JP2007095480A - 機能素子、機能素子の製造方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い光電変換効率を実現し得る機能素子およびその製造方法、かかる機能素子を備え、信頼性の高い電子機器を提供すること。
【解決手段】太陽電池１０は、第１の電極３０と、この第１の電極３０と対向する第２の電極と、第１の電極３０と第２の電極との間に設けられた光電変換層５０とを有し、光電変換層５０は、第１のイオン性基５１３を有する第１の色素包接錯体５１０を主成分とする第１の層５１と、この第１の層５１の第１の電極３０と反対側に、複数のイオン性基５２１ａ、５２１ｂを有するイオン性化合物５２０を主成分とする第２の層５２を介して設けられ、第２のイオン性基５３３を有する第２の色素包接錯体５３０を主成分とする第３の層５３とを備え、各層が互いにイオン結合してなる積層体５００を含んでなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、機能素子、機能素子の製造方法および電子機器に関するものである。

従来から、環境にやさしい電源として、シリコンを用いた光電変換素子、いわゆる太陽電池が注目を集めている。シリコンを用いた太陽電池の中には、人工衛星等に用いられる単結晶シリコン型の太陽電池もあるが、実用的なものとしては、特に多結晶シリコンを用いた太陽電池や、アモルファスシリコンを用いた太陽電池が、産業用や家庭用として実用化が始まっている。

しかしながら、これらのシリコンを用いた太陽電池は、いずれも、製造コストが高く、また、製造に多大なエネルギーを必要とするため、必ずしも省エネルギーな電源とは言えなかった。
これに替わる次世代の太陽電池として開発され、製造コストが安く、また、製造エネルギーが少ないとされる色素増感太陽電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、色素増感太陽電池は、未だ光電変換効率が低く、実用化に至っていないのが現状である。
また、医療検査技術や食品等の品質管理等の面から、高感度かつコンパクトな酵素センサ、免疫センサ、微生物センサ等のバイオセンサに対する要求が高まっている。

特開平１−２２０３８０号公報

本発明の目的は、例えば、高効率な光電変換素子や高感度な認識素子等、より高性能な機能素子およびその製造方法、かかる機能素子を備え、信頼性の高い電子機器を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の機能素子は、第１の電極と、前記第１の電極の一方の面側に配置された機能層とを有し、
前記機能層は、少なくとも１つの第１のゲスト分子と少なくとも１つの第１のホスト分子とからなる、第１のイオン性基を有する第１の包接錯体を含む第１の層と、
複数のイオン性基を有するイオン性化合物を含む第２の層とを含むことを特徴とする。
これにより、ゲスト分子同士が孤立化するため、ゲスト分子の多量化が防止され、また、ゲスト分子がカプセル化されるため、ゲスト分子の劣化を防止することができる。このようなことから、機能素子の特性の向上および長寿命化を図ることができる。

本発明の機能素子では、前記機能層は、少なくとも１つの第２のゲスト分子と少なくとも１つの第２のホスト分子とからなる、第２のイオン性基を有する第２の包接錯体を含む第３の層を含むことが好ましい。
これにより、性能がより向上する。
本発明の機能素子では、前記第１のイオン性基と前記第２のイオン性基とは、同じ極性の基であり、
前記イオン性化合物が有する前記複数のイオン性基は、いずれも、前記第１のイオン性基および前記第２のイオン性基と反対極性のイオン性基であることが好ましい。
これにより、性能がより向上する。

本発明の機能素子では、前記第１のホスト分子と、前記第２のホスト分子とは、同種の化合物であることが好ましい。
これにより、性能がより向上する。
本発明の機能素子では、前記第１のホスト分子および第２のホスト分子は、それぞれ、カリックスアレーンにイオン性基が導入された化合物であることが好ましい。
環状エーテル（特に、カリックスアレーン）は、脂溶性（疎水性）が高く、ゲスト分子を取り込み易く、取り込んだゲスト分子を確実に保持することができる。これにより、機能層の特性が早期に低下するのを防止することができ、結果として、機能素子の長寿命化を図ることができる。

本発明の機能素子では、前記第１のゲスト分子と、前記第２のゲスト分子とは、同種の色素であることが好ましい。
これにより、性能がより向上する。
本発明の機能素子は、第１の電極と、前記第１の電極の一方の面に対して垂直な方向である第１の方向に配置された機能層とを有し、
前記機能層は、少なくとも１つのゲスト分子と少なくとも１つのホスト分子とからなる、第１のイオン性基を有する第１の包接錯体が、前記第１の方向に複数個積層されていることを特徴とする。
これにより、ゲスト分子同士が孤立化するため、ゲスト分子の多量化が防止され、また、ゲスト分子がカプセル化されるため、ゲスト分子の劣化を防止することができる。このようなことから、機能素子の特性の向上および長寿命化を図ることができる。

本発明の機能素子では、前記第１のゲスト分子は、フラーレンであることが好ましい。
フラーレンは、可視光領域の波長の光を効率よく吸収し、電子を効率よく発生し得ることから好ましい。また、本発明によれば、フラーレンであっても、極性溶媒に可溶となり、また会合を防止できるため、取り扱いが容易となり、成膜もし易くなる。したがって、本発明は、ゲスト分子としてフラーレンを用いる場合へ適用するのが好適である。

本発明の機能素子では、前記第１の電極は、前記第１の電極の一方の面に、前記第１のイオン性基と反対極性の第３のイオン性基を有し、
前記第１のイオン性基と前記第３のイオン性基とは、イオン結合を形成していることが好ましい。
これにより、性能がより向上する。

