JP2007227146A - Photoelectric conversion material, semiconductor electrode, and photoelectric conversion element using same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having high conversion efficiency and high age-based characteristics. <P>SOLUTION: A compound represented by formula (I) is used as a photoelectric conversion material. A semiconductor electrode and the photoelectric conversion element use the photoelectric conversion material. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換素子に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric conversion element.

大量の化石燃料の使用で引き起こされるCO濃度増加による地球温暖化、更に人口増加に伴うエネルギー需要の増大は、人類の存亡にまで関わる問題と認識されている。そのため近年、無限で有害物質を発生しない太陽光の利用が精力的に検討されている。このクリーンエネルギー源である太陽光利用として現在実用化されているものは住宅用の単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンおよびテルル化カドミウムやセレン化インジウム銅等の無機系太陽電池が挙げられる。 Global warming caused by CO 2 concentration increases caused by the use of large amounts of fossil fuels, further increase in energy demand associated with population growth have been recognized as problems associated to the fate of mankind. For this reason, in recent years, the use of sunlight that is infinite and does not generate harmful substances has been energetically studied. What is currently put into practical use as sunlight, which is a clean energy source, includes residential single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and inorganic solar cells such as cadmium telluride and indium copper selenide.

しかしながら、これらの無機系太陽電池にも欠点がある。例えばシリコン系では、非常に純度の高いものが要求され、当然精製の工程は複雑でプロセス数が多く、製造コストが高い。それ以外にも軽量化等の要求もあり、特に、ユーザーへのペイバックが長い点でも不利であり、普及には問題があった。   However, these inorganic solar cells also have drawbacks. For example, a silicon system is required to have a very high purity. Naturally, the purification process is complicated, the number of processes is large, and the manufacturing cost is high. In addition, there is a demand for weight reduction and the like, and in particular, it is disadvantageous in that payback to the user is long, and there is a problem in the spread.

その一方で、有機材料を使う太陽電池も多く提案されている。有機太陽電池としては、p型有機半導体と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型光電変換素子、p型有機半導体とn型無機半導体、あるいはp型有機半導体と電子受容性有機化合物を接合させるヘテロ接合型光電変換素子等があり、利用される有機半導体は、クロロフィル、ペリレン等の合成色素や顔料、ポリアセチレン等の導電性高分子材料、またはそれらの複合材料等である。これらを真空蒸着法、キャスト法、またはディッピング法等により、薄膜化し電池材料が構成されている。有機材料は低コスト、大面積化が容易等の長所もあるが、変換効率は1%以下と低いものが多く、また耐久性も悪いという問題もあった。   On the other hand, many solar cells using organic materials have been proposed. As an organic solar cell, a Schottky photoelectric conversion element that joins a p-type organic semiconductor and a metal having a low work function, a p-type organic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor, or a p-type organic semiconductor and an electron-accepting organic compound are joined. There are heterojunction photoelectric conversion elements and the like, and organic semiconductors used are synthetic dyes and pigments such as chlorophyll and perylene, conductive polymer materials such as polyacetylene, or composite materials thereof. These are thinned by a vacuum deposition method, a casting method, a dipping method, or the like to form a battery material. Although organic materials have advantages such as low cost and easy area enlargement, there are many problems in that conversion efficiency is low at 1% or less, and durability is poor.

こうした状況の中で、良好な特性を示す太陽電池がスイスのグレッツェル博士らによって報告された(例えば、特許文献1)。提案された電池は色素増感型太陽電池、あるいはグレッツェル型太陽電池と呼ばれ、ルテニウム錯体で分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池である。この方式の利点は酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度まで精製する必要がないこと、従って安価で、更に利用できる光は広い可視光領域にまでわたっており、可視光成分の多い太陽光を有効に電気へ変換できることである。   Under such circumstances, a solar cell exhibiting good characteristics has been reported by Dr. Gretzell of Switzerland (for example, Patent Document 1). The proposed battery is called a dye-sensitized solar cell or a Gretzel solar cell, and is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized with a ruthenium complex as a working electrode. The advantage of this method is that it is not necessary to purify an inexpensive oxide semiconductor such as titanium oxide to high purity, and therefore, it is inexpensive and more usable light extends over a wide visible light region, so that a solar with a large amount of visible light components is used. It is that light can be effectively converted into electricity.

反面、資源的制約があるルテニウム錯体が使われているため、この太陽電池が実用化された場合に、ルテニウム錯体の供給が危ぶまれている。また、このルテニウム錯体は高価なため、安価な有機色素へ変更することが出来れば、この問題は解決出来る。この電池の色素としてこれらの問題を解決すべくインドリン骨格疑似体を用いたメロシアニン系有機色素が提案された(例えば、非特許文献1)。更にピラン骨格を有する有機色素が提案された(例えば、特許文献2)。しかしいずれの有機色素も、変換効率や経時特性の問題から実用化には至っていなかった。
米国特許4,927,721号明細書 特開2005―32475号公報 Journal of the American Chemical Society、2004、(126)、12218−12219
On the other hand, ruthenium complexes with limited resources are used, so when this solar cell is put to practical use, the supply of ruthenium complexes is in danger. Moreover, since this ruthenium complex is expensive, this problem can be solved if it can be changed to an inexpensive organic dye. In order to solve these problems, a merocyanine-based organic dye using an indoline skeleton mimetic has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). Furthermore, an organic dye having a pyran skeleton has been proposed (for example, Patent Document 2). However, none of the organic dyes has been put into practical use due to problems of conversion efficiency and aging characteristics.
US Pat. No. 4,927,721 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-32475 Journal of the American Chemical Society, 2004, (126), 12218-12219.

本発明の課題は、変換効率や経時特性に優れた光電変換素子を提供することである。   The subject of this invention is providing the photoelectric conversion element excellent in conversion efficiency and a time-dependent characteristic.

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、一般式[I]で示される化合物を光電変換材料として用いることで目標達成する事ができた。   As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors were able to achieve the goal by using the compound represented by the general formula [I] as a photoelectric conversion material.

光電変換材料とは、例えば導電性支持体を構成する材料、半導体電極を構成する材料、電解質、対極を構成する材料等、光を電気エネルギーに変換する素子を構成する全ての部材の事を意味する。可視領域に光電変換能を持たない半導体電極上に可視領域の光を吸収する色素を吸着担持させる事により、半導体電極の光電変換能を可視領域にまで拡大する事ができるが、このような目的で使用される色素は増感色素と呼ばれる。本発明の請求項2に記載される色素は、この増感色素として作用する。   The photoelectric conversion material means all members constituting an element that converts light into electric energy, such as a material constituting a conductive support, a material constituting a semiconductor electrode, an electrolyte, and a material constituting a counter electrode. To do. By adsorbing and supporting a dye that absorbs light in the visible region on a semiconductor electrode that does not have photoelectric conversion capability in the visible region, the photoelectric conversion capability of the semiconductor electrode can be expanded to the visible region. The dye used in is called a sensitizing dye. The dye described in claim 2 of the present invention acts as this sensitizing dye.

