JP2008258011A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents

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宏明 伊東
Takahiko Nojima
隆彦 野島
Yusuke Kawahara
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    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell increasing open circuit voltage (Voc) while keeping high short circuit current (Isc) in light irradiation by improving the composition of a light reflection layer/a light scattering layer. <P>SOLUTION: The dye-sensitized solar cell is composed of an anode 1 formed by laminating at least a conductive layer 12 and a porous film layer 2, a cathode 5 facing the porous film layer 2 of the anode 1, and an electrolyte sealed between the anode 1 and the cathode 5, placed on the surface of a light permeable substrate 11, the porous film layer 2 is composed of at least a light absorbing layer 21 including fine particles on which sensitized dye is adsorbed and a light reflection layer 22 from the light permeable base material side in order, and the light reflection layer 22 mainly includes shape-anisotropic fine particles having an aspect ratio of ≥5. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は色素増感型太陽電池に関する。更に詳しくは、平板状粒子を含む多孔質膜電極を有する色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell. More specifically, the present invention relates to a dye-sensitized solar cell having a porous membrane electrode containing tabular grains.

色素増感型太陽電池は一般的な印刷工程で製造できる構成から、素材・プロセス両面で大幅なコスト低減が期待され、シリコン系、GaAs系、CIS系などに続く次世代の太陽電池として注目を集めている。   Dye-sensitized solar cells have a structure that can be manufactured in a general printing process, and are expected to greatly reduce costs in terms of both materials and processes, and are attracting attention as next-generation solar cells following silicon, GaAs, and CIS systems. Collecting.

この色素増感型太陽電池は、半導体表面に吸着させた色素分子が太陽光を吸収し、色素のLUMO(最低空軌道)から半導体のCB(伝導帯)へ電子注入が起こることで所謂分光増感を行う。   In this dye-sensitized solar cell, the dye molecules adsorbed on the semiconductor surface absorb the sunlight, and so-called spectral enhancement is caused by electron injection from the dye LUMO (lowest orbital) to the semiconductor CB (conduction band). Do a feeling.

色素分子は半導体表面に吸着基を介して結合させるため、一般的には単分子層であるとされる。   Since the dye molecule is bonded to the semiconductor surface via an adsorbing group, it is generally considered to be a monomolecular layer.

即ち、太陽電池セルに入射した光を高い効率で電子に変換させるためには、色素の光吸収能を向上させる技術が必要である。   That is, in order to convert light incident on the solar cell into electrons with high efficiency, a technique for improving the light absorption ability of the dye is required.

それに対し大きなブレイクスルーを果たしたのが、酸化チタンの超微粒子を適度な空孔を含む多孔質膜として形成させたことにある(例えば、非特許文献1)。   On the other hand, a major breakthrough was achieved by forming titanium oxide ultrafine particles as a porous film containing appropriate pores (for example, Non-Patent Document 1).

この多孔質膜中の粒子表面に色素分子を単分子吸着させることで、光吸収/電子注入サイトの比表面積を数千倍にまで高めることを可能にし、太陽電池セルに入射した太陽光を効率よく電子に変換することができる。   By adsorbing a single molecule of a dye molecule on the particle surface in this porous film, the specific surface area of the light absorption / electron injection site can be increased to several thousand times, and the sunlight incident on the solar cell is efficiently used. Can be converted to electrons well.

色素から注入された電子は、酸化チタン多孔質膜中を高効率に拡散し透明電極に到達する。   Electrons injected from the dye diffuse efficiently in the titanium oxide porous film and reach the transparent electrode.

一方で、電子を失った色素は電解質中のヨウ素イオンから電子を受け取る。   On the other hand, a dye that has lost electrons receives electrons from iodine ions in the electrolyte.