本発明の機能素子では、さらに第２の電極を有し、
前記機能層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、
前記機能層と前記第２の電極との間には、前記機能層に接触する電解質層を有することが好ましい。
これにより、性能がより向上する。

本発明の機能素子では、前記第１の包接錯体は、前記機能層で発生したキャリアを前記第１の電極に伝達することが好ましい。
これにより、性能がより向上する。
本発明の機能素子では、前記第１のゲスト分子が光を吸収して、キャリアを発生させることが好ましい。
これにより、光電変換効率の高い機能素子が得られる。

本発明の機能素子の製造方法は、第１の電極の一方の面側に、少なくとも１つの第１のゲスト分子と少なくとも１つの第１のホスト分子とからなる、第１のイオン性基を有する第１の包接を含有する第１の液状材料を供給した後、乾燥させて、前記第１の層を形成する第１の工程と、
前記第１の層上に複数のイオン性基を有するイオン性化合物を含有する第２の液状材料を供給した後、乾燥させて、第２の層を形成する第２の工程と、
前記第２の層上に、少なくとも１つの第２のゲスト分子と少なくとも１つの第２のホスト分子とからなる、第２のイオン性基を有する第２の包接錯体を含有する第３の液状材料を供給した後、乾燥させて、第３の層を形成する第３の工程とを有することを特徴とする。
本発明の機能素子の製造方法によれば、液状材料の供給および乾燥を繰り返すという簡単な方法で、機能層を容易に形成することができるため、機能素子の製造コストの削減を図ることができる。

本発明の機能素子の製造方法では、前記第１の工程に先立って、前記第１の電極の一方の面に、前記第１のイオン性基と反対極性のイオン性基を導入する表面処理を行う工程を有することが好ましい。
これにより、より性能の高い機能素子を得ることができる。
本発明の電子機器は、本発明の機能素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。

以下、本発明の機能素子、機能素子の製造方法および電子機器を添付図面に示す好適な実施形態について詳細に説明する。
まず、本発明の機能素子を太陽電池（光電変換素子）に適用した場合について説明する。
図１は、太陽電池の構成を示す部分断面図、図２は、光電変換層を拡大して示す模式図、図３および図４は、それぞれ、図１に示す太陽電池を製造する方法を説明するための図（模式図）である。なお、以下の説明では、各図中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

図１に示す太陽電池１０は、基板２０上に設けられた第１の電極３０と、第１の電極３０と対向する第２の電極４０と、第１の電極３０と第２の電極４０との間において、第１の電極３０側に設けられた光電変換層５０と、第２の電極４０側に設けられ、光電変換層５０に接触する電解質層６０とを有している。以下、各構成要素について説明する。
基板２０は、第１の電極３０、光電変換層（機能層）５０、電解質層６０および第２の電極４０を支持するためのものである。

本実施形態の太陽電池１０は、図１に示すように、基板２０側から、例えば、太陽光等の光を入射して（照射して）使用するものである。このため、基板２０および第１の電極３０は、それぞれ、入射される光に対して十分な透過性を有するものとされる。
基板２０の構成材料としては、例えば、ガラス材料、セラミックス材料、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような樹脂材料、アルミニウムのような金属材料等が挙げられる。

基板２０の平均厚さは、その構成材料、太陽電池１０の用途等により適宜設定され、特に限定されないが、例えば、次のように設定することができる。
基板２０を硬質材料で構成する場合、その平均厚さは、０．１〜１．５ｍｍ程度であるのが好ましく、０．８〜１．２ｍｍ程度であるのがより好ましい。
また、基板２０を可撓性材料で構成する場合、その平均厚さは、０．５〜１５０μｍ程度であるのが好ましく、１０〜７５μｍ程度であるのがより好ましい。
基板２０上には、第１の電極３０が設けられている。
この第１の電極３０は、後述する光電変換層５０で発生した電子を受け取り、第１の電極３０に接続された外部回路７０へ伝達する。

第１の電極３０の構成材料としては、例えば、インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）、フッ素原子を含有する酸化錫（ＦＴＯ）、酸化インジウム（ＩＯ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）のような金属酸化物材料、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルまたはこれらを含む合金のような金属材料、黒鉛のような炭素材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、複数層の積層体等として）用いることができる。
この第１の電極３０は、その上面（光電変換層５０側の面）に、図２に示すように、後述する第１の包接化合物５１２（第１の色素包接錯体５１０）が有する第１のイオン性基５１３と反対極性のイオン性基３１を有している。

例えば、イオン性基３１としてアニオン性基を導入する場合、表面処理としては、例えば、第１の電極３０の上面に対して、Ｈ_２Ｏ_２／ＮＨ_３溶液等の処理液による処理の他、一方の末端に第１の電極３０と結合する結合基を、他方の末端にアニオン性基を有する化合物による処理等が挙げられる。なお、後者の処理に用いる化合物としては、例えば、メルカプトエタンスルホン酸等が挙げられる。
また、例えば、イオン性基３１としてカチオン性基を導入する場合、表面処理としては、例えば、第１の電極３０の上面（一方の面）に、一方の末端に第１の電極３０と結合する結合基を、他方の末端にカチオン性基を有する化合物による処理等が挙げられる。なお、かかる化合物としては、例えば、メルカプトエチルアミン塩酸塩等が挙げられる。

