JP2008071605A - Counter electrode for dye-sensitized solar battery, and dye-sensitized solar battery equipped with it - Google Patents

Counter electrode for dye-sensitized solar battery, and dye-sensitized solar battery equipped with it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a counter electrode for a dye-sensitized solar battery capable of being manufactured at low cost and processes, endowed with high durability with degradation of performance with time restrained, and showing excellent battery characteristics even in case electrolyte solution of high viscosity or pseudo-solidified electrolyte is used, as well as a dye-sensitized solar battery using the same. <P>SOLUTION: An electrode equipped with an electrode base body consisting of an electrode support body and a conductive material and containing a fine linear or cylindrical carbon material partially or wholly coated with conductive polymers on the electrode base body makes up a counter electrode capable of quickly reducing an oxidant of the redox pair. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、色素増感太陽電池の対極、及びそれを備えた色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a counter electrode of a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell including the same.

近年、半導体層に可視光域を吸収させる増感色素を担持させた色素増感太陽電池が検討されている。この色素増感太陽電池は、使用する材料が安価であること、比較的シンプルなプロセスで製造できること等の利点からその実用化が期待されている。
上記の色素増感太陽電池は、可視光を吸収して励起した増感色素から半導体電極に電子が注入され、集電体を通して外部に電流が取り出される。一方、増感色素の酸化体は電解質中の酸化還元対により還元されて再生する。酸化された酸化還元対は、半導体電極に対向して設置された対極表面で還元されてサイクルが一周する。
In recent years, dye-sensitized solar cells in which a semiconductor layer is loaded with a sensitizing dye that absorbs a visible light region have been studied. This dye-sensitized solar cell is expected to be put to practical use because of the advantages that the material used is inexpensive and that it can be manufactured by a relatively simple process.
In the dye-sensitized solar cell, electrons are injected from the sensitizing dye excited by absorbing visible light into the semiconductor electrode, and current is taken out through the current collector. On the other hand, the oxidized form of the sensitizing dye is reduced and regenerated by a redox pair in the electrolyte. The oxidized redox pair is reduced on the counter electrode surface facing the semiconductor electrode, and the cycle goes around.

色素増感太陽電池に従来用いられている対極としては、電極基体上に塩化白金酸溶液を基体上に塗布もしくは浸漬した後に加熱処理する方法や、真空蒸着法又はスパッタリング法によって基板上に白金薄膜を形成させる方法により得られる白金電極が知られている。この対極においては、電解質中の酸化還元対(例えば、I3 -/I-等)の酸化体を還元体に還元する還元反応(I3 -をI-に還元する還元反応)を速やかに進行させることが可能な電極特性を有するものが求められている。 Counter electrodes conventionally used for dye-sensitized solar cells include a method in which a chloroplatinic acid solution is applied or immersed on an electrode substrate and then heat-treated, or a platinum thin film on a substrate by vacuum deposition or sputtering. There is known a platinum electrode obtained by a method of forming a film. In this counter electrode, a redox pair in the electrolyte (e.g., I 3 - / I -, etc.) a reduction reaction of reducing an oxidant to reductant of rapidly progressive (I 3 - - The I reduction reaction reduced to) What has the electrode characteristic which can be made to be made is calculated | required.

しかしながら、白金は高価な貴金属であり、スパッタリング法や真空蒸着法によって白金電極を形成した場合、材料の消費において無駄が多いため生産性が低く、また、真空設備を必要とするため設備費も高く、その結果、製造コストが高くなるという問題があった。また、塩化白金酸溶液を基板に塗布した後焼成処理する方法では、塗布された白金前駆体溶液を白金に熱分解するためには400℃以上の高い温度が必要であり、熱に弱い基体には適用できないという問題があった。   However, platinum is an expensive noble metal, and when a platinum electrode is formed by sputtering or vacuum deposition, productivity is low due to waste of material consumption, and equipment costs are high because vacuum equipment is required. As a result, there has been a problem that the manufacturing cost becomes high. Further, in the method of applying the chloroplatinic acid solution to the substrate and then performing the baking treatment, a high temperature of 400 ° C. or higher is required to thermally decompose the applied platinum precursor solution into platinum, and the substrate is not sensitive to heat. There was a problem that could not be applied.

さらには近年、実用化を考慮し、色素増感太陽電池用電解質の高粘度化やゲル化が検討されているが、電解質の高粘度化にともない酸化還元対であるヨウ素の拡散が該太陽電池内の電子移動反応の律速過程となっており、太陽電池特性を低下させてしまうという問題があった。このため、対極表面でのヨウ素還元反応をより速やかに進行させることが求められている。そのためには凹凸を形成させて表面積を拡大させるなどの対応が必要となり、その結果白金使用量が増加する、または製造プロセスが煩雑になり製造コストが高くなるという問題があった。さらに白金は水あるいは酸素存在下、電解質溶液中に溶解することが知られており、その使用は安定性の面からも問題があった。   Furthermore, in recent years, considering the practical application, the increase in viscosity and gelation of electrolytes for dye-sensitized solar cells has been studied. However, the diffusion of iodine, which is a redox couple with the increase in the viscosity of the electrolyte, has been investigated. This is the rate-limiting process of the electron transfer reaction, and there is a problem that the solar cell characteristics are deteriorated. For this reason, it is calculated | required to advance the iodine reduction reaction on the surface of a counter electrode more rapidly. For this purpose, it is necessary to take measures such as forming irregularities and increasing the surface area. As a result, the amount of platinum used increases, or the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases. Furthermore, it is known that platinum dissolves in an electrolyte solution in the presence of water or oxygen, and its use has a problem in terms of stability.

非特許文献1には、カーボンナノチューブなどの炭素材料を触媒として含む対極を用いた色素増感太陽電池が記載されている。該文献においては、シングルウォールナノチューブが比較的良好な光電変換効率を示しているが、白金対極よりも低い性能しか得られていない。   Non-Patent Document 1 describes a dye-sensitized solar cell using a counter electrode including a carbon material such as a carbon nanotube as a catalyst. In this document, single-wall nanotubes show relatively good photoelectric conversion efficiency, but only a performance lower than that of a platinum counter electrode is obtained.

非特許文献2および3には活性炭を用いた対極が記載されており、白金対極よりも優れた光電変換効率が得られたと報告されている。しかしながら、比較している白金対極の特性、特に短絡電流密度が低く、現在一般的なより高い電流密度での動作に対応できるかは不明である。その上、カーボンを触媒とした場合、白金よりも触媒能が低いため、同等の光電流を得るためには触媒層を白金対極より厚くして比表面積を向上させなければならず、高粘度電解液や擬固体化電解質を用いる場合は、上記酸化還元対の拡散の問題がより深刻に影響してしまうため、高い特性を得ることができないという問題点があった。   Non-Patent Documents 2 and 3 describe a counter electrode using activated carbon, and it is reported that a photoelectric conversion efficiency superior to that of a platinum counter electrode was obtained. However, the characteristics of the platinum counter electrode being compared, in particular, the short-circuit current density is low, and it is unclear whether the current operation can be performed at a higher current density. In addition, when carbon is used as a catalyst, the catalytic ability is lower than that of platinum. Therefore, in order to obtain an equivalent photocurrent, the catalyst layer must be made thicker than the platinum counter electrode to increase the specific surface area. In the case of using a liquid or a quasi-solid electrolyte, there is a problem that high characteristics cannot be obtained because the problem of diffusion of the redox couple is more seriously affected.

また、上記非特許文献3では、活性炭と導電性高分子を組み合わせた対極が記載されているが、炭素材料のみを利用した対極よりも劣った性能しか得られていない。   Moreover, in the said nonpatent literature 3, although the counter electrode which combined activated carbon and a conductive polymer is described, only the performance inferior to the counter electrode using only a carbon material is obtained.

特許文献1には、モノマーを重合させると同時に形成される有機膜からなるホール集電電極(対極)を使用した色素増感太陽電池が開示されている。
該特許文献1で例示されているホール集電体作製方法は、導電性高分子のモノマーおよび重合触媒を含む溶液を塗布した後、加熱処理することで重合を進行させ、最終的に溶媒を除去する方法である。
Patent Document 1 discloses a dye-sensitized solar cell using a hole current collecting electrode (counter electrode) made of an organic film formed simultaneously with polymerization of a monomer.
In the Hall current collector preparation method exemplified in Patent Document 1, after applying a solution containing a monomer of a conductive polymer and a polymerization catalyst, the polymerization is advanced by heat treatment, and finally the solvent is removed. It is a method to do.

対極表面でのヨウ素還元反応をより速やかに進行させるためには、上述の白金を用いた対極と同様に、表面積を増大させる方法があるが、均一な膜厚でさらに膜厚を増加させるのは該作製方法では困難である。また、該作製方法で得られる膜は緻密であり、電解質溶液中では膨潤して基板から剥離してしまうという問題もあった。したがって、該作製方法では所望の高表面積の対極を得ることはできず、これ以上の性能向上は困難である。また、前記作製方法では、ポリ(3,4−エチレンジオキシ)チオフェンを熱処理により重合することが記載されているが、熱処理を施すためプラスチックやフィルムなどを電極基体の使用には向いていないという問題もあった。   In order to make the iodine reduction reaction on the counter electrode surface proceed more quickly, there is a method to increase the surface area, as with the counter electrode using platinum described above. This production method is difficult. In addition, the film obtained by the production method is dense and has a problem that it swells in the electrolyte solution and peels off from the substrate. Therefore, with this manufacturing method, a counter electrode with a desired high surface area cannot be obtained, and further performance improvement is difficult. In addition, although the production method describes that poly (3,4-ethylenedioxy) thiophene is polymerized by heat treatment, plastic or film is not suitable for use as an electrode substrate because heat treatment is performed. There was also a problem.

非特許文献4においては、導電性高分子の分散溶液を導電性基体上へ塗布して溶媒を除去する製法が記載されているが、粒子を積層するだけでは粒子間の密着が不十分であること、導電性高分子粒子の接触だけでは導電性が不十分であることなどにより、特許文献1と同様に高比表面積の電極を得ることはできず、これ以上の性能向上は望めない。   Non-Patent Document 4 describes a production method in which a dispersion solution of a conductive polymer is applied onto a conductive substrate to remove the solvent, but the adhesion between the particles is insufficient only by laminating the particles. In addition, due to insufficient conductivity only by contact with the conductive polymer particles, an electrode having a high specific surface area cannot be obtained as in Patent Document 1, and further performance improvement cannot be expected.

また、上記特許文献および非特許文献において用いられている導電性高分子では、導電性高分子に含まれる、電気伝導度を高めるためのドーパントが電解質中に遊離し、経時的に対極の電気抵抗値が増大してしまうという懸念が残されていた。   Moreover, in the conductive polymer used in the above-mentioned patent document and non-patent document, the dopant for increasing the electrical conductivity contained in the conductive polymer is liberated in the electrolyte, and the electrical resistance of the counter electrode over time. There remained concern that the value would increase.

種々の技術が提案されているが、依然としてより安価な製造コストとプロセスで作製でき、性能の経時的低下が抑制されて高い耐久性を有するとともに、高粘度の電解液もしくは擬固体化電解質を用いた場合においても優れた電池特性を示す色素増感太陽電池が求められている。   Various technologies have been proposed, but they can still be manufactured with a lower manufacturing cost and process, and the deterioration of performance over time is suppressed and the durability is high, and a highly viscous electrolyte or quasi-solid electrolyte is used. There is a need for a dye-sensitized solar cell exhibiting excellent battery characteristics even in the case of

特開2003−317814号公報JP 2003-317814 A Kazuharu Suzuki,Makoto Yamaguchi,Mikio Kumagai,and Shozo Yanagida, 「Application of Carbon Nanotubes to Counter Electrodes of Dye−sensitized Solar Cells」,Vol.32,No.1,Chemistry Letters, 2003,p.28−29Kazuharu Suzuki, Makoto Yamaguchi, Mikio Kumagai, and Shozo Yanagida, “Application of Carbon Nanotubes to Counter Electros. 32, no. 1, Chemistry Letters, 2003, p. 28-29 Kiyoaki Imoto,Kohshin Takahashi,Takahiro Yamaguchi,Teruhisa Komura,Jun−ichi Nakamura,Kazuhiko Murata,「High−performance carbon counter electrode for dye−sensitized solar cells」,79,Solar Energy Materials & Solar Cells,2003,p.459−469Kiyoaki Imoto, Kohshin Takahashi, Takahiro Yamaguchi, Teruhisa Komura, Jun-ichi Nakamura, Kazuhiko Murata, "High-performance carbon counter electrode for dye-sensitized solar cells", 79, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2003, p. 459-469 Kiyoaki Imoto,Masatoshi Suzuki,Kohshin Takahashi,Takahiro Yamaguchi,Teruhisa Komura,Jun−ichi Nakamura,and Kazuhiko Murata,「Activated Carbon Counter electrode for dye−sensitized solar cell」,71,No.11,Electrochemistry,2003,p.944−946.Kiyoaki Imoto, Masatoshi Suzuki, Kohshin Takahashi, Takahiro Yamaguchi, Teruhisa Komura, Jun-ichi Nakamura, and Kazuhiko Murata, "Activated Carbon Counter electrode for dye-sensitized solar cell", 71, No. 11, Electrochemistry, 2003, p. 944-946. 電気化学会第72回大会 講演要旨集、2005年4月1日、p.471Abstracts of the 72nd Annual Meeting of the Electrochemical Society of Japan, April 1, 2005, p.471

