導体に酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物を使用することがほとんどである。この場合、色素と半導体との接合が太陽電池の性能を決める重要な因子となる。すなわち、物理的に接触させるだけでなく、化学的に両者を結合させることにより、色素担持の安定性、電流の損失低下が達成される。増感色素としてカーボンブラックを用いている本発明の場合、化学的処理をして官能基(特にカルボキシル基)を付加して、表面を化学修飾することによって、前記半導体の表面に担持させやすくすることができ、好ましい。   In general dye-sensitized solar cells, metal oxides such as titanium oxide, zinc oxide, and tin oxide are mostly used for semiconductors that carry sensitizing dyes. In this case, the junction between the dye and the semiconductor is an important factor that determines the performance of the solar cell. That is, not only the physical contact but also the chemical bonding of both can achieve the stability of dye support and the reduction in current loss. In the case of the present invention using carbon black as a sensitizing dye, a chemical treatment is performed to add a functional group (particularly a carboxyl group), and the surface is chemically modified to facilitate loading on the semiconductor surface. Can be preferred.

本発明において、前記半導体層としては、金属酸化物半導体(特に酸化スズ)で構成されることが好ましい。また、前記半導体層としては、その表面積を確保し、より多くのカーボンブラックを増感色素として吸着可能とすべく、多孔質構造であることが好ましい。   In the present invention, the semiconductor layer is preferably composed of a metal oxide semiconductor (particularly tin oxide). In addition, the semiconductor layer preferably has a porous structure so as to ensure its surface area and to adsorb more carbon black as a sensitizing dye.

本発明によれば、安価で製造が容易でありながら、光変換効率が高い、色素増感太陽電池として利用可能な光電変換素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion element that can be used as a dye-sensitized solar cell that is inexpensive and easy to manufacture but has high light conversion efficiency.

以下、本発明の光電変換素子について詳細に説明する。
図1に、本発明の一例である光電変換素子の模式断面図を示す。図1において、符号1は透明電極層、符号2は半導体層、符号3は色素吸着層、符号4は電解質層、並びに符号5は対向電極層である。透明電極層1にマイナス(−)端子、対向電極5にプラス(+)端子を接続して、当該両端子間から所定の起電力を取り出すことができる。
Hereinafter, the photoelectric conversion element of the present invention will be described in detail.
In FIG. 1, the schematic cross section of the photoelectric conversion element which is an example of this invention is shown. In FIG. 1, reference numeral 1 is a transparent electrode layer, reference numeral 2 is a semiconductor layer, reference numeral 3 is a dye adsorption layer, reference numeral 4 is an electrolyte layer, and reference numeral 5 is a counter electrode layer. By connecting a negative (−) terminal to the transparent electrode layer 1 and a positive (+) terminal to the counter electrode 5, a predetermined electromotive force can be taken out between the two terminals.

図1に示される光電変換素子は、ITO等の透明電極上に、色素が担持された半導体層(本発明においては、色素が担持されている領域を別途「色素吸着層」と名付けている。)があり、それと対極で電解質層を封止した構造を成す一般的な色素増感太陽電池の構成と同様であり、本発明ではこの形態の色素増感太陽電池における色素吸着層3において、増感色素としてカーボンブラックが用いられている。
以下、各層に分けて説明する。
In the photoelectric conversion element shown in FIG. 1, a semiconductor layer in which a dye is supported on a transparent electrode such as ITO (in the present invention, a region in which a dye is supported is separately named “dye adsorption layer”. In the present invention, the dye-adsorbing layer 3 in this dye-sensitized solar cell has the same structure as that of a general dye-sensitized solar cell having a structure in which the electrolyte layer is sealed at the counter electrode. Carbon black is used as a dye.
Hereinafter, the description will be divided into each layer.

(透明電極層1)
透明電極層1としては、利用しようとする光の波長の透過性が高く、かつ電気伝導性の良好な材料が用いられる。一般の色素増感太陽電池ではITO(スズドープ酸化インジウム)膜、FTO(フッ素ドープ酸化インジウム)膜、あるいはこれらの複合膜が形成されたガラス基板等を使用することが多く、本発明においてもこれらを好適に用いることができるが、特に限定されるものではない。勿論、ガラス基板は必須の部材ではなく、透明電極層1としてはITOやFTO等の導電性の層であれば足り、透明電極層1自体をある程度厚膜にして自立性を持たせて、基板を兼ねることとしても構わない。
(Transparent electrode layer 1)
As the transparent electrode layer 1, a material having high transparency at the wavelength of light to be used and good electrical conductivity is used. In general dye-sensitized solar cells, an ITO (tin-doped indium oxide) film, an FTO (fluorine-doped indium oxide) film, or a glass substrate on which a composite film thereof is formed is often used. Although it can use suitably, it is not specifically limited. Of course, the glass substrate is not an indispensable member, and the transparent electrode layer 1 may be a conductive layer such as ITO or FTO. You can also serve as

(半導体層2)
半導体層2の材料としては、酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛などの金属酸化物が、容易に微粒子化でき、当該微粒子化したものを用いて層形成することで多孔質構造として比表面積を増やすことができ、かつ安価な点で好ましい。とりわけ酸化スズが好適であるが、特に限定されるものではない。微粒子化にこだわらなければ、単体半導体や金属酸化物以外の化合物半導体を用いても構わない。
(Semiconductor layer 2)
As a material for the semiconductor layer 2, metal oxides such as tin oxide, titanium oxide, and zinc oxide can be easily formed into fine particles, and the specific surface area is increased as a porous structure by forming a layer using the fine particles. This is preferable because it can be performed at low cost. Although tin oxide is particularly suitable, it is not particularly limited. As long as fine particles are not used, a single semiconductor or a compound semiconductor other than a metal oxide may be used.

なお、ここで言う「微粒子化」における微粒子としては、粒径として10nm〜10μm程度の範囲のことを指す。金属酸化物半導体微粒子の粒径としては、平均粒径として、10nm〜100nmの範囲が好ましく、より好ましくは10nm〜30nmの範囲である。   In addition, the fine particles in the “micronization” referred to herein indicate a range of about 10 nm to 10 μm in particle size. The average particle size of the metal oxide semiconductor fine particles is preferably in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 10 nm to 30 nm.