さらには電子を渡したヨウ素イオンが対極のPt基板上で電子を受け取る。色素増感型太陽電池は、この一連の光吸収・酸化還元過程を経て外部回路を駆動する。   Furthermore, the iodine ions that have passed the electrons receive the electrons on the counter electrode Pt substrate. The dye-sensitized solar cell drives an external circuit through this series of light absorption / oxidation reduction processes.

色素増感型太陽電池に用いられる半導体電極は、酸化チタンを主成分とするナノポーラス構造が一般的である。   A semiconductor electrode used for a dye-sensitized solar cell generally has a nanoporous structure mainly composed of titanium oxide.

この酸化チタン膜は、色素吸着量に依存し電子の失活過程である電子とホールの再結合が極めて生じにくい特性を持っており、ナノポーラス構造に電荷分離機能を持たせる上で都合がよい。   This titanium oxide film has a characteristic that recombination of electrons and holes, which is an electron deactivation process, is very difficult to occur depending on the amount of dye adsorbed, and is convenient for providing a charge separation function to the nanoporous structure.

とはいっても、さらなる光電変換効率向上のためには、色素の光吸収能を向上させる新たな工夫が必要になってくる。   However, in order to further improve the photoelectric conversion efficiency, a new device for improving the light absorption ability of the dye is required.

例えば、酸化チタンをさらに小粒径化して比表面積の拡大を図るなどが考えられるが、実際には20nm前後の酸化チタン微粒子を用いることが最も効率的であり、さらに小さくすると比表面積は拡大するものの、ナノポーラス構造を形成しにくくなり、電解質がナノポーラス中にまで効率よく拡散しなくなるといったトレードオフの関係になってしまう。   For example, it is conceivable to further reduce the particle size of titanium oxide to increase the specific surface area. However, in practice, it is most efficient to use fine titanium oxide particles of around 20 nm, and the specific surface area increases when the particle size is further reduced. However, it becomes difficult to form a nanoporous structure, and there is a trade-off relationship that the electrolyte does not diffuse efficiently into the nanoporous.

また一方で、酸化チタンのナノポーラス構造を積層して膜厚を厚くすることで、光吸収能を向上させることも考えられるが、電子寿命が長いとされる酸化チタンナノポーラス膜においても、実際には8〜15μm程度の膜厚が適当であり、それより膜厚を厚くしても光電変換効率が頭打ちになるばかりでなく、電子とホールの再結合チャンスが増えるため開放電圧の低下を招き、結果的に変換効率が低下してしまう。   On the other hand, it is conceivable to improve the light absorption ability by laminating the nanoporous structure of titanium oxide and increasing the film thickness. However, in the titanium oxide nanoporous film that has a long electron lifetime, A film thickness of about 8 to 15 μm is appropriate, and even if the film thickness is thicker than that, not only will the photoelectric conversion efficiency reach its peak, but the chance of recombination of electrons and holes will increase, resulting in a decrease in open circuit voltage, resulting in a result. Conversion efficiency is lowered.

それに対し、酸化チタンを主成分とするナノポーラス膜を透過した光を新たに設けた光反射層/光散乱層で反射/散乱させ、再度、光電変換効率の高いナノナノポーラス膜に光を導くことで光電変換ロスを低減する技術が紹介されている(例えば、特許文献1〜3を参照)。   On the other hand, the light that has passed through the nanoporous film mainly composed of titanium oxide is reflected / scattered by the newly provided light reflecting layer / light scattering layer, and the light is again guided to the nano-nanoporous film with high photoelectric conversion efficiency. Techniques for reducing photoelectric conversion loss have been introduced (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

また、ナノポーラス膜中の粒子径分布を、光散乱を起こさず光電変換効率の高い小粒径微粒子と、光散乱を目的とした大粒径粒子を混合することで、同様な光電変換ロス低減を達成した技術が開示されている(例えば、特許文献4〜5)。   In addition, the particle size distribution in the nanoporous film can be reduced by the same photoelectric conversion loss reduction by mixing small particle size particles with high photoelectric conversion efficiency without light scattering and large particle size particles for light scattering purposes. The achieved technique is disclosed (for example, Patent Documents 4 to 5).