本発明は上記した実情に鑑み、色素増感太陽電池用の対極であって、安価な製造コストとプロセスで作製でき、性能の経時的低下が抑制されて高い耐久性を有するとともに、高粘度の電解液もしくは擬固体化電解質を用いた場合においても優れた電池特性を示す色素増感太陽電池対極、ならびにそれを用いた色素増感太陽電池を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, the present invention is a counter electrode for a dye-sensitized solar cell, which can be manufactured with an inexpensive manufacturing cost and process, has a high durability with a decrease in performance over time, and has a high viscosity. It is an object of the present invention to provide a dye-sensitized solar cell counter electrode exhibiting excellent battery characteristics even when an electrolytic solution or a quasi-solidified electrolyte is used, and a dye-sensitized solar cell using the same.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、色素増感太陽電池用の対極において、
電極支持体と導電性材料からなる電極基体を有し、該電極基体上に、導電性高分子にて一部もしくは全体を被覆された微細な線状又は筒状炭素材料を含有する電極が酸化還元対の酸化体を速やかに還元することができる対極となることを見出した。
本発明者らはまた、前記導電性高分子と微細な線状又は筒状炭素材料が、相互作用していること、特に前記線状又は筒状炭素材料と前記導電性高分子がπ−πスタッキングにより相互作用することにより、電極特性と耐久性に優れた対極が得られることを見出した。
本発明者らはさらに、前記線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基と前記導電性高分子との相互作用により複合化していること、特に、前記線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基が、前記導電性高分子にドーピングされること、もしくは、前記導電性高分子と化学結合すること、により生ずる相互作用により複合化した対極が、電極特性と耐久性に優れることを見出した。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have, in the counter electrode for the dye-sensitized solar cell,
An electrode substrate comprising an electrode support and a conductive material, and an electrode containing a fine linear or cylindrical carbon material partially or entirely coated with a conductive polymer is oxidized on the electrode substrate. It has been found that the oxidant of the reducing pair becomes a counter electrode that can be rapidly reduced.
The present inventors have also described that the conductive polymer interacts with a fine linear or cylindrical carbon material, in particular, the linear or cylindrical carbon material and the conductive polymer are π-π. It was found that a counter electrode excellent in electrode characteristics and durability can be obtained by interacting by stacking.
The present inventors further composited by the interaction between the functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material and the conductive polymer, in particular, the linear or cylindrical carbon material. The counter electrode combined by the interaction caused by the functional group introduced on the surface being doped into the conductive polymer or chemically bonded to the conductive polymer has excellent electrode characteristics and durability. I found out.

従って、本発明は、光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを少なくとも有する色素増感太陽電池において、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される対極であって、
電極支持体と導電性材料からなる電極基体を有し、該基体上に、酸化還元対となる化学種の酸化体を還元する触媒物質として、少なくともその一部が導電性高分子にて被覆されてなる微細な線状又は筒状炭素材料を含有することを特徴とする対極である。
Therefore, the present invention provides a dye-sensitized solar cell having at least a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action and an electrolyte layer containing a chemical species serving as a redox pair, with the electrolyte layer interposed therebetween. A counter electrode disposed opposite to the semiconductor electrode,
An electrode substrate comprising an electrode support and a conductive material, and on the substrate, at least a part thereof is coated with a conductive polymer as a catalytic substance that reduces an oxidized form of a chemical species that serves as a redox pair. The counter electrode is characterized by containing a fine linear or cylindrical carbon material.

本発明はまた、前記線状又は筒状炭素材料と前記導電性高分子が相互作用、より好ましくはπ−πスタッキングにより相互作用していることを特徴とする対極である。   The present invention is also the counter electrode characterized in that the linear or cylindrical carbon material and the conductive polymer interact with each other, more preferably by π-π stacking.

本発明はまた、前記線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基が、前記導電性高分子にドーピングされていることを特徴とする対極である。さらに、本発明は、前記線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基と前記導電性高分子とが化学結合を有していることを特徴とする対極である。   The present invention is also the counter electrode characterized in that the conductive polymer is doped with a functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material. Furthermore, the present invention is the counter electrode characterized in that the functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material has a chemical bond with the conductive polymer.

上記線状又は筒状炭素材料の表面に導入する官能基として、カルボキシル基、スルホ基、ホスホニウム基が挙げられる。また、前記線状又は筒状炭素材料の具体例として、単層および多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが挙げられる。   Examples of the functional group introduced into the surface of the linear or cylindrical carbon material include a carboxyl group, a sulfo group, and a phosphonium group. Specific examples of the linear or cylindrical carbon material include single- and multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, and fullerenes.

上記導電性高分子を形成するモノマーとして、芳香族アミン化合物があり、さらに具体的にアニリンおよびアニリン誘導体がある。該アニリン誘導体の例としてアニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、及びN−メチルアニリンなどがある。該アニリン誘導体の別の例として、トリフルオロメチルアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどがある。上記導電性高分子を形成する別のモノマーとして、チオフェン化合物が挙げられる。チオフェン化合物にはチオフェン及びチオフェン誘導体が含まれ、該チオフェン誘導体として、テトラデシルチオフェン、イソチアナフテン、3−フェニルチオフェン、3,4−エチレンジオキシチオフェン、および3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−オクチルチオフェンなどのアルキルチオフェンがある。上記導電性高分子を形成する別のモノマーとして、ピロール、ピロール誘導体などが挙げられる。該ピロール誘導体には3−メチルピロール、3−ブチルピロール、3−オクチルピロールなどのアルキルピロールがある。   Examples of the monomer that forms the conductive polymer include aromatic amine compounds, and more specifically, aniline and aniline derivatives. Examples of the aniline derivative include anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, and N-methylaniline. Other examples of the aniline derivative include trifluoromethylaniline, nitroaniline, cyanoaniline, and halogenated aniline. A thiophene compound is mentioned as another monomer which forms the said conductive polymer. Thiophene compounds include thiophene and thiophene derivatives, which include tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3-phenylthiophene, 3,4-ethylenedioxythiophene, and 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, There are alkylthiophenes such as 3-octylthiophene. Examples of another monomer that forms the conductive polymer include pyrrole and pyrrole derivatives. Examples of the pyrrole derivative include alkyl pyrroles such as 3-methyl pyrrole, 3-butyl pyrrole, and 3-octyl pyrrole.

本発明はまた、上述した対極を具備する色素増感太陽電池である。   The present invention is also a dye-sensitized solar cell including the counter electrode described above.

本発明によれば、安価な製造コストとプロセスで作製でき、性能の経時的低下が抑制されて高い耐久性を有するとともに、高粘度の電解液もしくは擬固体化電解質を用いた場合においても優れた電池特性を示す色素増感太陽電池対極、ならびにそれを用いた色素増感太陽電池を提供することができる。   According to the present invention, it can be produced with a low manufacturing cost and process, has a high durability by suppressing a decrease in performance over time, and is excellent in the case of using a high-viscosity electrolytic solution or a quasi-solidified electrolyte. A dye-sensitized solar cell counter electrode exhibiting battery characteristics, and a dye-sensitized solar cell using the same can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態について適宜、図面を参照しながら、詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

図1は、本発明の色素増感太陽電池の一例を表す断面模式図である。その色素増感太陽電池において、透明基体2とその上に形成された透明導電膜3からなる電極基体1の表面に、多孔質金属酸化物半導体層4が形成され、さらに該多孔質金属酸化物半導体層4の表面には、増感色素層5が吸着されている。そして、電解質層6を介して、本発明の対極7が対向して設置されている。
図2は、本発明の対極の一例を表す断面模式図であって、対極7において、電極支持体と導電性材料からなる電極基体8と、電極の作用部分として、導電性高分子にて一部もしくは全体を被覆された微細な線状又は筒状炭素材料を含有する触媒層9が該電極基体8の表面上に備えられている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the dye-sensitized solar cell of the present invention. In the dye-sensitized solar cell, a porous metal oxide semiconductor layer 4 is formed on the surface of an electrode substrate 1 comprising a transparent substrate 2 and a transparent conductive film 3 formed thereon, and the porous metal oxide is further formed. A sensitizing dye layer 5 is adsorbed on the surface of the semiconductor layer 4. The counter electrode 7 of the present invention is disposed so as to face the electrolyte layer 6.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the counter electrode of the present invention. In the counter electrode 7, an electrode base 8 made of an electrode support and a conductive material, and a conductive polymer as an active part of the electrode are used. A catalyst layer 9 containing a fine linear or cylindrical carbon material coated on a part or the whole is provided on the surface of the electrode substrate 8.

以下、本発明の色素増感太陽電池の各構成材料について、好適な形態を説明する。
[透明基体]
電極基体1を構成する透明基体2は、可視光を透過するものが使用でき、透明なガラスが好適に利用できる。また、ガラス表面を加工して入射光を散乱させるようにしたもの、半透明なすりガラス状のものも使用できる。また、ガラスに限らず、光を透過するものであればプラスチック板やプラスチックフィルム等も使用できる。
透明基体2の厚さは、太陽電池の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、例えばガラスやプラスチックなどを用いた場合では、実使用時の耐久性を考慮して1mm〜1cm程度であり、フレキシブル性が必要とされ、プラスチックフィルムなどを使用した場合は、1μm〜1mm程度である。
Hereinafter, a suitable form is demonstrated about each structural material of the dye-sensitized solar cell of this invention.
[Transparent substrate]
As the transparent substrate 2 constituting the electrode substrate 1, one that transmits visible light can be used, and transparent glass can be suitably used. Moreover, the thing which processed the glass surface and scattered incident light, and a translucent ground glass-like thing can also be used. Moreover, not only glass but a plastic plate, a plastic film, etc. can be used if it transmits light.
The thickness of the transparent substrate 2 is not particularly limited because it varies depending on the shape and use conditions of the solar cell. For example, when glass or plastic is used, the thickness is about 1 mm to 1 cm in consideration of durability during actual use. Yes, flexibility is required, and when a plastic film or the like is used, it is about 1 μm to 1 mm.

[透明導電膜]
透明導電膜3としては、可視光を透過して、かつ導電性を有するものが使用でき、このような材料としては、例えば金属酸化物が挙げられる。特に限定はされないが、例えばフッ素をドープした酸化スズ(以下、「FTO」と略記する。)や、酸化インジウム、酸化スズと酸化インジウムの混合体(以下、「ITO」と略記する。)、酸化亜鉛などが好適に用いることができる。また、分散させるなどの処理により可視光が透過すれば、不透明な導電性材料を用いることもできる。このような材料としては炭素材料や金属が挙げられる。炭素材料としては、特に限定はされないが、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブやフラーレンなどが挙げられる。また、金属としては、特に限定はされないが、例えば白金、金、銀、ルテニウム、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金などが挙げられる。したがって、透明導電膜3としては、上述の導電性材料のうち少なくとも1種類以上からなる導電材料を、透明基体2の表面に設けて形成することができる。あるいは透明基体2を構成する材料の中へ上記導電性材料を組み込んで、透明基体と透明導電膜を一体化して電極基体1とすることも可能である。
[Transparent conductive film]
As the transparent conductive film 3, a material that transmits visible light and has conductivity can be used, and examples of such a material include metal oxide. Although not particularly limited, for example, tin oxide doped with fluorine (hereinafter abbreviated as “FTO”), indium oxide, a mixture of tin oxide and indium oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), and oxidation. Zinc or the like can be suitably used. In addition, an opaque conductive material can be used as long as visible light is transmitted through a treatment such as dispersion. Such materials include carbon materials and metals. Although it does not specifically limit as a carbon material, For example, graphite (graphite), carbon black, glassy carbon, a carbon nanotube, fullerene, etc. are mentioned. Further, the metal is not particularly limited, and examples thereof include platinum, gold, silver, ruthenium, copper, aluminum, nickel, cobalt, chromium, iron, molybdenum, titanium, tantalum, and alloys thereof. Therefore, the transparent conductive film 3 can be formed by providing a conductive material made of at least one of the above-described conductive materials on the surface of the transparent substrate 2. Alternatively, it is also possible to incorporate the conductive material into the material constituting the transparent substrate 2 and integrate the transparent substrate and the transparent conductive film into the electrode substrate 1.

透明基体2上に透明導電膜3を形成する方法として、金属酸化物を形成する場合は、ゾルゲル法や、スパッタやCVDなどの気相法、分散ペーストのコーティングなどがある。また、不透明な導電性材料を使用する場合は、紛体などを、透明なバインダーなどとともに固着させる方法が挙げられる。
透明基体と透明導電膜を一体化させるには、透明基体の成型時に導電性のフィラーとして上記導電膜材料を混合させるなどの方法をとることができる。
透明導電膜3の厚さは、用いる材料により導電性が異なるため特には限定されないが、一般的に使用されるFTO被膜付ガラスでは、0.01μm〜5μmであり、好ましくは0.1μm〜1μmである。また、必要とされる導電性は、使用する電極の面積により異なり、広い電極ほど低抵抗であることが求められるが、一般的に100Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下、より好ましくは5Ω/□以下である。100Ω/□を超えると太陽電池の内部抵抗が上がり、十分に電流が流れないため好ましくない。
透明基体及び透明導電膜から構成される電極基体1、又は透明基体と透明導電膜とを一体化した電極基体1の厚さは、上述のように太陽電池の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、一般的に1μm〜1000μm程度である。
As a method for forming the transparent conductive film 3 on the transparent substrate 2, in the case of forming a metal oxide, there are a sol-gel method, a vapor phase method such as sputtering and CVD, and a coating of a dispersion paste. Moreover, when using an opaque electroconductive material, the method of fixing a powder etc. with a transparent binder etc. is mentioned.
In order to integrate the transparent substrate and the transparent conductive film, a method such as mixing the conductive film material as a conductive filler at the time of molding the transparent substrate can be used.
The thickness of the transparent conductive film 3 is not particularly limited because the conductivity varies depending on the material to be used, but is generally 0.01 μm to 5 μm, preferably 0.1 μm to 1 μm in the FTO-coated glass. It is. Further, the required conductivity varies depending on the area of the electrode to be used, and a wider electrode is required to have a lower resistance, but is generally 100Ω / □ or less, preferably 10Ω / □ or less, more preferably 5Ω. / □ or less. Exceeding 100Ω / □ is not preferable because the internal resistance of the solar cell increases and current does not sufficiently flow.
The thickness of the electrode substrate 1 composed of a transparent substrate and a transparent conductive film, or the electrode substrate 1 in which the transparent substrate and the transparent conductive film are integrated varies depending on the shape and use conditions of the solar cell as described above, and thus is particularly limited. Generally, it is about 1 μm to 1000 μm.