半導体層2の厚みとしては、後述する色素吸着層3と合わせて0.1μm〜100μm程度が好ましく、10μm〜20μm程度がより好ましい。0.1μm未満であると、半導体層2で透明電極全体を被覆することができず電流がリークしてしまう場合があり、一方、100μmを超えると、半導体層2の電気抵抗値が高くなり過ぎ電流が流れなくなる場合があり、それぞれ好ましくない。   The thickness of the semiconductor layer 2 is preferably about 0.1 μm to 100 μm, more preferably about 10 μm to 20 μm, together with the dye adsorption layer 3 described later. If the thickness is less than 0.1 μm, the entire transparent electrode cannot be covered with the semiconductor layer 2 and current may leak. On the other hand, if the thickness exceeds 100 μm, the electrical resistance value of the semiconductor layer 2 becomes too high. Current may not flow, which is not preferable.

半導体層2の材料として使用可能な金属酸化物半導体としては、例えば、Fe23,Cu2O,In23,WO3,Fe2TiO3,PbO,V25,FeTiO3,Bi23,Nb23,SrTiO3,ZnO,BaTiO3,CaTiO3,KTaO3,ZrO2等を挙げることができる。また、単体半導体としてはSiが挙げられ、金属酸化物以外の化合物半導体としては、GaAs,CdSe,GaP,CdS,ZnSなどを挙げることができる。 As the metal oxide semiconductor can be used as a material of the semiconductor layer 2, for example, Fe 2 O 3, Cu 2 O, In 2 O 3, WO 3, Fe 2 TiO 3, PbO, V 2 O 5, FeTiO 3, Bi 2 O 3 , Nb 2 O 3 , SrTiO 3 , ZnO, BaTiO 3 , CaTiO 3 , KTaO 3 , ZrO 2 and the like can be mentioned. Moreover, Si is mentioned as a single semiconductor, and GaAs, CdSe, GaP, CdS, ZnS etc. can be mentioned as compound semiconductors other than a metal oxide.

半導体層2の形成方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の手法をそのまま利用すればよい。微粒子状の金属酸化物半導体を用いて形成する場合、微粒子を水やアセトン、エチレングリコールなどの溶媒に加えて、ペースト状にし、スピンコート法やスキージ法などの方法で塗布し、乾燥すること等により層形成する方法を挙げることができる。   The method for forming the semiconductor layer 2 is not particularly limited, and a conventionally known method may be used as it is. When forming using a metal oxide semiconductor in the form of fine particles, the fine particles are added to a solvent such as water, acetone or ethylene glycol, pasted, applied by a method such as spin coating or squeegee method, and dried. The method of forming a layer can be mentioned.

(色素吸着層3)
色素吸着層3は、半導体層2を構成する半導体に色素(増感色素)が吸着されてなる層である。当該色素吸着層3は、上記半導体層2を形成した上で、そこに増感色素を吸着させることにより形成するのが好ましい。具体的な吸着方法については、後述する。
本発明においては、この吸着させる増感色素にカーボンブラックを用いる。本発明において主要な構成要素である当該カーボンブラックについて述べる。
(Dye adsorption layer 3)
The dye adsorption layer 3 is a layer in which a dye (sensitizing dye) is adsorbed on the semiconductor constituting the semiconductor layer 2. The dye adsorption layer 3 is preferably formed by forming the semiconductor layer 2 and adsorbing a sensitizing dye thereto. A specific adsorption method will be described later.
In the present invention, carbon black is used as the sensitizing dye to be adsorbed. The carbon black which is a main component in the present invention will be described.

カーボンブラックは粒子状であり、炭素の微結晶の集合体で形成される。カーボンブラックの粒子径は分布をもっており、品種にもよるが、平均粒子径は10〜500nm程度である。さらに粒子がいくつか集合し、ストラクチャーと呼ばれる集合体を形成する。
一方、カーボンブラックでは、伝導率の制御やゴムや溶媒への分散性の制御の観点から研究が進められており、種々の表面処理や改質が可能であることが知られている。
Carbon black is in the form of particles and is formed of an aggregate of carbon microcrystals. The particle size of carbon black has a distribution, and the average particle size is about 10 to 500 nm although it depends on the type. Further, several particles gather to form an aggregate called a structure.
Carbon black, on the other hand, has been studied from the viewpoint of controlling conductivity and controlling dispersibility in rubber and solvent, and is known to be capable of various surface treatments and modifications.

ところで、一般的に色素増感太陽電池において増感色素−半導体間の電子移動は、電池としての性能を決める重要な因子である。また、両者間の結合が強固であるほど、半導体表面の単位面積あたりの色素担持量も多くなることが期待できる。グレッツェルセルでは、Ru色素のカルボキシル基とTiO2(半導体)表面のOH基とがエステル様の結合をしており、TiO2微粒子の表面を改質し、その結合を強めるという観点からも研究が進められている(Y.Wada,K.−i.Tomita,K.Murakoshi and S.Yanagida,J.Chem.Res.(S),320(1996).参照)。 By the way, in general, in the dye-sensitized solar cell, the electron transfer between the sensitizing dye and the semiconductor is an important factor that determines the performance as the battery. Moreover, it can be expected that the stronger the bond between the two, the greater the amount of dye supported per unit area of the semiconductor surface. In the Gretzel cell, the carboxyl group of the Ru dye and the OH group of the TiO 2 (semiconductor) surface have ester-like bonds, and research is also conducted from the viewpoint of modifying the surface of the TiO 2 fine particles and strengthening the bond. (See Y. Wada, K.-i. Tomita, K. Murakoshi and S. Yanagida, J. Chem. Res. (S), 320 (1996)).

本発明においては、カーボンブラックを化学修飾し、カーボンブラックの粒子表面に何らかの官能基を導入することが好ましい。カーボンブラックの表面は反応性に富んでいるため、種々の官能基を付加することが可能である。何らかの官能基を導入することで、半導体への吸着を強めることができる。具体的に導入可能な官能基としては、−COOH、−COX(Xはハロゲン原子)、−OH、−CHO、−NH2、−X(Xはハロゲン原子)、−SH、および−NCO等を挙げることができる。また、付加されたこれらの官能基との反応による別の機能性官能基の導入も可能である。 In the present invention, it is preferable to chemically modify the carbon black and introduce some functional group to the surface of the carbon black particles. Since the surface of carbon black is rich in reactivity, it is possible to add various functional groups. Adsorption to a semiconductor can be strengthened by introducing some functional group. Specific introduced functional groups, -COOH, -COX (X is a halogen atom), - OH, -CHO, -NH 2, -X (X is a halogen atom), - SH, and -NCO like Can be mentioned. It is also possible to introduce another functional functional group by reaction with these added functional groups.