Figure 2007227146
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一般式[I]において、Rはアルキル基、アラルキル基、アルケニル基、アリール基、フェニル基、ヘテロ環を示し、置換基を有していてもよい。Rは水素原子、低級アルキル基または低級アルコキシ基であり、Rは水素原子、水酸基、低級アルキル基、低級アルコキシ基、フェニル基または低級アルキル基あるいは低級アルコキシ基で置換されていてもよいスチリル基であり、RとRは互いに結合して、それらが結合するピラン環の炭素原子とともに五員もしくは六員環を形成してもよい。RとRは両者で連結して五員環または六員環を形成するアルキレン残基を示す。Rは酸素原子の置換基であって、結合形式はイオン性結合でも共有結合でもよく、水素原子、アルキル基、あるいは四級アンモニウム塩を示す。四級アンモニウム塩の場合は窒素原子上にアルキル置換基を有してもよい。Lは水素原子または電子吸引性基であり、nは1以上の整数を示す。 In the general formula [I], R 1 represents an alkyl group, an aralkyl group, an alkenyl group, an aryl group, a phenyl group, or a heterocyclic ring, and may have a substituent. R 2 is a hydrogen atom, a lower alkyl group or a lower alkoxy group, and R 3 is a hydrogen atom, a hydroxyl group, a lower alkyl group, a lower alkoxy group, a phenyl group, a lower alkyl group or a styryl optionally substituted with a lower alkoxy group. R 2 and R 3 may be bonded to each other to form a 5-membered or 6-membered ring together with the carbon atom of the pyran ring to which they are bonded. R 4 and R 5 represent an alkylene residue which is linked together to form a 5-membered ring or a 6-membered ring. R 6 is a substituent of an oxygen atom, and the bond type may be an ionic bond or a covalent bond, and represents a hydrogen atom, an alkyl group, or a quaternary ammonium salt. In the case of a quaternary ammonium salt, it may have an alkyl substituent on the nitrogen atom. L is a hydrogen atom or an electron-withdrawing group, and n is an integer of 1 or more.

本発明で使用される一般式[I]の化合物を色素として用いることにより、優れた変換効率を示し、かつ経時特性に優れた光電変換素子を得ることが出来る。   By using the compound of the general formula [I] used in the present invention as a dye, it is possible to obtain a photoelectric conversion element that exhibits excellent conversion efficiency and excellent time-lapse characteristics.

一般式[I]で示される化合物は、特定の4H−ピラン骨格とインドリン骨格疑似体を有するポリメチンあるいはメロシアニン色素を含むことを特徴とする。   The compound represented by the general formula [I] includes a polymethine or merocyanine dye having a specific 4H-pyran skeleton and an indoline skeleton mimetic.

一般式[I]において、Rはメチル基、エチル基、イソプロピル基、n−ヘキシル基、2−エチルヘキシル基、ドデシル基等のアルキル基、ベンジル基、1−ナフチルメチル基等のアラルキル基、ビニル基、シクロヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、ナフチル基等のアリール基、フリル基、チエニル基、インドリル基等のヘテロ環残基を挙げることができる。また、R基は置換基を有していてもよく、その置換基の具体例としては、Rと同様のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基、n−ヘキシルオキシ基等のアルコキシ基、メチルチオ基、n−ヘキシルチオ基等のアルキルチオ基、フェノキシ基、1−ナフチルオキシ基等のアリールオキシ基、フェニルチオ基等のアリールチオ基、塩素、臭素等のハロゲン原子、ジメチルアミノ基、ジフェニルアミノ基等のジ置換アミノ基、Rと同様のアリール基、Rと同様のヘテロ環、カルボキシル基、カルボキシメチル基のようなカルボキシアルキル基、スルホニルプロピル基のようなスルホニルアルキル基、リン酸基、ヒドロキサム酸基等の酸性基、シアノ基、ニトロ基、トリフルオロメチル基等の電子吸引性基を挙げることができる。Rの具体例として、次のような置換基が用いられる。 In the general formula [I], R 1 represents an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, an n-hexyl group, a 2-ethylhexyl group or a dodecyl group, an aralkyl group such as a benzyl group or a 1-naphthylmethyl group, vinyl Group, an alkenyl group such as a cyclohexenyl group, an aryl group such as a phenyl group and a naphthyl group, and a heterocyclic residue such as a furyl group, a thienyl group and an indolyl group. The R 1 group may have a substituent. Specific examples of the substituent include the same alkyl group as R 1 , an alkoxy group such as a methoxy group, an ethoxy group, and an n-hexyloxy group, methylthio Groups, alkylthio groups such as n-hexylthio group, aryloxy groups such as phenoxy group and 1-naphthyloxy group, arylthio groups such as phenylthio group, halogen atoms such as chlorine and bromine, diamino such as dimethylamino group and diphenylamino group substituted amino group, the same aryl group as R 1, the same heterocycle with R 1, carboxyl group, carboxyalkyl carboxyalkyl group such as methyl group, sulfonyl propylsulfonyl alkyl groups such as groups, phosphate groups, hydroxamic acid And an electron-withdrawing group such as a cyano group, a nitro group, and a trifluoromethyl group. As specific examples of R 1 , the following substituents are used.

Figure 2007227146
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、Rについて説明する。低級アルキル基としては、炭素数1〜6の直鎖または分岐鎖状のアルキル基が挙げられる。具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、neo−ペンチル基、ヘキシル基などが挙げられる。低級アルコキシ基としては、炭素数1〜6の直鎖状または分岐鎖状のアルコキシ基が挙げられ、具体的には、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基、n−ペンチルオキシ基、イソペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基などが挙げられる。 R 2 and R 3 will be described. Examples of the lower alkyl group include linear or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, an n-pentyl group, an isopentyl group, a neo-pentyl group, and a hexyl group. . Examples of the lower alkoxy group include linear or branched alkoxy groups having 1 to 6 carbon atoms. Specific examples include a methoxy group, an ethoxy group, an n-propoxy group, an isopropoxy group, and an n-butoxy group. , Isobutoxy group, sec-butoxy group, tert-butoxy group, n-pentyloxy group, isopentyloxy group, hexyloxy group and the like.

置換基R、Rは互いに結合して、それらが結合するピラン環の炭素原子とともに、シクロヘサン環、ベンゼン環もしくは1,3−ジオキソラン環を形成してもよい。 The substituents R 2 and R 3 may be bonded to each other to form a cyclohesan ring, a benzene ring or a 1,3-dioxolane ring together with the carbon atoms of the pyran ring to which they are bonded.

