JP2008034258A - Dye-sensitized photoelectric conversion element and dye-sensitized photoelectric conversion element module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素増感型光電変換素子および色素増感型光電変換素子モジュールに関するものである。 The present invention relates to a dye-sensitized photoelectric conversion element and a dye-sensitized photoelectric conversion element module.
化石燃料に代るエネルギー源として太陽電池が注目され、種々の研究が行われている。現在実用化されている太陽電池の主流は単結晶、多結晶、および非結晶シリコンからなるシリコン系太陽電池であるが、これらは材料コストや製造プロセスにおけるエネルギーコストが高く、太陽電池の普及の大きな障害となっている。
そのため、低コストでの製造可能性がある太陽電池として色素増感太陽電池が注目されている。
Solar cells have attracted attention as an energy source to replace fossil fuels, and various studies have been conducted. The mainstream of solar cells currently in practical use is silicon-based solar cells made of monocrystalline, polycrystalline, and amorphous silicon, but these materials have high material costs and high energy costs in the manufacturing process, and solar cells are widely used. It is an obstacle.
Therefore, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a solar cell that can be manufactured at low cost.
色素増感太陽電池とは半導体(多孔質であることが好ましい)に色素を吸着した光電極を用いた湿式太陽電池であり、光増感の原理(この場合は紫外光領域に吸収を持つ半導体に対し、可視光や近赤外光領域に吸収を持つ色素を吸着させることで、半導体の吸収領域よりも長波長側の光により光電変換を行なわせること)を光電変換素子に応用して太陽電池としたものである。 A dye-sensitized solar cell is a wet solar cell using a photoelectrode in which a dye is adsorbed on a semiconductor (preferably porous), and the principle of photosensitization (in this case, a semiconductor having absorption in the ultraviolet region) On the other hand, by applying a dye having absorption in the visible light or near infrared light region to cause photoelectric conversion by light having a wavelength longer than the absorption region of the semiconductor) It is a battery.
このような色素増感型光電変換素子の発電原理を図8に示すエネルギーダイアグラムを用いて説明する。
図8において、2は色素が吸着された多孔質半導体からなる光電極、3は対極、4は電解質を示しており、801は入射光、802は色素のHOMOレベル、803は色素のLUMOレベル、804は多孔質半導体の伝導帯エネルギー準位、805は電界質4中に含まれる酸化還元対(R/R−)の酸化還元準位を、それぞれ示している。
以下、hν(hはプランク定数、νは光の振動数)なるエネルギーを持つ光が、光電極2に入射した場合を考える。
The power generation principle of such a dye-sensitized photoelectric conversion element will be described with reference to an energy diagram shown in FIG.
In FIG. 8, 2 is a photoelectrode made of a porous semiconductor to which a dye is adsorbed, 3 is a counter electrode, 4 is an electrolyte, 801 is incident light, 802 is a HOMO level of the dye, 803 is a LUMO level of the dye,
Hereinafter, a case where light having an energy of hν (h is Planck's constant and ν is the frequency of light) is incident on the
入射光801のエネルギーhνが、色素のHOMO―LUMOエネルギーギャップ(LUMOレベル803−HOMOレベル802)以上であれば、入射光が吸収され、色素が励起される。励起した色素中の電子は多孔質半導体の伝導帯エネルギーレベル804へと注入される。この電子は、外部回路806を経由して対極3へと達する。
一方、電子を失った色素は、電解質4中に含まれる酸化還元対の還元状態R−から電子を受け取り、基底状態へと戻る。
さらに色素に電子を渡して酸化された酸化還元対の酸化状態Rが、対極3へと達した電子を受け取って還元状態R−へと戻ることで1サイクルの電子の流れが完成する。
If the energy hv of the incident light 801 is equal to or greater than the HOMO-LUMO energy gap of the dye (LUMO level 803-HOMO level 802), the incident light is absorbed and the dye is excited. Electrons in the excited dye are injected into the conduction
On the other hand, the dye that has lost the electrons receives electrons from the reduced state R− of the redox pair contained in the
Furthermore, the oxidation state R of the oxidation-reduction pair oxidized by passing electrons to the dye receives the electron that has reached the
このような色素増感型光電変換素子はシリコンを用いた光電変換素子に比べて大型設備(シリコンの溶融設備など)が必要ない、材料の高度な精製が不要などの点において低コスト化が可能であるという利点を持つ反面、色素の吸収波長がシリコンに比べて限定されてしまうために、入射光(例えば太陽光、以下同じ)の利用効率が低く、シリコン系光電変換素子と比較して光電交換効率が低いという問題があった。
そこで、入射光の有効利用(ここでは主に、従来の色素では吸収されなかった長波長側の光を発電に利用すること)のために、吸収ピーク波長をより長波長側とした色素の開発が行なわれている(例えば非特許文献1)。
Such dye-sensitized photoelectric conversion elements can be reduced in cost in that they do not require large-scale equipment (such as silicon melting equipment) and do not require advanced material purification compared to photoelectric conversion elements using silicon. However, since the absorption wavelength of the dye is limited compared to silicon, the utilization efficiency of incident light (for example, sunlight, the same shall apply hereinafter) is low, and the photoelectric conversion element is smaller than the silicon photoelectric conversion element. There was a problem that the exchange efficiency was low.
Therefore, for effective use of incident light (in this case, mainly using light on the long wavelength side that was not absorbed by conventional dyes for power generation), the development of dyes with longer absorption peak wavelengths was developed. (For example, Non-Patent Document 1).
また、入射光の有効利用(ここでは主に、単一の色素では吸収されない波長域の光を複数の色素を組み合わせることで吸収し、より広い波長域の光を発電に利用すること)のために、異なる色素を光電極中に用いた色素増感型光電変換セルを積層した構造を持つタンデム型光電変換素子が提案されている。
例えば特許文献1には、タンデム型光電変換素子において長波長側吸収波長端が互いに異なる光電極を用いることが開示されている。ただし特許文献1においては長波長側吸収波長端を「吸収ピーク波長における吸光度の10%の吸光度を示す長波長側の波長」と定義しているが、この定義は一般的なものではない。一般的に長波長側吸収波長端とは「色素が吸収する最小エネルギーの光の波長」のことであり、この意味での吸収波長端は色素のバンドギャップエネルギーに相当する。
Also, for effective use of incident light (mainly, light in a wavelength range that is not absorbed by a single dye is absorbed by combining multiple dyes, and light in a wider wavelength range is used for power generation). In addition, a tandem photoelectric conversion element having a structure in which dye-sensitized photoelectric conversion cells using different dyes in a photoelectrode is laminated has been proposed.
For example,
以下、本明細書において単に吸収波長端と述べるときには、上記一般的な意味での長波長側吸収波長端を示すものとする。
また、本発明においては色素が多孔質半導体に吸着された光電極の吸収スペクトルを測定し、ある波長範囲内において吸収値が最も高い値を示す波長を、該当する色素の吸収ピーク波長と定義する。
また、図8を用いて説明したように色素増感型光電変換素子では、励起した色素中の電子は半導体の伝導帯に注入される。
Hereinafter, when simply referring to the absorption wavelength end in the present specification, the long wavelength side absorption wavelength end in the general sense is shown.
In the present invention, the absorption spectrum of the photoelectrode in which the dye is adsorbed to the porous semiconductor is measured, and the wavelength having the highest absorption value within a certain wavelength range is defined as the absorption peak wavelength of the corresponding dye. .
Further, as described with reference to FIG. 8, in the dye-sensitized photoelectric conversion element, the electrons in the excited dye are injected into the conduction band of the semiconductor.
しかし、伝導帯エネルギー準位は半導体固有の値であり、正確な測定には真空中でのUPS測定などの比較的大掛かりな測定装置が必要となる。そこで、色素増感型光電変換素子における半導体のエネルギー状態を表す、伝導帯エネルギーよりも好ましいファクターとして、半導体のフラットバンド準位を考える。
フラットバンド準位とは、電解液と接した際に半導体内部にわたって水平なバンド状態となる時の電極電位であり、電極界面のインピーダンス測定から比較的簡単に求めることができる。
However, the conduction band energy level is a value inherent to semiconductors, and accurate measurement requires a relatively large measuring device such as a UPS measurement in a vacuum. Therefore, the flat band level of the semiconductor is considered as a factor more preferable than the conduction band energy that represents the energy state of the semiconductor in the dye-sensitized photoelectric conversion element.
The flat band level is an electrode potential when a horizontal band state is formed across the semiconductor when in contact with the electrolytic solution, and can be obtained relatively easily from impedance measurement at the electrode interface.
すなわち、微分容量Cと電極電位Eとの間には、Mott−schottkyの式が成り立つので、1/C2をEに対してプロットすると直線関係が得られ、その直線の切片からフラットバンド準位が求められる。また、フラットバンド準位は伝導帯エネルギー準位とほぼ同等の値をとることが知られている。従って、本発明ではこれ以降、伝導帯エネルギー準位の代わりにフラットバンド準位を用いることとする。
なお、本発明におけるフラットバンド準位は、電解液に0.2MのLiClO4水溶液、対極に白金線、参照電極にAg/AgClを用いてインピーダンス測定を行い、Mott−schottkyの式によって求めた値である。
That is, since the equation of Mott-schottky is established between the differential capacitance C and the electrode potential E, when 1 / C 2 is plotted against E, a linear relationship is obtained, and the flat band level is obtained from the intercept of the straight line. Is required. Further, it is known that the flat band level has a value almost equal to the conduction band energy level. Therefore, in the present invention, the flat band level is used instead of the conduction band energy level.
The flat band level in the present invention is a value obtained by the Mott-Schottky equation by performing impedance measurement using a 0.2 M LiClO 4 aqueous solution as an electrolyte, a platinum wire as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode. It is.
特許文献1における吸収波長端や一般的な意味での吸収波長端は、複数の色素が吸着された半導体からなる光電極を用いた色素増感型光電変換素子において、入射光を有効利用できる色素の組み合わせを得るための目安とはなるものの、必ずしも有効であるとはいえない。
また、入射光の有効利用のためにタンデム型光電変換素子を用いることは好ましい手法であるものの、タンデム型光電変換素子の最も単純な構成(複数の光電変換セルを直列接続する構成)においては、各光電変換セルの出力電流が大きく異なる場合に、タンデム型光電変換素子全体の出力電流値(一般に短絡電流値Iscまたは短絡電流密度Jscで表される)が低下するという問題があった。
The absorption wavelength end in
In addition, although it is a preferable technique to use a tandem photoelectric conversion element for effective use of incident light, in the simplest configuration of a tandem photoelectric conversion element (a configuration in which a plurality of photoelectric conversion cells are connected in series), When the output currents of the respective photoelectric conversion cells are greatly different, there is a problem that the output current value (generally represented by the short circuit current value Isc or the short circuit current density Jsc) of the entire tandem photoelectric conversion element is lowered.