[多孔質金属酸化物半導体]
多孔質金属酸化物半導体4としては、特に限定はされないが、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどが挙げられ、特に二酸化チタン、さらにはアナターゼ型二酸化チタンが好適である。また、電気抵抗値を下げるため、金属酸化物の粒界は少ないことが望ましい。また、増感色素をより多く吸着させるために、当該半導体層は多孔質になっていることが望ましく、その比表面積が、具体的には10〜200m2/gの範囲であるものが望ましい。また、増感色素の吸光量を増加させるため、使用する酸化物の粒径に幅を持たせて光を散乱させることが望ましい。
このような多孔質金属酸化物半導体は、特に限定されず既知の方法で透明導電膜3上に設けることができる。例えば、ゾルゲル法や、分散体ペーストの塗布、また、電析や電着させる方法がある。さらに、多孔質金属酸化物半導体に対し、半導体粒子同士の電子的接触の強化と、支持体との密着性の向上のために、さらに高温処理をしてもよい。
このような半導体層の厚さは、用いる酸化物およびその性状により最適値が異なるため特には限定されないが、0.1μm〜50μm、好ましくは5〜30μmである。
[Porous metal oxide semiconductor]
Examples of the porous metal oxide semiconductor 4 include, but are not limited to, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and the like. Particularly, titanium dioxide and further anatase type titanium dioxide are preferable. Further, it is desirable that the metal oxide has few grain boundaries in order to reduce the electric resistance value. In order to adsorb more sensitizing dye, the semiconductor layer is desirably porous, and specifically has a specific surface area in the range of 10 to 200 m 2 / g. Further, in order to increase the light absorption amount of the sensitizing dye, it is desirable to scatter the light by making the particle diameter of the oxide to be used wide.
Such a porous metal oxide semiconductor is not particularly limited and can be provided on the transparent conductive film 3 by a known method. For example, there are a sol-gel method, dispersion paste application, electrodeposition and electrodeposition. Further, the porous metal oxide semiconductor may be further subjected to a high temperature treatment in order to enhance the electronic contact between the semiconductor particles and improve the adhesion to the support.
The thickness of such a semiconductor layer is not particularly limited because the optimum value varies depending on the oxide used and its properties, but is 0.1 μm to 50 μm, preferably 5 to 30 μm.

[増感色素]
増感色素層5としては、太陽光により励起されて前記金属酸化物半導体層4に電子注入できるものであればよく、一般的に色素増感太陽電池に用いられている色素を用いることができるが、変換効率を向上させるためには、その吸収スペクトルが太陽光スペクトルと広波長域で重なっていて、耐光性が高いことが望ましい。特に限定はされないが、ルテニウム錯体、特にルテニウムポリピリジン系錯体が望ましく、さらに望ましいのは、Ru(L)2(X)2で表されるルテニウム錯体が望ましい。ここでLは4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン、もしくはその4級アンモニウム塩、およびカルボキシル基が導入されたポリピリジン系配位子であり、また、XはSCN、Cl、CNである。例えばビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ジイソチオシアネートルテニウム錯体などが挙げられる。
他の色素としては、ルテニウム以外の金属錯体色素、例えば鉄錯体、銅錯体などが挙げられる。さらに、シアン系色素、ポルフィリン系色素、ポリエン系色素、クマリン系色素、シアニン系色素、スクアリン酸系色素、スチリル系色素、エオシン系色素などの有機色素や導電性高分子などが挙げられる。これらの色素には、該金属酸化物半導体層への電子注入効率を向上させるため、該金属酸化物半導体層との結合基を有していることが望ましい。該結合基としては、特に限定はされないが、カルボキシル基、スルホン酸基などが望ましい。
[Sensitizing dye]
The sensitizing dye layer 5 is not particularly limited as long as it can be excited by sunlight and can inject electrons into the metal oxide semiconductor layer 4, and dyes generally used in dye-sensitized solar cells can be used. However, in order to improve the conversion efficiency, it is desirable that the absorption spectrum overlaps with the sunlight spectrum in a wide wavelength region and the light resistance is high. Although not particularly limited, a ruthenium complex, particularly a ruthenium polypyridine complex is desirable, and a ruthenium complex represented by Ru (L) 2 (X) 2 is more desirable. Here, L is 4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine, or a quaternary ammonium salt thereof, and a polypyridine ligand into which a carboxyl group is introduced, and X is SCN, Cl, CN It is. Examples thereof include bis (4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine) diisothiocyanate ruthenium complex.
Examples of other dyes include metal complex dyes other than ruthenium, such as iron complexes and copper complexes. Further, organic dyes such as cyan dyes, porphyrin dyes, polyene dyes, coumarin dyes, cyanine dyes, squaric acid dyes, styryl dyes, and eosin dyes, and conductive polymers can be used. These dyes preferably have a bonding group with the metal oxide semiconductor layer in order to improve the efficiency of electron injection into the metal oxide semiconductor layer. The linking group is not particularly limited, but a carboxyl group, a sulfonic acid group and the like are desirable.

多孔質金属酸化物半導体4へ増感色素を吸着させる方法は、特には限定されるものではなく、例としては、室温条件、大気圧下において、色素を溶解させた溶液中に多孔質金属酸化物半導体4を形成させた電極基体1を浸漬する方法が挙げられる。浸漬時間は、使用する半導体、色素、溶媒の種類、色素の濃度により、半導体層に均一に色素の単分子膜が形成されるよう、適宜調整することが望ましい。なお、吸着を効果的に行なうには加熱下での浸漬を行なえばよい。
増感色素を溶解するために用いる溶媒の例としては、エタノールなどのアルコール類、アセトニトリルなどの窒素化合物、アセトンなどのケトン類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、クロロホルムなどのハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチルなどのエステル類などが挙げられる。溶液中の色素濃度は、使用する色素及び溶媒の種類により適宜調整することが望ましい。例えば、5×10-5mol/L以上の濃度が望ましい。
The method for adsorbing the sensitizing dye to the porous metal oxide semiconductor 4 is not particularly limited. For example, the porous metal oxide is dissolved in a solution in which the dye is dissolved at room temperature and atmospheric pressure. A method of immersing the electrode substrate 1 on which the physical semiconductor 4 is formed may be mentioned. It is desirable that the immersion time is appropriately adjusted so that a monomolecular film of the dye is uniformly formed on the semiconductor layer depending on the type of the semiconductor, the dye, the solvent, and the concentration of the dye used. In addition, what is necessary is just to perform the immersion under a heating in order to perform adsorption | suction effectively.
Examples of the solvent used to dissolve the sensitizing dye include alcohols such as ethanol, nitrogen compounds such as acetonitrile, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether, halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, Examples thereof include aliphatic hydrocarbons such as hexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, and esters such as ethyl acetate. It is desirable that the dye concentration in the solution is appropriately adjusted according to the type of dye and solvent used. For example, a concentration of 5 × 10 −5 mol / L or more is desirable.

[電解質層]
電解質層6は、支持電解質と、酸化された増感色素を還元することのできる酸化還元対、およびそれらを溶解させた溶媒からなる。この溶媒としては、特に限定はされないが、非水性有機溶媒、常温溶融塩、水やプロトン性有機溶媒などから任意に選択でき、例えばアセトニトリルやジメチルホルムアミド、エチルメチルイミダゾリウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、炭酸プロピレンなどが挙げられ、中でもメトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、炭酸プロピレンなどを好適に用いることができる。また、溶媒をゲル化して用いることもできる。
支持電解質として、リチウム塩やイミダゾリウム塩、4級アンモニウム塩などが挙げられる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer 6 includes a supporting electrolyte, a redox pair capable of reducing the oxidized sensitizing dye, and a solvent in which they are dissolved. The solvent is not particularly limited, and can be arbitrarily selected from non-aqueous organic solvents, room temperature molten salts, water, protic organic solvents, and the like. For example, acetonitrile, dimethylformamide, ethylmethylimidazolium bistrifluoromethylsulfonylimide, methoxy Acetonitrile, methoxypropionitrile, propylene carbonate and the like can be mentioned, among which methoxyacetonitrile, methoxypropionitrile, propylene carbonate and the like can be suitably used. Further, the solvent can be used after gelation.
Examples of the supporting electrolyte include lithium salts, imidazolium salts, and quaternary ammonium salts.

酸化還元対としては、一般的に電池や太陽電池などにおいて使用することのできるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ハロゲン二原子分子とハロゲン化物塩との組み合わせ、チオシアン酸アニオンとチオシアン酸二分子の組み合わせ、ポリピリジルコバルト錯体や、ハイドロキノンなどの有機レドックスなどが挙げられる。この中では、特にヨウ素分子とヨウ化物との組み合わせが好適である。
支持電解質、酸化還元対などは、其々用いる溶媒、半導体電極および色素などにより最適な濃度が異なるため、特には限定されないが、1mmol/L〜5mol/L程度である。
電解質層にはさらに添加剤として、t−ブチルピリジン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、水などを添加することができる。
The oxidation-reduction pair is not particularly limited as long as it can be generally used in a battery or a solar battery. For example, a combination of a halogen diatomic molecule and a halide salt, a thiocyanate anion and Examples include a combination of two thiocyanate molecules, a polypyridyl cobalt complex, and organic redox such as hydroquinone. Among these, a combination of iodine molecules and iodide is particularly preferable.
The supporting electrolyte, the redox couple, and the like are not particularly limited because the optimum concentration differs depending on the solvent, the semiconductor electrode, the dye, and the like used, but is about 1 mmol / L to 5 mol / L.
Further, t-butylpyridine, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide, water, and the like can be added to the electrolyte layer as additives.

[対極−電極基体]
対極7は、電極基体8の表面に、導電性高分子にて一部もしくは全体を被覆された微細な線状又は筒状炭素材料を含有する触媒層9が形成された構造を有している。
線状又は筒状炭素材料は導電性高分子によって少なくともその一部が被覆されていることが好ましいが、より好ましくは、被覆率が50%以上であることが好ましい。
該電極基体8は、対極の支持体兼集電体として用いられるため、少なくとも触媒層9を形成させる表面部分は導電性を有していなければならない。
このような材質としては、例えば導電性を有する金属や金属酸化物、炭素材料や導電性高分子などが好適に用いられる。金属としては、例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金などが挙げられる。炭素材料としては、特に限定はされないが、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンなどが挙げられる。また、FTO、ITO、酸化インジウム、酸化亜鉛などの金属酸化物を用いた場合、透明または半透明であるため増感色素層への入射光量を増加させることができ、好適に用いることができる。
[Counter electrode-electrode substrate]
The counter electrode 7 has a structure in which a catalyst layer 9 containing a fine linear or cylindrical carbon material partially or wholly covered with a conductive polymer is formed on the surface of the electrode substrate 8. .
The linear or cylindrical carbon material is preferably at least partially covered with a conductive polymer, and more preferably, the coverage is 50% or more.
Since the electrode substrate 8 is used as a counter electrode support and current collector, at least the surface portion on which the catalyst layer 9 is formed must have electrical conductivity.
As such a material, for example, a conductive metal or metal oxide, a carbon material, a conductive polymer, or the like is preferably used. Examples of the metal include platinum, gold, silver, copper, aluminum, nickel, cobalt, chromium, iron, molybdenum, titanium, tantalum, and alloys thereof. Although it does not specifically limit as a carbon material, For example, graphite (graphite), carbon black, glassy carbon, a carbon nanotube, fullerene etc. are mentioned. Moreover, when metal oxides, such as FTO, ITO, an indium oxide, and zinc oxide, are used, since it is transparent or translucent, the incident light quantity to a sensitizing dye layer can be increased, and it can use it conveniently.

また、少なくとも該電極基体の表面が導電性を有するように処理すれば、例えばガラスやプラスチックなどの絶縁体を用いても構わない。このような絶縁体に導電性を保持させる処理方法としては、上記の導電性材料にて、該絶縁性材料表面の一部もしくは全面を被覆する方法、例えば金属を用いる場合、メッキや電析などの溶液法、また、スパッタ法や真空蒸着等の気相法が挙げられ、金属酸化物を用いる場合はゾルゲル法などを用いることができる。また、上記導電性材料の粉末などを一種もしくは複数用いて、絶縁性材料と混和させるなどの方法が挙げられる。   In addition, an insulator such as glass or plastic may be used as long as at least the surface of the electrode substrate is treated. As a treatment method for maintaining conductivity in such an insulator, a method of covering a part or the whole surface of the insulating material with the above-described conductive material, for example, when using a metal, plating, electrodeposition, etc. And a gas phase method such as sputtering or vacuum deposition. When a metal oxide is used, a sol-gel method or the like can be used. In addition, one or more of the above conductive material powders may be used and mixed with an insulating material.