しかしならが、前者の技術では微細なナノポーラス膜上に数百nm以上の粒径を有する微粒子を幾層にも積層する必要があり、上記の理由から変換効率に限界が生じる問題がある。   However, in the former technique, it is necessary to stack several layers of fine particles having a particle size of several hundred nm or more on a fine nanoporous film, and there is a problem that the conversion efficiency is limited for the above reason.

また、後者の技術はナノポーラス膜中に大粒径粒子を混合させるために、優れた光吸収能と光電変換効率の向上を両立させることが難しかった。
Nature353,24(1991)737 特開平10−255863号公報 特開2001−93591号公報 特開2002−222968号公報 特開2001−196104号公報 特開2002−93475号公報
Moreover, since the latter technique mixes large particle size particles in the nanoporous film, it is difficult to achieve both excellent light absorption ability and improvement in photoelectric conversion efficiency.
Nature 353, 24 (1991) 737 JP-A-10-255863 JP 2001-93591 A JP 2002-222968 A JP 2001-196104 A JP 2002-93475 A

本発明は上述したような従来の課題を解決するためになされた発明であり、本発明の目的は、光反射層/光散乱層の構成を工夫することで、光照射時の高い短絡電流(Jsc)を保ったまま、開放電圧(Voc)を向上させた色素増感型太陽電池を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the conventional problems as described above, and an object of the present invention is to devise the structure of the light reflection layer / light scattering layer, so that a high short-circuit current during light irradiation ( An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell in which the open circuit voltage (Voc) is improved while maintaining Jsc).

本発明は半導体多孔質膜層を形成する半導体微粒子について、特にその形状を最適化することで前記課題の解決に至り、ここに技術開示するものである。   The present invention solves the above-mentioned problems by optimizing the shape of the semiconductor fine particles forming the semiconductor porous film layer, and the technical disclosure is provided herein.

従って、本発明の目的は下記の構成により達成される。   Therefore, the object of the present invention is achieved by the following configuration.

1.光透過性基板の表面に、少なくとも導電層と、多孔質膜層とを積層したアノード電極、該アノード電極の多孔質膜層の側に対向するカソード電極及び前記アノード電極とカソード電極の2枚の電極間に電解質を封止した構成を有する色素増感型太陽電池において、該多孔質膜層が光透過性基材側から順に、少なくとも増感色素を吸着させた微粒子からなる光吸収層と、光反射層とからなり、該光反射層が主にアスペクト比が5以上の形状異方性微粒子からなることを特徴とする色素増感型太陽電池。   1. An anode electrode in which at least a conductive layer and a porous membrane layer are laminated on the surface of the light-transmitting substrate, a cathode electrode facing the porous membrane layer side of the anode electrode, and the anode electrode and the cathode electrode In a dye-sensitized solar cell having a configuration in which an electrolyte is sealed between electrodes, the porous film layer, in order from the light-transmitting substrate side, a light absorption layer made of fine particles adsorbing at least a sensitizing dye; and A dye-sensitized solar cell comprising a light reflecting layer, wherein the light reflecting layer mainly comprises shape anisotropic fine particles having an aspect ratio of 5 or more.

2.前記形状異方性微粒子のアスペクト比が、10〜100であることを特徴とする前記1に記載の色素増感型太陽電池。   2. 2. The dye-sensitized solar cell as described in 1 above, wherein the shape anisotropic fine particles have an aspect ratio of 10 to 100.

3.前記形状異方性微粒子が、平板形状であることを特徴とする前記1又は2に記載の色素増感型太陽電池。   3. 3. The dye-sensitized solar cell as described in 1 or 2 above, wherein the shape anisotropic fine particles have a flat plate shape.