置換基Lの電子吸引基としては、具体的にシアノ基、塩素などのハロゲン原子、トリフルオロメチル基、ニトロ基、フェニル基、アルコキシカルボキシル基、カルボキシル基及びそのエステル基、ベンゾイルオキシ基などが挙げられる。これらの中でも、ニトロ基を除くシアノ基、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシカルボニル基、トリフルオロエトキシカルボニル基、ベンゾイルオキシ基などが好ましい。一般式[I]におけるnは正の整数であって、好ましくは1〜3の整数である。   Specific examples of the electron-withdrawing group of the substituent L include a cyano group, a halogen atom such as chlorine, a trifluoromethyl group, a nitro group, a phenyl group, an alkoxycarboxyl group, a carboxyl group and its ester group, and a benzoyloxy group. It is done. Among these, a cyano group excluding a nitro group, a trifluoromethyl group, a trifluoromethoxycarbonyl group, a trifluoroethoxycarbonyl group, a benzoyloxy group, and the like are preferable. N in the general formula [I] is a positive integer, preferably an integer of 1 to 3.

とRは両者で連結して五員環または六員環を形成するアルキレン残基を示す。Rの具体例としては、水素原子の他に、メチル基、エチル基等のアルキル基、アンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラブチルアンモニウムイオン等の四級アンモニウム塩が挙げられる。 R 4 and R 5 represent an alkylene residue which is linked together to form a 5-membered ring or a 6-membered ring. Specific examples of R 6 include a hydrogen atom, an alkyl group such as a methyl group and an ethyl group, and a quaternary ammonium salt such as an ammonium ion, a tetraethylammonium ion, and a tetrabutylammonium ion.

次に、本発明の一般式[I]の化合物の具体例を挙げるが、これらに限定されるものではない。   Next, specific examples of the compound of the general formula [I] according to the present invention will be given, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2007227146
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一般式[I]で示される化合物は、たとえば2つの中間原料(アルデヒド化合物及び活性メチル化合物)を、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール、酢酸およびそのエステル体、トルエンなどの芳香族炭化水素、ジオキサンなどの環状エーテルなどの溶剤に分散もしくは溶解し、ピペリジン、酢酸アンモニウム、水酸化ナトリウムなどの塩基性化合物を触媒として、室温から150℃程度の温度範囲で撹拌しながら反応させて得ることができる。合成においては、原料の溶剤への溶解性の差異により、原料濃度、溶剤の種類、触媒の種類、反応温度などを変化させることが重要である。特に、均一溶剤で反応させることは反応促進の観点から重要である。   The compound represented by the general formula [I] includes, for example, two intermediate raw materials (aldehyde compound and active methyl compound), alcohol such as ethanol and isopropyl alcohol, acetic acid and ester thereof, aromatic hydrocarbon such as toluene, dioxane and the like. It can be obtained by being dispersed or dissolved in a solvent such as cyclic ether and reacting with stirring in a temperature range of room temperature to about 150 ° C. using a basic compound such as piperidine, ammonium acetate, sodium hydroxide and the like as a catalyst. In the synthesis, it is important to change the raw material concentration, the type of solvent, the type of catalyst, the reaction temperature, etc., depending on the difference in solubility of the raw material in the solvent. In particular, the reaction with a homogeneous solvent is important from the viewpoint of promoting the reaction.

一般式[I]で示される化合物の合成過程について、具体的に説明する。なお、以下の反応式における置換基はすべて一般式[I]に準ずる。   The synthesis process of the compound represented by the general formula [I] will be specifically described. In addition, all the substituents in the following reaction formula apply to general formula [I].

合成過程1
2−メチル−γ−ピロン誘導体(a)と活性メチレン誘導体(b)を、溶剤に溶解させ、触媒を加えて加熱し、化合物(c)を得る。
Synthesis process 1
A 2-methyl-γ-pyrone derivative (a) and an active methylene derivative (b) are dissolved in a solvent, a catalyst is added, and the mixture is heated to obtain a compound (c).

Figure 2007227146
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合成過程2
化合物(d)をジメチルホルムアミド中に溶解させて、オキシ塩化リン/ジメチルホルムアミド混合液を加え、窒素原子のパラ位にアルデヒド基が入った化合物(e)を得る。(ビルスマイヤー反応)
Synthesis process 2
Compound (d) is dissolved in dimethylformamide, and a mixed solution of phosphorus oxychloride / dimethylformamide is added to obtain compound (e) containing an aldehyde group at the para position of the nitrogen atom. (Vilsmeier reaction)

Figure 2007227146
Figure 2007227146

合成過程3
得られた化合物(c)と化合物(e)を溶剤中に溶解させて、更に触媒を混合して、加熱撹拌を行う。
Synthesis process 3
The obtained compound (c) and compound (e) are dissolved in a solvent, a catalyst is further mixed, and the mixture is heated and stirred.

Figure 2007227146
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合成過程3で得られた反応液から目的の化合物を取り出し、再結晶やカラム精製などを経て、本発明に用いられる。得られた化合物は、それの持つカルボン酸によって半導体層に吸着し、化合物の固有吸収帯域の光が照射された時、電荷分離を行い、半導体層に電子を注入する(光増感)。   The target compound is taken out from the reaction solution obtained in the synthesis step 3 and used in the present invention after recrystallization, column purification, and the like. The obtained compound is adsorbed to the semiconductor layer by its carboxylic acid, and when it is irradiated with light in the intrinsic absorption band of the compound, charge separation is performed and electrons are injected into the semiconductor layer (photosensitization).

本発明の光電変換素子は、表面に導電性を有する基板と、その導電性表面上に設置した色素によって増感された半導体層、電荷移動層及び対極からなる。半導体層は単層構成でも積層構成でもよく、目的に応じて設計される。また、導電性支持体の導電層と半導体層の境界、半導体層と移動層の境界等、この素子における境界においては、各層の構成成分は相互に拡散、または混合していてもよい。   The photoelectric conversion element of the present invention comprises a substrate having conductivity on the surface, a semiconductor layer sensitized by a dye placed on the conductive surface, a charge transfer layer, and a counter electrode. The semiconductor layer may be a single layer structure or a stacked structure, and is designed according to the purpose. In addition, at the boundary of this element such as the boundary between the conductive layer and the semiconductor layer of the conductive support, the boundary between the semiconductor layer and the moving layer, the constituent components of each layer may be diffused or mixed with each other.

表面に導電性を有する基板は、金属のように支持体そのものに導電性があるもの、または表面に導電剤を含む導電層を有するガラスあるいはプラスチックの支持体を用いることができる。後者の場合、導電剤としては白金、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、炭素、あるいはインジウム−スズ複合酸化物(以降「ITO」と略記する)、フッ素をドーピングした酸化スズ等の金属酸化物(以降「FTO」と略記する)等が挙げられる。表面に導電性を有する基板は、光を10%以上透過する透明性を有していることが好ましく、50%以上透過することがより好ましい。この中でも、ITOやFTOからなる導電層をガラス上に堆積した導電性ガラスが特に好ましい。   As the substrate having conductivity on the surface, a substrate having conductivity on the support itself such as metal, or a glass or plastic support having a conductive layer containing a conductive agent on the surface can be used. In the latter case, the conductive agent is a metal oxide such as platinum, gold, silver, copper, aluminum or the like, carbon or indium-tin composite oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), fluorine-doped tin oxide or the like. (Hereinafter abbreviated as “FTO”) and the like. The substrate having conductivity on the surface preferably has a transparency that transmits 10% or more of light, and more preferably transmits 50% or more. Among these, conductive glass in which a conductive layer made of ITO or FTO is deposited on glass is particularly preferable.