また、該電極基体の形状は、対極として用いる色素増感太陽電池の形状に応じて変更することができるため特には限定されず、板状としてもフィルム状で湾曲できるものでも構わない。さらに、該電極基体は透明でも不透明でも構わないが、増感色素層への入射光量を増加させることができるため、また、場合によっては意匠性が向上できるため透明または半透明であることが望ましい。電極基体として一般的には、FTO被膜付ガラスやITO膜付PENフィルムが用いられているが、用いる材料により導電性が異なるため、電極基体の厚さについて特には限定されない。例えば、FTO被膜付ガラスでは、0.01μm〜5μmであり、好ましくは0.1μm〜1μmである。また、必要とされる導電性は、使用する電極の面積により異なり、広い電極ほど低抵抗であることが求められるが、一般的に100Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下、より好ましくは5Ω/□以下である。100Ω/□を超えると太陽電池の内部抵抗が上がり、十分に電流が流れないため好ましくない。
電極基体8の厚さは、上述のように太陽電池の形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、一般的に1μm〜1cm程度である。
The shape of the electrode substrate is not particularly limited because it can be changed according to the shape of the dye-sensitized solar cell used as the counter electrode, and may be a plate shape or a film shape that can be curved. Further, the electrode substrate may be transparent or opaque. However, it is desirable that the electrode substrate be transparent or translucent because the amount of light incident on the sensitizing dye layer can be increased and, in some cases, the design can be improved. . Generally, glass with an FTO film or a PEN film with an ITO film is used as the electrode substrate, but the conductivity is different depending on the material used, and therefore the thickness of the electrode substrate is not particularly limited. For example, in the FTO-coated glass, the thickness is 0.01 μm to 5 μm, preferably 0.1 μm to 1 μm. Further, the required conductivity varies depending on the area of the electrode to be used, and a wider electrode is required to have a lower resistance, but is generally 100Ω / □ or less, preferably 10Ω / □ or less, more preferably 5Ω. / □ or less. Exceeding 100Ω / □ is not preferable because the internal resistance of the solar cell increases and current does not sufficiently flow.
The thickness of the electrode substrate 8 is not particularly limited because it varies depending on the shape and use conditions of the solar cell as described above, but is generally about 1 μm to 1 cm.

[対極−触媒層]
本発明の対極における導電性高分子にて一部もしくは全体を被覆された微細な線状又は筒状炭素材料を含有する触媒層9は、電解質層中に含まれる酸化還元対の酸化体を還元する触媒の作用部分として機能する。触媒層9は電子移動反応を効率良く行なえるように多孔質の状態で存在することが好ましい。
[Counter electrode-catalyst layer]
The catalyst layer 9 containing a fine linear or cylindrical carbon material partially or wholly coated with the conductive polymer in the counter electrode of the present invention reduces the oxidant of the redox pair contained in the electrolyte layer. It functions as an active part of the catalyst. The catalyst layer 9 is preferably present in a porous state so that the electron transfer reaction can be performed efficiently.

本発明の対極における触媒層9に含まれる線状又は筒状炭素材料の具体例として、単層および多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、またはフラーレンの凝集体などが挙げられ、特に単層および多層カーボンナノチューブが好適に利用できる。   Specific examples of the linear or cylindrical carbon material included in the catalyst layer 9 in the counter electrode of the present invention include single-walled and multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, or fullerene aggregates, and particularly single-walled and multi-walled carbon nanotubes. Can be suitably used.

本発明では、線状又は筒状炭素材料と導電性高分子とが相互作用していることが求められる。より具体的には、π−πスタッキングによる相互作用が例示できる。線状又は筒状炭素材料と導電性高分子がπ−πスタッキングするためには、前記線状又は筒状炭素材料をπ共役系導電性高分子で被覆することが望ましい。   In the present invention, it is required that the linear or cylindrical carbon material interacts with the conductive polymer. More specifically, the interaction by π-π stacking can be exemplified. In order for the linear or cylindrical carbon material and the conductive polymer to undergo π-π stacking, it is desirable to coat the linear or cylindrical carbon material with a π-conjugated conductive polymer.

本発明における、上記相互作用の他の例としては、線状又は筒状炭素材料の表面に予め導入された官能基と導電性高分子が相互作用していることが例示できる。官能基と導電性高分子間との相互作用の具体例としては、前記官能基の導電性高分子へのドーピングや共有結合などが挙げられる。これら官能基と導電性高分子との相互作用と、前記π−πスタッキングによる相互作用は同時に形成されていても構わない。   As another example of the above interaction in the present invention, it can be exemplified that the functional group introduced in advance on the surface of the linear or cylindrical carbon material interacts with the conductive polymer. Specific examples of the interaction between the functional group and the conductive polymer include doping of the functional group into the conductive polymer and a covalent bond. The interaction between the functional group and the conductive polymer and the interaction by the π-π stacking may be formed at the same time.

このような官能基としては、導電性高分子へのドープが可能であるか、導電性高分子と化学結合が形成できる官能基であれば、特には限定されない、例えばカルボキシル基、スルホ基、ホスホニウム基が挙げられ、中でも導電性高分子へドープさせる場合にはスルホ基、化学結合させる場合にはカルボキシル基が好ましい。   Such a functional group is not particularly limited as long as it can be doped into a conductive polymer or can form a chemical bond with the conductive polymer, such as a carboxyl group, a sulfo group, or a phosphonium. Among them, a sulfo group is preferable when doping a conductive polymer, and a carboxyl group is preferable when chemically bonding.

上記の相互作用の確認方法としては、特には限定されず、公知の手法を用いて判別することができる。例えば、紫外可視吸収分光法、赤外分光法になどにより、原材料である導電性高分子、および線状又は筒状炭素材料の吸収スペクトルと、作用後の吸収スペクトルの差異により判別することができる。π−πスタッキングなどの具体的な評価の例としては、個々の原材料とは異なる位置に吸収ピークが出現、シフトしたり、ブロード化したりすることにより判別することができる。
また、上記官能基が導電性高分子へドープした場合の確認手法も同様に、吸収スペクトルの変化から判別することができる。
また、上記官能基と導電性高分子間で共有結合を形成した場合も、同様に赤外分光法などを用いて、共有結合を形成する官能基のスペクトルの消失や変化により判別することができる。
The method for confirming the interaction is not particularly limited, and can be determined using a known method. For example, it can be discriminated by the difference between the absorption spectrum of the conductive polymer as a raw material and the linear or cylindrical carbon material and the absorption spectrum after the action by ultraviolet visible absorption spectroscopy, infrared spectroscopy, etc. . As an example of specific evaluation such as π-π stacking, it is possible to discriminate when absorption peaks appear, shift or broaden at positions different from individual raw materials.
Similarly, the confirmation method when the functional group is doped into the conductive polymer can also be determined from the change in the absorption spectrum.
In addition, when a covalent bond is formed between the functional group and the conductive polymer, it can also be determined by the disappearance or change of the spectrum of the functional group that forms the covalent bond, similarly using infrared spectroscopy. .

上記官能基を線状又は筒状炭素材料表面に導入する方法としては、特には限定されず公知の方法を用いることができる。例えば、硫酸と硝酸の混酸中で線状又は筒状炭素材料を加熱還流し、該表面を酸化することによりヒドロキシル基、カルボキシル基、スルホ基などを導入することができる。   The method for introducing the functional group onto the surface of the linear or cylindrical carbon material is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfo group, or the like can be introduced by heating and refluxing a linear or cylindrical carbon material in a mixed acid of sulfuric acid and nitric acid and oxidizing the surface.

また、触媒層9に含まれ、線状又は筒状炭素材料の少なくとも一部を被覆する導電性高分子は、1種以上のホモポリマー、1種以上のコポリマー、又はそれらの混合体であってよい。
本発明の対極における触媒層9に含まれる導電性高分子を形成するモノマーとして、下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族アミン化合物、下記一般式(3)で表されるチオフェン化合物、及び下記一般式(4)で表されるピロール化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーが挙げられる。
The conductive polymer contained in the catalyst layer 9 and covering at least a part of the linear or cylindrical carbon material is one or more homopolymers, one or more copolymers, or a mixture thereof. Good.
As a monomer which forms the conductive polymer contained in the catalyst layer 9 in the counter electrode of the present invention, an aromatic amine compound represented by the following general formula (1) or (2), represented by the following general formula (3) Examples include at least one monomer selected from the group consisting of a thiophene compound and a pyrrole compound represented by the following general formula (4).

Figure 2008071605
Figure 2008071605

Figure 2008071605
(式(1)又は(2)中、R1及びR6はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を示し、R2〜R5及びR7〜R10はそれぞれ独立に水素原子、炭素原子数1〜8のアルキル基又はアルコキシ基、炭素原子数6〜12のアリール基、炭素原子数6〜12のアラルキル基(例えばベンジル基)、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、またはニトロ基を示し、式(1)中、R2とR3、又はR4とR5はそれぞれ連結して環を形成していてもよく、式(2)中、R8とR9、又はR9とR10はそれぞれ連結して環を形成していてもよい。)
Figure 2008071605
(In the formula (1) or (2), R 1 and R 6 each independently represent a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and R 2 to R 5 and R 7 to R 10 each independently represent a hydrogen atom or carbon. An alkyl group or alkoxy group having 1 to 8 atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, an aralkyl group having 6 to 12 carbon atoms (for example, benzyl group), a cyano group, a thiocyano group, a halogen group, or a nitro group; In formula (1), R 2 and R 3 , or R 4 and R 5 may be linked to form a ring, respectively, and in formula (2), R 8 and R 9 , or R 9 and R 10 may be linked to each other to form a ring.)

Figure 2008071605
(式(3)中、R11、R12はそれぞれ独立に水素原子、炭素原子数1〜8のアルキル基又はアルコキシ基、炭素原子数6〜12のアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、又はニトロ基を示し、R11とR12は連結して環を形成していてもよい。)
Figure 2008071605
(In Formula (3), R 11 and R 12 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkoxy group, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, a cyano group, a thiocyano group, and a halogen group. Or a nitro group, and R 11 and R 12 may be linked to form a ring.)

Figure 2008071605
(式(4)中、R13、R14はそれぞれ独立に水素原子、炭素原子数1〜8のアルキル基又はアルコキシ基、炭素原子数6〜12のアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、ニトロ基、又はアミノ基を示し、R13とR14は連結して環を形成していてもよい。)
Figure 2008071605
(In Formula (4), R <13> , R <14> is respectively independently a hydrogen atom, a C1-C8 alkyl group or an alkoxy group, a C6-C12 aryl group, a cyano group, a thiocyano group, and a halogen group. Nitro group or amino group, R 13 and R 14 may be linked to form a ring.)

該芳香族アミン化合物を用いるに当たっては、それらが重合した高分子が導電性を有していれば特に限定されないが、ある芳香族アミン化合物単独での高分子膜が導電性を有さずとも、アニリンもしくは、他の芳香族アミン化合物とのコポリマーとすることで導電性を有していればよい。もしくは、線状又は筒状炭素材料と作用させた後に導電性を有していればよい。該触媒層9に含まれる導電性高分子を構成するポリマーは、ホモポリマーでもコポリマーでもよく、そのモノマー成分として、芳香族アミン化合物を1種又は2種以上用いて導電性高分子層を形成することができる。   When using the aromatic amine compound, it is not particularly limited as long as the polymer polymerized by them has conductivity, but even if the polymer film of a certain aromatic amine compound alone does not have conductivity, What is necessary is just to have electroconductivity by setting it as a copolymer with aniline or another aromatic amine compound. Or what is necessary is just to have electroconductivity, after making it act with a linear or cylindrical carbon material. The polymer constituting the conductive polymer contained in the catalyst layer 9 may be a homopolymer or a copolymer, and the conductive polymer layer is formed using one or more aromatic amine compounds as monomer components. be able to.

上記芳香族アミン化合物の例として、アニリン及びアニリン誘導体がある。さらに具体的にアニリン、アニシジン、フェネチジン、トルイジン、フェニレンジアミン、ヒドロキシアニリン、N−メチルアニリン、トリフルオロメタンアニリン、ニトロアニリン、シアノアニリン、及びハロゲン化アニリンなどが挙げられる。中でもアニシジン、トルイジン、フェニレンジアミン、アニリンが好ましく使用される。中でもアニリンが特に好ましく使用され、モノマーとして少なくともアニリンが重合して形成されたポリマーが挙げられ、とりわけモノマーとしてアニリンを単独で用いたポリアニリンがコストも安くかつ触媒能も高いことから好適に利用できる。   Examples of the aromatic amine compound include aniline and aniline derivatives. More specifically, examples include aniline, anisidine, phenetidine, toluidine, phenylenediamine, hydroxyaniline, N-methylaniline, trifluoromethaneaniline, nitroaniline, cyanoaniline, and halogenated aniline. Of these, anisidine, toluidine, phenylenediamine and aniline are preferably used. Among them, aniline is particularly preferably used, and examples thereof include polymers formed by polymerizing at least aniline as a monomer. In particular, polyaniline using aniline alone as a monomer can be suitably used because of its low cost and high catalytic ability.