第１の電極３０の平均厚さは、その構成材料、太陽電池１０の用途等により適宜設定され、特に限定されないが、例えば、次のように設定することができる。
第１の電極３０を透明導電性酸化物材料で構成する場合、その平均厚さは、０．０５〜５μｍ程度であるのが好ましく、０．１〜１．５μｍ程度であるのがより好ましい。
また、第１の電極３０を金属材料や炭素材料で構成する場合、その平均厚さは、０．０１〜１μｍ程度であるのが好ましく、０．０３〜０．１μｍ程度であるのがより好ましい。
第１の電極３０には、光電変換層５０が接触して設けられている。
光電変換層５０は、光照射により、電子または正孔（キャリア）を発生し、電子を第１の電極３０に与える。

本実施形態の光電変換層５０は、図２に示すように、第１のイオン性基５１３を有する第１の色素包接錯体５１０を主成分とする第１の層５１と、この第１の層５１の第１の電極３０と反対側に、複数のイオン性基５２１ａ、５２１ｂを有するイオン性化合物５２０を主成分とする第２の層５２を介して設けられ、第２のイオン性基５３３を有する第２の色素包接錯体５３０を主成分とする第３の層５３とを備え、各層が互いにイオン結合してなる積層体５００で構成されている。

ここで、第１の色素包接錯体５１０は、第１の色素５１１をゲスト分子とし、この第１の色素５１１をホスト分子である第１の包接化合物５１２で包接（包み込んだ）化合物（ホスト−ゲスト錯体）である。
このように、色素を包接化合物により包接すると、色素同士が孤立化するため、色素の会合や多量化が抑制される。また、色素がカプセル化されるため、色素の光劣化を防止することができる。このようなことから、光電変換層５０（太陽電池１０）の光電変換効率の向上および長寿命化を図ることができる。

第２の色素包接錯体５３０も、第１の色素包接錯体５１０と同様であり、第２の色素５３１をゲスト分子とし、この第２の色素５３１をホスト分子である第２の包接化合物５３２で包接した化合物である。
第１の色素５１１および第２の色素５３１としては、それぞれ、例えば、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８のようなフラーレン、ポルフィリン、クマリン、ローダミン等が挙げられるが、中でも、フラーレンは分子が球状をしており、包接錯体のゲスト分子として好ましく、特に対称性の高いＣ６０が好ましい。

フラーレンは、可視光領域の波長の光を効率よく吸収し、電子を効率よく発生し得ることから好ましい。
ただし、フラーレンは、極性溶媒に対する溶解度が低く、また非常に会合（凝集）し易い。このため、取り扱いが難しく、また成膜し難い化合物である。しかしながら、本発明では、色素５１１、５３１を包接化合物５１２、５３２により包接して用いる。このため、フラーレンであっても、極性溶媒に可溶となり、また会合を防止できるようになる。このため、取り扱いが容易となり、成膜もし易くなる。したがって、フラーレンは、本発明において色素５１１、５３１として好適に用いられる。
特に、Ｃ６０は、立体対称性の分子構造を有するので、包接化合物５１２、５３２により安定的に包接される。

また、第１の色素（第１のゲスト分子）５１１と第２の色素（第２のゲスト分子）５３１とは、異なる種類の色素（化合物）であってもよい。例えば、第１の色素５１１を電子受容体として利用し、第２の色素５３１を電子供与体として利用してもよい。このように第１の層５１と第３の層５３との間で電子移動系を構築することにより、より効率の良くキャリアを発生させ、第１の電極３０に伝達することができる。第１の層５１と第３の層５３との間に第２の層５２を配置することにより、逆電子移動を抑制することができる。

第１の色素５１１と第２の色素５３１とが同種の色素である場合は、第１の層５１と第３の層５２との間で、光電変換効率のバラツキが生じるのを防止することができ、光電変換層５０の全体としての光電変換効率の向上を図ることができる。また、同種の色素をゲスト分子とする包接錯体からなる層を複数積層し、積層数を色素の種類や電解質層６０に用いられる材料等を考慮するなどして、積層数を適宜調整すれば、光の捕集効率や電極へのキャリアの伝達効率等を合計して光電変換効率が最大値となるような光電変換素子を得ることができる。
この場合、第１の色素５１１および第２の色素５３１に、それぞれ、フラーレンを用いると、より高い光電変換効率が得られ、また、光電変換層５０の光劣化耐性をより向上させることができる。

一方、第１の包接化合物（第１のホスト分子）５１２は、環状の母核５１４に、第１のイオン性基５１３が導入された化合物であり、環状の母核５１４の内側の空間に、第１の色素５１１が収納される。また、第２の包接化合物（第２のホスト分子）５３２も、第１の包接化合物５１２と同様に、環状の母核５３４に、第２のイオン性基５３３が導入された化合物である。

環状の母核５１４、５３４としては、例えば、カリックスアレーン類、クラウンエーテル類、シクロデキストリン類のような環状エーテル、クリプタントのような環状ポリアミン等、酸素や窒素等の複数のルイス塩基性を有する原子を、環状をなす有機鎖内に複数含んでいる化合物が挙げられるが、中でも、環状エーテルが好ましく、特に、カリックスアレーン類がフラーレンをゲスト分子として用いる場合、特に好ましい。