よって本発明は上記問題に鑑み、異なる吸収ピーク波長を有する複数の色素を組み合わせることにより、入射光の有効利用が可能な色素増感型光電変換素子を提供することを目的としている。
また本発明は異なる吸収ピーク波長を有する複数の色素を組み合わせることにより、入射光の有効利用を可能としたタンデム型光電変換素子において、従来の課題であった出力電流値の低下を抑制し、これによって実用的な光電変換効率を示す色素増感型光電変換素子を提供することを目的としている。
Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a dye-sensitized photoelectric conversion element capable of effectively using incident light by combining a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths.
In addition, the present invention suppresses a decrease in output current value, which is a conventional problem, in a tandem photoelectric conversion element that enables effective use of incident light by combining a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths. It aims at providing the dye-sensitized photoelectric conversion element which shows practical photoelectric conversion efficiency by.
特許文献1に開示されている光電変換素子には、吸収波長端が異なる色素が用いられている。しかし、このような従来例においては図10に示すように、吸収波長端付近では色素の吸光度が低いため、十分に入射光を利用することができない場合が生じる。なお、図10は吸収波長端が異なって吸収ピーク波長がほぼ一致する2種の色素の吸収スペクトルSa,Sbを示している。
これに対し、入射光をより有効に利用するためには、図9に示すように吸収ピーク波長が異なること(本発明)が重要となる。なお、図9は吸収ピーク波長が異なっている2種の色素の吸収スペクトルSx,Syを示している。
In the photoelectric conversion element disclosed in
On the other hand, in order to use incident light more effectively, it is important that the absorption peak wavelengths are different as shown in FIG. 9 (the present invention). FIG. 9 shows absorption spectra Sx and Sy of two types of dyes having different absorption peak wavelengths.
本発明の色素増感型光電変換素子は、入射光により励起電子を生成する、異なる吸収ピーク波長を有する複数の色素が吸着された光電極を具備する色素増感型光電変換素子である。
各色素の吸収ピーク波長のうち、それぞれ最も長波長側にある吸収ピーク波長同士が異なっていることが好ましく、少なくとも1つの色素の吸収波長端が近赤外域にあることが特に好ましい。なお、本発明における「近赤外域」や「近赤外光」とは、700nmより長く、2500nm以下の波長域または波長光をいうものとする。また、本発明において吸収ピーク波長が異なるとは、それぞれの色素の吸収スペクトルにおいてピーク位置の差が10nm以上異なることとする。
The dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention is a dye-sensitized photoelectric conversion element including a photoelectrode on which a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths, which generate excited electrons by incident light, are adsorbed.
Of the absorption peak wavelengths of the respective dyes, the absorption peak wavelengths on the longest wavelength side are preferably different from each other, and the absorption wavelength end of at least one dye is particularly preferably in the near infrared region. In the present invention, “near infrared region” and “near infrared light” refer to a wavelength region or wavelength light longer than 700 nm and shorter than 2500 nm. In the present invention, the difference in absorption peak wavelength means that the difference in peak position differs by 10 nm or more in the absorption spectrum of each dye.
本発明の好ましい実施の形態としては、異なる吸収ピーク波長を有する複数の色素が吸着された光電極を有する、複数の光電変換セルが入射光に対して交差する方向に積層されている、いわゆるタンデム型光電変換素子を挙げることができる。
本発明の特に好ましい実施の形態としては、上記タンデム型光電変換素子において、各光電変換セルの出力電流の差を減少するための電流値調整手段を設けることを挙げることができる。
A preferred embodiment of the present invention is a so-called tandem in which a plurality of photoelectric conversion cells having a photoelectrode on which a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths are adsorbed are stacked in a direction intersecting with incident light. Type photoelectric conversion elements.
As a particularly preferred embodiment of the present invention, in the tandem photoelectric conversion element, it is possible to provide a current value adjusting means for reducing a difference in output current between the photoelectric conversion cells.
また、好ましい電流値調整手段としては、いずれかの光電変換セルを構成する光電極のヘイズ率を、最も入射光側にある光電変換セル(以下、トップセルと表記)を構成する光電極のヘイズ率よりも大きくすることを挙げることができる。
なお、本発明におけるヘイズ率とは、可視光領域および/または近赤外領域にスペクトルを有する光線(例えば、標準光源D65や標準光源C)を測定サンプルに入射した際の拡散透過率を全光線透過率で割った値である。これは通常0〜1の間の値もしくは0〜100%の百分率で表示される。
Further, as a preferable current value adjusting means, the haze ratio of the photoelectrode constituting one of the photoelectric conversion cells is set to be the haze of the photoelectrode constituting the photoelectric conversion cell (hereinafter referred to as the top cell) closest to the incident light side. It can be mentioned that it is larger than the rate.
The haze ratio in the present invention is the diffuse transmittance when a light beam having a spectrum in the visible light region and / or near infrared region (for example, the standard light source D65 or the standard light source C) is incident on the measurement sample. It is the value divided by the transmittance. This is usually expressed as a value between 0 and 1 or as a percentage from 0 to 100%.
本発明によれば、吸収ピーク波長が異なる複数の色素を用いることにより入射光の有効利用が可能な色素増感型光電変換素子を得ることができる。
また本発明によれば、各光電変換セル間の電流値の差を小さくすることにより、出力電流値の低下を抑制したタンデム型光電変換素子を得ることができる。
According to the present invention, a dye-sensitized photoelectric conversion element capable of effectively using incident light can be obtained by using a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths.
Moreover, according to this invention, the tandem photoelectric conversion element which suppressed the fall of output current value can be obtained by making the difference of the electric current value between each photoelectric conversion cell small.
本発明の色素増感型光電変換素子は、吸収ピーク波長の異なる複数の色素が吸着された光電極を有する。
このような光電極は一般に、異なる色素が吸着された複数の光電極である(図1参照)が、これに限るものではなく、複数の色素を混合して吸着した一層の光電極(図2参照)、または領域別に複数の色素を吸着した多層の光電極(図3参照)であっても良い。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
The dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention has a photoelectrode on which a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths are adsorbed.
Such a photoelectrode is generally a plurality of photoelectrodes on which different dyes are adsorbed (see FIG. 1), but is not limited to this, and a single photoelectrode in which a plurality of dyes are mixed and adsorbed (FIG. 2). Or a multi-layer photoelectrode (see FIG. 3) in which a plurality of dyes are adsorbed for each region.
Embodiments of the present invention will be described below.
図1に示す色素増感型光電変換素子100は、第1色素が吸着された第1多孔質半導体からなる第1光電極2−1を、第1透明導電層111付きの第1支持体110上に形成し、これと対向配置した第1対極3−1(第2支持体120の入射光側に形成されている)との間に第1電解質4−1を保持してなる第1光電変換セル101と、第2色素が吸着された第2多孔質半導体からなる光電極2−2を、第2透明導電層121付きの第2支持体120上に形成し、これと対向配置した第2対極3−2(第3支持体130の入射光側に形成されている)との間に第2電解質4−2を保持してなる第2光電変換セル102とを、入射光140方向に交差する方向に積層して、(電気的な)接続手段150によって第1対極3−1と第2透明導電層121とを直列接続した色素増感型光電変換素子である。
In the dye-sensitized
このように光電変換セルを積層した、いわゆるタンデム型光電変換素子においては本来、各光電変換セルをいかなる接続手段で(電気的に)接続しても構わない。
ただし、本実施形態ならび以下の実施例においては最も単純な接続方法として、入射光側光電変換セルを構成する対極と非入射光側光電変換セルを構成する光電極とを直列接続する方法を採用している。
In a so-called tandem photoelectric conversion element in which photoelectric conversion cells are stacked in this way, each photoelectric conversion cell may be connected (electrically) by any connection means.
However, in this embodiment and in the following examples, as the simplest connection method, a method of connecting the counter electrode constituting the incident light side photoelectric conversion cell and the photoelectrode constituting the non-incident light side photoelectric conversion cell in series is adopted. is doing.
また、本発明の色素増感型光電変換素子は図2や図3に示すように積層構造ではない光電変換セルからなっていてもよい。なお、この場合には単層の多孔質半導体に異なる吸収ピーク波長を有する複数の色素を混合して吸着する(図2)か、またはそれぞれ異なる吸収ピーク波長を有する色素を吸着した多孔質半導体を多層構造(図3)にして色素増感型光電変換素子とすればよい。
以下、本発明における色素増感型光電変換素子の構成要素について説明する。
Moreover, the dye-sensitized photoelectric conversion element of this invention may consist of a photoelectric conversion cell which is not a laminated structure as shown in FIG.2 and FIG.3. In this case, a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths are mixed and adsorbed on a single-layer porous semiconductor (FIG. 2), or a porous semiconductor having adsorbed dyes having different absorption peak wavelengths is used. A multilayer structure (FIG. 3) may be used as a dye-sensitized photoelectric conversion element.
Hereafter, the component of the dye-sensitized photoelectric conversion element in this invention is demonstrated.
<色素>
色素増感型光電変換素子には、可視光領域および/または近赤外光領域に吸収をもつ種々の色素を用いることができる。
本発明に用いる色素は吸収ピーク波長が異なる複数の色素であり、好ましくは、それらの中に吸収ピーク波長の差が90nm以上である色素の組み合わせを含んでいる。
またそれぞれの吸収ピーク波長のうち、最も長波長側にある吸収ピーク波長同士が異なっていることが好ましく、最も長波長側にある吸収ピーク波長同士の差が90nm以上である組み合わせを含むことが特に好ましい。より長波長(例えば近赤外域)に吸収波長端を持つ色素を選択することにより、入射光の利用効率がより高い色素増感型光電変換素子とすることができるからである。
<Dye>
Various dyes having absorption in the visible light region and / or the near-infrared light region can be used for the dye-sensitized photoelectric conversion element.
The dye used in the present invention is a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths, and preferably includes a combination of dyes having a difference in absorption peak wavelength of 90 nm or more.
Further, among the respective absorption peak wavelengths, it is preferable that the absorption peak wavelengths on the longest wavelength side are different from each other, particularly including a combination in which the difference between absorption peak wavelengths on the longest wavelength side is 90 nm or more. preferable. This is because a dye-sensitized photoelectric conversion element with higher utilization efficiency of incident light can be obtained by selecting a dye having an absorption wavelength edge in a longer wavelength (for example, near infrared region).
さらに、吸収ピーク波長が異なる色素の組み合わせを選んだ場合、各々の色素が、それぞれ異なるLUMO−HOMOエネルギーギャップを持っていることが好ましく、そのLUMO−HOMOエネルギーギャップの差が0.3eV以上であることが特に好ましい。
HOMO−LUMOエネルギーギャップが異なっているとは、吸収波長端が異なっていることである。このとき、各々の色素における吸収ピーク波長の大小関係と、吸収波長端の大小関係は異なっていてもよい。
Furthermore, when a combination of dyes having different absorption peak wavelengths is selected, each dye preferably has a different LUMO-HOMO energy gap, and the difference in the LUMO-HOMO energy gap is 0.3 eV or more. It is particularly preferred.