上記チオフェン化合物の例として、チオフェン及びチオフェン誘導体が挙げられ、さらに具体的にチオフェン、3−メチルチオフェン、3−ブチルチオフェン、3−オクチルチオフェンなどのアルキルチオフェン、テトラデシルチオフェン、イソチアナフテン、3−フェニルチオフェン、及び3,4−エチレンジオキシチオフェンなどがある。ホモポリマーとして用いる場合、3,4−エチレンジオキシチオフェンを好ましく使用することができる。
チオフェン化合物を1種又は2種以上用いて導電性高分子を形成してもよい。
Examples of the thiophene compound include thiophene and thiophene derivatives, and more specifically, alkylthiophenes such as thiophene, 3-methylthiophene, 3-butylthiophene, and 3-octylthiophene, tetradecylthiophene, isothianaphthene, 3- Examples include phenylthiophene and 3,4-ethylenedioxythiophene. When used as a homopolymer, 3,4-ethylenedioxythiophene can be preferably used.
A conductive polymer may be formed using one or more thiophene compounds.

上記ピロール化合物として、ピロール及びピロール誘導体が挙げられ、ピロール誘導体としては特に3位に炭素原子数1〜8のアルキル基を有するものが挙げられる。ピロール化合物の具体例として、ピロール、3−メチルピロール、3−ブチルピロール及び3−オクチルピロールなどのアルキルピロールなどがある。ピロール化合物を1種又は2種以上用いて導電性高分子を形成してもよい。   Examples of the pyrrole compound include pyrrole and pyrrole derivatives, and examples of the pyrrole derivative include those having an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms at the 3-position. Specific examples of the pyrrole compound include pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole and alkylpyrrole such as 3-octylpyrrole. The conductive polymer may be formed using one or more pyrrole compounds.

上記、芳香族アミン化合物、チオフェン化合物、ピロール化合物を1種又は2種以上用いて、1種以上のコポリマー、又はそれらの混合体であってよい。
導電性高分子を形成するモノマー成分は、重合した膜としての電導度が10-9S/cm以上を示すものが望ましい。
The above aromatic amine compound, thiophene compound, and pyrrole compound may be used as one or more kinds, and may be one or more kinds of copolymers or a mixture thereof.
The monomer component that forms the conductive polymer preferably has a conductivity of 10 −9 S / cm or more as a polymerized film.

また、上記導電性高分子には、前記線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基がドーピングされていることが望ましい。
前記導電性高分子は、用いる導電性高分子の種類によりその最適値が異なるため特には限定されないが、その理論ドープ量全てが、線状又は筒状炭素材料表面に導入した官能基によりドーピングされていることが特に望ましい。ただし、前記線状又は筒状炭素材料表面に導入された官能基の数が導電性高分子の理論ドープ量に対して不足しているなどの場合には、該官能基を導電性高分子と作用させた後、他のドーパントを追加して補っても構わない。
The conductive polymer is preferably doped with a functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material.
The conductive polymer is not particularly limited because the optimum value differs depending on the type of the conductive polymer used, but all of the theoretical doping amount is doped with a functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material. It is particularly desirable. However, when the number of functional groups introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material is insufficient with respect to the theoretically doped amount of the conductive polymer, the functional group is defined as a conductive polymer. After making it act, you may supplement by adding another dopant.

このようなドーパントは公知の材料、例えば、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、ヨウ素、臭素、塩素等のハロゲンアニオン、ヘキサフロロリン、ヘキサフロロヒ素、ヘキサフロロアンチモン、テトラフロロホウ素、過塩素酸等のハロゲン化物アニオン、メタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等のアルキル基置換有機スルホン酸アニオン、カンファースルホン酸等の環状スルホン酸アニオン、ベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ベンゼンジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のベンゼンモノまたはジスルホン酸アニオン、2−ナフタレンスルホン酸、1,7−ナフタレンジスルホン酸等の1〜3個のスルホン酸基を有する、アルキル基置換または無置換ナフタレンスルホン酸アニオン、アントラセンスルホン酸、アントラキノンスルホン酸、アルキルビフェニルスルホン酸、ビフェニルジスルホン酸等のアルキル基置換または無置換のビフェニルスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテル、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリイミド、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合体等の高分子スルホン酸アニオン、置換または無置換の芳香族スルホン酸アニオン、ビスサルチレートホウ素、ビスカテコレートホウ素等のホウ素化合物アニオン、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸アニオン等が挙げられる。これらのドーパントは単独でも2種以上を併用してもよい。   Such dopants are known materials, for example, halide anions such as hexafluoroline, hexafluoroarsenic, hexafluoroantimony, tetrafluoroboron, perchloric acid, halogen anions such as iodine, bromine, chlorine, hexafluoroline, hexafluorohyd Element, hexafluoroantimony, tetrafluoroboron, halide anions such as perchloric acid, alkyl group-substituted organic sulfonic acid anions such as methanesulfonic acid and dodecylsulfonic acid, cyclic sulfonic acid anions such as camphorsulfonic acid, benzenesulfonic acid, Alkyl group-substituted or unsubstituted benzene mono- or disulfonic acid anions such as paratoluenesulfonic acid, dodecylbenzenesulfonic acid, benzenedisulfonic acid, etc. 1-3 such as 2-naphthalenesulfonic acid, 1,7-naphthalenedisulfonic acid Alkyl group-substituted or unsubstituted naphthalene sulfonate anion, anthracene sulfonic acid, anthraquinone sulfonic acid, alkyl biphenyl sulfonic acid, biphenyl disulfonic acid, etc. Polymer sulfonate anion such as acid, sulfonated polyether, sulfonated polyester, sulfonated polyimide, naphthalene sulfonate formalin condensate, substituted or unsubstituted aromatic sulfonate anion, bissartylate boron, biscatecholate boron And boron compound anions such as heteropoly acid anions such as molybdophosphoric acid, tungstophosphoric acid and tungstomolybdophosphoric acid. These dopants may be used alone or in combination of two or more.

ドーパントの脱離を抑制する観点から、ドーパントは無機アニオンよりも有機酸アニオンであることが望ましく、熱分解などが起きにくいものであることが望ましい。また、線状又は筒状炭素材料表面をドーパントが被覆してしまうと、酸化還元対の還元反応を効率よく行なうことができなくなるため、上記ドーパントのうち、高分子状アニオンよりも、単分子アニオンであることが望ましい。   From the viewpoint of suppressing the desorption of the dopant, the dopant is preferably an organic acid anion rather than an inorganic anion, and it is desirable that the thermal decomposition or the like hardly occur. In addition, if the surface of the linear or cylindrical carbon material is coated with a dopant, the reduction reaction of the redox pair cannot be performed efficiently. It is desirable that

このようなドーパントは触媒層9を形成する際に、適宜の段階で使用することができ、例えば導電性高分子と線状又は筒状炭素材料を作用させた後にこれらと共存させておくことができる。また、触媒層9の形成後に、該触媒層をドーパント溶液に含浸させるなどの方法により、ドープさせることもできる。   Such a dopant can be used at an appropriate stage when the catalyst layer 9 is formed. For example, the dopant may be allowed to coexist with the conductive polymer and the linear or cylindrical carbon material after acting. it can. Moreover, after formation of the catalyst layer 9, it can also dope by the method of impregnating this catalyst layer in a dopant solution.

また、本発明の別の例示として、上記導電性高分子と前記線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基とが化学結合を有していることが望ましい。このような化学結合としては、用いる導電性高分子や官能基により異なるため特には限定されないが、アミド結合、エーテル結合、エステル結合またはスルホン酸エステル結合などが例示でき、特に化学的に安定なアミド結合が望ましい。   As another example of the present invention, it is desirable that the conductive polymer and the functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material have a chemical bond. Such chemical bonds are not particularly limited because they differ depending on the conductive polymer or functional group used, but examples include amide bonds, ether bonds, ester bonds, and sulfonate ester bonds, and particularly chemically stable amides. Bonding is desirable.

線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基に応じて種々の化学結合を利用することができる。例えば、カルボキシル基の場合には、アミド結合、エステル結合、エーテル結合などが挙げられ、スルホ基の場合にはスルホン酸エステル結合などが挙げられる。
一方、上記の化学結合を形成する導電性高分子の官能基としては、特には限定されない。導電性高分子を形成するモノマーの官能基を利用すると簡便であるため、予め線状又は筒状炭素材料表面の官能基と反応できるような官能基を有するモノマーを用いて重合させることが望ましい。
Various chemical bonds can be used depending on the functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material. For example, in the case of a carboxyl group, an amide bond, an ester bond, an ether bond, etc. are mentioned, and in the case of a sulfo group, a sulfonate ester bond etc. are mentioned.
On the other hand, the functional group of the conductive polymer that forms the chemical bond is not particularly limited. Since it is convenient to use the functional group of the monomer that forms the conductive polymer, it is desirable to polymerize in advance using a monomer having a functional group that can react with the functional group on the surface of the linear or cylindrical carbon material.

また、導電性高分子と線状又は筒状炭素材料の表面に導入した官能基が化学結合している場合には、化学結合とは別に導電性高分子がドーピングされていることが望ましい。
このようなドーパントとしては、用いる導電性高分子の種類により、その種類および最適量が異なるため特には限定されないが、上項記載のドーパントに準じて使用することができる。
In addition, when the conductive polymer and the functional group introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material are chemically bonded, it is desirable that the conductive polymer is doped separately from the chemical bond.
Such a dopant is not particularly limited because the type and the optimum amount differ depending on the type of the conductive polymer to be used, but can be used according to the dopant described above.

線状又は筒状炭素材料を導電性高分子で被覆する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。例えば、導電性高分子溶液もしくは導電性高分子粒子の分散液中に、線状又は筒状炭素材料を添加・分散させる方法が挙げられる。このとき、導電性高分子が効率よく線状又は筒状炭素を被覆できるように、導電性高分子は溶媒に溶解している状態が望ましい。また、前記線状又は筒状炭素材料表面の官能基を導電性高分子に効率よくドープさせるため、もしくは化学結合を形成させるため、予め導電性高分子を脱ドープ状態としてから、該線状又は筒状炭素材料と作用させることが望ましい。   The method for coating the linear or cylindrical carbon material with the conductive polymer is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a method of adding and dispersing a linear or cylindrical carbon material in a conductive polymer solution or a dispersion of conductive polymer particles can be mentioned. At this time, it is desirable that the conductive polymer is dissolved in a solvent so that the conductive polymer can efficiently coat the linear or cylindrical carbon. In addition, in order to efficiently dope the functional group on the surface of the linear or cylindrical carbon material into the conductive polymer, or to form a chemical bond, the conductive polymer is previously undoped, and then the linear or It is desirable to work with a cylindrical carbon material.

このような導電性高分子溶液の溶媒としては特には限定されないが、例えばトルエン、キシレン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、酢酸エチル、酢酸ブチル、N−メチル−2−ピロリドンが好適に利用できる。またこれらは単独、もしくは2種以上の混合溶媒として用いることもできる。   The solvent for such a conductive polymer solution is not particularly limited. For example, toluene, xylene, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, ethyl acetate, butyl acetate, and N-methyl-2-pyrrolidone can be suitably used. These may be used alone or as a mixed solvent of two or more.

導電性高分子溶液もしくは導電性高分子粒子分散液の調製方法としては、特には限定されず公知の方法を用いることができる。例えば、導電性高分子のモノマーを含有する溶液中に酸化剤を添加することで、重合を進行させる化学重合法が挙げられる。該方法は導電性高分子の粒子を簡便に得られるため好適に利用できる。また、導電性高分子溶液を調製する方法としては、前記化学重合法の際に、重合度を調整して直接溶解状態とする方法や、一旦粒子で得られた導電性高分子を分取後、改めて溶媒に溶解させる方法などが挙げられる。このような化学重合法を用いた製造方法は、簡便で生産性が高いため好適に利用できる。
いずれの方法においても酸化剤およびモノマーの残渣や未反応物、また、重合度の低いオリゴマーなどを除去するため、適宜の段階で洗浄することが望ましい。
The method for preparing the conductive polymer solution or the conductive polymer particle dispersion is not particularly limited, and a known method can be used. For example, there is a chemical polymerization method in which polymerization is advanced by adding an oxidizing agent to a solution containing a conductive polymer monomer. This method can be suitably used because the conductive polymer particles can be easily obtained. In addition, as a method for preparing a conductive polymer solution, in the chemical polymerization method, a method of adjusting the degree of polymerization to directly dissolve the conductive polymer solution, or after separating the conductive polymer once obtained from the particles And a method of dissolving in a solvent again. A production method using such a chemical polymerization method can be suitably used because it is simple and has high productivity.
In any method, it is desirable to wash at an appropriate stage in order to remove residues and unreacted substances of the oxidizing agent and monomer, oligomers having a low polymerization degree, and the like.

上記化学重合法に用いられる酸化剤としては、ヨウ素、臭素、ヨウ化臭素、二酸化塩素、ヨウ素酸、過ヨウ素酸、亜塩素酸等のハロゲン化物、五フッ化アンチモン、五塩化リン、五フッ化リン、塩化アルミニウム、塩化モリブデン等の金属ハロゲン化物、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、無水クロム酸、第二鉄塩、第二銅塩等の高原子価金属塩、硫酸、硝酸、トリフルオロメタン硫酸等のプロトン酸、三酸化硫黄、二酸化窒素等の酸素化合物、過酸化水素、過硫酸アンモニウム、過ホウ酸ナトリウム等のペルオキソ酸またはその塩、あるいはモリブドリン酸、タングストリン酸、タングストモリブドリン酸等のヘテロポリ酸またはその塩などがあり、これらの少なくとも1種を用いることができる。   Oxidizing agents used in the above chemical polymerization methods include iodine, bromine, bromine iodide, chlorine dioxide, iodic acid, periodic acid, chlorous acid and other halides, antimony pentafluoride, phosphorus pentachloride, pentafluoride. Metal halides such as phosphorus, aluminum chloride, molybdenum chloride, high valent metal salts such as permanganate, dichromate, chromic anhydride, ferric salt, cupric salt, sulfuric acid, nitric acid, trifluoromethane Protonic acids such as sulfuric acid, oxygen compounds such as sulfur trioxide and nitrogen dioxide, hydrogen peroxide, ammonium persulfate, peroxo acids such as sodium perborate or salts thereof, molybdophosphoric acid, tungstophosphoric acid, tungstomolybdophosphoric acid, etc. And at least one of them can be used.