環状エーテル（特に、カリックスアレーン）は、脂溶性（疎水性）が高く、フラーレン等の色素を取り込み易く、取り込んだ色素を確実に保持することができる。これにより、光電変換層５０の特性が早期に低下するのを防止することができ、結果として、太陽電池１０の長寿命化を図ることができる。
かかる効果は、カリックスアレーンとフラーレンとの組み合わせにおいて、特に顕著である。
ここで、カリックスアレーンとは、複数個のフェノール単位がメチレン基などで結合され、全体として盃（杯）状の形状を有する環状オリゴマーであり、例えば、下記の一般式（Ｉ）で表すことができる。

このカリックスアレーンは、一般に、フェノール性水酸基を有する側が下部端、その反対側が上部端と称され、この上部端に、パイ電子系からなる疎水性の空孔が形成される。
このようなカリックスアレーンでは、図２に模式的に示すように、いわばサンドイッチ構造、すなわち２分子のカリックスアレーンの疎水性上部端の間に１分子の色素が挟まれ、それらの上部端の空孔内に疎水的結合を介して包接されることによって、包接錯体が構築される。
さて、カリックスアレーンは、一般に、構成するフェノール単位の数が多くなる（すなわち、前記一般式（Ｉ）においてｎ＋ｍが大きくなる）と、会合を起こし易くなり、色素との錯体形成能が低くなる傾向がある。

かかる観点から、カリックスアレーンとしては、ホモオキサカリックス［３］アレーン、すなわち前記一般式（Ｉ）において、Ｘ^１（＝Ｘ^２）が−ＣＨ_２ＯＣＨ_２−であり、Ｒ_１’＝Ｒ_２’、かつｎ＋ｍ＝３であるカリックスアレーンが好ましい。かかるカリックスアレーンを包接化合物５１２、５３２の母核５１４、５３４として用いることにより、より強固な包接錯体５１０、５３０を構築することができる。

このようなカリックスアレーンの合成法については、多くの文献に既述されている［Ｃ．Ｄ．Ｇｕｔｓｈｅ，Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，１６，１６１（１９８３）；Ｂ．Ｄｈａｗａｎ他、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，４８，１５３６（１９８３）；Ａ，ｉｋｅｄａ他、Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，１４０３（１９９９）など］ので、それらを参照することによって合成することができる。

さらに、前述したように、第１の色素５１１および第２の色素５３１に同種の色素を用いて、第１の色素包接錯体５１０および第２の色素包接錯体５３０に同種の包接錯体（化合物）とすることにより、光電変換層５０の形成（太陽電池１０の製造）が容易となる。
また、第１の色素包接錯体５１０が有する第１のイオン性基５１３および第２の色素包接錯体５３０が有する第２のイオン性基５３３としては、それぞれ、例えば、−Ｎ^＋Ｒ_３基のような正に帯電した基、ＳＯ_３ ⁻基のような負に帯電した基等が挙げられる。

本実施形態の光電変換層５０は、第１の層５１と第３の層５３との間に第２の層５２が設けられ、各層がイオン結合により結合されて構成されている。
第２の層５２は、複数のイオン性基を有するイオン性化合物５２０を主成分とする層である。このイオン性化合物５２０は、イオン性基として、第１の色素包接錯体５１０が有する第１のイオン性基５１３と反対極性のイオン性基５２１ａと、第２の色素包摂錯体５３０が有する第２のイオン性基５３３と反対極性のイオン性基５２１ｂとを有している。

これにより、イオン性化合物５２０は、第２の層５２中において、イオン性基５２１ａが第１のイオン性基５１３とイオン結合することにより第１の層５１側に、一方、イオン性基５２１ｂが第２のイオン性基５３３とイオン結合することにより第３の層５３側に向けて配向している。すなわち、イオン性化合物５２０は、第２の層５２の厚さ方向に配向している。
このように、第２の層５２の厚さ方向にイオン性化合物５２０が配向することにより、第１の色素５１１や第２の色素５３１で生じた正孔や電子を、光電変換層５０の厚さ方向に沿って円滑に移動させることができる。その結果、光電変換層５０の光電変換効率の向上を図ることができる。

なお、本実施形態の光電変換層５０では、２つの色素包接錯体を主成分とする層が、イオン性化合物を主成分とする層を介して結合した構成であるが、さらにイオン性化合物を主成分とする層を色素包接錯体を主成分とする層との間に介在させることにより、色素包接錯体を主成分とする層をさらに積層することも可能である。したがって、光電変換層５０の光電変換効率や、電極へのキャリアの伝達効率、光の透過率等を勘案して、色素包接錯体を主成分とする層の数を設定することにより、光電変換層５０（太陽電池１０）の光電変換効率の最適化を図ることができる。

イオン性化合物５２０が有するイオン性官能基５２１ａ、５２１ｂとしては、例えば、−ＳＯ^３−基のような負に帯電した基、−Ｎ^＋Ｒ_３基のような正に帯電した基等があげられる。
前述したように、好ましくは第１の包接化合物５１２と第２の包接化合物５３２とは、同種の化合物が用いられる。すなわち、好ましくは第１のイオン性基５１３と第２のイオン性基５３３とは、同種の極性を有する基が用いられる。この場合、イオン性化合物５２０が有するイオン性基５２１ａ、５２１ｂは、第１のイオン性基５１３および第２のイオン性基５３３と反対極性の基が選択される。