これら官能基の中でも、特にカルボキシル基(−COOH)をカーボンブラックに導入することが好ましい。カルボキシル基を導入することにより、例えば、酸化チタンや酸化スズなどの半導体表面との間でエステル様の結合が形成でき、スムーズな電子移動、安定的な担持、担持量の増加が実現できる。   Among these functional groups, it is particularly preferable to introduce a carboxyl group (—COOH) into carbon black. By introducing a carboxyl group, for example, an ester-like bond can be formed with a semiconductor surface such as titanium oxide or tin oxide, and smooth electron transfer, stable loading, and increased loading can be realized.

これら官能基の導入量としては、水分散性が十分に良くなるまで導入することが望ましい。具体的には、特開平11−92703号公報に記載されているX線光電子分光法による評価方法で、表面カルボキシル基炭素濃度が0.3%以上であることが好ましく、0.4%以上であることがより好ましい。   It is desirable to introduce these functional groups until the water dispersibility is sufficiently improved. Specifically, in the evaluation method by X-ray photoelectron spectroscopy described in JP-A-11-92703, the surface carboxyl group carbon concentration is preferably 0.3% or more, and 0.4% or more. More preferably.

既述のように、一旦半導体層を形成した上で、そこにカーボンブラックを吸着させることにより当該吸着された領域を色素吸着層3とするのが好ましい。既に形成された半導体層にカーボンブラックを吸着させる方法としては、気体状に生成したカーボンブラックをそのまま直接半導体層に当てて吸着させるような方法でも採用することができるが、より効率的に吸着させるには、カーボンブラックを何らかの分散媒に分散させて分散液を調製し、これを半導体層に接液させる方法によることが好ましい。当該方法によれば、吸着量を高めることが容易であるばかりか、極めて簡便であり、製造適性にも優れ、製造コストを大幅に引き下げることができる。   As described above, it is preferable to form the semiconductor layer once, and then adsorb carbon black on the semiconductor layer to make the adsorbed region the dye adsorbing layer 3. As a method for adsorbing carbon black on an already formed semiconductor layer, a method of adsorbing carbon black generated in a gaseous state directly on the semiconductor layer can be adopted, but it is more efficiently adsorbed. For this, it is preferable to use a method in which carbon black is dispersed in some dispersion medium to prepare a dispersion, and this is in contact with the semiconductor layer. According to this method, it is easy to increase the amount of adsorption, it is extremely simple, excellent in production suitability, and can greatly reduce the production cost.

かかるカーボンブラックの分散液の調製に用いる分散媒としては、例えば、水、エタノール、エチレングリコール、グリセリン等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。また、これらを複数種類併用しても構わない。
当該分散液には、カーボンブラックの分散性向上のために、界面活性剤等の公知の分散促進剤を添加することもできる。また、その他各種添加剤を添加することも可能である。
For example, water, ethanol, ethylene glycol, glycerin, or the like can be used as a dispersion medium used for the preparation of the carbon black dispersion, but is not limited thereto. Moreover, you may use these multiple types together.
A known dispersion accelerator such as a surfactant can be added to the dispersion to improve the dispersibility of the carbon black. It is also possible to add various other additives.

当該分散液におけるカーボンブラックの濃度としては、特に制限は無いが、一般的には、0.01〜10g/lの範囲から選択され、0.1〜1g/lの範囲が好ましい。あまりに低濃度であると、半導体への吸着量を確保するのが困難となり、逆にあまりに高濃度であると、当該分散液中におけるカーボンブラックの分散安定性が低下するため、それぞれ好ましくない。   The concentration of carbon black in the dispersion is not particularly limited, but is generally selected from the range of 0.01 to 10 g / l, and preferably in the range of 0.1 to 1 g / l. If the concentration is too low, it is difficult to secure the amount of adsorption to the semiconductor. Conversely, if the concentration is too high, the dispersion stability of the carbon black in the dispersion is lowered, which is not preferable.

カーボンブラックを分散媒に分散させるには、スパチュラや振とうによる手動攪拌でも構わないが、安定的かつ均質な分散性を確保するには、公知の機械攪拌を適用することが好ましい。機械攪拌には、攪拌羽を用いる方法や攪拌ポンプを用いる方法等一般的な方法でも構わないが、より一層分散安定性を高めるには、超音波攪拌機やホモジナイザー、ダブルジェット攪拌機等の強力な攪拌機を用いることが好ましい。   In order to disperse the carbon black in the dispersion medium, manual stirring with a spatula or shaking may be used. However, in order to ensure stable and homogeneous dispersibility, it is preferable to apply known mechanical stirring. For mechanical stirring, a general method such as a method using a stirring blade or a method using a stirring pump may be used, but in order to further improve the dispersion stability, a powerful stirrer such as an ultrasonic stirrer, a homogenizer, or a double jet stirrer is used. Is preferably used.

カーボンブラックに官能基、とりわけカルボキシル基のような親水性の良好な官能基が導入され、分散媒として水等の水系媒体を用いた際には、上記攪拌や分散促進剤等の分散促進手段を適用しなくても十分な分散安定性が得られる場合があり、その場合にはこれらを採用する必要はない。   When a functional group, particularly a hydrophilic functional group such as a carboxyl group, is introduced into the carbon black and an aqueous medium such as water is used as a dispersion medium, the above-mentioned stirring and dispersion promoting means such as a dispersion accelerator are used. Even if not applied, sufficient dispersion stability may be obtained, in which case it is not necessary to employ them.

当該分散液と半導体とを接液させる方法としては、過剰な厚みに形成された半導体層に直接滴下する滴下法、スプレーにより塗布するスプレー法、分散液中に浸漬させる浸漬法等が挙げられるが、当該分散液と半導体とを長く接液させておくことができ、また、半導体層のより深部まで浸透させることができ、より多くのカーボンブラックを吸着させることが可能な点で、浸漬法が最も好ましい。浸漬法による場合には、浸漬処理中そのまま静置しておいても構わないが、前記分散液の分散安定性を確保すべく、前記各種方法により分散液を攪拌しておくことが好ましい。   Examples of the method for bringing the dispersion into contact with the semiconductor include a dropping method in which the dispersion is directly dropped onto a semiconductor layer formed in an excessive thickness, a spraying method in which the semiconductor layer is applied by spraying, and an immersion method in which the dispersion is immersed in the dispersion. The immersion method can be used because the dispersion liquid and the semiconductor can be kept in contact with each other for a long time, and the semiconductor layer can be penetrated deeper and more carbon black can be adsorbed. Most preferred. In the case of the immersion method, it may be left as it is during the immersion treatment, but it is preferable to stir the dispersion by the above-mentioned various methods in order to ensure the dispersion stability of the dispersion.