表面に導電性を有する透明基板における表面導電層の抵抗を下げる目的で、金属リード線を用いてもよい。金属リード線の材質はアルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル等の金属が挙げられる。金属リード線は、透明導電性支持体に蒸着、スパッタリング、圧着等で設置し、その上にITOやFTOを設ける方法、あるいは表面に導電性を有する透明基板上に金属リード線を設置する。   For the purpose of lowering the resistance of the surface conductive layer in the transparent substrate having conductivity on the surface, a metal lead wire may be used. Examples of the material of the metal lead wire include metals such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, and nickel. The metal lead wire is installed on the transparent conductive support by vapor deposition, sputtering, pressure bonding, or the like, and a method of providing ITO or FTO thereon or a metal lead wire on a transparent substrate having conductivity on the surface.

半導体としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、あるいは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。金属のカルコゲニドとしてはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、あるいはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、等のリン化物、ガリウム砒素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等が好ましい。また、ペロブスカイト構造を有する化合物としては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等が好ましい。   As the semiconductor, a single semiconductor such as silicon or germanium, a compound semiconductor typified by a metal chalcogenide, a compound having a perovskite structure, or the like can be used. Metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, or tantalum oxide, cadmium, zinc, lead, silver, antimony, bismuth. Sulfide, cadmium, lead selenide, cadmium telluride and the like. Other compound semiconductors are preferably phosphides such as zinc, gallium, indium, cadmium, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, and the like. As the compound having a perovskite structure, strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate and the like are preferable.

本発明に用いられる半導体は、単結晶でも多結晶でもよい。変換効率としては単結晶が好ましいが、製造コスト、原材料確保等の点では多結晶が好ましく、その半導体の粒径は2nm以上、1μm以下であることが好ましい。   The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystalline. As the conversion efficiency, a single crystal is preferable, but a polycrystal is preferable in terms of manufacturing cost, securing raw materials, and the like, and the particle size of the semiconductor is preferably 2 nm or more and 1 μm or less.

表面に導電性を有する基板上に半導体層を形成する方法としては、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法、ゾル−ゲル法等がある。その分散液の作製方法としては、前述のゾル−ゲル法、乳鉢等で機械的に粉砕する方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、あるいは半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させ、そのまま使用する方法等が挙げられる。   As a method for forming a semiconductor layer on a substrate having conductivity on the surface, there are a method of applying a dispersion or colloidal solution of semiconductor fine particles on a conductive support, a sol-gel method, and the like. The dispersion can be prepared by the above-mentioned sol-gel method, a method of mechanically pulverizing with a mortar, etc., a method of dispersing while pulverizing using a mill, or a fine particle in a solvent when synthesizing a semiconductor. And a method of using it as it is.

機械的粉砕、あるいはミルを使用して粉砕して作製する分散液の場合、少なくとも半導体微粒子単独、あるいは半導体微粒子と樹脂の混合物を水あるいは有機溶剤に分散して形成される。使用される樹脂としては、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等によるビニル化合物の重合体や共重合体、シリコーン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリエステル樹脂、セルロースエステル樹脂、セルロースエーテル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。   In the case of a dispersion prepared by mechanical pulverization or pulverization using a mill, it is formed by dispersing at least semiconductor fine particles alone or a mixture of semiconductor fine particles and a resin in water or an organic solvent. Resins used include polymers and copolymers of vinyl compounds such as styrene, vinyl acetate, acrylic acid esters, methacrylic acid esters, silicone resins, phenoxy resins, polysulfone resins, polyvinyl butyral resins, polyvinyl formal resins, polyester resins. , Cellulose ester resin, cellulose ether resin, urethane resin, phenol resin, epoxy resin, polycarbonate resin, polyarylate resin, polyamide resin, polyimide resin and the like.

半導体微粒子を分散する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、あるいはN−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができる。これらは単独、あるいは2種以上の混合溶媒として用いることができる。   Solvents for dispersing the semiconductor fine particles include alcohol solvents such as water, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate. Ester solvents, diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or ether solvents such as dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone , Dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodine Halogenated hydrocarbon solvents such as debenzene or 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, Examples thereof include hydrocarbon solvents such as m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene. These can be used alone or as a mixed solvent of two or more.

得られた分散液の塗布方法としては、ローラ法、ディップ法、エアナイフ法、ブレード法、ワイヤーバー等、スライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、あるいはスプレー法を挙げることができる。   Examples of a method for applying the obtained dispersion include a roller method, a dip method, an air knife method, a blade method, a wire bar, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method.

更に半導体層は、単層であっても多層であってもよい。多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布したり、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。また、一度の塗布で膜厚が不足する場合には多層塗布は有効な手段である。   Furthermore, the semiconductor layer may be a single layer or multiple layers. In the case of multiple layers, a dispersion of semiconductor fine particles having different particle diameters can be applied in multiple layers, or different types of semiconductors, and application layers having different compositions of resins and additives can be applied in multiple layers. In addition, when the film thickness is insufficient with a single coating, the multilayer coating is an effective means.

一般的に、半導体層の膜厚が増大するほど単位投影面積当たりの担持色素量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離も増えるために電荷の再結合も多くなってしまう。従って、半導体層の膜厚は0.1〜100μmが好ましく、1〜30μmがより好ましい。   In general, as the thickness of the semiconductor layer increases, the amount of supported dye increases per unit projected area and the light capture rate increases. However, the diffusion distance of the generated electrons also increases, and the recombination of charges also increases. End up. Therefore, the film thickness of the semiconductor layer is preferably 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 30 μm.

半導体微粒子は表面に導電性を有する基板上に塗布した後、粒子同士の電子的コンタクトを向上させる目的から、加熱処理を行ってもよい。更に、マイクロ波照射、プレス処理あるいは電子線照射を行ってもよく、これらの処理は単独で行っても二種類以上行っても構わない。加熱処理の際、あまりに温度を上げすぎると酸化チタンの比表面積が低下するために、加熱温度は40〜700℃が好ましく、更に、80〜600℃がより好ましい。また、加熱時間は5分〜50時間が好ましく、10分〜20時間がより好ましい。マイクロ波照射は、半導体電極の半導体層形成側から照射しても、裏側から照射しても構わない。照射時間には特に制限が無いが、1時間以内で行うことが好ましい。   The semiconductor fine particles may be subjected to a heat treatment for the purpose of improving the electronic contact between the particles after being coated on a substrate having conductivity on the surface. Furthermore, microwave irradiation, press treatment, or electron beam irradiation may be performed, and these treatments may be performed alone or in combination of two or more. In the heat treatment, if the temperature is raised too much, the specific surface area of titanium oxide decreases, so the heating temperature is preferably 40 to 700 ° C, and more preferably 80 to 600 ° C. The heating time is preferably 5 minutes to 50 hours, and more preferably 10 minutes to 20 hours. The microwave irradiation may be performed from the semiconductor layer forming side of the semiconductor electrode or from the back side. Although there is no restriction | limiting in particular in irradiation time, It is preferable to carry out within 1 hour.