The difference in the HOMO-LUMO energy gap means that the absorption wavelength ends are different. At this time, the magnitude relationship between the absorption peak wavelengths in each dye may be different from the magnitude relationship between the absorption wavelength ends.
また、分子中にカルボン酸基、カルボン酸無水基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等のインターロック基が存在する色素であることが好ましい。これらインターロック基の中でも、カルボン酸基及びカルボン酸無水基がより好ましい。なお、ここでいう「インターロック基」とは、励起状態の色素と(多孔質)半導体の伝導帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を提供する官能基である。 Further, it is preferable that the dye has a carboxylic acid group, carboxylic anhydride group, alkoxy group, hydroxyl group, hydroxyalkyl group, sulfonic acid group, ester group, mercapto group, phosphonyl group or the like in the molecule. . Among these interlock groups, a carboxylic acid group and a carboxylic anhydride group are more preferable. The “interlock group” here is a functional group that provides an electrical bond that facilitates electron transfer between the excited dye and the conduction band of the (porous) semiconductor.
これらインターロック基を含有する色素としては、例えばピリジン系ルテニウム錯体色素、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポリフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ベリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素等が挙げられる。 Examples of these dyes containing an interlock group include pyridine ruthenium complex dyes, azo dyes, quinone dyes, quinone imine dyes, quinacridone dyes, squarylium dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, and triphenylmethane dyes. Examples include dyes, xanthene dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, berylene dyes, indigo dyes, naphthalocyanine dyes, and the like.
ピリジン系ルテニウム錯体としては、シス−ジチオシアナト−ビス(4,4’−ジカルボキシル−2,2’−ビピリジン)ルテニウム(原子価2)錯体(通称:N3色素、化合物E)や、シス−ジチオシアナト−ビス(4,4’−ジカルボキシル−2,2’−ビピリジン)ルテニウム(原子価2)ビス−テトラブチルアンモニウム錯体(通称:N719色素)、トリチオシアナト(4,4’,4’’−トリカルボキシ−2,2’:6’,2’’−ターピリジン)ルテニウム(原子価2)トリ−テトラブチルアンモニウム錯体(通称:ブラックダイ、化合物B)、シス−ジチオシアナト−ビス(4,4’−ジカルボキシル−2,2’−ビキノリン)ルテニウム(原子価2)錯体(化合物I)など公知の物質を用いることができる。 Examples of pyridine-based ruthenium complexes include cis-dithiocyanato-bis (4,4′-dicarboxyl-2,2′-bipyridine) ruthenium (valence 2) complex (common name: N3 dye, compound E), cis-dithiocyanato- Bis (4,4′-dicarboxyl-2,2′-bipyridine) ruthenium (valence 2) bis-tetrabutylammonium complex (common name: N719 dye), trithiocyanate (4,4 ′, 4 ″ -tricarboxy- 2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine) ruthenium (valence 2) tri-tetrabutylammonium complex (common name: black dye, compound B), cis-dithiocyanato-bis (4,4′-dicarboxyl- Known substances such as 2,2′-biquinoline) ruthenium (valence 2) complex (compound I) can be used.
ここで、ビピリジン系ルテニウム錯体は、たとえば、公知文献J.Am.Chem.Soc.115(1993)6382.に記載の方法を参照して合成することができる。また、ターピリジン系ルテニウム錯体は、公知文献J.Am.Chem.Soc.123(2001)1613.を参照して合成することができる。ビキノリン系ルテニウム錯体は、Inorganica Chimica Acta.322(2001)7.等に記載の方法を参照して合成することができる。 Here, bipyridine-based ruthenium complexes are disclosed in, for example, the known literature J.P. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 6382. It can be synthesized with reference to the method described in 1. Terpyridine-based ruthenium complexes are disclosed in known literature J. Org. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1613. And can be synthesized. Biquinoline-based ruthenium complexes can be obtained from Inorganica Chimica Acta. 322 (2001) 7. Etc. can be synthesized with reference to the method described in the above.
また、本発明には特開平11−163378号、特開平11−167937号、特開平11−214731号、特開2000−106224号、特開2001−052766号、特開2004−235052号、特開2004−234953号、特開2005−19252号、特開2005−129429号、特開2005−129430号、特開2005−209359号、特開2006−156212号、特開2006−156213号およびこれらの明細書中に引用された文献に記載された従来公知の方法を参考にして合成した、いわゆる有機色素を使用することができる。本発明における有機色素の具体例としては、たとえば下記の化合物A、C、D、F、G、Hを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 In addition, the present invention includes JP-A-11-163378, JP-A-11-167937, JP-A-11-214731, JP-A-2000-106224, JP-A-2001-052766, JP-A-2004-235052, JP-A-2004-235052. JP 2004-234953, JP 2005-19252, JP 2005-129429, JP 2005-129430, JP 2005-209359, JP 2006-156212, JP 2006-156213, and these specifications A so-called organic dye synthesized by referring to a conventionally known method described in the literature cited in the book can be used. Specific examples of the organic dye in the present invention include, but are not limited to, the following compounds A, C, D, F, G, and H.
<多孔質半導体>
本発明における多孔質半導体の材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化スズ、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム等の公知の半導体を1種類または2種類以上組み合わせて用いることができる。
多孔質半導体を支持体上に形成する方法としては、種々の公知の方法を使用することができる。具体的にはスクリーン印刷法、インクジェット法などによって支持体上に半導体粒子を含有するペースト(以下、懸濁液と表記する場合がある)を塗布し、焼成する方法を好ましく挙げることができる。
この場合の半導体粒子としては、適当な平均粒径、例えば1nm〜500nm程度の平均粒径を有する単一又は化合物半導体の粒子を好ましく用いることができる。
<Porous semiconductor>
As a material for the porous semiconductor in the present invention, a known semiconductor such as titanium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, tin oxide, barium titanate, strontium titanate, cadmium sulfide, or the like may be used alone or in combination. it can.
As a method for forming the porous semiconductor on the support, various known methods can be used. Specifically, a method in which a paste containing semiconductor particles (hereinafter sometimes referred to as a suspension) is applied on a support by a screen printing method, an ink jet method, or the like, and baked can be preferably exemplified.
As the semiconductor particles in this case, single or compound semiconductor particles having an appropriate average particle diameter, for example, an average particle diameter of about 1 nm to 500 nm can be preferably used.
また、本発明において用いる多孔質半導体は、同種の半導体からなっていても良いし、異種の半導体からなっていても良いが、異種の半導体からなることが好ましい。
ここで言う「異種の半導体」には、異なる化合物(例えば酸化チタンと酸化スズ)である場合と、同じ化合物で結晶系が異なる場合(例えば酸化チタンにおけるルチル型とアナターゼ型)とを含んでいる。なお、少なくとも一方の多孔質半導体がコア−シェル構造(例えば酸化亜鉛粒子を酸化チタンの薄膜でコートした構造)からなる場合には、各々の表面(色素と直接接触している面)が異種であれば、一方のコアを構成する半導体が、他方の多孔質半導体と同一材料からなっていても構わない。
In addition, the porous semiconductor used in the present invention may be made of the same kind of semiconductor, or may be made of a different kind of semiconductor, but is preferably made of a different kind of semiconductor.
The term “heterogeneous semiconductor” as used herein includes a case where they are different compounds (for example, titanium oxide and tin oxide) and a case where the same compound has a different crystal system (for example, rutile type and anatase type in titanium oxide). . When at least one of the porous semiconductors has a core-shell structure (for example, a structure in which zinc oxide particles are coated with a thin film of titanium oxide), each surface (surface directly in contact with the dye) is different. If there is, the semiconductor constituting one core may be made of the same material as the other porous semiconductor.
本実施形態における好ましい構成として、第2色素のLUMO−HOMOエネルギーギャップが第1色素のLUMO−HOMOエネルギーギャップより小さく、第2多孔質半導体のフラットバンド準位が第1多孔質半導体のフラットバンド準位より低い(正方向にある)ことを挙げることができる。
また、多孔質半導体のフラットバンド準位は吸着した色素のLUMOレベルよりも正であればよく、色素のLUMOレベルと多孔質半導体のフラットバンド準位との差の値が0.1eV以上0.6eV以下であることが好ましく、0.2eV以上0.4eV以下であれば、さらに好ましい。
また本実施形態における好ましい構成として、第1多孔質半導体および/または第1光電極のヘイズ率よりも、第2多孔質半導体および/または第2光電極のヘイズ率が大きいことを挙げることができる。
As a preferred configuration in this embodiment, the LUMO-HOMO energy gap of the second dye is smaller than the LUMO-HOMO energy gap of the first dye, and the flat band level of the second porous semiconductor is the flat band level of the first porous semiconductor. It can be mentioned that it is lower than the position (in the positive direction).
Further, the flat band level of the porous semiconductor only needs to be more positive than the LUMO level of the adsorbed dye, and the value of the difference between the LUMO level of the dye and the flat band level of the porous semiconductor is 0.1 eV or more and 0.0. It is preferably 6 eV or less, more preferably 0.2 eV or more and 0.4 eV or less.
Moreover, as a preferable configuration in the present embodiment, it can be mentioned that the haze ratio of the second porous semiconductor and / or the second photoelectrode is larger than the haze ratio of the first porous semiconductor and / or the first photoelectrode. .
ここで、多孔質半導体および/または光電極のヘイズ率の測定方法について説明する。
一般に、ある試料のヘイズ率を得るためには、その試料に光を入射したときの全光線透過率および拡散透過率を測定すればよい。これら透過率は、光源と光量測定部を有する装置(例えば、測定試料に密着した積分球と、積分球の測定試料と反対側にライトトラップ(暗箱)もしくは標準板を備えた装置)があれば簡単に測定することができる。すなわち、標準板をセットした状態において、試料が無い場合の入射光線の光量T1、試料が有る場合の全光線透過光の光量T2を測定し、ライトトラップをセットした状態において、試料が無い場合の装置からの拡散光の光量T3、試料が有る場合の拡散透過光の光量T4を測定し、全光線透過率Tt=T2/T1、拡散透過率Td=[T4−T3(T2/T1)]/T1を計算することで、ヘイズ率H=Td/Ttが得られる。
Here, a method for measuring the haze ratio of the porous semiconductor and / or the photoelectrode will be described.
In general, in order to obtain the haze ratio of a certain sample, the total light transmittance and diffuse transmittance when light is incident on the sample may be measured. If these devices have a light source and a light quantity measuring unit (for example, an integrating sphere closely attached to the measurement sample and a light trap (dark box) or standard plate on the opposite side of the integrating sphere from the measurement sample) It can be measured easily. That is, when the standard plate is set, the incident light amount T1 when there is no sample, and the total light transmitted light amount T2 when the sample is present are measured, and when the light trap is set and there is no sample. The amount of diffused light T3 from the apparatus and the amount of diffused transmitted light T4 when a sample is present are measured, and the total light transmittance Tt = T2 / T1, diffuse transmittance Td = [T4-T3 (T2 / T1)] / By calculating T1, the haze ratio H = Td / Tt is obtained.