浸漬法による場合の浸漬時間としては、特に制限は無いが、より確実に多くのカーボンブラックを半導体に吸着させるためにはある程度長くすることが望まれる。当該浸漬時間としては、前記分散液中のカーボンブラックの濃度や浸漬処理中の攪拌状態、環境温度等にもよるが、具体的には、10分以上とすることが一般的であり、1時間以上であることが好ましく、10時間以上であることがより好ましい。
前記分散液に接液後の半導体層は、必要に応じて当該分散液を洗い流した後に乾燥させることで、その表面ないし近傍に、カーボンブラックが吸着した色素吸着層3が形成される。
Although there is no restriction | limiting in particular as immersion time in the case of an immersion method, In order to make more carbon black adsorb | suck to a semiconductor more reliably, it is desired to make it some length. The immersion time depends on the concentration of carbon black in the dispersion, the stirring state during the immersion treatment, the environmental temperature, and the like. Preferably, it is more than 10 hours.
The semiconductor layer after being in contact with the dispersion liquid is washed with the dispersion liquid as necessary and then dried to form the dye adsorption layer 3 on which carbon black is adsorbed on or near the surface.

(電解質層4)
電解質層4は、電解質がセルに封入された層であり、一般に封入された電解質が漏洩しないように密閉されて構成される(固体状の電解質の場合を除く)。当該電解質層4の構造は、特に制限は無く、従来より色素増感太陽電池における電解質層として公知の構造をそのまま選択することができる。
(Electrolyte layer 4)
The electrolyte layer 4 is a layer in which an electrolyte is sealed in a cell, and is generally hermetically sealed so that the sealed electrolyte does not leak (except in the case of a solid electrolyte). There is no restriction | limiting in particular in the structure of the said electrolyte layer 4, A conventionally well-known structure can be selected as it is as an electrolyte layer in a dye-sensitized solar cell conventionally.

用いる電解質としては、従来公知の色素増感太陽電池の場合、ヨウ素溶液を使用することが多いが、本発明においては特に限定されるものではない。また、最近では液体電解質だけではなく、固体電解質や常温溶融塩、ゲル化剤などを電解質層に使用し、固体化(擬固体化)の色素増感太陽電池の研究も進められており、これらの構成を本発明に適用することも全く問題がない。   In the case of a conventionally known dye-sensitized solar cell, an iodine solution is often used as the electrolyte to be used, but it is not particularly limited in the present invention. Recently, not only liquid electrolytes but also solid electrolytes, room-temperature molten salts, gelling agents, etc. are used in the electrolyte layer, and solid-state (pseudo-solidification) dye-sensitized solar cells are being studied. There is no problem in applying the above configuration to the present invention.

電解質が液体の場合には、電解質層4と対向電極5との間に間隙を設け、該間隙に電解質を封入するようにして電解質層4を形成する。この際、電解質層4と対向電極5との間で両者が接触しないようにして、電解質が封入される間隙を確保すべく、電解質層4と対向電極5との間に予めスペーサーを設けてから電解質を封入することが好ましい。   When the electrolyte is a liquid, a gap is provided between the electrolyte layer 4 and the counter electrode 5, and the electrolyte layer 4 is formed so as to enclose the electrolyte in the gap. At this time, a spacer is previously provided between the electrolyte layer 4 and the counter electrode 5 in order to prevent a contact between the electrolyte layer 4 and the counter electrode 5 and to secure a gap in which the electrolyte is enclosed. It is preferable to enclose the electrolyte.

(対向電極5)
対向電極5としては、従来公知の色素増感太陽電池の場合、白金を使うことが多いが、本発明においては特に限定されるものではない。対向電極5には、透明性が要求されないので、従来公知の各種金属やその他の導電性材料をそのまま用いることが可能である。勿論、既述の透明電極1と同様の材料を用いても構わない。最近では、活性炭のようなカーボン系材料、導電性ポリマーなどが材料候補として検討されている。また、対向電極5を厚膜にして基板を兼ねても構わないし、別途基板を設けても構わない。
(Counter electrode 5)
In the case of a conventionally known dye-sensitized solar cell, platinum is often used as the counter electrode 5, but is not particularly limited in the present invention. Since the counter electrode 5 is not required to be transparent, conventionally known various metals and other conductive materials can be used as they are. Of course, the same material as that of the transparent electrode 1 described above may be used. Recently, carbon-based materials such as activated carbon, conductive polymers, and the like have been studied as material candidates. Further, the counter electrode 5 may be used as a thick film to serve as a substrate, or a separate substrate may be provided.

以上、本発明の光電変換素子について説明したが、本発明の構成は、上記構成に限定されるものではない。   Although the photoelectric conversion element of the present invention has been described above, the configuration of the present invention is not limited to the above configuration.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
<光電変換素子の製造>
実施例1においては、太陽電池として利用可能な、図2に示される構造の光電変換素子を製造した。ここで、図2は、実施例1の光電変換素子の模式断面図である。図2において、符号6はガラス基板を表し、符号7はスペーサーであり、符号1〜5は、図1と同一である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these Examples.
[Example 1]
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
In Example 1, a photoelectric conversion element having a structure shown in FIG. 2 that can be used as a solar cell was manufactured. Here, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion element of Example 1. In FIG. 2, the code | symbol 6 represents a glass substrate, the code | symbol 7 is a spacer, and the codes | symbols 1-5 are the same as FIG.

(1:カーボンブラックカルボキシル化・・・カーボンブラックカルボン酸の合成)
カーボンブラック粉末(キャボット社製REGAL(登録商標)330、平均粒径25nm)3gを濃硝酸(60質量%水溶液、関東化学製)50mlに加え、120℃の温度条件で還流を50時間行い、カーボンブラックカルボン酸を合成した。以上の反応スキームを図3に示す。なお、図3中カーボンブラックの部分は、中抜き楕円形で表している。
(1: Carbon black carboxylation: synthesis of carbon black carboxylic acid)
Add 3 g of carbon black powder (REGAL (registered trademark) 330, manufactured by Cabot Corporation, average particle size 25 nm) to 50 ml of concentrated nitric acid (60% by weight aqueous solution, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), reflux at a temperature of 120 ° C. for 50 hours, Black carboxylic acid was synthesized. The above reaction scheme is shown in FIG. In FIG. 3, the carbon black portion is represented by a hollow ellipse.