中でも、第１のイオン性基５１３および第２のイオン性基５３３が正に帯電した基、特に、−Ｎ^＋Ｒ_３基（アルキルアンモニオ基）である場合、イオン性化合物５２０が有するイオン性基５２１ａ、５２１ｂは、−ＳＯ_３ ⁻基（スルホン酸基）であるのが好ましい。スルホン酸基とアルキルアンモニオ基とは、確実にイオン結合を形成することから好ましい。
以上のような光電変換層５０の平均厚さは、特に限定されないが、１．４〜３５ｎｍ程度であるのが好ましく、１．５〜２０ｎｍ程度であるのがより好ましい。

なお、本実施形態では、光電変換層５０（積層体５００）が第１の電極３０に接触する場合について説明したが、本発明では、光電変換層５０は、第１の電極３０と積層体５００との間に半導体層を有する構成であってもよい。
この半導体層の構成材料としては、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、一酸化チタン（ＴｉＯ）、三酸化二チタン（Ｔｉ_２Ｏ_３）のような酸化チタン、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の酸化物半導体材料、ケイ素やゲルマニウム等の単体を利用した半導体材料、窒化ガリウム、インジウムリン、硫化亜鉛等の化合物半導体材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、図２に示す例では、イオン性基３１、５２１ａ、５２１ｂが負に帯電した基であり、イオン性基５１３、５３３が正に帯電した基であるが、これらの極性は反対であってもよい。
この光電変換層５０と第２の電極４０との間には、光電変換層５０に接触して、電解質組成物で構成される電解質層６０が設けられている。

電解質組成物に用いる電解質としては、特に限定されないが、例えば、Ｉ／Ｉ_３系、Ｂｒ／Ｂｒ_３系、Ｃｌ／Ｃｌ_３系、Ｆ／Ｆ_３系のようなハロゲン系、キノン／ハイドロキノン系、アスコルビン酸等が挙げられ、これらを単独または混合系として用いることができる。これらの中でも、電解質としては、Ｉ／Ｉ_３系が好ましい。
Ｉ／Ｉ_３系の電解質の具体例としては、例えば、Ｉ_２と、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、ＣｓＩ、ＣａＩ_２のような金属ヨウ化物や、テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドのような４級アンモニウム化合物ヨウ素塩等との組み合わせ等が挙げられる。

また、電解質組成物の調製に用いる溶媒としては、例えば、各種水、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルのようなニトリル類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートのようなカーボネート類、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンのような多価アルコール類、炭酸プロピレン等が挙げられ、これらを単独または混合溶媒として用いることができる。これらの溶媒を用いることにより、イオン伝導性に優れた電解質層６０が得られる。

電解質組成物中の電解質全体の濃度は、特に限定されないが、０．１〜２５ｗｔ％程度であるのが好ましく、０．５〜１５ｗｔ％程度であるのがより好ましい。
また、電解質層６０は、液状またはゲル状のいずれでもよい。前記電解質組成物にゲル化剤を添加することにより、電解質層６０をゲル状とすることができる。
この電解質層６０の光電変換層５０と反対側には、第２の電極４０が設けられている。

第２の電極４０の構成材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルのような金属またはこれらを含む合金、あるいは、黒鉛のような各種炭素材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
第２の電極４０の平均厚さは、その構成材料、太陽電池１０の用途等により適宜設定され、特に限定されない。

このような太陽電池１０に光が入射すると、光電変換層５０（色素５１１、５３１）において正孔および電子が生成し、光電変換層５０から電子（ｅ⁻）が第１の電極３０側へ移動し、正孔が第２の電極４０側に移動し、第２の電極４０第１の電極３０と第２の電極４０との間に、電位差（光起電力）が生じる。これにより、外部回路７０に、電流（光励起電流）が流れる。

ここで、この太陽電池１０では、光電変換層５０が、色素包接錯体を主成分とする層を複数有し、これらの層がイオン性化合物５２０を介して、第１の電極３０の上面（一方の面）に対して垂直な方向（第１の方向）に積層されており、これにより、高い光電変換効率を実現することができる。
なお、以上説明した太陽電池１０では、光の入射方向は、図示のものとは異なり、逆方向からであってもよい。すなわち、光の入射方向は、任意である。

このような太陽電池１０は、例えば、次のようにして製造することができる。
［１］第１の電極形成工程
まず、図３（ａ）に示すように、基板２０上に、第１の電極３０を形成する。
この第１の電極３０は、例えば、蒸着法、スパッタリング法等を用いた気相プロセス、印刷法等を用いた液相プロセスにより形成することができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、この第１の電極３０の上面に、第１の色素包接錯体５１０が有する第１のイオン性基５１３と反対極性のイオン性基３１を導入する表面処理を施す。
この表面処理については、前述した通りであるが、例えは、第１の電極３０の上面に、スルホン酸を導入するのに用い化合物としては、例えば、メルカプトエタンスルホン酸等が挙げられ、アミノ基を導入するのに用いられる化合物としては、例えば、メルカプトエチルアミン塩酸塩等が挙げられる。

これらの化合物による処理は、第１の電極３０の上面に、前記化合物の溶液を接触させることにより行うことができる。
この溶液を接触させる方法としては、例えば、溶液中に第１の電極３０が形成された基板２０を浸漬する方法（浸漬法）、第１の電極３０に溶液を塗布する方法（塗布法）、第１の電極３０に溶液をシャワー状に供給する方法（噴霧法）等が挙げられる。