4.前記光反射層中の形状異方性微粒子が、200nm〜10μmの平均粒径を有し、且つ光吸収層中の微粒子の平均粒径よりも大きいことを特徴とする前記1〜3何れか1項に記載の色素増感型太陽電池。   4). Any one of the above 1-3, wherein the shape anisotropic fine particles in the light reflecting layer have an average particle size of 200 nm to 10 μm and are larger than the average particle size of the fine particles in the light absorbing layer. The dye-sensitized solar cell according to Item.

5.前記多孔質膜層の光吸収層の膜厚と光反射層の膜厚との比が、5:1〜15:1であることを特徴とする前記1〜4の何れか1項に記載の色素増感型太陽電池。   5. The ratio of the film thickness of the light absorption layer of the porous film layer to the film thickness of the light reflection layer is 5: 1 to 15: 1, Dye-sensitized solar cell.

本発明による色素増感型太陽電池は、光反射層/光吸収層の構成を工夫することで、光照射時の高い短絡電流(Jsc)を保ったまま、開放電圧(Voc)を向上させることができ優れた効果を有する。   The dye-sensitized solar cell according to the present invention improves the open-circuit voltage (Voc) while maintaining a high short-circuit current (Jsc) during light irradiation by devising the configuration of the light reflection layer / light absorption layer. And has an excellent effect.

以下、本発明を更に詳細に述べる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

先ず、本発明の色素増感型太陽電池について、図1を用いて説明する。   First, the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described with reference to FIG.

図1は、本発明の色素増感型太陽電池の基本構造を示す概略断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of the dye-sensitized solar cell of the present invention.

本発明の色素増感型太陽電池は図1によって示される通り、光透過性基板11の上に導電層12を有し、色素分子3を吸着させた光吸収層21と光反射層22からなる多孔質膜層2を有するアノード電極1、電荷移動層(「電解質層」と呼ぶこともある)4、カソード電極5を有する対向基板6から成る。   As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell of the present invention includes a light-absorbing layer 21 and a light-reflecting layer 22 each having a conductive layer 12 on a light-transmitting substrate 11 and adsorbing dye molecules 3. It comprises an anode electrode 1 having a porous membrane layer 2, a charge transfer layer (sometimes referred to as “electrolyte layer”) 4, and a counter substrate 6 having a cathode electrode 5.

尚、図1において、+は正極を表し、−は負極を表す。   In FIG. 1, + represents a positive electrode, and-represents a negative electrode.

本発明の色素増感型太陽電池を構成する際には、前記アノード電極1の多孔質膜層2、電荷移動層4及びカソード電極5を図中7で示される封止剤で、ケース内に収納して封止するか、あるいはそれら全体を樹脂封止することが好ましい。   When constituting the dye-sensitized solar cell of the present invention, the porous membrane layer 2, the charge transfer layer 4 and the cathode electrode 5 of the anode electrode 1 are sealed in the case with a sealant indicated by 7 in the figure. It is preferable to house and seal, or to seal them entirely with resin.

本発明の太陽電池に太陽光または太陽光と同等の電磁波を照射すると、多孔質膜層2に吸着された色素3は照射された太陽光もしくは電磁波を吸収して励起する。   When the solar cell of the present invention is irradiated with sunlight or an electromagnetic wave equivalent to sunlight, the dye 3 adsorbed on the porous membrane layer 2 is excited by absorbing the irradiated sunlight or electromagnetic wave.

励起によって発生した電子は半導体多孔質膜層2に移動し、次いで導電層12を経由して外部回路に供給される。   The electrons generated by the excitation move to the semiconductor porous membrane layer 2 and are then supplied to the external circuit via the conductive layer 12.

一方、外部回路を駆動してカソード電極5上に移動した電子は、電荷移動層4のレドックス電解質を還元する。   On the other hand, the electrons that have moved to the cathode electrode 5 by driving the external circuit reduce the redox electrolyte of the charge transfer layer 4.