本発明の半導体電極および光電変換素子は、一般式[I]で示される化合物を色素として用いる。また、これらを併用しても構わない。   The semiconductor electrode and photoelectric conversion element of the present invention use a compound represented by the general formula [I] as a dye. Moreover, you may use these together.

半導体層に色素を吸着させる方法としては、色素溶液中あるいは色素分散液中に半導体微粒子を含有する作用電極を浸漬する方法、色素溶液あるいは分散液を半導体層に塗布して吸着させる方法を用いることができる。前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等を用いることができ、後者の場合は、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。   As a method of adsorbing the dye to the semiconductor layer, a method of immersing a working electrode containing semiconductor fine particles in a dye solution or a dye dispersion, or a method of applying a dye solution or a dispersion to the semiconductor layer and adsorbing it is used. Can do. In the former case, dipping method, dipping method, roller method, air knife method, etc. can be used, and in the latter case, wire bar method, slide hopper method, extrusion method, curtain method, spin method, spray method, etc. Can be used.

色素を吸着する際、縮合剤を併用してもよい。縮合剤は、無機物表面に物理的あるいは化学的に色素を結合すると思われる触媒的作用をするもの、または化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。更に、縮合助剤としてチオール、あるいはヒドロキシ化合物を添加してもよい。   When adsorbing the dye, a condensing agent may be used in combination. The condensing agent may be either one that has a catalytic action that is supposed to physically or chemically bind the dye to the inorganic surface, or one that acts stoichiometrically to favorably shift the chemical equilibrium. Furthermore, a thiol or a hydroxy compound may be added as a condensation aid.

色素を溶解、あるいは分散する溶媒は、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、あるいはN−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができ、これらは単独、あるいは2種以上の混合として用いることができる。   Solvents for dissolving or dispersing the dye are water, methanol, ethanol, alcohol solvents such as isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, or methyl isobutyl ketone, ethyl formate, ethyl acetate, or n-butyl acetate. Ester solvents such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or dioxane, nitrile solvents such as acetonitrile, propionitrile, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or Amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-di Halogenated hydrocarbon solvents such as lolobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, or 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene , Hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, or cumene, and these can be used alone or as a mixture of two or more.

これらを用い、色素を吸着する際の温度としては、−50℃以上、200℃以下が好ましい。また、この吸着は攪拌しながら行っても構わない。攪拌する場合の方法としては、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザー、あるいは超音波分散等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。吸着に要する時間は、5秒以上、1000時間以下が好ましく、10秒以上、500時間以下がより好ましく、1分以上、150時間が更に好ましい。   The temperature at which these are used and the dye is adsorbed is preferably -50 ° C or higher and 200 ° C or lower. Further, this adsorption may be performed while stirring. Examples of the stirring method include, but are not limited to, a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, and ultrasonic dispersion. The time required for adsorption is preferably 5 seconds or more and 1000 hours or less, more preferably 10 seconds or more and 500 hours or less, and further preferably 1 minute or more and 150 hours.

本発明に係わる電荷輸送層としては、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機正孔輸送物質、有機正孔輸送物質等を用いることができる。   As the charge transport layer according to the present invention, an electrolytic solution in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, a gel electrolyte in which a polymer matrix is impregnated with a liquid in which the redox couple is dissolved in an organic solvent, a molten salt containing the redox couple, A solid electrolyte, an inorganic hole transport material, an organic hole transport material, or the like can be used.

本発明で使用される電解液は、電解質、溶媒、及び添加物から構成されることが好ましい。好ましい電解質はヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化カルシウム等の金属ヨウ化物−ヨウ素の組み合わせ、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等の4級アンモニウム化合物のヨウ素塩−ヨウ素の組み合わせ、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、臭化カルシウム等の金属臭化物−臭素の組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の4級アンモニウム化合物の臭素塩−臭素の組み合わせ、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩、フェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等が挙げられる。上述の電解質は単独の組み合わせであっても混合であってもよい。また、電解質として、室温で溶融状態の溶融塩を用いることもできる。この溶融塩を用いた場合は、特に溶媒を用いなくても構わない。   The electrolytic solution used in the present invention is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. Preferred electrolytes are metal iodide-iodine combinations such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, and calcium iodide, and quaternary compounds such as tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, and imidazolium iodide. Iodine salt of ammonium compound-iodine combination, metal bromide-bromine combination such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, calcium bromide, quaternary ammonium such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide Bromine-bromine combinations of compounds, metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate, ferrocene-ferricinium ion, sulfur compounds such as sodium polysulfide, alkylthiol-alkyldisulfide, viologen Dye, hydroquinone - quinones, and the like. The above-mentioned electrolytes may be a single combination or a mixture. Further, a molten salt in a molten state at room temperature can also be used as the electrolyte. When this molten salt is used, it is not necessary to use a solvent.

電解液における電解質濃度は、0.05〜20Mが好ましく、0.1〜15Mが更に好ましい。電解液に用いる溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、3−メチル−2−オキサゾリジノン等の複素環化合物、ジオキサン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等のエーテル系溶媒、メタノール、エタノール、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のアルコール系溶媒、アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル系溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の非プロトン性極性溶媒等が好ましい。また、t−ブチルピリジン、2−ピコリン、2,6−ルチジン等の塩基性化合物を併用しても構わない。   The electrolyte concentration in the electrolytic solution is preferably 0.05 to 20M, and more preferably 0.1 to 15M. Solvents used for the electrolyte include carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, ether solvents such as dioxane, diethyl ether and ethylene glycol dialkyl ether, methanol, ethanol Alcohol solvents such as polypropylene glycol monoalkyl ether, nitrile solvents such as acetonitrile and benzonitrile, aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide and sulfolane are preferred. Further, basic compounds such as t-butylpyridine, 2-picoline, and 2,6-lutidine may be used in combination.

無機正孔輸送物質を電解質の代わりに用いる場合、ヨウ化銅、チオシアン化銅等をキャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解メッキ等の手法により電極内部に導入することができる。   When an inorganic hole transport material is used instead of the electrolyte, copper iodide, copper thiocyanide, or the like can be introduced into the electrode by a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, electrolytic plating, or the like.