触媒層9は、電極基体8上に形成される。該触媒層9の形成方法としては、例えば、上記の導電性高分子溶液/分散液中に線状又は筒状炭素材料を添加した溶液から成膜する方法が挙げられる。また、前記溶液から導電性高分子にて被覆した線状又は筒状炭素材料を分取後、改めて溶媒に分散させた溶液から成膜する方法なども挙げられる。
また、導電性高分子にて被覆した線状又は筒状炭素材料粉末を、ペーストもしくはエマルジョンなどの形態に処理した後に、該電極基体上へ成膜するが挙げられる。成膜方法としては、特には限定されず、例えば、スピンコート、キャスト法、スプレーコート、ディップコート、ロールコート、ダイコート、ビードコート、ブレードコート、バーコート等といった公知の塗布方法により行なうことができる。また、塗布後必要に応じて加熱および減圧することで溶媒を除去することで触媒層9を形成することができる。
The catalyst layer 9 is formed on the electrode substrate 8. Examples of the method for forming the catalyst layer 9 include a method of forming a film from a solution in which a linear or cylindrical carbon material is added to the above conductive polymer solution / dispersion. In addition, a method of forming a film from a solution in which a linear or cylindrical carbon material coated with a conductive polymer is separated from the solution and then dispersed in a solvent may be used.
Moreover, after processing the linear or cylindrical carbon material powder coat | covered with the conductive polymer in the form of a paste or an emulsion, it forms into a film on this electrode base | substrate. The film forming method is not particularly limited, and can be performed by a known coating method such as spin coating, casting method, spray coating, dip coating, roll coating, die coating, bead coating, blade coating, bar coating, and the like. . Moreover, the catalyst layer 9 can be formed by removing a solvent by heating and pressure-reducing as needed after application | coating.

さらに、触媒層9の剥離を抑える目的で必要に応じてバインダーを添加してもよい。バインダーとしては、例えばアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、およびPVDFやPTFEなどのフッ素系樹脂、また、カルボキシメチルセルロースなどの高分子材料を用いることができる。   Furthermore, you may add a binder as needed in order to suppress peeling of the catalyst layer 9. As the binder, for example, acrylic resin, urethane resin, epoxy resin, silicone resin, fluorine resin such as PVDF and PTFE, and polymer material such as carboxymethyl cellulose can be used.

本発明の対極における触媒層9の厚さは、用いる導電性高分子の種類や電解質の種類および粘度などによって最適値が異なるため特には限定されないが、一般に5nm〜5μmの範囲が適当であり、好ましくは100nm〜3μmである。   The thickness of the catalyst layer 9 in the counter electrode of the present invention is not particularly limited because the optimum value varies depending on the type of conductive polymer used, the type of electrolyte, the viscosity, and the like, but generally a range of 5 nm to 5 μm is appropriate. Preferably it is 100 nm-3 micrometers.

本発明の対極において、還元反応速度を増大させることができる理由については未解明である。しかしながら、触媒層9の構成材料である導電性高分子および線状又は筒状炭素材料は単独で酸化還元対の酸化体を還元する触媒特性を有しているが、導電性高分子にて線状又は筒状炭素材料を被覆することにより、導電性高分子と線状又は筒状炭素材料が相互作用、例えばπ軌道同士が相互作用して、酸化還元対との電子授受を効率よく行なうことができるようになったためと考察している。この効果は、線状又は筒状炭素材料表面に導入した官能基と導電性高分子が相互作用すること、より具体的には前記官能基が導電性高分子にドーピングすること、もしくは導電性高分子と化学結合することによりさらに向上する。   The reason why the reduction reaction rate can be increased in the counter electrode of the present invention is unclear. However, the conductive polymer and the linear or cylindrical carbon material that are constituent materials of the catalyst layer 9 have catalytic properties to reduce the oxidized form of the redox couple by themselves. By covering the cylindrical or cylindrical carbon material, the conductive polymer and the linear or cylindrical carbon material interact with each other, for example, π orbitals interact with each other to efficiently exchange electrons with the redox couple. I think that it was possible to. This effect is due to the interaction between the functional group introduced into the surface of the linear or cylindrical carbon material and the conductive polymer, more specifically, the functional group doping into the conductive polymer, or It is further improved by chemical bonding with the molecule.

また、1)金属に比べ導電性が劣る導電性高分子が炭素材料を内包することで導電性が向上すること、2)炭素材料の欠点である電解質への漏れ電流を導電性高分子が被覆することで低減できること、3)炭素材料が線状又は筒状の形体をなすため、電極基体表面に担持した際にできる空孔が大きくなる結果、触媒層9の比表面積が増大することなどの理由により、厚さが比較的薄くても電解質中に含まれる酸化還元対の酸化体を速やかに還元することができ、高い性能を維持しながら導電性高分子層の厚みを薄くすることができるため、高粘度の電解液もしくは擬固体化電解質を用いた場合においても優れた電池特性を示すとともに、製造コストを低減することができる。   In addition, 1) Conductive polymer that is inferior in conductivity compared to metal improves the conductivity by encapsulating the carbon material, and 2) The conductive polymer covers the leakage current to the electrolyte, which is a disadvantage of the carbon material. 3) Since the carbon material has a linear or cylindrical shape, the pores formed when supported on the surface of the electrode substrate are increased, resulting in an increase in the specific surface area of the catalyst layer 9 and the like. For the reason, even if the thickness is relatively thin, the oxidized form of the redox couple contained in the electrolyte can be quickly reduced, and the thickness of the conductive polymer layer can be reduced while maintaining high performance. Therefore, even when a high-viscosity electrolytic solution or a quasi-solidified electrolyte is used, excellent battery characteristics can be exhibited and the manufacturing cost can be reduced.

また、本発明の対極が、性能の経時的低下を抑制して高い耐久性を有する理由としては、以下のように考察している。すなわち、1)導電性高分子と炭素材料が、相互作用することで両者の結合が強まったこと、および線状又は筒状炭素材料の表面に固定された置換基が導電性高分子にドープしていること、もしくは化学結合していることにより導電性高分子の電解質中への遊離が抑制されたことや、2)その結果脱ドーピングによる電導度の低下が起きにくいこと、などが挙げられる。   Further, the reason why the counter electrode of the present invention has high durability by suppressing the deterioration of performance over time is considered as follows. That is, 1) the conductive polymer and the carbon material interact with each other to strengthen the bond between them, and the substituent fixed on the surface of the linear or cylindrical carbon material is doped into the conductive polymer. And the fact that the release of the conductive polymer into the electrolyte is suppressed by being chemically bonded, or 2) that the conductivity is not easily lowered by dedoping as a result.

こうして、電極支持体と導電性材料からなる電極基体8の上に触媒層9を形成させて対極が得られる。
以上に説明したような色素増感太陽電池の各構成要素材料を準備した後、従来公知の方法で金属酸化物半導体電極と対極とを電解質を介して対向させるように組み上げ、色素増感太陽電池を完成させる。
Thus, the counter electrode is obtained by forming the catalyst layer 9 on the electrode substrate 8 made of the electrode support and the conductive material.
After preparing the respective constituent materials of the dye-sensitized solar cell as described above, the dye-sensitized solar cell is assembled so that the metal oxide semiconductor electrode and the counter electrode face each other through an electrolyte by a conventionally known method. To complete.

以下、本発明を実施例に基づいて、より詳細に説明するが、本発明はこれらによりなんら限定されるものではない。
〔実施例1〕
[多孔質金属酸化物半導体]
透明導電膜付きの透明基体としてFTOガラス(日本板ガラス製25mm×50mm)を用い、その表面に二酸化チタンペースト(Soralonix社製)をバーコーターで塗布し、乾燥後450℃で30分焼成してそのまま室温となるまで放置し、10μmの厚さの多孔質酸化チタン半導体電極を形成した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited at all by these.
[Example 1]
[Porous metal oxide semiconductor]
As a transparent substrate with a transparent conductive film, FTO glass (Japanese plate glass 25 mm × 50 mm) was used, and a titanium dioxide paste (Soralonix) was applied to the surface with a bar coater, dried and baked at 450 ° C. for 30 minutes. The porous titanium oxide semiconductor electrode having a thickness of 10 μm was formed by being allowed to stand at room temperature.

[増感色素の吸着]
増感色素として、一般にN3dyeと呼ばれるビス(4,4’−ジカルボキシ−2,2’−ビピリジン)ジイソチオシアネートルテニウム錯体を使用した。一旦150℃まで加熱した前記多孔質酸化チタン半導体電極を色素濃度0.5mmol/Lのエタノール溶液中に浸漬し、遮光下1晩静置した。その後エタノールにて余分な色素を洗浄してから風乾することで太陽電池の半導体電極を作製した。さらに、得られた半導体電極の酸化チタン投影面積が25mm2になるよう、半導体層を研削した。
[Adsorption of sensitizing dye]
As a sensitizing dye, a bis (4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine) diisothiocyanate ruthenium complex generally called N3dye was used. The porous titanium oxide semiconductor electrode once heated to 150 ° C. was immersed in an ethanol solution having a pigment concentration of 0.5 mmol / L, and left standing under light shielding overnight. Thereafter, excess pigment was washed with ethanol and then air-dried to produce a semiconductor electrode of a solar cell. Furthermore, the semiconductor layer was ground so that the projected area of titanium oxide of the obtained semiconductor electrode was 25 mm 2 .

[線状又は筒状炭素材料へのアニオン性置換基の導入]
濃硫酸:濃硝酸を3:1とした混酸溶液40ml中に1gの多層カーボンナノチューブを添加し、70分間加熱還流した。室温まで冷却後、大量の純水で洗浄してから200nm径のフィルターでろ別した。さらに、得られた多層カーボンナノチューブを100mlの純水中に分散/溶解させてから、石英繊維を用いてろ過を行なった。得られたろ液の多層カーボンナノチューブ濃度はおよそ0.4mg/mlであった。このろ液を凍結乾燥させて、表面にアニオン性置換基を導入した多層カーボンナノチューブを得た。なお、原料の多層カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブは、CVD法を用い、700℃で、Ni−フタロシアニンを原料として調製した。調製時の多層カーボンナノチューブは平均長6〜8μm、平均径25〜40nmであり、一連の操作により得られたアニオン性置換基を導入した多層カーボンナノチューブは、平均長1〜2μm、平均径25〜40nmであった。また、得られた多層カーボンナノチューブをFT-IRにて分析し、カルボニル基、ヒドロキシル基、およびスルホ基が導入されていることを確認した。
[Introduction of anionic substituent into linear or cylindrical carbon material]
Concentrated sulfuric acid: 1 g of multi-walled carbon nanotubes was added to 40 ml of a mixed acid solution in which concentrated nitric acid was 3: 1, and the mixture was heated to reflux for 70 minutes. After cooling to room temperature, it was washed with a large amount of pure water and then filtered through a 200 nm diameter filter. Further, the obtained multi-walled carbon nanotube was dispersed / dissolved in 100 ml of pure water, and then filtered using quartz fiber. The resulting filtrate had a multi-walled carbon nanotube concentration of about 0.4 mg / ml. This filtrate was freeze-dried to obtain a multi-walled carbon nanotube having an anionic substituent introduced on the surface. The multi-wall carbon nanotubes as raw materials were prepared using Ni-phthalocyanine as a raw material at 700 ° C. using a CVD method. The multi-walled carbon nanotubes at the time of preparation have an average length of 6 to 8 μm and an average diameter of 25 to 40 nm, and the multi-walled carbon nanotubes introduced with an anionic substituent obtained by a series of operations have an average length of 1 to 2 μm and an average diameter of 25 to 25 nm. 40 nm. Further, the obtained multi-walled carbon nanotube was analyzed by FT-IR, and it was confirmed that a carbonyl group, a hydroxyl group, and a sulfo group were introduced.

[導電性高分子の作製および線状又は筒状炭素材料との作用]
氷浴させたアニリン濃度0.1mol/Lの硫酸水溶液に過硫酸アンモニウムを滴下してアニリンを重合させ、ポリアニリン粒子を得た。得られたポリアニリン粒子にアンモニア水を作用させた後、N−メチルピロリドン(以降、「NMP」と省略する。)にポリアニリンが1g/70mlとなるよう溶解させ、ポリアニリンNMP溶液を得た。
前記ポリアニリンNMP溶液に、上記アニオン性置換基を導入した多層カーボンナノチューブを0.4g/mlとなるよう添加して分散・撹拌し、多層カーボンナノチューブドープポリアニリン(以降、「MWCNドープ−PAN」と略記。)溶液を得た。
[Production of conductive polymer and action with linear or cylindrical carbon material]
Ammonium persulfate was dropped into an ice bathed sulfuric acid aqueous solution having an aniline concentration of 0.1 mol / L to polymerize aniline to obtain polyaniline particles. Ammonia water was allowed to act on the obtained polyaniline particles, and then dissolved in N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as “NMP”) to a polyaniline concentration of 1 g / 70 ml to obtain a polyaniline NMP solution.
To the polyaniline NMP solution, the multi-walled carbon nanotube introduced with the anionic substituent is added to 0.4 g / ml, dispersed and stirred, and the multi-walled carbon nanotube-doped polyaniline (hereinafter abbreviated as “MWCN-doped PAN”). .) A solution was obtained.