溶液の温度を室温に戻したのち、12000rpmの条件で10分間の遠心分離を行い、上澄み液と沈殿物とを分離した。回収した沈殿物を純水25mlに分散させて、再び12000rpmの条件で10分間の遠心分離を行い、上澄み液と沈殿物とを分離した。沈殿物に純水約25mlを加え、18000rpmの条件で遠心分離を6時間行い褐色の上澄み液を回収した。   After returning the temperature of the solution to room temperature, the mixture was centrifuged for 10 minutes under the condition of 12000 rpm, and the supernatant and the precipitate were separated. The collected precipitate was dispersed in 25 ml of pure water and centrifuged again at 12000 rpm for 10 minutes to separate the supernatant and the precipitate. About 25 ml of pure water was added to the precipitate, and the mixture was centrifuged for 6 hours under the condition of 18000 rpm, and the brown supernatant was recovered.

上記3回の遠心分離操作のうち、最後の操作で回収された上澄み液の乾固物の赤外吸収スペクトルを測定したところ、カルボキシル基に特徴的な1734cm-1の吸収が確認された。このことから、硝酸との反応によって、カーボンブラックにカルボキシル基が導入されたことがわかった。また、上澄み液は褐色であり、このことは、カーボンブラックに十分に親水性のカルボキシル基が付加され、分散性が良好になった結果であると考えられる。以下、カーボンブラックカルボン酸と称する。 Among the above three centrifugation operations, when the infrared absorption spectrum of the dried solid product of the supernatant collected in the last operation was measured, the absorption at 1734 cm −1 characteristic for the carboxyl group was confirmed. From this, it was found that a carboxyl group was introduced into carbon black by reaction with nitric acid. Further, the supernatant liquid is brown, and this is considered to be a result of the addition of a sufficiently hydrophilic carboxyl group to carbon black and the good dispersibility. Hereinafter, it is referred to as carbon black carboxylic acid.

(2:半導体層付き透明電極層の作製)
a)酸化スズペーストの調製
酸化スズ(diameter、平均粒子径18.3nm、比表面積47.2m2/g、Aldrich製)1.35gを純水4mlに懸濁させ、トリトンX100(30%)1mlを加え、乳鉢で充分に混合した。さらに、アセチルアセトン0.1mlおよびポリエチレングリコール(数平均分子量20000)0.135gを加え、2時間乳鉢で混合し、酸化スズペーストを調製した。
(2: Production of transparent electrode layer with semiconductor layer)
a) Preparation of tin oxide paste 1.35 g of tin oxide (diameter, average particle size 18.3 nm, specific surface area 47.2 m 2 / g, manufactured by Aldrich) was suspended in 4 ml of pure water, and 1 ml of Triton X100 (30%) And mixed well in a mortar. Further, 0.1 ml of acetylacetone and 0.135 g of polyethylene glycol (number average molecular weight 20000) were added and mixed in a mortar for 2 hours to prepare a tin oxide paste.

(3:酸化スズ半導体層の形成)
得られた上記酸化スズペーストをITOガラス基板(ITOの膜が片面に形成されたガラス板。10Ω/□)のITO側の面に、スキージ法によって塗布膜厚みが50μmとなるように塗布した。常温で乾燥後、電気炉で450℃の温度条件下で30分間焼成することにより、厚さ約5μmの酸化スズの皮膜(半導体層)を得た。なお、ITOガラス基板におけるITOが、図2における透明電極層1、それを担持するガラス部分が、同ガラス基板6aに相当する。
(3: Formation of tin oxide semiconductor layer)
The obtained tin oxide paste was applied to the ITO side surface of an ITO glass substrate (a glass plate with an ITO film formed on one side; 10Ω / □) so as to have a coating film thickness of 50 μm by a squeegee method. After drying at room temperature, the film was baked for 30 minutes in an electric furnace at a temperature of 450 ° C. to obtain a tin oxide film (semiconductor layer) having a thickness of about 5 μm. The ITO in the ITO glass substrate corresponds to the transparent electrode layer 1 in FIG. 2, and the glass portion that carries the transparent electrode layer 1 corresponds to the glass substrate 6a.

(4:色素吸着層の形成・・・酸化スズ半導体層へのカーボンブラックカルボン酸の担持)
カーボンブラックカルボン酸5mgを純水10mlに分散させてカーボンブラック分散液を調製した。このカーボンブラック分散液に、酸化スズ半導体層が形成された上記ITOガラス基板を約12時間浸漬し、酸化スズ半導体層にカーボンブラックカルボン酸を吸着させて色素吸着層を形成した。
(4: Formation of dye adsorption layer: support of carbon black carboxylic acid on tin oxide semiconductor layer)
A carbon black dispersion was prepared by dispersing 5 mg of carbon black carboxylic acid in 10 ml of pure water. The ITO glass substrate on which the tin oxide semiconductor layer was formed was immersed in this carbon black dispersion for about 12 hours, and carbon black carboxylic acid was adsorbed on the tin oxide semiconductor layer to form a dye adsorption layer.

その後、上記ITOガラス基板を取り出し、乾燥させ、光電変換素子のセルの半導体部電極(ガラス基板6a、透明電極層1、半導体層2および色素吸着層3)として使用した。なお、酸化スズ半導体層のうち、カーボンブラックカルボン酸が吸着している領域が、図2における色素吸着層3に相当し、残りの部分が、同半導体層2に相当する。   Then, the said ITO glass substrate was taken out and dried, and it used as a semiconductor part electrode (The glass substrate 6a, the transparent electrode layer 1, the semiconductor layer 2, and the pigment | dye adsorption layer 3) of the cell of a photoelectric conversion element. In the tin oxide semiconductor layer, the region where the carbon black carboxylic acid is adsorbed corresponds to the dye adsorbing layer 3 in FIG. 2, and the remaining portion corresponds to the semiconductor layer 2.

(5:対向電極の作製)
ITOガラス基板(ITOの膜が片面に形成されたガラス板。10Ω/□)のITO側の面にイオンdcスパッタで白金を堆積させ、対向電極として使用した。白金が堆積した層が、図2における対向電極層5に相当し、ITOガラス基板が、同ガラス基板6bに相当する。
(5: Production of counter electrode)
Platinum was deposited by ion dc sputtering on the ITO side surface of an ITO glass substrate (glass plate with ITO film formed on one side; 10Ω / □), and used as a counter electrode. The layer on which platinum is deposited corresponds to the counter electrode layer 5 in FIG. 2, and the ITO glass substrate corresponds to the glass substrate 6b.