また、電解質の代わりに有機電荷輸送物質を用いることも可能である。例えば特公昭34−5466号公報等に示されているオキサジアゾール類、特公昭45−555号公報等に示されているトリフェニルメタン類、特公昭52−4188号公報等に示されているピラゾリン類、特公昭55−42380号公報等に示されているヒドラゾン類、特開昭56−123544号公報等に示されているオキサジアゾール類、特開昭54−58445号公報に示されているテトラアリールベンジジン類、特開昭58−65440号公報、あるいは特開昭60−98437号公報に示されているスチルベン類等を挙げることができる。その中でも、本発明に使用される電荷輸送物質としては、特開昭60−24553号公報、特開平2−96767号公報、特開平2−183260号公報、並びに特開平2−226160号公報に示されているヒドラゾン類、特開平2−51162号公報、並びに特開平3−75660号公報に示されているスチルベン類が特に好ましい。また、これらは単独、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。   It is also possible to use an organic charge transport material instead of the electrolyte. For example, oxadiazoles shown in Japanese Patent Publication No. 34-5466 etc., triphenylmethanes shown in Japanese Patent Publication No. 45-555 etc., and Japanese Patent Publication No. 52-4188. Pyrazolines, hydrazones disclosed in JP-B-55-42380, oxadiazoles disclosed in JP-A-56-123544, etc., disclosed in JP-A-54-58445 Tetraarylbenzidines, and stilbenes disclosed in JP-A-58-65440 or JP-A-60-98437. Among them, examples of the charge transport material used in the present invention are shown in JP-A-60-24553, JP-A-2-96767, JP-A-2-183260, and JP-A-2-226160. Particularly preferred are the hydrazones described, and the stilbenes shown in JP-A-2-51162 and JP-A-3-75660. Moreover, these can be used individually or in mixture of 2 or more types.

また、有機電荷輸送物質として、導電性高分子を用いることも可能である。ポリアニリンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体などが用いることができるが、特にポリチオフェンは正孔輸送能が高く優れた導電性高分子である。特に3位のアルキル置換体はトルエン、クロロホルム、テトラヒドロフランなどの有機溶剤に可溶であることから、取り扱いが容易で、かつ優れた成膜性を有する為に、本発明には有効な電荷輸送性物質である。また、3位に反応性官能基を有する3−チオフェンメタノール、3−チフェンエタノール、3−チオフェンアルデヒドを出発物質として長鎖アルキルなどの感応基を導入したポリチオフェンも利用可能である。   Further, a conductive polymer can be used as the organic charge transport material. Polyaniline and derivatives thereof, polypyrrole and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, and the like can be used. In particular, polythiophene is an excellent conductive polymer having a high hole transporting ability. In particular, since the alkyl substituted at the 3-position is soluble in organic solvents such as toluene, chloroform, tetrahydrofuran, etc., it is easy to handle and has excellent film-forming properties. It is a substance. In addition, polythiophene into which a sensitive group such as a long-chain alkyl is introduced using 3-thiophene methanol, 3-thiophene ethanol, or 3-thiophene aldehyde having a reactive functional group at the 3-position as a starting material can also be used.

3位にアルキル置換体を有するポリチオフェン誘導体としては、具体的にポリ(3−ブチルチオフェン−2、5−ジイル)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2、5−ジイル)(以下P3HTと略す)、ポリ(3−オクチルチオフェン−2、5−ジイル)、ポリ(3−デシルチオフェン−2、5−ジイル)、ポリ(3−ドデシルチオフェン−2、5−ジイル)、ポリ(3−シクロヘキシル−4−メチルチオフェン−2、5−ジイル)、ポリ(3−シクロヘキシルチオフェン−2、5−ジイル)、ポリ(3−フェニルチオフェン−2、5−ジイル)などが挙げられる。   Specific examples of polythiophene derivatives having an alkyl substituent at the 3-position include poly (3-butylthiophene-2,5-diyl), poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (hereinafter abbreviated as P3HT), Poly (3-octylthiophene-2,5-diyl), poly (3-decylthiophene-2,5-diyl), poly (3-dodecylthiophene-2,5-diyl), poly (3-cyclohexyl-4- Methylthiophene-2,5-diyl), poly (3-cyclohexylthiophene-2,5-diyl), poly (3-phenylthiophene-2,5-diyl) and the like.

さらに、電荷輸送層中の電荷輸送効率を向上させる目的として、ある種の電子吸引性化合物を電荷輸送層中に添加することもできる。この電子吸引性化合物としては例えば、2,3−ジクロロ−1,4−ナフトキノン、1−ニトロアントラキノン、1−クロロ−5−ニトロアントラキノン、2−クロロアントラキノン、フェナントレンキノン等のキノン類、4−ニトロベンズアルデヒド等のアルデヒド類、9−ベンゾイルアントラセン、インダンジオン、3,5−ジニトロベンゾフェノン、あるいは3,3′,5,5′−テトラニトロベンゾフェノン等のケトン類、無水フタル酸、4−クロロナフタル酸無水物等の酸無水物、テレフタラルマロノニトリル、9−アントリルメチリデンマロノニトリル、4−ニトロベンザルマロノニトリル、あるいは4−(p−ニトロベンゾイルオキシ)ベンザルマロノニトリル等のシアノ化合物、3−ベンザルフタリド、3−(α−シアノ−p−ニトロベンザル)フタリド、あるいは3−(α−シアノ−p−ニトロベンザル)−4,5,6,7−テトラクロロフタリド等のフタリド類等を挙げることができる。更に、微量なヨウ素も利用可能である。   Furthermore, for the purpose of improving the charge transport efficiency in the charge transport layer, a certain kind of electron withdrawing compound can be added to the charge transport layer. Examples of the electron-withdrawing compound include quinones such as 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone, 1-nitroanthraquinone, 1-chloro-5-nitroanthraquinone, 2-chloroanthraquinone, and phenanthrenequinone, 4-nitro Aldehydes such as benzaldehyde, ketones such as 9-benzoylanthracene, indandione, 3,5-dinitrobenzophenone, or 3,3 ', 5,5'-tetranitrobenzophenone, phthalic anhydride, 4-chloronaphthalic anhydride Acid anhydrides such as terephthalalmalononitrile, 9-anthrylmethylidenemalononitrile, 4-nitrobenzalmalononitrile, or cyano compounds such as 4- (p-nitrobenzoyloxy) benzalmalononitrile, 3-benzalphthalide , 3- (α-cyano- - Nitorobenzaru) phthalide, or 3- (alpha-cyano -p- Nitorobenzaru) -4,5,6,7 can be mentioned phthalides such as tetrachloro phthalide like. Furthermore, trace amounts of iodine can also be used.

電荷輸送材料を用いて電荷輸送層を形成する場合、樹脂を併用しても構わない。樹脂を併用する場合にはポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリアリレート樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂が好ましい。これらの樹脂は、単独あるいは共重合体として2種以上を混合しても構わない。   When forming a charge transport layer using a charge transport material, a resin may be used in combination. When resin is used in combination, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polysulfone resin, polycarbonate resin, polyester resin, polyphenylene oxide resin, polyarylate resin, acrylic resin, methacrylic resin, phenoxy resin and the like can be mentioned. Among these, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polycarbonate resin, polyester resin, and polyarylate resin are preferable. These resins may be used alone or as a copolymer in combination of two or more.