<光電極>
光電極2の作製方法、すなわち多孔質半導体への色素吸着法としては、例えば多孔質半導体を形成した支持体を、色素を溶解した溶液(色素吸着用溶液)に浸漬する方法が挙げられる。
<Photoelectrode>
Examples of the method for producing the
色素吸着用溶液に用いる溶媒としては、色素を溶解するものであれば特に限定されない。具体的には、エタノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトニトリル等の窒素化合物類、クロロホルム等のハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン等の芳香族炭化水素、酢酸エチル等のエステル類、水等を挙げることができる。これらの溶媒は2種類以上を混合して用いることもできる。 The solvent used in the dye adsorption solution is not particularly limited as long as it dissolves the dye. Specifically, alcohols such as ethanol, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran, nitrogen compounds such as acetonitrile, halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, and aliphatic hydrocarbons such as hexane , Aromatic hydrocarbons such as benzene, esters such as ethyl acetate, water, and the like. Two or more of these solvents can be used in combination.
色素吸着用溶液中の色素濃度は、使用する色素や溶媒の種類により適宜調整することができるが、吸着機能を向上させるためにはできるだけ高濃度である方が好ましい。例えば、1×10-5モル/リットル以上であることが好ましく、5×10-5モル/リットル以上1×10-2モル/リットル以下であることが特に好ましい。 The concentration of the dye in the dye adsorption solution can be adjusted as appropriate depending on the type of the dye and the solvent to be used, but it is preferably as high as possible in order to improve the adsorption function. For example, it is preferably 1 × 10 −5 mol / liter or more, particularly preferably 5 × 10 −5 mol / liter or more and 1 × 10 −2 mol / liter or less.
また、本発明における光電極のヘイズ率とは、光電極に吸着した色素を脱離したものを測定対象とし、そのヘイズ率を測定したものとする。色素を脱離する方法としては、アルカリ性の水溶液中に光電極を浸漬させる方法や、その水溶液を試料に滴下する方法などが挙げられる。アルカリ性の水溶液としては水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などが好ましく用いられ、取り扱いが比較的容易な水酸化ナトリウム水溶液がより好ましい。その水溶液の濃度としては、ペーハー(pH)が大きいものであれば特に限定されないが、好ましくはpH10〜14がよい。
In addition, the haze ratio of the photoelectrode in the present invention is a value obtained by measuring the haze ratio of the object to which the dye adsorbed on the photoelectrode is detached. Examples of the method for removing the dye include a method of immersing the photoelectrode in an alkaline aqueous solution, a method of dropping the aqueous solution onto a sample, and the like. As the alkaline aqueous solution, an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous potassium hydroxide solution, or the like is preferably used, and an aqueous sodium hydroxide solution that is relatively easy to handle is more preferable. The concentration of the aqueous solution is not particularly limited as long as the pH (pH) is large, but
<支持体>
本発明における支持体(第1支持体110,第2支持体120など。光電変換セルの積層数が増加すれば、それにつれて増加する)は、多孔質半導体を形成するときに必要なプロセス温度に対する耐熱性(例えば120℃以上、一般には180℃以上)を有した透明材料からなる基板またはフィルムである。
<Support>
The support (the
例えばソーダガラス、石英ガラスなどのガラス基板やポリエステル、ポリアクリル、ポリイミド、テフロン(登録商標)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等の有機高分子からなるフィルム(可撓性を持つことが好ましいが、それに限るものではない)を挙げることができる。 For example, a glass substrate such as soda glass or quartz glass, or a film made of an organic polymer such as polyester, polyacryl, polyimide, Teflon (registered trademark), polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, etc. Not limited).
さらに、入射光方向から最も遠い支持体(本実施形態においては第3支持体130)は、必ずしも透明である必要が無いため、上記材料に加えてシリカ、アルミナなどのセラミックやカーボン、金属などを使用しても構わない。また、第3支持体130には多孔質半導体の形成が必要ないため、第1支持体110、第2支持体120に使用する有機高分子より耐熱性が低い(例えば90℃以上120℃未満程度の)有機高分子も使用できる。
なお、本明細書で述べる「透明」とは、少なくとも可視光領域(波長が400nm以上700nm以下の光)における透過率の平均が10%以上であることをいい、一般的には50%以上、好ましくは70%以上であることをいう。
Furthermore, since the support farthest from the incident light direction (the
In addition, “transparent” described in the present specification means that the average of transmittance in at least a visible light region (light having a wavelength of 400 nm or more and 700 nm or less) is 10% or more, generally 50% or more, Preferably it means 70% or more.
<透明導電層>
本実施形態における第1透明導電層111と第2透明導電層121は、光電極2で発生した電子を集め、外部回路に輸送する機能を有するものである。
透明導電層は導電性材料からなり、加えて電解質4中にヨウ素等の腐食力の強い成分を有する場合、少なくともその表面には耐食性の強い材料を用いることが好ましい。ここでいう耐食性とは、電解質による腐食に抗する材料特性を持つということである。
<Transparent conductive layer>
The first transparent conductive layer 111 and the second transparent
The transparent conductive layer is made of a conductive material. In addition, when the
よって、透明導電層として、ITO(インジウム−スズ複合酸化物)、フッ素がドープされた酸化スズ、ボロンまたはガリウムまたはアルミニウムがドープされた酸化亜鉛、ニオブがドープされた酸化チタン等の透明導電性金属酸化物を好ましく用いることができ、金、銀、アルミニウム、チタン、インジウムなどの金属を薄膜としたものも用いることができる。さらに、これらを組み合わせて使用することもできる。
透明導電層の形成方法としては真空蒸着法、メッキ法、スパッタ法、PVD法、塗布法など、任意の公知方法を挙げることができる。
Therefore, transparent conductive metal such as ITO (indium-tin composite oxide), fluorine-doped tin oxide, boron or gallium or aluminum-doped zinc oxide, niobium-doped titanium oxide as the transparent conductive layer An oxide can be preferably used, and a thin film of a metal such as gold, silver, aluminum, titanium, or indium can also be used. Furthermore, these can also be used in combination.
As a method for forming the transparent conductive layer, any known method such as a vacuum deposition method, a plating method, a sputtering method, a PVD method, and a coating method can be used.
<対極>
対極3は、光電極2と共に一対の電極を構成するものであり、外部回路から取り入れた電子を輸送する働きと、さらにこの電子を電解質4へと輸送する酸化還元反応を促進する働き(触媒機能)を持つ。触媒機能を持つ材料としては白金やカーボン(カーボンブラック、グラファイト粒子など)が好ましく用いられる。
対極3の形成には上記透明導電層の形成方法と同様の公知方法(真空蒸着法、メッキ法、スパッタ法、PVD法、塗布法など)が用いられる。
<Counter electrode>
The
The
また本発明において、対極3の非入射光側に光電変換セルを設置する場合には、この対極3は光を透過することが好ましい。このときの透過率としては少なくとも10%以上あることが好ましく、さらに好ましくは65%以上である。透過率を調整する手段としては、対極3を薄く形成する方法、対極3に開口部を設ける方法がある。
対極3を薄く形成するには、対極3の形成時(上記の公知方法)において条件を調整すればよい。
対極3に開口部を設ける方法としては、対極3をストライプ状、格子状など種々の形状に形成すればよい。この場合、開口部より入射光をセル内部へ取り込むことができるため、対極3そのものは不透明であってもよい。
Moreover, in this invention, when installing a photoelectric conversion cell in the non-incident light side of the
In order to form the
As a method of providing an opening in the
<電解質>
電解質4は、光電極2(これを構成する多孔質半導体の空孔中を含む)と、対極3との間に配置され、酸化還元対とこれを保持可能な媒体からなる。媒体として液体(溶媒)を用いれば電解液となり、高分子ゲルを用いればゲル電解質となる。
<Electrolyte>
The
酸化還元対としては一般に、鉄系、コバルト系など金属類や塩素、臭素、ヨウ素などのハロゲン物質が用いられ、好ましくはヨウ素が用いられる。その中でも、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化カルシウム等の金属ヨウ化物とヨウ素との組み合わせが最も好ましい。さらに、ジメチルプロピルイミダゾリウムアイオダイド等のイミダゾール塩等を混入しても良い。 As the redox couple, generally, metals such as iron and cobalt, and halogen substances such as chlorine, bromine and iodine are used, and iodine is preferably used. Among these, a combination of metal iodides such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, calcium iodide and iodine is most preferable. Furthermore, an imidazole salt such as dimethylpropylimidazolium iodide may be mixed.
また、溶媒としてはプロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、アセトニトリル等のニトリル化合物、エタノール等のアルコール類、その他、水や非プロトン極性物質等が用いられるが、その中でも、カーボネート化合物やニトリル化合物が好ましく用いられる。これらの溶媒は2種類以上を混合して用いることもできる。一方、溶媒の揮発が問題となる場合は、溶融塩を溶媒の代わりに用いても良い。
なお、電解質4中の酸化還元対の濃度は、酸化還元対材料と媒体の種類により適宜選択されるが、媒体が液体(溶媒)または溶融塩の場合、一般的には0.01モル/リットル以上1.5モル/リットル以下の範囲が好ましい。
As the solvent, carbonate compounds such as propylene carbonate, nitrile compounds such as acetonitrile, alcohols such as ethanol, water, aprotic polar substances, and the like are used. Among them, carbonate compounds and nitrile compounds are preferably used. . Two or more of these solvents can be used in combination. On the other hand, when the volatilization of the solvent becomes a problem, a molten salt may be used instead of the solvent.
The concentration of the redox couple in the
<接続部>
接続部150は、第2支持体120の入射光方向に形成した第1対極3−1と非入射光方向に形成した第2透明導電層121とを、金属ペーストや金属ワイヤーなどで外部接続する、第2支持体120の側面に形成した導電層で接続する、第2支持体120として導電性と透明性を合わせ持つ材料を使用する(例えば導電性高分子など。なお、この場合には第2透明導電層121は必ずしも必要ではない)等を挙げることができる。
<Connection part>
The
<封止部>
封止部160は、一般的には光電変換素子の周縁部に形成され、一対の支持体間を接合することで素子内部を封止する領域および/または部材をいう。
封止部160の材料としては、一般にシリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂などの有機高分子が用いられる。これらは単独で、または2種類以上の材料を組み合わせて用いることができる。
また、封止部160としてペースト状樹脂を用いた場合にはディスペンサやスクリーン印刷などの方法によってパターン形成することができる。また、シート状樹脂を用いた場合は、そのシート状樹脂をカッターやレーザー等を用いて切断し、パターン化すればよい。
<Sealing part>
The sealing
As a material for the sealing
Further, when a paste-like resin is used as the sealing
<電流値調整手段>
タンデム型光電変換素子において図1に示すような直列接続方法は、最も単純であるために好ましい接続方法といえる。
しかし、各光電変換セルの出力電流値が大きく異なる場合には、各セルの出力電流値中で最も低い出力電流値がボトルネックとなることで色素増感型光電変換素子全体の出力電流値を下げてしまうという問題があった。
<Current value adjusting means>
In the tandem photoelectric conversion element, the series connection method as shown in FIG. 1 is the most simple and preferable connection method.