(6:電解質溶液の調製)
電解質層を構成する電解質溶液は、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム0.78315g、ヨウ素0.05076g、およびエチレンカーボネート(80vol%)10.568gに対してアセトニトリル(20vol%)を全体で10mlになるように加え、充分に混合しして得た。
(6: Preparation of electrolyte solution)
The electrolyte solution constituting the electrolyte layer was prepared by adding acetonitrile (20 vol%) to 10 ml in total with respect to 0.78315 g of tetrapropylammonium iodide, 0.05076 g of iodine, and 10.568 g of ethylene carbonate (80 vol%). Obtained by mixing well.

(7:セルの組み立て)
上記のようにして得られた、光電変換素子のセルの前記半導体部電極(ガラス基板、透明電極層、半導体層および色素吸着層)、前記対向電極、および前記電解質溶液を用いて、以下のようにして、セル状の光電変換素子を組み上げた。
(7: Cell assembly)
Using the semiconductor part electrode (glass substrate, transparent electrode layer, semiconductor layer and dye adsorption layer), the counter electrode, and the electrolyte solution of the cell of the photoelectric conversion element obtained as described above, as follows. Thus, a cell-like photoelectric conversion element was assembled.

前記半導体部電極の色素吸着層3が形成された表面に、僅かな隙間を設けて、前記対向電極を、白金が堆積された表面(対向電極層5)が対向するように重ね、その隙間に前記電解質溶液を含侵させた。その際、2枚の板が直接に接して短絡しないように、図2に示されるように、スペーサー7としてポリカプトンテープ(厚さ約50μm)で対向電極層5の表面に敷居を形成させておいた。色素吸着層3と対向電極層5との隙間に前記電解質溶液を含浸させた領域が、図2における電解質層4に相当する。
以上のようにして、実施例1の光電変換素子を製造した。
A slight gap is provided on the surface of the semiconductor part electrode on which the dye adsorption layer 3 is formed, and the counter electrode is overlapped so that the surface on which platinum is deposited (the counter electrode layer 5) is opposed to the gap. The electrolyte solution was impregnated. At that time, as shown in FIG. 2, a sill is formed on the surface of the counter electrode layer 5 with a polykapton tape (thickness of about 50 μm) as a spacer 7 so that the two plates are not in direct contact and short-circuited. Oita. A region where the gap between the dye adsorbing layer 3 and the counter electrode layer 5 is impregnated with the electrolyte solution corresponds to the electrolyte layer 4 in FIG.
The photoelectric conversion element of Example 1 was manufactured as described above.

<性能評価>
(光応答試験)
得られた実施例1の光電変換素子の光に対する電圧、電流の応答を測定した。光源として、ハロゲンランプ(林時計工業株式会社製、ルミナエース)を、電流電圧のモニターとしてデジタルマルチメーター(KEITHLEY製2000)をそれぞれ用いた。
<Performance evaluation>
(Light response test)
The voltage and current responses of the obtained photoelectric conversion element of Example 1 to light were measured. As a light source, a halogen lamp (manufactured by Hayashi Watch Industry Co., Ltd., Lumina Ace) was used, and as a current voltage monitor, a digital multimeter (2000 manufactured by KEITHLEY) was used.

結果を図4にグラフにて示す。ここで図4のグラフは、前記ハロゲンランプをオンオフすることにより、透明電極1−対向電極5間に生ずる開放電圧を測定した結果を時系列的に表したものである。30秒後に前記ハロゲンランプをオンにし、70秒後にオフにしている。
図4のグラフを見てもわかるとおり、前記ハロゲンランプを当てる(入射光:約35mW/cm2)ことによって、本実施例の光電変換素子の開放電圧が230mV出力されている。
The results are shown graphically in FIG. Here, the graph of FIG. 4 shows the results of measuring the open circuit voltage generated between the transparent electrode 1 and the counter electrode 5 by turning on and off the halogen lamp in time series. The halogen lamp is turned on after 30 seconds and turned off after 70 seconds.
As can be seen from the graph of FIG. 4, by applying the halogen lamp (incident light: about 35 mW / cm 2 ), the open-circuit voltage of the photoelectric conversion element of this example is output by 230 mV.

(発電実験)
さらに、実施例1の光電変換素子について、下記条件にて発電実験を行った。 この光電変換素子を、1Ωから1MΩまでの抵抗器に接続し、さらに光応答試験と同一の光源で光を当て(入射光:約35mW/cm2)、そのときに流れる電流および抵抗器に印加される電圧を、デジタルマルチメーター(KEITHLEY製2000)を用いて測定した。
(Power generation experiment)
Further, the photoelectric conversion element of Example 1 was subjected to a power generation experiment under the following conditions. Connect this photoelectric conversion element to a resistor of 1Ω to 1MΩ, and shine light with the same light source as the optical response test (incident light: about 35mW / cm 2 ), then apply the current flowing at that time and the resistor The measured voltage was measured using a digital multimeter (2000 manufactured by KEITHLEY).

結果を図5にグラフにて示す。ここで図5のグラフは、上記条件で行った発電実験により得られた結果について、電流−電圧特性を示すグラフである。図5に示されるグラフから、本実施例の光電変換素子では、開放電圧が190mV、最大出力が14μW/cm2(起電圧:93mV、電流:0.15mA/cm2の時)であることが確認された。
以上の結果より、本実施例の光電変換素子においては、光の照射より、発電されていることが確認できた。
The results are shown graphically in FIG. Here, the graph of FIG. 5 is a graph which shows a current-voltage characteristic about the result obtained by the power generation experiment performed on the said conditions. From the graph shown in FIG. 5, the photoelectric conversion element of this example has an open circuit voltage of 190 mV and a maximum output of 14 μW / cm 2 (when the electromotive voltage is 93 mV and the current is 0.15 mA / cm 2 ). confirmed.
From the above results, it was confirmed that the photoelectric conversion element of this example was generated by light irradiation.

(光電流アクションスペクトルの測定)
実施例1の光電変換素子について、単色光入射時の光電流アクションスペクトルを測定した。図6に、入射単色光あたりの光電変換効率IPCE(incident photons to current conversion efficiency)をグラフにて示す。このとき、露光強度は50μW/cm2、測定面積は0.25 cm2とした。
(Measurement of photocurrent action spectrum)
About the photoelectric conversion element of Example 1, the photocurrent action spectrum at the time of monochromatic light incidence was measured. FIG. 6 is a graph showing the photoelectric conversion efficiency IPCE (incident photo to current conversion efficiency) per incident monochromatic light. At this time, the exposure intensity was 50 μW / cm 2 and the measurement area was 0.25 cm 2 .