電荷輸送層の形成方法は大きく2通りの方法が挙げられる。1つは増感色素を担持した半導体層の上に、先に対極を貼り合わせ、その隙間に液状の電荷輸送層を挟み込む方法、もう一つは、増感色素を担持した半導体層の上に直接電荷輸送層を付与する方法である。後者の場合、電荷輸送層の上に対極を新たに付与することになる。   There are two main methods for forming the charge transport layer. One is a method in which a counter electrode is first pasted on a semiconductor layer carrying a sensitizing dye, and a liquid charge transport layer is sandwiched between the two, and the other is on a semiconductor layer carrying a sensitizing dye. This is a method of directly providing a charge transport layer. In the latter case, a counter electrode is newly provided on the charge transport layer.

前者の場合、電荷輸送層の挟み込み方法として、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセスと常圧より低い圧力にして気相を液相に置換する真空プロセスが挙げられる。後者の場合、湿式の電荷輸送層においては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止を施す必要がある。また、ゲル電解液の場合においては、湿式で塗布して重合等の方法により固体化する方法もある。その場合、乾燥、固定化した後に対極を付与してもよい。電解液の他、有機電荷輸送材料の溶解液やゲル電解質を付与する方法としては、半導体層や色素の付与と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライドホッパー法、ワイヤーバー法、スピン法、スプレー法、キャスト法、各種印刷法等が挙げられる。   In the former case, examples of the method for sandwiching the charge transport layer include a normal pressure process using a capillary phenomenon due to immersion and a vacuum process in which the gas phase is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure. In the latter case, in the wet charge transport layer, it is necessary to provide a counter electrode without being dried to prevent liquid leakage at the edge portion. In the case of a gel electrolyte, there is a method in which it is applied in a wet manner and solidified by a method such as polymerization. In that case, you may provide a counter electrode after drying and fixing. In addition to the electrolytic solution, the organic charge transport material solution and gel electrolyte can be applied in the same manner as the semiconductor layer and pigment application, as well as the immersion method, roller method, dipping method, air knife method, extrusion method, slide Examples thereof include a hopper method, a wire bar method, a spin method, a spray method, a casting method, and various printing methods.

対極は、前述の表面に導電性を有する基板と同様に導電層を有する支持体上に用いることができるが、導電層自体が強度や密封性を十分有する場合は必ずしも支持体は必要ではない。対極に用いる材料の具体例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属、炭素系化合物、ITO、FTO等の導電性金属酸化物等が挙げられる。対極の厚さには特に制限はない。   The counter electrode can be used on a support having a conductive layer in the same manner as the substrate having conductivity on the surface, but the support is not necessarily required when the conductive layer itself has sufficient strength and sealing properties. Specific examples of the material used for the counter electrode include metals such as platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium and indium, carbon compounds, and conductive metal oxides such as ITO and FTO. There is no particular limitation on the thickness of the counter electrode.

感光層に光が到達するためには、半導体層を保持した表面に導電性を有する基板と対極の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の光電変換素子においては、半導体微粒子層を保持した表面に導電性を有する基板が透明であり、太陽光を半導体層を保持した導電性基板側から入射させる方法が好ましい。この場合、対極には光を反射させる材料を使用することが好ましく、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、あるいは金属薄膜が好ましい。   In order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive substrate and the counter electrode on the surface holding the semiconductor layer must be substantially transparent. In the photoelectric conversion element of the present invention, a method is preferred in which the conductive substrate is transparent on the surface holding the semiconductor fine particle layer, and sunlight is incident from the conductive substrate side holding the semiconductor layer. In this case, a material that reflects light is preferably used for the counter electrode, and a metal, glass, plastic, or metal thin film on which a conductive oxide is deposited is preferable.

対極の塗設については前述の通り、電荷輸送層の上に付与する場合と半導体層上に付与する場合の2通りがある。何れの場合も対極材料の種類や電荷輸送層の種類により、適宜、電荷輸送層上または半導体層上に対極材料を塗布、ラミネート、蒸着、貼り合わせ等の手法により形成可能である。また、電荷輸送層が固体の場合には、その上に直接、前述の導電性材料を塗布、蒸着、CVD等の手法で対極を形成することができる。   As described above, there are two types of coating of the counter electrode: when applied on the charge transport layer and when applied on the semiconductor layer. In any case, the counter electrode material can be appropriately formed on the charge transport layer or the semiconductor layer by a technique such as coating, laminating, vapor deposition, or bonding depending on the type of the counter electrode material or the type of the charge transport layer. When the charge transport layer is solid, the counter electrode can be formed directly on the charge transport layer by a technique such as coating, vapor deposition, or CVD.

次に本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these at all.

酸化チタン分散液の作製
デグッサ製 酸化チタン P25 3.0g
石原産業製 針状酸化チタン FTL−300 1.0g
アセチルアセトン 0.2g
ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル 0.2g
エタノール 7.8g
イソプロパノール 7.8g
ジルコニアビーズ 2mm径 60g
を100mlのポリプロピレン容器に入れ、ペイントシェーカーにて30時間分散した。
Production of titanium oxide dispersion Titanium oxide P25 3.0g made by Degussa
Ishihara Sangyo acicular titanium oxide FTL-300 1.0g
Acetylacetone 0.2g
0.2 g of polyoxyethylene (10) octylphenyl ether
7.8g of ethanol
7.8 g of isopropanol
Zirconia beads 2mm diameter 60g
Was placed in a 100 ml polypropylene container and dispersed in a paint shaker for 30 hours.

半導体電極の作製
作製した酸化チタン分散液をエタノール・イソプロパノールで希釈し、更に硝酸を滴下して、所定の粘性として、FTO透明電極上に塗布した。塗布膜を450℃で2時間焼成して、厚み2μmと厚み0.8μmの酸化チタン多孔質膜を得た。一方、有機色素(Dye_1)を約0.2mmol/リットルの濃度となるように、アセトニトリル・tert−ブタノール(体積比1:1)混合溶液に溶解させ、酸化チタン多孔質膜を24時間浸積して、厚みの異なる2種類の多孔質の半導体電極を作製した。
Fabrication of Semiconductor Electrode Titanium oxide dispersion prepared was diluted with ethanol / isopropanol, and nitric acid was further added dropwise to give a predetermined viscosity and applied onto the FTO transparent electrode. The coating film was baked at 450 ° C. for 2 hours to obtain a porous titanium oxide film having a thickness of 2 μm and a thickness of 0.8 μm. On the other hand, the organic dye (Dye_1) is dissolved in a mixed solution of acetonitrile and tert-butanol (volume ratio 1: 1) so as to have a concentration of about 0.2 mmol / liter, and the titanium oxide porous film is immersed for 24 hours. Thus, two types of porous semiconductor electrodes having different thicknesses were produced.