［２］光電変換層形成工程
次に、第１の電極３０上に、光電変換層５０を形成する。
［２−１］ まず、第１の電極３０上（第１の電極３０の一方の面側）に、第１の層５１を形成する（第１の工程）。
この第１の層５１は、第１の電極３０上に、第１の色素包接錯体５１０を含有する液状材料を供給した後、乾燥させる（脱溶媒する）ことにより形成することができる。

なお、第１の電極３０上に液状材料を供給する方法には、前記の浸漬法、塗布法、噴霧法等を用いることがきる。
ここで、この液状材料は、第１の包接化合物（ホスト分子）５１２と色素（ゲスト分子）５１１とを極性溶媒に添加し、撹拌した後、溶け残った色素５１１を遠心分離等することにより除去して調製することができる。

また、液状材料の調製に用いる極性溶媒としては、例えば、水を単独、または、水を主成分とし、メタノール、エタノール等のアルコール類を含む混合液を用いることができる。
また、この液状材料中における第１の色素包接錯体５１０の濃度は、０．１５〜０．６ｍｍｏｌ／ｄｍ^３程度であるのが好ましく、０．１５〜０．３ｍｍｏｌ／ｄｍ^３程度でであるのがより好ましい。

このような液状材料を、塗布や浸漬等により第１の電極３０に接触させると、図３（ｃ）に示すように、第１の色素包接錯体５１０の第１のイオン性基５１３と、第１の電極３０の上面に導入されたイオン性基３１との静電的相互作用により、第１の電極３０の上面に第１の色素包摂錯体５１０がイオン結合する。これにより、第１の電極３０の上面に、第１の層５１が形成される。

［２−２］ 次に、第１の層５１に接触するように、第２の層５２を形成する（第２の工程）。
この第２の層５２も、前記第１の層５１と同様にして形成することができる。すなわち、第１の層５１に接触するように、イオン性化合物５２０を含有する液状材料を供給した後、乾燥させる（脱溶媒する）ことにより形成することができる。

液状材料の調製に用いる極性溶媒としては、例えば、水を単独、または、水を主成分とし、メタノール、エタノール等のアルコール類を含む混合液を用いることができる。
また、この液状材料中におけるイオン性化合物５２０の濃度は、０．１５〜１ｍｍｏｌ／ｄｍ^３程度であるのが好ましく、０．２〜０．４ｍｍｏｌ／ｄｍ^３程度であるのがより好ましい。

このような液状材料を、第１の層５１に接触させると、図４（ｄ）に示すように、第１の色素包接錯体５１０が有する第１のイオン性基５１３と、イオン性化合物５２０の一部のイオン性基５２１ａとの静電的相互作用により、第１の層５１の上面にイオン性化合物５２０がイオン結合する。これにより、第１の層５１の上面に、第２の層５２が形成される。

［２−３］ 次に、第２の層５２に接触するように、第３の層５３を形成する（第３の工程）。
この第３の層５３も、前記第１の層５１と同様にして形成することができる。すなわち、第２の層５２に接触するように、第２の色素包接錯体５３０を含有する液状材料を供給した後、乾燥あるいは液体材料に含まれていた溶媒を留去するすることにより形成することができる。
なお、液状材料の調製に用いる極性溶媒の種類や、液状材料中における第２の色素包接錯体５３０の濃度は、前記第１の層５１の場合と同様である。

このような液状材料を、第２の層５２に接触させると、図４（ｅ）に示すように、イオン性化合物５２０の第２の層５２の上面に露出するイオン性基５２１ｂと、第２の色素包接錯体５３０が有する第２のイオン性基５３３との静電的相互作用により、第２の層５２の上面に第２の色素包接錯体５３０がイオン結合する。これにより、第２の層５２の上面に、第３の層５３が形成され、光電変換層５０（積層体５００）が得られる。
なお、第１の層５１、第２の層５２および第３の層５３が、図示したような状態で形成されているか否かの確認は、例えば、水晶発振子、原子間力顕微鏡、走査型電子顕微鏡、紫外可視透過吸収スペクトル測定等を用いることで可能である。

［３］ 次に、光電変換層５０の上方（第３の層５３の第１の電極３０と反対側）に、スペーサ（図示せず）を介して、第１の電極３０に対向させて第２の電極４０を配置し、固定する（第４の工程）。
［４］ 次に、光電変換層５０と第２の電極４０との間の空間（空隙）に、前述したような電解質組成物を充填するとともに、必要に応じて、電解質組成物をゲル化する。
以上の工程を経て、太陽電池１０が得られる。
以上説明したような方法によれば、液状材料の供給および乾燥を繰り返すという簡単な方法で、光電変換層５０を容易に形成することができ、太陽電池（本発明の機能素子）１０の製造コストの削減を図ることができる。
本発明の電子機器は、このような太陽電池１０を備えるものである。

以下、図５および図６に基づいて、本発明の電子機器について説明する。
図５は、本発明の電子機器を適用した電卓を示す平面図、図６は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）を示す斜視図である。
図５に示す電卓１００は、本体部１０１と、本体部１０１の上面（前面）に設けられた表示部１０２、複数の操作ボタン１０３および太陽電池設置部１０４とを備えている。

図５に示す構成では、太陽電池設置部１０４には、太陽電池１０が５つ直列に接続されて配置されている。
図６に示す携帯電話機２００は、本体部２０１と、本体部２０１の前面に設けられた表示部２０２、複数の操作ボタン２０３、受話口２０４、送話口２０５および太陽電池設置部２０６とを備えている。
図６に示す構成では、太陽電池設置部２０６が、表示部２０２の周囲を囲むようにして、太陽電池１０が複数、直列に接続されて配置されている。
以上、本発明の機能素子、機能素子の製造方法および電子機器について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