多孔質膜層2に電子を移動させた色素3は酸化体となっているが、カソード電極5から電荷移動層4のレドックス電解質を経由して電子が供給されることにより、還元されて元の状態に戻り、同時に電荷移動層4のレドックス電解質は酸化されて、再びカソード電極5から供給される電子により還元されうる状態に戻る。   The dye 3 that has moved electrons to the porous membrane layer 2 is an oxidant, but is reduced by being supplied with electrons from the cathode electrode 5 via the redox electrolyte of the charge transfer layer 4 and is reduced to the original. At the same time, the redox electrolyte of the charge transfer layer 4 is oxidized and returned to a state where it can be reduced again by the electrons supplied from the cathode electrode 5.

このようにして電子が流れ、本発明の色素増感型太陽電池を構成することができる。   In this way, electrons flow and the dye-sensitized solar cell of the present invention can be configured.

以下、これらについて更に詳細に説明する。   Hereinafter, these will be described in more detail.

<半導体多孔質膜層>
(光反射層)
本発明の多孔質膜層は光透過性基材側から順に、少なくとも光吸収層と光反射層とを有し、該光反射層が主にアスペクト比(以下、ARと略すこともある)が5以上の形状異方性微粒子からなることを特徴とする。
<Semiconductor porous membrane layer>
(Light reflecting layer)
The porous film layer of the present invention has at least a light absorption layer and a light reflection layer in order from the light transmissive substrate side, and the light reflection layer mainly has an aspect ratio (hereinafter sometimes abbreviated as AR). It consists of five or more shape anisotropic fine particles.

上記、形状異方性微粒子は、平板状、燐片状、板状、針状、柱状、繊維状、ラグビーボール状、紡錘状、など形状異方性を有することが特徴であり、好ましくは平板状、燐片状、板状であり、光反射能から平板状が最も好ましい。   The shape-anisotropic fine particles are characterized by having shape anisotropy such as flat plate shape, flake shape, plate shape, needle shape, columnar shape, fiber shape, rugby ball shape, spindle shape, etc. Shape, flake shape, and plate shape, and the plate shape is most preferred from the viewpoint of light reflectivity.

本発明の半導体微粒子はアスペクト比5以上であることが特徴であり、好ましくは5〜200であり、さらに好ましくは10〜100である。   The semiconductor fine particles of the present invention are characterized by having an aspect ratio of 5 or more, preferably 5 to 200, and more preferably 10 to 100.

また、反射層は太陽光を反射する100nm〜10μmの平均粒径が好ましく、さらに好ましくは200nm〜3μm程度であり、最も好ましくは250nm〜2μm程度が、反射効率と変換効率の観点から好ましい。   The reflective layer preferably has an average particle diameter of 100 nm to 10 μm for reflecting sunlight, more preferably about 200 nm to 3 μm, and most preferably about 250 nm to 2 μm from the viewpoint of reflection efficiency and conversion efficiency.

本発明の平均粒径とは、透過型電子顕微鏡(例えば日本電子製JEM−2010F型)で観察した粒子の投影面積を真円に換算したときの円相当径を計算し、観測粒子数500個以上での平均円相当径を示す。   The average particle diameter of the present invention is a circle equivalent diameter when the projected area of particles observed with a transmission electron microscope (for example, JEM-2010F type manufactured by JEOL Ltd.) is converted into a perfect circle, and the number of observed particles is 500. The average equivalent circle diameter is shown above.

また、本発明でアスペクト比とは、前記平均粒径を、500個以上の粒子を横方向から観察した平均厚みで除した値を示す。   In the present invention, the aspect ratio indicates a value obtained by dividing the average particle diameter by an average thickness obtained by observing 500 or more particles from the lateral direction.

また、光反射層の膜厚は0.5μm〜10μmであることが好ましく、更に、好ましくは1μm〜5μm、更に好ましくは1μm〜3μmである。   Moreover, it is preferable that the film thickness of a light reflection layer is 0.5 micrometer-10 micrometers, More preferably, they are 1 micrometer-5 micrometers, More preferably, they are 1 micrometer-3 micrometers.