色素増感型太陽電池用電解液の作製
3−メトキシプロピオニトリル 20ml
ヨウ化リチウム 0.34g
ヨウ素 0.25g
1−プロピル−3−メチルイミダゾリウム ヨウ素塩 2.5g
tert−ブチルピリジン 1.3g
以上を混合して、色素増感型太陽電池用電解液を作製した。
Preparation of electrolyte solution for dye-sensitized solar cell 3-methoxypropionitrile 20 ml
Lithium iodide 0.34g
Iodine 0.25g
1-propyl-3-methylimidazolium iodine salt 2.5g
tert-Butylpyridine 1.3g
The above was mixed to prepare an electrolyte solution for a dye-sensitized solar cell.

厚み2μmの多孔質半導体電極を15μmのスペーサーを介して対向する白金電極を取り付け、作製した電解液を注入して色素増感型太陽電池を作製した。この電池にソーラーシミュレーター(YSS−40S、山下電装(株)製)から発生した擬似太陽光AM1.5(照射強度:100mW/cm)を照射して、電気化学測定装置(SI−1280B、ソーラートロン社製)を用いて出力特性を測定した。更に疑似太陽光を3時間照射し続けた後の出力特性も合わせて測定し、結果を表1に示した。 A 2 μm thick porous semiconductor electrode was attached with a platinum electrode facing through a 15 μm spacer, and the prepared electrolyte was injected to prepare a dye-sensitized solar cell. This battery was irradiated with simulated sunlight AM1.5 (irradiation intensity: 100 mW / cm 2 ) generated from a solar simulator (YSS-40S, manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.), and an electrochemical measurement device (SI-1280B, solar Output characteristics were measured using TRON Co., Ltd. Furthermore, the output characteristics after continuing to irradiate the artificial sunlight for 3 hours were also measured, and the results are shown in Table 1.

有機色素(Dye_2)を用いること以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、結果を同じく表1に示した。   A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the organic dye (Dye_2) was used, and the results are also shown in Table 1.

(比較例1)
有機色素(Dye_10)を用いること以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、結果を同じく表1に示した。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the organic dye (Dye_10) was used, and the results are also shown in Table 1.

Figure 2007227146
Figure 2007227146

(比較例2)
有機色素(Dye_11)を用いること以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、結果を同じく表1に示した。
(Comparative Example 2)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the organic dye (Dye_11) was used, and the results are also shown in Table 1.

実施例1で作製した厚み0.8μmの多孔質半導体電極に、P3HT濃度1.5%のトルエン溶液をスピンコートして、更に金を蒸着して対極とし、全固体色素増感型太陽電池を作製した。実施例1と同様にしてその疑似太陽光下での出力特性を測定した。結果を表1に示した。   A 0.8 μm thick porous semiconductor electrode produced in Example 1 was spin-coated with a toluene solution having a P3HT concentration of 1.5%, and gold was further deposited as a counter electrode, whereby an all-solid dye-sensitized solar cell was obtained. Produced. The output characteristics under simulated sunlight were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(比較例3)
有機色素(Dye_10)を用いること以外は、実施例3と同様にして全固体色素増感型太陽電池を作製し、結果を表1に示した。
(Comparative Example 3)
An all-solid dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 3 except that the organic dye (Dye_10) was used, and the results are shown in Table 1.

Figure 2007227146
Figure 2007227146

本発明の化合物は光電変換効率が優れていることが確認された。   It was confirmed that the compound of the present invention has excellent photoelectric conversion efficiency.

本発明の活用例として、太陽電池等の光電変換素子に加えて、特定波長の光に感応する光センサー等が挙げられる。   Examples of utilization of the present invention include photosensors that are sensitive to light of a specific wavelength, in addition to photoelectric conversion elements such as solar cells.

Claims (4)

一般式[I]で示される化合物を用いることを特徴とする光電変換材料。
Figure 2007227146
(一般式[I]において、Rはアルキル基、アラルキル基、アルケニル基、アリール基、フェニル基、ヘテロ環を示し、置換基を有していてもよい。Rは水素原子、低級アルキル基または低級アルコキシ基であり、Rは水素原子、水酸基、低級アルキル基、低級アルコキシ基、フェニル基または低級アルキル基あるいは低級アルコキシ基で置換されていてもよいスチリル基であり、RとRは互いに結合して、それらが結合するピラン環の炭素原子とともに五員もしくは六員環を形成してもよい。RとRは両者で連結して五員環または六員環を形成するアルキレン残基を示す。Rは酸素原子の置換基であって、結合形式はイオン性結合でも共有結合でもよく、水素原子、アルキル基、あるいは四級アンモニウム塩を示す。四級アンモニウム塩の場合は窒素原子上にアルキル置換基を有してもよい。Lは水素原子または電子吸引性基であり、nは1以上の整数を示す。)
A photoelectric conversion material comprising a compound represented by the general formula [I].
Figure 2007227146
(In the general formula [I], R 1 represents an alkyl group, an aralkyl group, an alkenyl group, an aryl group, a phenyl group, or a heterocyclic ring, and may have a substituent. R 2 represents a hydrogen atom or a lower alkyl group. Or a lower alkoxy group, R 3 is a hydrogen atom, a hydroxyl group, a lower alkyl group, a lower alkoxy group, a phenyl group, a lower alkyl group or a styryl group optionally substituted with a lower alkoxy group, and R 2 and R 3 May combine with each other to form a 5-membered or 6-membered ring with the carbon atoms of the pyran ring to which they are bonded, and R 4 and R 5 are linked together to form a 5-membered or 6-membered ring. .R 6 showing the alkylene residue is a substituent of an oxygen atom, bound form may be a covalent bond in an ionic bond, a hydrogen atom, an alkyl group or a quaternary ammonium salt, For quaternary ammonium salts may have an alkyl substituent on the nitrogen atom .L is a hydrogen atom or an electron-withdrawing group, n represents an integer of 1 or more.)
表面に導電性を有する基板と、その導電性表面上に被覆された半導体層と、その半導体層の表面に吸着した色素からなる半導体電極において、色素として前記一般式[I]で示される化合物を用いることを特徴とする半導体電極。   In a semiconductor electrode comprising a substrate having conductivity on the surface, a semiconductor layer coated on the conductive surface, and a dye adsorbed on the surface of the semiconductor layer, the compound represented by the above general formula [I] is used as the dye. A semiconductor electrode characterized by being used. 前記半導体が、チタン、スズ、亜鉛、鉄、銅、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、カドミウム、鉛、銀、アンチモン、ビスマス、モリブデン、アルミニウム、ガリウム、クロム、コバルト、ニッケルから選ばれる金属カルコゲニドを少なくとも1種含むことを特徴とする請求項2記載の半導体電極。   The semiconductor is titanium, tin, zinc, iron, copper, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, tantalum, cadmium, lead, silver, antimony, bismuth, molybdenum, aluminum, 3. The semiconductor electrode according to claim 2, comprising at least one metal chalcogenide selected from gallium, chromium, cobalt, and nickel. 請求項2または請求項3記載の半導体電極を用いることを特徴とする光電変換素子。   A photoelectric conversion element using the semiconductor electrode according to claim 2.
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