ここで、IPCEについて簡単に説明する。IPCEとは、ある波長において、入射したうちの電子へ変換された光子数の割合を百分率(%)で表したものであり、照射する光の波長を連続的に変化させながらセル(光電変換素子、太陽電池)の起電力を測定したものである。
IPCEは、以下の式で表される。
Here, IPCE will be briefly described. IPCE is the percentage (%) of the number of photons converted into electrons that are incident at a certain wavelength, and the cell (photoelectric conversion element) while continuously changing the wavelength of the irradiated light. , Solar cell).
IPCE is expressed by the following equation.

Figure 2007087772
Figure 2007087772

ここで、JSC(mA/cm2)は短絡電流、λ(nm)は入射光の波長、Φ(W/cm2)は入射光フラックス(単位面積あたりの入射光の強さ)である。
図6のグラフから、λ=400nm付近では、IPCEが90%以上を示し、測定条件下では高効率を示すことが分かる。
Here, J SC (mA / cm 2 ) is a short-circuit current, λ (nm) is the wavelength of incident light, and Φ (W / cm 2 ) is incident light flux (incident light intensity per unit area).
From the graph of FIG. 6, it can be seen that IPCE is 90% or more near λ = 400 nm, and high efficiency is exhibited under the measurement conditions.

[参考例1〜3]
増感色素として、カーボンブラックカルボン酸の代わりに、同じカーボン系の物質であるカーボンナノチューブとフラーレン(C60)を用いた光電変換素子を、実施例1と同様にして作製した。また、半導体層に増感色素を何ら吸着させなかった素子についても、実施例1と同様にして作製した。
[Reference Examples 1-3]
A photoelectric conversion element using carbon nanotubes and fullerene (C 60 ), which are the same carbon-based substance, instead of carbon black carboxylic acid as a sensitizing dye, was prepared in the same manner as in Example 1. An element in which no sensitizing dye was adsorbed on the semiconductor layer was also produced in the same manner as in Example 1.

(参考例1)
フラーレン(C60)は、そのままでは酸化スズ半導体層に吸着させづらいので、フラーレン(C60)に官能基が付加されて表面吸着性が上昇しているPCBM([6,6]−phenyl C61 butylic acid methyl ester)を使用した。具体的には、PCBMのトルエン分散液(1質量%)に、実施例1と同様にして得た、酸化スズ半導体層が形成されたITOガラス基板を約12時間浸漬し、酸化スズ半導体層にPCBMを吸着させた。その後、これを取り出し、乾燥させ、光電変換素子のセルの半導体部電極として使用し、実施例1と同様にして参考例1の光電変換素子を得た。
(Reference Example 1)
Fullerene (C 60) itself would hardly adsorbed on the tin oxide semiconductor layer, a fullerene PCBM a functional group is added to the surface adsorptive (C 60) is increasing ([6,6] -phenyl C 61 butyric acid methyl ester) was used. Specifically, an ITO glass substrate with a tin oxide semiconductor layer formed in the same manner as in Example 1 was immersed in a toluene dispersion (1% by mass) of PCBM for about 12 hours, and the tin oxide semiconductor layer was immersed in the tin oxide semiconductor layer. PCBM was adsorbed. Then, this was taken out, dried, used as a semiconductor part electrode of a cell of a photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion element of Reference Example 1 was obtained in the same manner as Example 1.

(参考例2)
一方、カーボンナノチューブも、そのままでは酸化スズ半導体層に吸着させづらい。そこで、カーボンナノチューブの表面にもカルボン酸を付加し、酸化スズ半導体層への吸着を可能とした。カーボンナノチューブにカルボキシル基を導入するには、酸化作用を有する酸とともに還流すればよい。この操作は比較的容易であり、しかも反応性に富むカルボキシル基を付加することができるため、好ましい。
(Reference Example 2)
On the other hand, carbon nanotubes are also difficult to adsorb on the tin oxide semiconductor layer as they are. Therefore, carboxylic acid was added to the surface of the carbon nanotube to enable adsorption to the tin oxide semiconductor layer. In order to introduce a carboxyl group into the carbon nanotube, it may be refluxed with an acid having an oxidizing action. This operation is relatively easy and is preferable because a carboxyl group rich in reactivity can be added.

具体的には、単層カーボンナノチューブ粉末(純度90%、平均直径1.1nm、長さ0.5〜100μm;アルドリッチ社製)30mgを濃硝酸(60質量%水溶液、関東化学製)20mlに加え、120℃の温度条件で還流を1.5時間行い、カーボンナノチューブカルボン酸を合成した。溶液の温度を室温に戻したのち、5000rpmの条件で15分間の遠心分離を行い、上澄み液と沈殿物とを分離した。回収した沈殿物を純水10mlに分散させて、再び5000rpmの条件で15分間の遠心分離を行い、上澄み液と沈殿物とを分離した(以上で、洗浄操作1回)。この洗浄操作をさらに5回繰り返し、最後に沈殿物を回収した。   Specifically, 30 mg of single-walled carbon nanotube powder (purity 90%, average diameter 1.1 nm, length 0.5 to 100 μm; manufactured by Aldrich) is added to 20 ml of concentrated nitric acid (60% by mass aqueous solution, manufactured by Kanto Chemical). The carbon nanotube carboxylic acid was synthesized by refluxing at a temperature of 120 ° C. for 1.5 hours. After returning the temperature of the solution to room temperature, centrifugation was performed at 5000 rpm for 15 minutes to separate the supernatant and the precipitate. The collected precipitate was dispersed in 10 ml of pure water, and centrifuged again at 5000 rpm for 15 minutes to separate the supernatant and the precipitate (the washing operation was performed once). This washing operation was further repeated 5 times, and finally the precipitate was collected.