光反射層の膜厚が薄すぎると十分な光反射能が得られず、逆に厚すぎると多孔質膜層自体の膜厚が厚くなり電解質の拡散を阻害してしまうだけでなく、半導体に注入された電子と色素ホールとの再結合チャンスが増えVocの低下を招く恐れがある。   If the thickness of the light reflecting layer is too thin, sufficient light reflectivity cannot be obtained. Conversely, if the thickness is too thick, the thickness of the porous membrane layer itself becomes too thick to inhibit the diffusion of the electrolyte. There is a possibility that the recombination chance between the injected electron and the dye hole is increased and the Voc is lowered.

本発明の光反射層を形成する形状異方性微粒子の組成は、所望の形状異方性が得られれば特に限定されず、金属粒子、無機粒子、有機粒子、ポリマー粒子など種々の化合物を用いることが出来る。好ましくは電解質の影響を受けず、また、更なる高性能化には光反射層でも光電変換をさせるために、色素が吸着出来る半導体を選択することが好ましい。また、効率よく光反射させるためには、高屈折率の組成を選択することで、より薄い層で高い光反射効果を得られるため好ましい。具体的には半導体微粒子を用いることが好ましく、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどを上げることが出来、中でも酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウムが、高屈折率、伝導帯のエネルギーレベルや色素の吸着性を考慮すると好ましく、さらには酸化チタン、酸化亜鉛が好ましく、酸化チタンが最も好ましい。   The composition of the shape anisotropic fine particles forming the light reflecting layer of the present invention is not particularly limited as long as the desired shape anisotropy is obtained, and various compounds such as metal particles, inorganic particles, organic particles, and polymer particles are used. I can do it. Preferably, the semiconductor is not affected by the electrolyte, and for further performance enhancement, it is preferable to select a semiconductor capable of adsorbing the dye in order to perform photoelectric conversion even in the light reflection layer. Moreover, in order to reflect light efficiently, it is preferable to select a composition having a high refractive index because a high light reflection effect can be obtained with a thinner layer. Specifically, it is preferable to use semiconductor fine particles, for example, increasing titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, indium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, strontium titanate, barium titanate, calcium titanate, etc. Among them, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, niobium oxide, strontium titanate are preferable in consideration of the high refractive index, the energy level of the conduction band and the adsorptivity of the dye, and more preferably titanium oxide and zinc oxide. Titanium oxide is most preferred.

本発明においては光反射層と光吸収層の組成が同じである必要はなく、高機能化の目的で異なる組成を選択してもよい。
(光吸収層)
本発明の光吸収層は、実質的に太陽光を散乱しない5nm〜100nmの平均粒径が好ましく、さらには8nm〜80nm、比表面積と空隙サイズから10nm〜30nmが最も好ましい。
In the present invention, the light reflecting layer and the light absorbing layer do not need to have the same composition, and different compositions may be selected for the purpose of enhancing functionality.
(Light absorption layer)
The light absorption layer of the present invention preferably has an average particle diameter of 5 nm to 100 nm which does not substantially scatter sunlight, and more preferably 8 nm to 80 nm, and 10 nm to 30 nm from the specific surface area and void size.

ここで実質的に太陽光を散乱しないとは、太陽光に含まれる可視光線(主には400nm〜780nm域の光)と、UVAと呼ばれる紫外線(315nm〜400nm域の光)、近赤外線〜遠赤外線(780nm以上の光)を含むスペクトル光を散乱しにくいことを言う。   Here, the fact that sunlight is not substantially scattered means that visible light (mainly 400 nm to 780 nm light) contained in sunlight, ultraviolet light called UVA (315 nm to 400 nm light), near infrared light to far light. It means that it is difficult to scatter spectrum light including infrared rays (light of 780 nm or more).