また、機能素子および電子機器を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。
なお、本発明の機能素子は、太陽電池の他、例えば、バイオセンサー、光センサー、光スイッチのような、光を受光して電気エネルギーに変換する各種素子（受光素子）に適用することができるものである。
例えば、本発明の機能素子をバイオセンサーに適用する場合、このバイオセンサーは、機能層を電荷を伝達する層として利用し、機能層上にターゲットと反応する受容体を設け、当該反応の際に発生するキャリアを機能層を介して第１の電極に伝達させ、受容体によるターゲットの捕捉を電気的に検出するように構成することができる。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．下記化学式（II）に示すカリックス［３］アレーン誘導体の合成
カリックス［３］アレーン誘導体を、下記化２に示す反応経路で合成した。

まず、カリックス［３］アレーンのトリエステル体を原料として用意した。
そして、このカリックス［３］アレーンのトリエステル体に、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロパンジアミンを過剰に添加し、アミノリシスによりカリックス［３］アレーン誘導体の前駆体を得た。
次に、この前駆体をジメチル硫酸を用いてＮ−メチル化することにより、アルキルアンモニオ基を末端に有するカリックス［３］アレーン誘導体を合成した。
以下の各実施例および各比較例では、このカリックス［３］アレーン誘導体を、包接化合物として用いた。

２．太陽電池の製造
（実施例１）
以下のようにして、図１に示す太陽電池（光電変換素子）を製造した。
Ａ：まず、平均厚さ１．０ｍｍのソーダガラス基板を用意した。次に、このソーダガラス基板を８５℃の洗浄液（硫酸と過酸化水素水との混合液）に浸漬して洗浄を行い、その表面を清浄化した。

Ｂ：次に、ソーダガラス基板の上面に、真空蒸着法により、平均厚さ１μｍのＩＴＯ電極（第１の電極）を形成した。
Ｃ：次に、ＩＴＯ電極が形成された基板をエタノールに浸漬し、１５分間超音波照射を行って洗浄した後、風乾した。さらに、基板を、濃硫酸に２０分間浸漬した後、超純水で洗い流し、その表面を清浄化した。

Ｄ：次に、この基板を、３０ｗｔ％のＨ_２Ｏ_２水溶液と２８ｗｔ％のＮＨ_３水溶液とを、容量比１：１で混合した混合液に１５分間浸漬した。これにより、ＩＴＯ電極の表面にアニオン性基を導入した。
Ｅ：次に、基板を、超純水で洗浄した後、窒素蒸気を吹き付けて乾燥した。
Ｆ：次に、カリックス［３］アレーン誘導体を、０．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３の濃度で水に溶解し、この溶液に１０ｍＬに、色素としてＣ６０（フラーレン）を０．１０ｍｍｏｌ添加し、攪拌、超音波処理を繰り返し行った。その後、溶け残ったＣ６０を遠心分離して除去した。
なお、この包接錯体水溶液について、元素分析および可視・紫外吸収スペクトルの吸光度分析を行ったところ、カリックス［３］アレーンとＣ６０との比率が２：１である包接錯体が含まれることが確認された。

Ｇ：次に、基板を、この包接錯体水溶液に１０分間浸漬した後、取り出し、その後、超純水で洗浄し、窒素蒸気を吹き付けて乾燥した。これにより、ＩＴＯ電極の上面に、第１の層を形成した。
Ｈ：次に、０．２ｍｍｏｌ／ｄｍ^３の１，２−エタンジスルホン酸二ナトリウム塩（イオン性化合物）の水溶液（イオン性化合物水溶液）を用意した。
そして、基板を、このイオン性化合物水溶液に３０分間浸漬した後、取り出し、その後、超純水で洗浄し、窒素蒸気を吹き付けて乾燥した。これにより、第１の層の上面に、第２の層を形成した。

Ｉ：次に、基板を、再度、前述の包接錯体水溶液に１０分間浸漬した後、取り出し、その後、超純水で洗浄し、窒素蒸気を吹き付けて乾燥した。これにより、第２の層の上面に、第３の層を形成し、平均厚さ１７ｎｍの光電変換層を得た。
Ｊ：次に、前記ＩＴＯ電極に対向するように、平均厚さ５００μｍのＡｕ電極（第２の電極）を配置し、これらの周囲をエポキシ系接着剤で固定部を形成して固定した。なお、固定部の一部に注入口を形成した。
また、光電変換層とＡｕ電極との離間距離（平均）を５０μｍに設定した。
Ｋ：次に、形成された空間に、１ｗｔ％のテトラプロピルアンモニウムヨーダイドのアセトニトリル溶液（電解質組成物）を充填した後、注入口を封止した。

（実施例２）
前記工程Ｈおよび工程Ｉを、さらに１回追加した以外は、前記実施例１と同様にして太陽電池を製造した。
（実施例３）
色素として、Ｃ６０に代えて、ポルフィリンを用いた以外は、前記実施例１と同様にして太陽電池を製造した。

（比較例１）
前記工程Ｈおよび工程Ｉを省略した以外は、前記実施例１と同様にして太陽電池を製造した。
（比較例２）
前記工程Ｈおよび工程Ｉを省略した以外は、前記実施例３と同様にして太陽電池を製造した。