However, if the output current value of each photoelectric conversion cell differs greatly, the lowest output current value among the output current values of each cell becomes the bottleneck. There was a problem of lowering.
よって、これを回避するために本発明においては、各光電変換セルの出力電流値の差を小さくするための電流値調整手段を設けることを好ましい手法として挙げることができる。
具体的な電流値調整手段としては、光電極の光学的厚みを変えた光電変換セルを適宜配置する、電解質中の酸化還元対濃度を変えた光電変換セルを適宜配置する、光電変換セル中の透明導電層や光電極、対極を分割し、それら分割数を光電変換セル間で異ならせるなどの方法を挙げることができるが、好ましい電流値調整手段としては、異なるヘイズ率を持つ光電極を備えた光電変換セルを設け、これらを組み合わせる方法、または異なる透過率を持つ複数の光電変換セル(例えば、対極または支持体の透過率を変える事による)を設け、これらを組み合わせる方法を挙げることができる。
Therefore, in order to avoid this, in the present invention, it is preferable to provide a current value adjusting means for reducing the difference between the output current values of the photoelectric conversion cells.
As specific current value adjusting means, a photoelectric conversion cell in which the optical thickness of the photoelectrode is changed is appropriately arranged, a photoelectric conversion cell in which the redox pair concentration in the electrolyte is changed is appropriately arranged, in the photoelectric conversion cell Although a method such as dividing the transparent conductive layer, the photoelectrode, and the counter electrode and changing the number of divisions between the photoelectric conversion cells can be mentioned, a preferable current value adjusting means includes photoelectrodes having different haze ratios. And a method of combining these, or a method of combining a plurality of photoelectric conversion cells having different transmittances (for example, by changing the transmittance of the counter electrode or the support) and combining them. .
異なるヘイズ率を持つ光電極を備えた光電変換セルの組み合わせとしては、トップセルを構成する光電極よりも大きなヘイズ率を持つ光電極をトップセル以外の光電変換セルに用いる例を示すことができる。ここで、トップセルを構成する光電極のヘイズ率は30%以下であることが好ましく、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下である。ヘイズ率の高い光電極をトップセルに用いると、トップセルで光が散乱され、非入射光側に位置する光電変換セルへ照射される光量が低下するため、タンデム型光電変換素子における光電変換効率の向上率があまり大きくならないからである。 As a combination of photoelectric conversion cells including photoelectrodes having different haze ratios, an example in which a photoelectrode having a larger haze ratio than a photoelectrode constituting the top cell is used for a photoelectric conversion cell other than the top cell can be shown. . Here, the haze ratio of the photoelectrode constituting the top cell is preferably 30% or less, more preferably 10% or less, and further preferably 5% or less. When a photoelectrode with a high haze ratio is used for the top cell, light is scattered by the top cell, and the amount of light irradiated to the photoelectric conversion cell located on the non-incident light side decreases, so the photoelectric conversion efficiency in the tandem photoelectric conversion element This is because the improvement rate is not so large.
一方、非入射光側に位置する光電変換セルを構成する光電極のヘイズ率は特に限定されるものではないが、トップセルを構成する光電極のヘイズ率よりも大きいことが好ましく、好ましくはヘイズ率60%以上、より好ましくは80%〜95%が好ましい。 On the other hand, the haze ratio of the photoelectrode constituting the photoelectric conversion cell located on the non-incident light side is not particularly limited, but is preferably larger than the haze ratio of the photoelectrode constituting the top cell, preferably haze. The rate is 60% or more, more preferably 80% to 95%.
なお、トップセルを構成する光電極よりも大きなヘイズ率を持つ光電極としては、異なる粒径の半導体微粒子により構成された複層構造を採る光電極を挙げることができる。この例を図4に示す。
すなわち図4における第2光電極2―2は、その後方(非入射光側)に形成された、第2多孔質半導体2−2よりも大きな平均粒径を持つ半導体(例えばルチル型の酸化チタンなどからなる)微粒子により形成された多孔質層170と共に複層構造を採っている。
また、異なる透過率を持つ複数の光電変換セルの組み合わせとして、トップセルを構成する対極の透過率を、非入射光側にある光電変換セルを構成する対極の透過率よりも高くする例を好ましく挙げることができる。ここでトップセルを構成する対極の透過率は65%以上であることがより好ましい。
An example of a photoelectrode having a haze ratio larger than that of the photoelectrode constituting the top cell is a photoelectrode having a multilayer structure composed of semiconductor fine particles having different particle diameters. An example of this is shown in FIG.
That is, the second photoelectrode 2-2 in FIG. 4 is a semiconductor (for example, rutile type titanium oxide) formed behind (on the non-incident light side) and having a larger average particle diameter than the second porous semiconductor 2-2. A multi-layer structure is formed together with a
Further, as a combination of a plurality of photoelectric conversion cells having different transmittances, an example in which the transmittance of the counter electrode constituting the top cell is higher than the transmittance of the counter electrode constituting the photoelectric conversion cell on the non-incident light side is preferable. Can be mentioned. Here, the transmittance of the counter electrode constituting the top cell is more preferably 65% or more.
透過率の高い対極を得る方法としては、対極の膜厚を薄くする方法や、相対的に透過率の高い対極を用いる、対極に開口部を設ける等の方法を挙げることができる。またこれらの方法を組み合わせて用いてもよい。トップセルの対極に白金を用いる場合には、白金の膜厚は0.1nm〜30nmが好ましく、より好ましくは0.5nm〜20nmである。 Examples of a method for obtaining a counter electrode having a high transmittance include a method of reducing the thickness of the counter electrode, a method of using a counter electrode having a relatively high transmittance, and a method of providing an opening in the counter electrode. Moreover, you may use combining these methods. When platinum is used for the counter electrode of the top cell, the thickness of the platinum film is preferably 0.1 nm to 30 nm, more preferably 0.5 nm to 20 nm.
また、対極に開口部を形成する場合、開口部より入射光をセル内部へ取り込むことができるため、対極は不透明であってもよい。従って、対極の膜厚を十分厚くすることができるため、電気抵抗が低く、形状因子(FF)の低下を抑えることができる。この場合、対極は、65%〜99%、好ましくは75%〜97.5%の開口率を有するのが好ましい。
対極の開口率が65%未満の場合には、単位面積当たりの透過光強度の大幅な向上が得られないので好ましくない。また、対極の開口率が99%を超える場合には、電極としての機能が低下し、酸化還元反応に利用できる対極の触媒能が低下し、酸化還元反応がスムーズに行われず、高い光電変換効率が望めないので好ましくない。
また、開口部を制御することにより、各光電変換セルの出力電流を調整することができる。
When an opening is formed in the counter electrode, incident light can be taken into the cell from the opening, so the counter electrode may be opaque. Therefore, since the counter electrode can be sufficiently thick, the electrical resistance is low, and the reduction of the form factor (FF) can be suppressed. In this case, the counter electrode preferably has an aperture ratio of 65% to 99%, preferably 75% to 97.5%.
When the aperture ratio of the counter electrode is less than 65%, it is not preferable because the transmitted light intensity per unit area cannot be significantly improved. In addition, when the aperture ratio of the counter electrode exceeds 99%, the function as an electrode is lowered, the catalytic ability of the counter electrode that can be used for the redox reaction is lowered, the redox reaction is not smoothly performed, and the high photoelectric conversion efficiency. Is not preferable because it cannot be expected.
Moreover, the output current of each photoelectric conversion cell can be adjusted by controlling the opening.
対極の形状は、開口部を有する形状であれば特に限定されないが、細線状であるのが好ましく、ストライプ形状および/または格子形状であるのが特に好ましい。
対極がストライプ形状であれば、開口率に対する酸化還元対の移動距離が短くなり、光電変換効率が向上するので好ましい。
また、対極が格子形状であれば、一部に断線故障が発生しても電流を取り出すことができる、すなわち断線故障による影響を軽減できるので好ましい形状である。
The shape of the counter electrode is not particularly limited as long as it is a shape having an opening, but is preferably a fine line shape, and particularly preferably a stripe shape and / or a lattice shape.
It is preferable that the counter electrode has a stripe shape because the moving distance of the oxidation-reduction pair with respect to the aperture ratio is shortened and the photoelectric conversion efficiency is improved.
Further, if the counter electrode has a lattice shape, a current can be taken out even if a disconnection failure occurs in part, that is, it is a preferable shape because the influence of the disconnection failure can be reduced.
ストライプ形状は、線幅0.1〜50μm、好ましくは1〜30μmおよび間隔1〜200μm、好ましくは5〜100μmの細線からなるのが好ましい。
ストライプの線幅が0.1μm未満の場合には、抵抗が高くなるので好ましくない。また、ストライプの線幅が50μmを超える場合には、開口率が低くなりすぎるため好ましくない。
一方、ストライプの間隔が狭い場合には、線幅を細くしなければ開口率が小さくなり、線幅を細くし過ぎると抵抗が大きくなるので、間隔は1μm以上が好ましい。また、ストライプの間隔が広い場合には、酸化還元対が移動し難くなり、抵抗が増大するので、例えば、酸化還元対であるヨウ素の移動距離の観点から、間隔は200μm以下が好ましい。
The stripe shape is preferably composed of fine lines having a line width of 0.1 to 50 μm, preferably 1 to 30 μm and an interval of 1 to 200 μm, preferably 5 to 100 μm.
If the line width of the stripe is less than 0.1 μm, the resistance becomes high, which is not preferable. In addition, when the line width of the stripe exceeds 50 μm, the aperture ratio becomes too low, which is not preferable.
On the other hand, when the stripe interval is narrow, the aperture ratio decreases unless the line width is reduced, and the resistance increases when the line width is excessively reduced. Therefore, the interval is preferably 1 μm or more. Further, when the stripe interval is wide, the oxidation-reduction pair becomes difficult to move and the resistance increases. For example, from the viewpoint of the movement distance of iodine as the oxidation-reduction pair, the interval is preferably 200 μm or less.