[対極の作製]
導電膜層付の電極基体としてFTOガラス(日本板ガラス製25mm×50mm)を用いた。有機溶媒中で超音波洗浄した該電極基体を、上記で得られたMWCNドープ−PAN分散溶液に浸漬してから引き上げ、空気中150℃で1時間加熱乾燥させてMWCNドープ−PAN対極を得た。平均膜厚は0.5μmであった。
[Production of counter electrode]
As an electrode substrate with a conductive film layer, FTO glass (Nippon Sheet Glass 25 mm × 50 mm) was used. The electrode substrate ultrasonically cleaned in an organic solvent was dipped in the MWCN dope-PAN dispersion obtained above and then pulled up and heated and dried in air at 150 ° C. for 1 hour to obtain a MWCN dope-PAN counter electrode. . The average film thickness was 0.5 μm.

[太陽電池セルの組み立て]
前記のように作製した半導体電極と対極を対向するよう設置し、電解質を毛管現象にて両電極間に含浸させた。電解質としては、溶媒をメトキシアセトニル、還元剤としてヨウ化リチウム、酸化剤としてヨウ素、添加剤としてt−ブチルピリジン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを含む溶液を用いた。
[Assembly of solar cells]
The semiconductor electrode produced as described above was placed so as to face the counter electrode, and an electrolyte was impregnated between both electrodes by capillary action. As the electrolyte, a solution containing methoxyacetonyl as a solvent, lithium iodide as a reducing agent, iodine as an oxidizing agent, t-butylpyridine as an additive, and 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide was used.

[太陽電池セルの光電変換特性の測定]
上記の太陽電池セルについて、光量100mW/cm2の擬似太陽光を照射して開放電圧(以下、「Voc」と略記する。)、短絡電流密度(以下、「Jsc」と略記する。)、形状因子(以下、「FF」と略記する。)、および光電変換効率を評価したところ、以下の結果を得た。
「Voc」、「Jsc」、「FF」及び光電変換効率の各測定値については、より大きい値が太陽電池セルの性能として好ましいことを表す。
[Measurement of photoelectric conversion characteristics of solar cells]
The above solar cell is irradiated with pseudo-sunlight with an amount of light of 100 mW / cm 2 to open voltage (hereinafter abbreviated as “Voc”), short-circuit current density (hereinafter abbreviated as “Jsc”), and shape. When the factors (hereinafter abbreviated as “FF”) and photoelectric conversion efficiency were evaluated, the following results were obtained.
About each measured value of "Voc", "Jsc", "FF", and a photoelectric conversion efficiency, it represents that a larger value is preferable as a performance of a photovoltaic cell.

[実施例1の測定結果]
開放電圧(Voc):0.75V
短絡電流密度(Jsc):10.2mA/cm2
形状因子(FF):0.75
光電変換効率:5.7%
[Measurement results of Example 1]
Open circuit voltage (Voc): 0.75V
Short-circuit current density (Jsc): 10.2 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.75
Photoelectric conversion efficiency: 5.7%

〔実施例2〕
導電性高分子および対極の作製以外は実施例1と同様に行なった。対極は以下のように行なった。すなわち、導電性高分子モノマーである3‐ヘキシルチオフェンを、氷浴0℃冷却下3−ヘキシルチオフェンに対して約3等量の塩化第二鉄を溶解させたクロロホルム溶液にゆっくりと滴下した。その後0℃に保持したまま一昼夜撹拌した後、反応溶液をメタノール溶液に注ぎ込み、黒色の沈殿物を得た。該沈殿物を吸引ろ過後、メタノールで未反応のモノマー及びオリゴマーを洗浄して除去した。得られた沈殿物をアンモニア水溶液中に分散・撹拌することで、ドーパントの脱離処理を行なった。純水で洗浄後、減圧乾燥してポリ(3−ヘキシルチオフェン)(以降、「PHT」と略記する)を得た。得られたPHTをトルエンに溶解させて赤色のPHTトルエン溶液を得た。
実施例1のポリアニリンNMP溶液を得られたPHTトルエン溶液に代え、同様の手法を用いることにより多層カーボンナノチューブドープポリ(3−ヘキシルチオフェン)(以降、MWCNドープ−PHTと略記)分散溶液を得た。得られたMWCNドープ−PHT分散溶液を用い、実施例1と同様の手法で作製した対極を用いて太陽電池セルを作製、評価した。
[実施例2の測定結果]
開放電圧(Voc):0.73V
短絡電流密度(Jsc):9.2mA/cm2
形状因子(FF):0.72
光電変換効率:4.8%
[Example 2]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the production of the conductive polymer and the counter electrode. The counter electrode was performed as follows. That is, 3-hexylthiophene, which is a conductive polymer monomer, was slowly added dropwise to a chloroform solution in which about 3 equivalents of ferric chloride was dissolved in 3-hexylthiophene while cooling at 0 ° C. in an ice bath. Thereafter, the mixture was stirred for one day while being kept at 0 ° C., and then the reaction solution was poured into a methanol solution to obtain a black precipitate. After the precipitate was suction filtered, unreacted monomers and oligomers were removed by washing with methanol. The resulting precipitate was dispersed and stirred in an aqueous ammonia solution to remove the dopant. After washing with pure water, it was dried under reduced pressure to obtain poly (3-hexylthiophene) (hereinafter abbreviated as “PHT”). The obtained PHT was dissolved in toluene to obtain a red PHT toluene solution.
The polyaniline NMP solution of Example 1 was replaced with the PHT toluene solution obtained, and a multi-walled carbon nanotube-doped poly (3-hexylthiophene) (hereinafter abbreviated as MWCN-doped PHT) dispersion solution was obtained by using the same method. . Using the obtained MWCN dope-PHT dispersion, a solar cell was produced and evaluated using a counter electrode produced in the same manner as in Example 1.
[Measurement results of Example 2]
Open circuit voltage (Voc): 0.73V
Short circuit current density (Jsc): 9.2 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.72
Photoelectric conversion efficiency: 4.8%

〔実施例3〕
導電性高分子および対極の作製以外は実施例1と同様に行なった。対極は以下のように行なった。すなわち、アニリン塩酸塩水溶液中に多層カーボンナノチューブを超音波分散させ、氷浴0℃下で12時間撹拌させ、該多層カーボンナノチューブ表面にアニリンを吸着させた。その後ろ別して分取してから、得られた多層カーボンナノチューブを、氷浴0℃の純水中に分散・撹拌させ、過硫酸アンモニウム水溶液を滴下して該多層カーボンナノチューブ表面に吸着させたアニリンを重合させた。吸引ろ過および純水洗浄、減圧乾燥して得られたポリアニリン被覆多層カーボンナノチューブ(以降、「PAN被覆−MWCN」)を、クロロホルム中に超音波分散させた。調製した溶液を、実施例1と同様に洗浄したFTOガラス上にスピンコート法にて塗布・乾燥し、目的とするPAN被覆−MWCN対極を得た。形成した膜厚は約0.2μmであった。作製した対極を用いて実施例1と同様にして太陽電池セルを作製し、評価した。
[実施例3の測定結果]
開放電圧(Voc):0.75V
短絡電流密度(Jsc):8.9mA/cm2
形状因子(FF):0.73
光電変換効率:4.9%
Example 3
The same procedure as in Example 1 was performed except for the production of the conductive polymer and the counter electrode. The counter electrode was performed as follows. That is, multi-walled carbon nanotubes were ultrasonically dispersed in an aniline hydrochloride aqueous solution and stirred for 12 hours at 0 ° C. in an ice bath to adsorb aniline on the surface of the multi-walled carbon nanotubes. The separated multi-walled carbon nanotubes were separated and then dispersed, stirred in pure water at 0 ° C. in an ice bath, and an aqueous solution of ammonium persulfate was dropped to polymerize the aniline adsorbed on the multi-walled carbon nanotube surface. I let you. Polyaniline-coated multi-walled carbon nanotubes (hereinafter “PAN-coated-MWCN”) obtained by suction filtration, pure water washing, and drying under reduced pressure were ultrasonically dispersed in chloroform. The prepared solution was applied and dried on the FTO glass washed in the same manner as in Example 1 by a spin coating method to obtain a target PAN-coated-MWCN counter electrode. The formed film thickness was about 0.2 μm. Using the produced counter electrode, a solar cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
[Measurement results of Example 3]
Open circuit voltage (Voc): 0.75V
Short-circuit current density (Jsc): 8.9 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.73
Photoelectric conversion efficiency: 4.9%

〔実施例4〕
導電性高分子および対極の作製以外は実施例1と同様に行なった。対極は以下のように行なった。実施例1の線状又は筒状炭素材料へのアニオン性置換基の導入工程において、混酸を2.6mol/Lの硝酸とした他は同様の操作を行なうことで、多層カーボンナノチューブ表面にカルボキシル基を導入した。さらに、ジメチルホルムアミドを添加した塩化チオニル中に、得られたカルボキシル基導入多層カーボンナノチューブを分散させ、70℃で撹拌しながら24時間加熱処理することにより、カルボキシル基をアシルクロライド(酢酸塩化物)とした。得られた生成物は遠心分離後に減圧乾燥した。
フェニレンジアミンを溶解させたジメチルスルホキシド(以降、「DMSO」と略記する。)溶液に、上記酢酸クロライド基を導入した多層カーボンナノチューブを分散させた後100℃で4日間撹拌し、フェニレンジアミンと多層カーボンナノチューブ間にアミド結合を形成させた。得られた混合液を過剰のメタノールに添加・撹拌してからろ過を行ない、次いでメタノールにて洗浄した。さらに、2時間超音波分散処理を施し、次いでメンブランフィルターを用いてろ過を行なってから乾燥することで、フェニレンジアミンが結合した多層カーボンナノチューブの粉体を得た。アミド結合生成の確認は、赤外分光測定法により同定した。
導電性高分子のモノマーとしてアニリン、およびドーパントとしてパラトルエンスルホン酸を溶解させた水溶液中に、上記で得られたフェニレンジアミンとアミド結合を形成させた多層カーボンナノチューブを超音波分散させた。氷浴0℃下で12時間撹拌させ、該多層カーボンナノチューブ表面にアニリンを吸着させた。その後氷浴・撹拌条件下、過硫酸アンモニウム水溶液を滴下して該多層カーボンナノチューブ表面に吸着させたアニリンおよび、該多層カーボンナノチューブ表面にアミド結合させたフェニレンジアミンとアニリンを重合させた。吸引ろ過および純水洗浄、減圧乾燥して得られたポリアニリン被覆多層カーボンナノチューブ(以降、「PAN被覆−MWCN」)を、クロロホルム中に超音波分散させた。調製した溶液を、実施例1と同様に洗浄したFTOガラス上にスピンコート法にて塗布・乾燥し、目的とするPAN結合−MWCN対極を得た。作製した対極を用いて実施例1と同様にして太陽電池セルを作製し、評価した。
[実施例4の測定結果]
開放電圧(Voc):0.76V
短絡電流密度(Jsc):8.4mA/cm2
形状因子(FF):0.68
光電変換効率:4.3%
Example 4
The same procedure as in Example 1 was performed except for the production of the conductive polymer and the counter electrode. The counter electrode was performed as follows. In the step of introducing an anionic substituent into the linear or cylindrical carbon material of Example 1, the same procedure was performed except that the mixed acid was changed to 2.6 mol / L nitric acid, whereby a carboxyl group was formed on the surface of the multi-walled carbon nanotube. Was introduced. Further, the obtained carboxyl group-introduced multi-walled carbon nanotubes are dispersed in thionyl chloride to which dimethylformamide has been added, and heat-treated for 24 hours with stirring at 70 ° C., whereby the carboxyl group is converted to acyl chloride (acetate chloride). did. The obtained product was dried under reduced pressure after centrifugation.
The above-mentioned multi-walled carbon nanotubes introduced with an acetic chloride group were dispersed in a dimethyl sulfoxide (hereinafter abbreviated as “DMSO”) solution in which phenylenediamine was dissolved, and then stirred at 100 ° C. for 4 days. Amide bonds were formed between the nanotubes. The resulting mixture was added to and stirred in excess methanol, filtered, and then washed with methanol. Furthermore, ultrasonic dispersion treatment was performed for 2 hours, followed by filtration using a membrane filter and drying to obtain a powder of multi-walled carbon nanotubes bonded with phenylenediamine. Confirmation of amide bond formation was identified by infrared spectroscopy.
The multi-walled carbon nanotubes formed with an amide bond with the phenylenediamine obtained above were ultrasonically dispersed in an aqueous solution in which aniline as a conductive polymer monomer and paratoluenesulfonic acid as a dopant were dissolved. The mixture was stirred at 0 ° C. for 12 hours in an ice bath to adsorb aniline on the surface of the multi-walled carbon nanotube. Thereafter, an aniline adsorbed on the surface of the multi-walled carbon nanotube by dripping an aqueous ammonium persulfate solution under an ice bath / stirring condition, and phenylenediamine and aniline bonded to the surface of the multi-walled carbon nanotube were polymerized. Polyaniline-coated multi-walled carbon nanotubes (hereinafter “PAN-coated-MWCN”) obtained by suction filtration, pure water washing, and drying under reduced pressure were ultrasonically dispersed in chloroform. The prepared solution was applied and dried on the FTO glass washed in the same manner as in Example 1 by a spin coating method to obtain a target PAN-bonded-MWCN counter electrode. Using the produced counter electrode, a solar cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
[Measurement results of Example 4]
Open-circuit voltage (Voc): 0.76V
Short-circuit current density (Jsc): 8.4 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.68
Photoelectric conversion efficiency: 4.3%