回収された沈殿物について、赤外吸収スペクトルを測定した。また、比較のため、用いた多層カーボンナノチューブ原料自体の赤外吸収スペクトルも測定した。両スペクトルを比較すると、単層カーボンナノチューブ原料自体においては観測されていない、カルボン酸に特徴的な1735cm-1の吸収が、前記沈殿物の方には観測された。このことから、硝酸との反応によって、カーボンナノチューブにカルボキシル基が導入されたことがわかった。すなわち、沈殿物がカーボンナノチューブカルボン酸であることが確認された。
また、回収された沈殿物を中性の純水に添加してみると、分散性が良好であることが確認された。この結果は、親水性のカルボキシル基がカーボンナノチューブに導入されたという、赤外吸収スペクトルの結果を支持する。
An infrared absorption spectrum of the collected precipitate was measured. For comparison, the infrared absorption spectrum of the used multi-walled carbon nanotube raw material itself was also measured. When both spectra were compared, absorption of 1735 cm −1 characteristic of carboxylic acid, which was not observed in the single-walled carbon nanotube raw material itself, was observed in the precipitate. From this, it was found that a carboxyl group was introduced into the carbon nanotube by reaction with nitric acid. That is, it was confirmed that the precipitate was carbon nanotube carboxylic acid.
Further, when the collected precipitate was added to neutral pure water, it was confirmed that the dispersibility was good. This result supports the result of the infrared absorption spectrum that a hydrophilic carboxyl group was introduced into the carbon nanotube.

次に、ナノチューブカルボン酸の水分散液(1質量%)に、実施例1と同様にして得た、酸化スズ半導体層が形成されたITOガラス基板を約24時間浸漬し、酸化スズ電極にナノチューブカルボン酸を吸着させた。その後、これを取り出し、乾燥させ、光電変換素子のセルの半導体部電極として使用し、実施例1と同様にして参考例2の光電変換素子を得た。   Next, an ITO glass substrate with a tin oxide semiconductor layer formed in the same manner as in Example 1 was immersed in an aqueous dispersion (1% by mass) of nanotube carboxylic acid for about 24 hours, and nanotubes were immersed in the tin oxide electrode. Carboxylic acid was adsorbed. Then, this was taken out, dried and used as a semiconductor part electrode of a cell of a photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion element of Reference Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1.

(参考例3)
さらに、参考例3として、酸化スズ半導体層が形成されたITOガラス基板に対して何ら増感色素を吸着させずに、それ以外は実施例1と同様にして参考例3の素子を得た。
(Reference Example 3)
Further, as Reference Example 3, an element of Reference Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that no sensitizing dye was adsorbed to the ITO glass substrate on which the tin oxide semiconductor layer was formed.

このように作製した参考例1および2の光電変換素子、並びに参考例3の素子について、実施例1と同様の条件にて発電実験を行った。
結果を図7にグラフにて示す。ここで図7のグラフは、参考例1〜3について実施例1と同様の条件で行った発電実験により得られた電流−電圧特性の結果を、実施例1の結果と共に示すグラフである。図7に示されるグラフから、カーボンブラックカルボン酸を増感色素として用いた実施例1の光電変換素子の出力が最も高いことが分かる。
A power generation experiment was performed on the photoelectric conversion elements of Reference Examples 1 and 2 and the element of Reference Example 3 thus manufactured under the same conditions as in Example 1.
The results are shown graphically in FIG. Here, the graph of FIG. 7 is a graph showing the results of the current-voltage characteristics obtained by the power generation experiment performed under the same conditions as in Example 1 for Reference Examples 1 to 3 together with the results of Example 1. From the graph shown in FIG. 7, it can be seen that the output of the photoelectric conversion element of Example 1 using carbon black carboxylic acid as a sensitizing dye is the highest.

一方、PCBMやカーボンナノチューブカルボン酸を増感色素として用いた参考例1や2の光電変換素子も、出力は劣るが、増感色素を半導体層に吸着させていない参考例3の素子ではほとんど出力が検出されていないことと比較すると、確かに増感色素として働いていることが分かる。   On the other hand, the photoelectric conversion elements of Reference Examples 1 and 2 using PCBM or carbon nanotube carboxylic acid as a sensitizing dye have poor output, but the output of Reference Example 3 in which the sensitizing dye is not adsorbed on the semiconductor layer is almost output. As compared with the fact that is not detected, it can be seen that it works as a sensitizing dye.

本発明の光電変換素子は、以上説明したように、簡易に作製でき、低コストながら、光高率である点から、太陽電池として利用することができることは勿論であるが、光センサー等その他の各種光電変換素子としても極めて有用である。   As described above, the photoelectric conversion element of the present invention can be easily manufactured, and can be used as a solar cell from the viewpoint of high light efficiency at a low cost. It is extremely useful as various photoelectric conversion elements.

本発明の一例である光電変換素子の模式断面図である。It is a schematic cross section of the photoelectric conversion element which is an example of this invention. 実施例1の光電変換素子の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion element of Example 1. FIG. カーボンブラックへのカルボキシル基付加反応のスキームである。It is a scheme of a carboxyl group addition reaction to carbon black. 実施例1の光電変換素子の光応答試験結果を示すグラフである。3 is a graph showing a result of an optical response test of the photoelectric conversion element of Example 1. 実施例1の光電変換素子の発電実験結果を示すグラフである。3 is a graph showing a power generation experiment result of the photoelectric conversion element of Example 1. 実施例1の光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示すグラフである。6 is a graph showing the measurement result of the photocurrent action spectrum of the photoelectric conversion element of Example 1. 実施例1および参考例1〜3の光電変換素子の発電実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation experiment result of the photoelectric conversion element of Example 1 and Reference Examples 1-3.

符号の説明Explanation of symbols

1:透明電極層、 2:半導体層、 3:色素吸着層、 4:電解質層、 5:対向電極層、 6:ガラス基板、 7:スペーサー   1: Transparent electrode layer 2: Semiconductor layer 3: Dye adsorption layer 4: Electrolyte layer 5: Counter electrode layer 6: Glass substrate 7: Spacer

Claims (6)

透明電極層、半導体層、該半導体層を構成する半導体に色素が吸着されてなる色素吸着層、電解質層および対向電極層がこの順で積層されてなる光電変換素子であって、前記色素がカーボンブラックであることを特徴とする光電変換素子。 A photoelectric conversion element comprising a transparent electrode layer, a semiconductor layer, a dye adsorption layer formed by adsorbing a dye on a semiconductor constituting the semiconductor layer, an electrolyte layer, and a counter electrode layer in this order, wherein the dye is carbon A photoelectric conversion element characterized by being black. 前記カーボンブラックが、官能基を有するカーボンブラックであることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the carbon black is a carbon black having a functional group. 前記官能基が、カルボキシル基であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the functional group is a carboxyl group. 前記半導体層が、金属酸化物半導体で構成されることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of a metal oxide semiconductor. 前記半導体層が、酸化スズで構成されることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of tin oxide. 前記半導体層が、多孔質構造であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a porous structure.
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