格子形状は、間隔5〜250μm、好ましくは20〜150μm、線幅0.1〜50μm、好ましくは1〜30μmおよび交差角度80〜100°、好ましくは85〜95°の細線からなるのが好ましい。
細線で囲まれる格子の形状は、平行四辺形、ひし形、長方形、正方形など、いかなる形状であってもよい。
格子の線幅および間隔は、ストライプと同様の理由により好ましく設定される。
また、交差角度、すなわち細線の接する二辺間の角は、酸化還元対の対極まで移動距離を短くし、開口率を大きくするために、上記の範囲に設定するのが好ましい。
The lattice shape is preferably composed of fine wires having an interval of 5 to 250 μm, preferably 20 to 150 μm, a line width of 0.1 to 50 μm, preferably 1 to 30 μm, and an intersection angle of 80 to 100 °, preferably 85 to 95 °.
The shape of the grid surrounded by the thin lines may be any shape such as a parallelogram, a rhombus, a rectangle, or a square.
The line width and interval of the lattice are preferably set for the same reason as the stripe.
Further, the crossing angle, that is, the angle between the two sides where the thin line contacts is preferably set in the above range in order to shorten the moving distance to the counter electrode of the redox pair and increase the aperture ratio.
対極を構成する材料としては、後述する電解質の酸化還元反応を活性化させるものであればよく、例えば、白金、パラジウム、カーボン(カーボンブラック、グラファイト、ガラス炭素、アモルファス炭素、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンホイスカー、カーボンナノチューブ、フラーレン)などが挙げられ、これらの中でも、触媒機能と導電率の観点から白金が特に好ましい。 The material constituting the counter electrode may be any material that activates the redox reaction of the electrolyte described later, such as platinum, palladium, carbon (carbon black, graphite, glass carbon, amorphous carbon, hard carbon, soft carbon, Carbon whisker, carbon nanotube, fullerene) and the like. Among these, platinum is particularly preferable from the viewpoint of catalytic function and conductivity.
また、異なる透過率を持つ光電変換セルの組み合わせを得る方法は対極の透過率変更に限るものではなく、中間層(入射光側光電変換セルの対極と非入射光側光電変換セルの透明導電層とを兼ねた領域のこと)の構成部のうち、いずれか1種以上の透過率を変更すれば良い。
中間層の構成例としては、単一の支持体の入射光側に対極(白金やカーボンからなる)を形成し、同じ支持体の非入射光側に透明導電層(フッ素ドープされた酸化スズなど)を形成した例を挙げることができる。
In addition, the method of obtaining a combination of photoelectric conversion cells having different transmittances is not limited to changing the transmittance of the counter electrode, but an intermediate layer (the counter electrode of the incident light side photoelectric conversion cell and the transparent conductive layer of the non-incident light side photoelectric conversion cell) Any one or more of the transmittances may be changed.
As a configuration example of the intermediate layer, a counter electrode (made of platinum or carbon) is formed on the incident light side of a single support, and a transparent conductive layer (fluorine-doped tin oxide or the like is formed on the non-incident light side of the same support. ) Can be given.
中間層に用いられる支持体の透過率は、トップセルの入射光側に位置する支持体の透過率よりも高いことが好ましい。例えば、中間層の支持体の厚さが、トップセルの入射光側に用いられる支持体の厚さよりも薄いことが好ましい。中間層に用いる支持体の好ましい厚さは0.1μm〜5mmであり、より好ましくは0.2μm〜1mmである。
中間層に用いる支持体の厚さが5mm以上になると、光電変換素子の重量が増し可搬性に劣る他、支持体自身の光吸収などにより光電変換効率の向上率が減少するおそれがあり、中間層に用いる支持体の厚さが0.1μm以下となると、強度不足や支持体厚の不均一に起因した光電変換効率のばらつきが起こるおそれがあるからである。
The transmittance of the support used for the intermediate layer is preferably higher than the transmittance of the support located on the incident light side of the top cell. For example, it is preferable that the support of the intermediate layer is thinner than the support used on the incident light side of the top cell. The preferable thickness of the support used for the intermediate layer is 0.1 μm to 5 mm, more preferably 0.2 μm to 1 mm.
When the thickness of the support used for the intermediate layer is 5 mm or more, the weight of the photoelectric conversion element increases and the portability is inferior, and the improvement rate of the photoelectric conversion efficiency may decrease due to light absorption of the support itself. This is because if the thickness of the support used for the layer is 0.1 μm or less, there is a risk of variations in photoelectric conversion efficiency due to insufficient strength or uneven support thickness.
また、中間層の支持体の非入射光側に形成される透明導電層の透過率が、トップセルの入射光側に位置する支持体上に形成される透明導電層の透過率よりも高いことがより好ましい。具体的には、中間層の透明導電層に、相対的に導電率の高い(同じ導電率を得るために必要な膜厚が薄くてすむために透過率が高い)材料を用いる、中間層の透明導電層の層厚を相対的に薄くするなどの方法を挙げることができる。 The transmittance of the transparent conductive layer formed on the non-incident light side of the intermediate layer support is higher than the transmittance of the transparent conductive layer formed on the support positioned on the incident light side of the top cell. Is more preferable. Specifically, the intermediate transparent layer is made of a material having a relatively high conductivity (high transmittance so that the film thickness required for obtaining the same conductivity is thin). Examples thereof include a method of relatively reducing the thickness of the conductive layer.
<色素増感型光電変換素子モジュール>
本実施形態においては2個の光電変換セルから構成されたタンデム型光電変換素子の例を示したが、本発明の色素増感型光電変換素子は3個以上の光電変換セルからなるタンデム型光電変換素子であっても構わない。
3個の光電変換セルとして、例えば入射光側から酸化ジルコニウムや酸化タンタルなどを用いた第1光電変換セル、酸化チタンなどを用いた第2光電変換セル、酸化スズや酸化タングステンなどを用いた第3光電変換セルを組み合わせる例を挙げることができる。
また、本発明の色素増感型光電変換素子は複数のタンデム型光電変換素子を接続(一般的には直列接続であるが、並列接続が含まれていても構わない)した、色素増感型光電変換素子モジュールを包含する。
図5には3個のタンデム型光電変換素子を直列接続した色素増感型光電変換素子モジュール500を示す。図5中の501は外部回路(負荷)を示す。
<Dye-sensitized photoelectric conversion element module>
In the present embodiment, an example of a tandem photoelectric conversion element composed of two photoelectric conversion cells has been shown. However, the dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention is a tandem photoelectric conversion element composed of three or more photoelectric conversion cells. It may be a conversion element.
As the three photoelectric conversion cells, for example, a first photoelectric conversion cell using zirconium oxide or tantalum oxide from the incident light side, a second photoelectric conversion cell using titanium oxide or the like, a first photoelectric conversion cell using tin oxide or tungsten oxide, or the like. An example of combining three photoelectric conversion cells can be given.
In addition, the dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention is a dye-sensitized type in which a plurality of tandem photoelectric conversion elements are connected (generally connected in series but may be connected in parallel). Includes a photoelectric conversion element module.
FIG. 5 shows a dye-sensitized photoelectric
以下、実施例を示して本発明をさらに詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
<実施例1>
1・支持体の準備
まず、図6に示すように、ガラスからなる透明基板の片面にフッ素をドープした酸化スズからなる透明導電層を形成した第1支持体110と第3支持体130、及び両面に透明導電層を形成した第2支持体120を準備した。
ここで、第1支持体110片面の透明導電層は第1透明導電層111である。また、第2支持体120の一方の透明導電層は第2透明導電層121であり、他方の透明導電層は白金薄膜(後述)と共に第1対極3−1となる。また、第3支持体130片面の透明導電層は後述する白金薄膜と共に第2対極3−2となる。
<Example 1>
1. Preparation of Support First, as shown in FIG. 6, a
Here, the transparent conductive layer on one side of the
2・多孔質半導体の形成
次に、第1支持体110の第1透明導電層111が形成された面と、第2支持体120の第2透明導電層121が形成された面に、それぞれ多孔質半導体を以下の方法で形成した。
チタンイソプロポキシド(キシダ化学株式会社製)125mL、pH調製剤である0.1M硝酸水溶液(キシダ化学株式会社製)750mLを混合し、80℃で8時間加熱することにより、チタンイソプロポキシドの加水分解反応を進行させ、ゾル液を調製した。次に、チタン製オートクレーブにて230℃で11時間、粒子成長させた。
2. Formation of Porous Semiconductor Next, the surface of the
By mixing 125 mL of titanium isopropoxide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and 750 mL of 0.1M nitric acid aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) which is a pH adjuster, and heating at 80 ° C. for 8 hours, titanium isopropoxide The hydrolysis reaction was advanced to prepare a sol solution. Next, particles were grown at 230 ° C. for 11 hours in a titanium autoclave.
次に、超音波分散を30分間行なうことで、平均粒径15nmの酸化チタン粒子を含む溶液(コロイド溶液I)の作製を行い、5000rpmにて遠心分離を行なうことにより酸化チタン粒子を沈殿させた。次にこの粒子と1000mLのエタノールを混合し、酸化チタン粒子を遠心分離により沈殿させる操作を3回繰り返して、酸化チタン粒子を作製した。なお、コロイド溶液に含まれる酸化チタン粒子の平均粒径は、光散乱光度計(大塚電子株式会社製)をもちいて、レーザー光の動的光散乱を解析することにより求めた。
次に、平均粒径が400nmの酸化チタン粒子(触媒化成株式会社製、HPW−400C)を準備した。この酸化チタン粒子を含むコロイド溶液をコロイド溶液II(以下で調整)とする。
Next, ultrasonic dispersion was performed for 30 minutes to prepare a solution (colloid solution I) containing titanium oxide particles having an average particle diameter of 15 nm, and titanium oxide particles were precipitated by centrifugation at 5000 rpm. . Next, this particle | grain and 1000 mL ethanol were mixed, and the operation which precipitates a titanium oxide particle by centrifugation was repeated 3 times, and the titanium oxide particle was produced. In addition, the average particle diameter of the titanium oxide particles contained in the colloidal solution was obtained by analyzing dynamic light scattering of laser light using a light scattering photometer (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).
Next, titanium oxide particles having an average particle diameter of 400 nm (manufactured by Catalyst Kasei Co., Ltd., HPW-400C) were prepared. The colloidal solution containing the titanium oxide particles is referred to as colloidal solution II (adjusted below).