〔比較例1〕
対極の作製方法以外は実施例1と同様に太陽電池セルを作製し、評価した。
対極は電極基体にFTOガラスを用い、実施例1と同様に洗浄した後、スパッタリング法によりFTOガラス上に白金層を形成した。白金層の厚みは約150nmであった。
[比較例1の測定結果]
開放電圧(Voc):0.72V
短絡電流密度(Jsc):8.9mA/cm2
形状因子(FF):0.66
光電変換効率:4.2%
[Comparative Example 1]
Except for the method for producing the counter electrode, solar cells were produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
For the counter electrode, FTO glass was used for the electrode substrate, washed in the same manner as in Example 1, and then a platinum layer was formed on the FTO glass by sputtering. The thickness of the platinum layer was about 150 nm.
[Measurement results of Comparative Example 1]
Open-circuit voltage (Voc): 0.72V
Short-circuit current density (Jsc): 8.9 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.66
Photoelectric conversion efficiency: 4.2%

〔比較例2〕
実施例1の対極の作製方法において、実施例1と同様に作製したアニオン性置換基を導入した多層カーボンナノチューブを超音波分散させた。得られた分散液を、1000rpm×30秒間の条件にてFTOガラス上にスピンコートし、風乾したのちに90℃にて15分加熱乾燥することを5回行なって多層カーボンナノチューブ層を形成させた。
[比較例2の測定結果]
開放電圧(Voc):0.68V
短絡電流密度(Jsc):5.6mA/cm2
形状因子(FF):0.49
光電変換効率:1.9%
[Comparative Example 2]
In the counter electrode manufacturing method of Example 1, the multi-walled carbon nanotubes introduced with an anionic substituent prepared in the same manner as in Example 1 were ultrasonically dispersed. The obtained dispersion was spin-coated on FTO glass under conditions of 1000 rpm × 30 seconds, air-dried, and then heat-dried at 90 ° C. for 15 minutes for 5 times to form a multi-walled carbon nanotube layer. .
[Measurement results of Comparative Example 2]
Open-circuit voltage (Voc): 0.68V
Short circuit current density (Jsc): 5.6 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.49
Photoelectric conversion efficiency: 1.9%

〔比較例3〕
比較例2において用いた多層カーボンナノチューブを超音波分散させた水溶液に代え、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリスチレンスルホン酸水分散液(以降、「PEDOT/PSS」と略記)(Aldrich社製)に、多層カーボンナノチューブを添加して超音波分散させた溶液を用いることで、PEDOT/PSS分散−MWCN対極を作製し、それ以外は比較例2と同様に太陽電池セルを作製し、評価した。
[比較例3の測定結果]
開放電圧(Voc):0.66V
短絡電流密度(Jsc):8.0mA/cm2
形状因子(FF):0.63
光電変換効率:3.3%
[Comparative Example 3]
Instead of the aqueous solution in which the multi-walled carbon nanotubes used in Comparative Example 2 were ultrasonically dispersed, a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / polystyrene sulfonic acid aqueous dispersion (hereinafter abbreviated as “PEDOT / PSS”) (Aldrich) (Manufactured by Co., Ltd.), by using a solution in which multi-walled carbon nanotubes are added and ultrasonically dispersed, a PEDOT / PSS dispersion-MWCN counter electrode is produced. Otherwise, a solar battery cell is produced in the same manner as in Comparative Example 2, evaluated.
[Measurement results of Comparative Example 3]
Open-circuit voltage (Voc): 0.66V
Short-circuit current density (Jsc): 8.0 mA / cm 2
Form factor (FF): 0.63
Photoelectric conversion efficiency: 3.3%

以下の表1に上記各例の対極材料、および測定値を示す。なお、上記各例における導電性子分子と炭素材料との相互作用の有無は、適宜紫外可視分光法や赤外分光法などにより、公知の手法にて判別した。   Table 1 below shows the counter electrode materials and measured values of the above examples. In addition, the presence or absence of the interaction between the conductive element molecule and the carbon material in each of the above examples was appropriately determined by a known method by ultraviolet-visible spectroscopy, infrared spectroscopy, or the like.

Figure 2008071605
*1 MWCN:多層カーボンナノチューブ
Figure 2008071605
* 1 MWCN: Multi-walled carbon nanotube

以上の結果から、本発明の対極を備えた色素増感太陽電池が優れた光電変換効率を有していることが判る。   From the above results, it can be seen that the dye-sensitized solar cell provided with the counter electrode of the present invention has excellent photoelectric conversion efficiency.

本発明によれば、安価な製造コストとプロセスで作製でき、性能の経時的低下が抑制されて高い耐久性を有するとともに、高粘度の電解液もしくは擬固体化電解質を用いた場合においても優れた電池特性を示す色素増感太陽電池対極、ならびにそれを用いた色素増感太陽電池を提供することができる。   According to the present invention, it can be produced with a low manufacturing cost and process, has a high durability by suppressing a decrease in performance over time, and is excellent in the case of using a high-viscosity electrolytic solution or a quasi-solidified electrolyte. A dye-sensitized solar cell counter electrode exhibiting battery characteristics, and a dye-sensitized solar cell using the same can be provided.

本発明の色素増感太陽電池の構成の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of a structure of the dye-sensitized solar cell of this invention. 本発明の対極の構成の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of a structure of the counter electrode of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電極基体
2 透明基体
3 透明導電膜
4 多孔質金属酸化物半導体層
5 増感色素層
6 電解質層
7 対極
8 電極基体
9 触媒層
1 Electrode Base 2 Transparent Base 3 Transparent Conductive Film 4 Porous Metal Oxide Semiconductor Layer 5 Sensitizing Dye Layer 6 Electrolyte Layer 7 Counter Electrode 8 Electrode Base 9 Catalyst Layer

Claims (14)

光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層とを少なくとも有する色素増感太陽電池において、
前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される対極であって、
電極支持体と導電性材料からなる電極基体を有し、該電極基体上に、酸化還元対となる化学種の酸化体を還元する触媒物質として、少なくともその一部が導電性高分子にて被覆されてなる微細な線状又は筒状炭素材料を含有することを特徴とする対極。
In a dye-sensitized solar cell having at least a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action and an electrolyte layer containing a chemical species that becomes a redox pair,
A counter electrode disposed opposite to the semiconductor electrode via the electrolyte layer,
An electrode substrate comprising an electrode support and a conductive material, and at least a part of the electrode substrate is coated with a conductive polymer as a catalytic substance for reducing an oxidized form of a chemical species as a redox pair. A counter electrode comprising a fine linear or cylindrical carbon material.
前記導電性高分子と前記微細な線状又は筒状炭素材料とが相互作用していることを特徴とする請求項1に記載の対極。   The counter electrode according to claim 1, wherein the conductive polymer and the fine linear or cylindrical carbon material interact with each other. 前記導電性高分子と前記微細な線状又は筒状炭素材料が、π-πスタッキングにより相互作用していることを特徴とする請求項2に記載の対極。   The counter electrode according to claim 2, wherein the conductive polymer and the fine linear or cylindrical carbon material interact by π-π stacking. 前記線状又は筒状炭素材料の表面に官能基が導入されてなり、該官能基と前記導電性高分子との相互作用により、導電性高分子と線状又は筒状炭素材料とが複合化されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の対極。   A functional group is introduced on the surface of the linear or cylindrical carbon material, and the conductive polymer and the linear or cylindrical carbon material are combined by the interaction between the functional group and the conductive polymer. The counter electrode according to claim 1, wherein the counter electrode is provided. 前記線状又は筒状炭素材料の表面の官能基が、前記導電性高分子にドーピングされていることを特徴とする請求項4に記載の対極。   The counter electrode according to claim 4, wherein a functional group on a surface of the linear or cylindrical carbon material is doped in the conductive polymer. 前記線状又は筒状炭素材料の表面の官能基と前記導電性高分子とが化学結合を有していることを特徴とする請求項4に記載の対極。   The counter electrode according to claim 4, wherein the functional group on the surface of the linear or cylindrical carbon material and the conductive polymer have a chemical bond. 前記官能基が、カルボキシル基、スルホ基、ホスホニウム基からなる群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の対極。   The counter electrode according to any one of claims 4 to 6, wherein the functional group is at least one selected from the group consisting of a carboxyl group, a sulfo group, and a phosphonium group. 前記線状又は筒状炭素材料が、単層および多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の対極。   The counter electrode according to claim 1, wherein the linear or cylindrical carbon material is at least one selected from the group consisting of single-walled and multi-walled carbon nanotubes, carbon nanohorns, and fullerenes. 前記導電性高分子が、下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族アミン化合物、下記一般式(3)で表されるチオフェン化合物、及び下記一般式(4)で表されるピロール化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーが重合して形成されたポリマーである、請求項1〜6のいずれかに記載の対極。
Figure 2008071605
Figure 2008071605
(式(1)又は(2)中、R1及びR6はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を示し、R2〜R5及びR7〜R10はそれぞれ独立に水素原子、炭素原子数1〜8のアルキル基又はアルコキシ基、炭素原子数6〜12のアリール基、炭素原子数6〜12のアラルキル基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、またはニトロ基を示し、式(1)中、R2とR3、又はR4とR5はそれぞれ連結して環を形成していてもよく、式(2)中、R8とR9、又はR9とR10はそれぞれ連結して環を形成していてもよい。)
Figure 2008071605
(式(3)中、R11、R12はそれぞれ独立に水素原子、炭素原子数1〜8のアルキル基又はアルコキシ基、炭素原子数6〜12のアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、またはニトロ基を示し、R11とR12は連結して環を形成していてもよい。)
Figure 2008071605
(式(4)中、R13、R14はそれぞれ独立に水素原子、炭素原子数1〜8のアルキル基又はアルコキシ基、炭素原子数6〜12のアリール基、シアノ基、チオシアノ基、ハロゲン基、またはニトロ基を示し、R13とR14は連結して環を形成していてもよい。)
The conductive polymer is represented by an aromatic amine compound represented by the following general formula (1) or (2), a thiophene compound represented by the following general formula (3), and the following general formula (4). The counter electrode according to any one of claims 1 to 6, which is a polymer formed by polymerizing at least one monomer selected from the group consisting of pyrrole compounds.
Figure 2008071605
Figure 2008071605
(In the formula (1) or (2), R 1 and R 6 each independently represent a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and R 2 to R 5 and R 7 to R 10 each independently represent a hydrogen atom or carbon. An alkyl group or alkoxy group having 1 to 8 atoms, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, an aralkyl group having 6 to 12 carbon atoms, a cyano group, a thiocyano group, a halogen group, or a nitro group is represented by the formula (1 ), R 2 and R 3 , or R 4 and R 5 may be linked to form a ring. In Formula (2), R 8 and R 9 , or R 9 and R 10 are linked. And may form a ring.)
Figure 2008071605
(In Formula (3), R 11 and R 12 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkoxy group, an aryl group having 6 to 12 carbon atoms, a cyano group, a thiocyano group, and a halogen group. Or R 11 and R 12 may be linked to form a ring.
Figure 2008071605
(In Formula (4), R <13> , R <14> is respectively independently a hydrogen atom, a C1-C8 alkyl group or an alkoxy group, a C6-C12 aryl group, a cyano group, a thiocyano group, and a halogen group. Or a nitro group, R 13 and R 14 may be linked to form a ring.)
前記導電性高分子が、モノマーとして少なくともアニリンが重合して形成されたポリマーである、請求項9に記載の対極。   The counter electrode according to claim 9, wherein the conductive polymer is a polymer formed by polymerizing at least aniline as a monomer. 該導電性高分子が、アニリンと一般式(1)又は(2)で表される芳香族アミン化合物から選ばれる少なくとも1種とがモノマーとして重合して形成されたコポリマーである、請求項9記載の対極。   The conductive polymer is a copolymer formed by polymerizing aniline and at least one selected from the aromatic amine compounds represented by the general formula (1) or (2) as monomers. Opposite electrode. 該導電性高分子が、モノマーとして少なくとも3,4−エチレンジオキシチオフェンが重合して形成されたポリマーである、請求項9記載の対極。   The counter electrode according to claim 9, wherein the conductive polymer is a polymer formed by polymerizing at least 3,4-ethylenedioxythiophene as a monomer. 該導電性高分子が、モノマーとしてピロール、3−メチルピロール、3−ブチルピロール及び3−オクチルピロールからなる群から選ばれる少なくとも1種が重合して形成されたポリマーである、請求項9に記載の対極。   The conductive polymer is a polymer formed by polymerizing at least one selected from the group consisting of pyrrole, 3-methylpyrrole, 3-butylpyrrole and 3-octylpyrrole as a monomer. Opposite electrode. 光増感作用を有する色素を含む光透過性の半導体電極と、酸化還元対となる化学種を含む電解質層と、前記電解質層を介して前記半導体電極に対向配置される対極とを少なくとも有する色素増感型太陽電池であって、該対極が請求項1〜13のいずれかに記載の対極である、色素増感太陽電池。   A dye having at least a light-transmitting semiconductor electrode containing a dye having a photosensitizing action, an electrolyte layer containing a chemical species serving as a redox pair, and a counter electrode disposed opposite to the semiconductor electrode via the electrolyte layer A dye-sensitized solar cell, which is a sensitized solar cell, wherein the counter electrode is the counter electrode according to claim 1.
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