３．評価
各実施例および各比較例で製造した太陽電池に、それぞれ、人工太陽灯の光（照射光強度：ＡＭ１．５、１００Ｗ／ｍ^２）を、基板に対して９０°の方向から照射して、各太陽電池の光電変換効率について比較した。
その結果、各実施例で製造した太陽電池は、いずれも、各比較例で製造した太陽電池と比較して、光電変換効率に優れることが明らかとなった。
特に、実施例２で製造した太陽電池は、光電変換効率が高いものであった。

太陽電池の構成を示す部分断面図である。 光電変換層を拡大して示す模式図である。 図１に示す太陽電池を製造する方法を説明するための模式図である。 図１に示す太陽電池を製造する方法を説明するための模式図である。 本発明の電子機器を適用した電卓を示す平面図である。 本発明の電子機器を適用した携帯電話機を示す斜視図である。

符号の説明

１０……太陽電池 ２０……基板 ３０……第１の電極 ３１……イオン性基 ４０……第２の電極 ５０……光電変換層 ５００……積層体 ５１……第１の層 ５１０……第１の色素包接錯体 ５１１……第１の色素 ５１２……第１の包接化合物 ５１３……第１のイオン性基 ５１４……母核 ５２……第２の層 ５２０……イオン性化合物 ５２１ａ、５２１ｂ……イオン性基 ５３……第３の層 ５３０……第２の色素包接錯体 ５３１……第２の色素 ５３２……第２の包接化合物 ５３３……第２のイオン性基 ５３４……母核 ６０……電解質層 ７０……外部回路 １００……電卓 １０１……本体部 １０２……表示部 １０３……操作ボタン １０４……太陽電池設置部 ２００……携帯電話機 ２０１……本体部 ２０２……表示部 ２０３……操作ボタン ２０４……受話口 ２０５……送話口 ２０６……太陽電池設置部

Claims (15)

1. 第１の電極と、前記第１の電極の一方の面側に配置された機能層とを有し、
   前記機能層は、少なくとも１つの第１のゲスト分子と少なくとも１つの第１のホスト分子とからなる、第１のイオン性基を有する第１の包接錯体を含む第１の層と、
   複数のイオン性基を有するイオン性化合物を含む第２の層とを含むことを特徴とする機能素子。
2. 前記機能層は、少なくとも１つの第２のゲスト分子と少なくとも１つの第２のホスト分子とからなる、第２のイオン性基を有する第２の包接錯体を含む第３の層を含む請求項１に記載の機能素子。
3. 前記第１のイオン性基と前記第２のイオン性基とは、同じ極性の基であり、
   前記イオン性化合物が有する前記複数のイオン性基は、いずれも、前記第１のイオン性基および前記第２のイオン性基と反対極性のイオン性基である請求項２に記載の機能素子。
4. 前記第１のホスト分子と、前記第２のホスト分子とは、同種の化合物である請求項３に記載の機能素子。
5. 前記第１のホスト分子および第２のホスト分子は、それぞれ、カリックスアレーンにイオン性基が導入された化合物である請求項４に記載の機能素子。
6. 前記第１のゲスト分子と、前記第２のゲスト分子とは、同種の色素である請求項２ないし５のいずれかに記載の機能素子。
7. 第１の電極と、前記第１の電極の一方の面に対して垂直な方向である第１の方向に配置された機能層とを有し、
   前記機能層は、少なくとも１つのゲスト分子と少なくとも１つのホスト分子とからなる、第１のイオン性基を有する第１の包接錯体が、前記第１の方向に複数個積層されていることを特徴とする機能素子。
8. 前記第１のゲスト分子は、フラーレンである請求項１ないし７のいずれかに記載の機能素子。
9. 前記第１の電極は、前記第１の電極の一方の面に、前記第１のイオン性基と反対極性の第３のイオン性基を有し、
   前記第１のイオン性基と前記第３のイオン性基とは、イオン結合を形成している請求項１ないし８のいずれかに記載の機能素子。
10. さらに第２の電極を有し、
    前記機能層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、
    前記機能層と前記第２の電極との間には、前記機能層に接触する電解質層を有する請求項１ないし９のいずれかに記載の機能素子。
11. 前記第１の包接錯体は、前記機能層で発生したキャリアを前記第１の電極に伝達する請求項１ないし１０のいずれかに記載の機能素子。
12. 前記第１のゲスト分子が光を吸収して、キャリアを発生させる請求項１ないし１１のいずれかに記載の機能素子。
13. 第１の電極の一方の面側に、少なくとも１つの第１のゲスト分子と少なくとも１つの第１のホスト分子とからなる、第１のイオン性基を有する第１の包接を含有する第１の液状材料を供給した後、乾燥させて、前記第１の層を形成する第１の工程と、
    前記第１の層上に複数のイオン性基を有するイオン性化合物を含有する第２の液状材料を供給した後、乾燥させて、第２の層を形成する第２の工程と、
    前記第２の層上に、少なくとも１つの第２のゲスト分子と少なくとも１つの第２のホスト分子とからなる、第２のイオン性基を有する第２の包接錯体を含有する第３の液状材料を供給した後、乾燥させて、第３の層を形成する第３の工程とを有することを特徴とする機能素子の製造方法。
14. 前記第１の工程に先立って、前記第１の電極の一方の面に、前記第１のイオン性基と反対極性のイオン性基を導入する表面処理を行う工程を有する請求項１３に記載の機能素子の製造方法。
15. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の機能素子を備えることを特徴とする電子機器。
    

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