上述2種の酸化チタン粒子をそれぞれ洗浄した後、エチルセルロース(キシダ化学株式会社製)とテルピネオール(キシダ化学株式会社製)を無水エタノールに溶解させたものを加え、攪拌することにより酸化チタン粒子を分散させた。その後、40mbarの減圧下、50℃にてエタノールを蒸発させ、コロイド溶液I〜IIから酸化チタンペースト(懸濁液I〜II)の作製を行った。なお、最終的な組成として、酸化チタン固体濃度20wt%、エチルセルロース10wt%、テルピネオール64wt%となるように濃度調整を行った。
After washing each of the above two types of titanium oxide particles, ethyl cellulose (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and terpineol (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) dissolved in absolute ethanol are added, and the titanium oxide particles are dispersed by stirring. I let you. Thereafter, ethanol was evaporated at 50 ° C. under reduced pressure of 40 mbar, and titanium oxide pastes (suspensions I to II) were prepared from the colloidal solutions I to II. The final composition was adjusted so that the titanium oxide solid concentration was 20 wt%,
まず、懸濁液Iをスクリーン印刷法により、10mm×10mmの面積で、第1支持体110及び第2支持体120上に塗布し,80℃で30分間予備乾燥した後、500℃、30分間空気中で焼成した。この工程を繰り返すことで、第1支持体110及び第2支持体120上に厚さ10μmの多孔質半導体を形成した。第1支持体110上の多孔質半導体αを図6中に第1多孔質半導体1−1で示す。さらに第2支持体120上に形成した多孔質半導体上に、懸濁液IIを用いて同様の方法で多孔質半導体を形成した。得られた第2支持体120上の多孔質半導体βを図6中に第2多孔質半導体1−2で示す。多孔質半導体βの膜厚は15μmであった。
First, the suspension I is applied on the
次に、第2支持体120の多孔質半導体を形成していない面の透明導電層と、第3支持体130の透明導電層とに白金をそれぞれ20nm、100nmスパッタすることにより、第1対極3−1と第2対極3−2を形成した。ここで、第1対極3−1の透過率は65%、第2対極3−2の透過率は5%であった。
なお、多孔質半導体αと多孔質半導体βを別途フッ素ドープ酸化スズ付きのガラス基板上に形成し、それらのヘイズ率を紫外−可視分光光度計(株式会社島津製作所製、UV−3150)を用いて測定した結果、それぞれ、3.1%、78.2%(測定波長は700nm)を得た。
Next, platinum is sputtered onto the transparent conductive layer on the surface of the
In addition, the porous semiconductor α and the porous semiconductor β are separately formed on a glass substrate with fluorine-doped tin oxide, and the haze ratio thereof is measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer (manufactured by Shimadzu Corporation, UV-3150). As a result, 3.1% and 78.2% (measurement wavelength was 700 nm) were obtained, respectively.
3・色素の吸着
化合物A及び化合物Bをそれぞれ無水エタノールに濃度4×10-4モル/リットルで溶解し、色素吸着用溶液Aと色素吸着用溶液Bをそれぞれ作製した。この色素吸着用溶液Aに多孔質半導体αを浸漬し、色素吸着用溶液Bに多孔質半導体βを浸漬し、室温下で20時間放置した後、引き上げてエタノールで洗浄し、乾燥させて第1光電極2−1と第2光電極2−2をそれぞれ作製した。
3. Adsorption of dye Compound A and compound B were each dissolved in absolute ethanol at a concentration of 4 × 10 −4 mol / liter to prepare dye adsorption solution A and dye adsorption solution B, respectively. The porous semiconductor α is immersed in the dye adsorbing solution A, and the porous semiconductor β is immersed in the dye adsorbing solution B, left at room temperature for 20 hours, then lifted, washed with ethanol, dried, and dried. A photoelectrode 2-1 and a second photoelectrode 2-2 were produced.
4・電解液の注入
次に、図7に示すように、第1支持体110と第3支持体130とを、第2支持体120を介してエポキシ系樹脂(封止部160となる)を用いて貼り合わせた。第1支持体110と第3支持体130には、予め電解液注入用の注入孔を形成しておく(非図示)。
4. Injection of Electrolyte Next, as shown in FIG. 7, the
次に、アセトニトリル(キシダ化学株式会社製)に濃度0.1モル/リットルのヨウ化リチウムと濃度0.05モル/リットルのヨウ素と濃度0.6モル/リットルの1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドと0.5モル/リットルの4−tert−ブチルピリジンを溶解した電解液Xと、アセトニトリル(キシダ化学株式会社製)に濃度0.1モル/リットルのヨウ化リチウムと濃度0.03モル/リットルのヨウ素と濃度0.6モル/リットルの1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドと0.5モル/リットルの4−tert−ブチルピリジンを溶解した電解液Yをそれぞれ調製した。
Next, acetonitrile (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was mixed with 0.1 mol / liter of lithium iodide, 0.05 mol / liter of iodine, and 0.6 mol / liter of 1,2-dimethyl-3-liter. Electrolyte X in which propylimidazolium iodide and 0.5 mol / liter of 4-tert-butylpyridine are dissolved, lithium iodide at a concentration of 0.1 mol / liter and a concentration of 0 in acetonitrile (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) Electrolyte Y in which 0.03 mol / liter iodine, 0.6 mol /
次に、第1光電極2−1からなる光電変換セルには電解液Yを、第2光電極2−2からなる光電変換セルには電解液Xをそれぞれ注入して第1電解質4−1と第2電解質4−2を形成した後、エポキシ系樹脂を用いて注入孔を封止した。
第2支持体120の両面を銀ペースト(藤倉化成株式会社製、商品名ドータイト)を塗布することにより電気的に接続し、色素増感型光電変換素子400を作製した。
作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、短絡電流密度(以下、Jsc)8.1mA/cm2、開放電圧(以下、Voc)1.32V、形状因子(以下、FF)0.75を示し、光電変換効率は、8.0%であった。
Next, the electrolytic solution Y is injected into the photoelectric conversion cell composed of the first photoelectrode 2-1, and the electrolytic solution X is injected into the photoelectric conversion cell composed of the second photoelectrode 2-2. After forming the second electrolyte 4-2, the injection hole was sealed with an epoxy resin.
Both surfaces of the
The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element has a short-circuit current density (hereinafter referred to as Jsc) of 8.1 mA / cm 2 , an open-circuit voltage (hereinafter referred to as Voc) of 1.32 V, and a form factor (hereinafter referred to as FF) of 0.75. The conversion efficiency was 8.0%.
<実施例2>
実施例1に用いた化合物Aの代わりに化合物Cを用いた以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=8.0mA/cm2、Voc=1.31V、FF=0.74を示し、光電変換効率は、7.8%であった。
<Example 2>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 1 except that Compound C was used instead of Compound A used in Example 1. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 8.0 mA / cm 2 , Voc = 1.31 V, FF = 0.74, and the photoelectric conversion efficiency was 7.8%.
<実施例3>
酸化スズ(アルドリッチ社製、粒径18.3nm)を用い、実施例1に準じて酸化スズペーストIII(懸濁液III)を調整した。
実施例1において多孔質半導体βを形成する際に用いた懸濁液Iの代わりに、懸濁液IIIを用いた以外は多孔質半導体βと同様にして多孔質半導体γを形成した。多孔質半導体γのヘイズ率は前述と同様に測定した結果、75.4%であった。
多孔質半導体γを多孔質半導体βの代わりに用い、化合物Bの代わりに化合物Dを用いた以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=8.7mA/cm2、Voc=1.20V、FF=0.74を示し、光電変換効率は、7.7%であった。
<Example 3>
Tin oxide paste III (suspension III) was prepared according to Example 1 using tin oxide (Aldrich, particle size 18.3 nm).
A porous semiconductor γ was formed in the same manner as the porous semiconductor β except that the suspension III was used instead of the suspension I used when forming the porous semiconductor β in Example 1. As a result of measuring the haze ratio of the porous semiconductor γ in the same manner as described above, it was 75.4%.
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 1 except that the porous semiconductor γ was used instead of the porous semiconductor β and the compound D was used instead of the compound B. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 8.7 mA / cm 2 , Voc = 1.20 V, FF = 0.74, and the photoelectric conversion efficiency was 7.7%.
<実施例4>
実施例3における多孔質半導体αの膜厚を7μmとし、化合物Aの代わりに化合物Eを用い、電解質をいずれも電解液Xにより形成した以外は、実施例3に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=6.8mA/cm2、Voc=1.35V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、6.9%であった。
<Example 4>
Dye-sensitized photoelectric conversion according to Example 3, except that the thickness of the porous semiconductor α in Example 3 was 7 μm, Compound E was used in place of Compound A, and the electrolyte was formed of electrolyte X. An element was produced. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 6.8 mA / cm 2 , Voc = 1.35 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 6.9%.
<実施例5>
実施例1における多孔質半導体αの膜厚を7μmとし、化合物Aの代わりに化合物Fを用い、電解質をいずれも電解液Xにより形成した以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=6.5mA/cm2、Voc=1.25V、FF=0.74を示し、光電変換効率は、6.0%であった。
<Example 5>
Dye-sensitized photoelectric conversion according to Example 1 except that the thickness of the porous semiconductor α in Example 1 was 7 μm, Compound F was used instead of Compound A, and the electrolyte was formed of electrolyte X. An element was produced. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 6.5 mA / cm 2 , Voc = 1.25 V, FF = 0.74, and the photoelectric conversion efficiency was 6.0%.
<実施例6>
実施例3における化合物Dの代わりに化合物Gを用いた以外は、実施例3に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=8.1mA/cm2、Voc=1.18V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、7.2%であった。
<Example 6>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 3 except that Compound G was used instead of Compound D in Example 3. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 8.1 mA / cm 2 , Voc = 1.18 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 7.2%.
<実施例7>
実施例1における多孔質半導体βを、多孔質半導体αと同じ構成の多孔質半導体とした以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=6.2mA/cm2、Voc=1.34V、FF=0.76を示し、光電変換効率は、6.3%であった。
<Example 7>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the porous semiconductor β in Example 1 was changed to a porous semiconductor having the same configuration as that of the porous semiconductor α. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 6.2 mA / cm 2 , Voc = 1.34 V, FF = 0.76, and the photoelectric conversion efficiency was 6.3%.
<実施例8>
実施例3における酸化スズの代わりに、酸化タングステン(アルドリッチ製、30〜50nm)を用いた以外は実施例3に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=7.2mA/cm2、Voc=1.28V、FF=0.73を示し、光電変換効率は、6.7%であった。
<Example 8>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 3 except that tungsten oxide (manufactured by Aldrich, 30 to 50 nm) was used instead of tin oxide in Example 3. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 7.2 mA / cm 2 , Voc = 1.28 V, FF = 0.73, and the photoelectric conversion efficiency was 6.7%.
<実施例9>
実施例1における化合物Bの代わりに化合物Fを用いた以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、変換効率を測定した。その色素増感型光電変換素子は、Jsc=8.5mA/cm2、Voc=1.08V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、6.9%であった。
<Example 9>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that Compound F was used instead of Compound B in Example 1. The prepared dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator) to measure the conversion efficiency. The dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 8.5 mA / cm 2 , Voc = 1.08 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 6.9%.
<実施例10>
実施例4における化合物Dの代わりに化合物Iを用いたこと以外は、実施例4に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=8.2mA/cm2、Voc=1.31V、FF=0.74を示し、光電変換効率は、7.9%であった。
<Example 10>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 4 except that Compound I was used instead of Compound D in Example 4. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 8.2 mA / cm 2 , Voc = 1.31 V, FF = 0.74, and the photoelectric conversion efficiency was 7.9%.
<実施例11>
実施例3で調整した酸化スズ(アルドリッチ社製、粒径18.3nm)を含む酸化スズペーストIII(懸濁液III)に、酸化マグネシウム粉末(キシダ化学株式会社製)を酸化スズに対して10wt%混入し、塩酸でpHを1程度に調整し、10分間攪拌した後、超音波分散を10分間行なうことにより、酸化マグネシウムを酸化スズペースト中に分散させた懸濁液IVを得た。多孔質半導体βを形成する際に用いた懸濁液Iの代わりに、懸濁液IVを用いた以外は多孔質半導体βと同様にして多孔質半導体δを形成した。多孔質半導体δのヘイズ率は前述と同様に測定した結果、78.1%であった。
形成した多孔質半導体δを多孔質半導体γの代わりに用いた以外は、実施例10に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=7.8mA/cm2、Voc=1.37V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、8.0%であった。
<Example 11>
To tin oxide paste III (suspension III) containing tin oxide prepared in Example 3 (manufactured by Aldrich, particle size: 18.3 nm), magnesium oxide powder (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added at 10 wt. %, The pH was adjusted to about 1 with hydrochloric acid, stirred for 10 minutes, and then subjected to ultrasonic dispersion for 10 minutes to obtain a suspension IV in which magnesium oxide was dispersed in a tin oxide paste. A porous semiconductor δ was formed in the same manner as the porous semiconductor β, except that the suspension IV was used instead of the suspension I used when forming the porous semiconductor β. As a result of measuring the haze ratio of the porous semiconductor δ in the same manner as described above, it was 78.1%.
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 10 except that the formed porous semiconductor δ was used instead of the porous semiconductor γ. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 7.8 mA / cm 2 , Voc = 1.37 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 8.0%.
<実施例12>
実施例1における多孔質半導体αを、多孔質半導体βと同じ構成の多孔質半導体とした以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=5.1mA/cm2、Voc=1.30V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、5.0%であった。
<Example 12>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the porous semiconductor α in Example 1 was a porous semiconductor having the same configuration as that of the porous semiconductor β. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 5.1 mA / cm 2 , Voc = 1.30 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 5.0%.
<実施例13>
実施例1における第1対極3−1上の白金膜厚を変更し、第1対極の透過率を50%とする以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=5.9mA/cm2、Voc=1.31V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、5.8%であった。
<Example 13>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced according to Example 1 except that the platinum film thickness on the first counter electrode 3-1 in Example 1 was changed and the transmittance of the first counter electrode was set to 50%. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 5.9 mA / cm 2 , Voc = 1.31 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 5.8%.
<実施例14>
実施例1の第1対極3−1において、白金をストライプ状に形成した(対極形状は、線間隔76μm、開口率:75%であった。)以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=7.9mA/cm2、Voc=1.32V、FF=0.76を示し、光電変換効率は、7.9%であった。
<Example 14>
Dye sensitization according to Example 1 except that platinum was formed in a stripe shape in the first counter electrode 3-1 of Example 1 (the counter electrode shape had a line spacing of 76 μm and an aperture ratio of 75%). Type photoelectric conversion element was produced. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 7.9 mA / cm 2 , Voc = 1.32 V, FF = 0.76, and the photoelectric conversion efficiency was 7.9%.
<実施例15>
実施例1における多孔質半導体αに、化合物A及び化合物Bを同時に吸着させた光電極を形成した第1支持体110と、第2対極3−2を形成した第3支持体130をエポキシ樹脂により封止し、実施例1において用いた電解液Xを注入して光電変換素子を作製した。
具体的には、まず、化合物A及び化合物Bをそれぞれ濃度4×10-4モル/リットルとなるように無水エタノールに溶解させ、色素吸着用溶液A&Bを作製した。この色素吸着用溶液A&Bに多孔質半導体αを浸漬し、室温下で20時間放置した後、引き上げてエタノールで洗浄し、乾燥させて光電極を作製した。それ以外の方法は実施例1に記載の方法と同様である。
作製した光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この光電変換素子は、Jsc=12.1mA/cm2、Voc=0.62V、FF=0.72を示し、光電変換効率は、5.4%であった。
<Example 15>
The
Specifically, first, Compound A and Compound B were dissolved in absolute ethanol so as to have a concentration of 4 × 10 −4 mol / liter, respectively, to prepare a dye adsorption solution A & B. The porous semiconductor α was immersed in the dye adsorbing solution A & B and allowed to stand at room temperature for 20 hours, then pulled up, washed with ethanol, and dried to prepare a photoelectrode. Other methods are the same as those described in Example 1.
The produced photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This photoelectric conversion element showed Jsc = 12.1 mA / cm 2 , Voc = 0.62 V, FF = 0.72, and the photoelectric conversion efficiency was 5.4%.
<比較例1>
実施例1における第1支持体110(多孔質半導体αに化合物Aを吸着させた)と第3支持体130(第2対極3−2を形成した)とをエポキシ樹脂により封止し、電解液Xを注入して色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=8.1mA/cm2、Voc=0.54V、FF=0.72を示し、光電変換効率は、3.2%であった。
<Comparative Example 1>
The
<比較例2>
実施例1に用いた化合物Aと化合物Bの代わりに化合物Eを用いた以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=3.4mA/cm2、Voc=1.42V、FF=0.75を示し、光電変換効率は、3.6%であった。
<Comparative example 2>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that Compound E was used instead of Compound A and Compound B used in Example 1. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 3.4 mA / cm 2 , Voc = 1.42 V, FF = 0.75, and the photoelectric conversion efficiency was 3.6%.
<比較例3>
実施例1に用いた化合物Aと化合物Bの代わりに化合物Eと化合物Hをそれぞれ用いた以外は、実施例1に準じて色素増感型光電変換素子を作製した。作製した色素増感型光電変換素子に、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、光電変換効率を測定した。この色素増感型光電変換素子は、Jsc=3.8mA/cm2、Voc=1.32V、FF=0.74を示し、光電変換効率は、3.7%であった。
上記の実施例と比較例の結果一覧を以下の表1に示す。
<Comparative Example 3>
A dye-sensitized photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that Compound E and Compound H were used instead of Compound A and Compound B used in Example 1, respectively. The produced dye-sensitized photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), and the photoelectric conversion efficiency was measured. This dye-sensitized photoelectric conversion element exhibited Jsc = 3.8 mA / cm 2 , Voc = 1.32 V, FF = 0.74, and the photoelectric conversion efficiency was 3.7%.
The results of the above examples and comparative examples are listed in Table 1 below.
これらの結果から、下記の結果が明確となった。
1・単一の光電変換セルを用いた場合(実施例14と比較例1との比較)においては、色素(化合物A、化合物B)を単独で用いるよりも異なる吸収波長ピークを有する色素(化合物A、化合物B)を混合し(あるいは多層として)用いた方が高い光電変換効率を得ることができる。
2・複数の光電変換セルを用いた場合、異なる吸収ピーク波長を持つ色素を用いる必要がある(実施例1〜13と比較例2,3との比較)。それらの中でも吸収ピーク波長の差が90nm以上であることが好ましい(実施例1、5と実施例9との比較)。なお、本実施例および比較例における吸収ピーク波長のデータは、各吸収スペクトル中で最も長波長側にある吸収ピーク波長であるが、これに限るものではない。
From these results, the following results became clear.
1. When a single photoelectric conversion cell is used (comparison between Example 14 and Comparative Example 1), a dye having a different absorption wavelength peak (compound) than using the dye (compound A, compound B) alone Higher photoelectric conversion efficiency can be obtained when A and compound B) are mixed (or used as a multilayer).
2. When a plurality of photoelectric conversion cells are used, it is necessary to use dyes having different absorption peak wavelengths (comparison between Examples 1 to 13 and Comparative Examples 2 and 3). Among them, the difference in absorption peak wavelength is preferably 90 nm or more (comparison between Examples 1 and 5 and Example 9). In addition, although the data of the absorption peak wavelength in a present Example and a comparative example are the absorption peak wavelengths in the longest wavelength side in each absorption spectrum, it is not restricted to this.
3・複数の光電変換セルを用いた場合、光の利用効率の観点から、異なるヘイズ率を持つ光電極を用いることが好ましいことが分かる。特に、トップセルを構成する光電極のヘイズ率が他の光電変換セルを構成する光電極のヘイズ率よりも低いことが好ましいことが分かる(実施例1、7、12の比較)。
4.複数の光電変換セルを用いた場合、光の利用効率の観点から、トップセルを構成する対極の透過率が他の光電変換セルを構成する対極の透過率よりも高いことが好ましいことが分かる(実施例1と13の比較)。
3. When using a plurality of photoelectric conversion cells, it is understood that it is preferable to use photoelectrodes having different haze ratios from the viewpoint of light utilization efficiency. It turns out that it is especially preferable that the haze rate of the photoelectrode which comprises a top cell is lower than the haze rate of the photoelectrode which comprises another photoelectric conversion cell (Example 1, 7, 12 comparison).
4). When a plurality of photoelectric conversion cells are used, it is understood that the transmittance of the counter electrode constituting the top cell is preferably higher than the transmittance of the counter electrode constituting the other photoelectric conversion cell from the viewpoint of light utilization efficiency ( Comparison of Examples 1 and 13).
1 多孔質半導体(1−1,1−2として示す)
2 光電極
3 対極
4 電解質
1 Porous semiconductor (shown as 1-1, 1-2)
2
Claims (31)
最も入射光側にある光電変換セルを構成する前記色素のLUMO−HOMOエネルギーギャップEgTと、
入射光方向から最も遠い光電変換セルを構成する前記色素のLUMO−HOMOエネルギーギャップEgBとが、
EgT>EgB
なる関係を満たす請求項10記載の色素増感型光電変換素子。 In a dye-sensitized photoelectric conversion element comprising a plurality of photoelectric conversion cells having a combination of photoelectrodes on which a plurality of dyes having different absorption peak wavelengths are adsorbed,
LUMO-HOMO energy gap EgT of the dye constituting the photoelectric conversion cell on the most incident light side;
LUMO-HOMO energy gap EgB of the dye constituting the photoelectric conversion cell farthest from the incident light direction,
EgT> EgB
The dye-sensitized photoelectric conversion element according to claim 10 that satisfies the following relationship.
EgT−EgB>0.3eV
なる関係を満たすことを特徴とする請求項11記載の色素増感型光電変換素子。 The LUMO-HOMO energy gap EgT of the dye constituting the photoelectric conversion cell on the most incident light side, and the LUMO-HOMO energy gap EgB of the dye constituting the photoelectric conversion cell farthest from the incident light direction,
EgT-EgB> 0.3 eV
The dye-sensitized photoelectric conversion element according to claim 11, wherein the following relationship is satisfied.
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