この波長領域はミー散乱で分類することができ、光の波長、粒子径、粒子の屈折率により散乱特性が影響される。無機微粒子の場合、一般的には波長と同程度の粒径が存在すると散乱が発生すると言われている。   This wavelength region can be classified by Mie scattering, and the scattering characteristics are affected by the wavelength of light, particle diameter, and particle refractive index. In the case of inorganic fine particles, it is generally said that scattering occurs when a particle size comparable to the wavelength is present.

実験的にはJIS−K−7136に従って多孔質膜のヘイズ値を評価することで確認できる。好ましいヘイズ値は0.5%〜50%であり、更に好ましくは1%〜20%、最も好ましくは1%〜10%である。ヘイズ値が10以下になると、目視では実質的に透明であり、光吸収層の表面近傍だけでなく、厚み方向に十分に光が届くため好ましい。   Experimentally, it can be confirmed by evaluating the haze value of the porous film according to JIS-K-7136. A preferred haze value is 0.5% to 50%, more preferably 1% to 20%, and most preferably 1% to 10%. A haze value of 10 or less is preferable because it is substantially transparent by visual observation, and light sufficiently reaches not only near the surface of the light absorption layer but also in the thickness direction.

本発明の半導体多孔質膜層に関し、特に光吸収層の膜厚は5μm〜20μmであることが好ましく、8μm〜18μmがさらに好ましく、11μm〜15μmが最も変換効率が高く好ましい。   Regarding the semiconductor porous membrane layer of the present invention, the film thickness of the light absorption layer is preferably 5 μm to 20 μm, more preferably 8 μm to 18 μm, and 11 μm to 15 μm is most preferable because of its highest conversion efficiency.

本発明の光吸収層は増感色素を吸着させた多孔質層であることが特徴であり、その組成は価電子帯(VB)と伝導帯(CB)のバンドギャップが3eV前後の半導体微粒子が好ましく、ナノポーラス膜の形成し易さから金属酸化物であることが好ましい。   The light-absorbing layer of the present invention is characterized in that it is a porous layer in which a sensitizing dye is adsorbed, and its composition is that semiconductor fine particles having a valence band (VB) and conduction band (CB) band gap of around 3 eV. A metal oxide is preferable because it is easy to form a nanoporous film.

代表的な金属酸化物としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどを上げることが出来、中でも酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウムが伝導帯のエネルギーレベルや色素の吸着性を考慮すると好ましく、さらには酸化チタン、酸化亜鉛が好ましく、酸化チタンが最も好ましい。   As typical metal oxides, for example, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, indium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, strontium titanate, barium titanate, calcium titanate, etc. can be raised, Of these, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, niobium oxide, and strontium titanate are preferable in view of the energy level of the conduction band and the adsorptivity of the dye, more preferably titanium oxide and zinc oxide, and most preferably titanium oxide.

また、本発明の光吸収層を形成する半導体微粒子は、色素増感型太陽電池の性能向上を目的に、前記半導体微粒子を2種以上積層および/または混合して成る構成でもよく、さらには半導体Aの表面に半導体Bを被覆して成るコアシェル微粒子、または半導体Aの多孔質膜を形成後、半導体Bを表面コートするコンポジット材料を用いてもよい。
(多孔質膜層)
本発明の多孔質膜層(以下、半導体多孔質膜層ともいう)の光吸収層と光反射層をトータルした膜厚は、10μm〜20μmが好ましく、13μm〜17μmがさらに好ましく、14μm〜16μmが最も好ましい。
In addition, the semiconductor fine particles forming the light absorption layer of the present invention may be configured by laminating and / or mixing two or more kinds of the above-mentioned semiconductor fine particles for the purpose of improving the performance of the dye-sensitized solar cell. A core-shell fine particle formed by coating the surface of A with the semiconductor B, or a composite material that coats the surface of the semiconductor B after forming a porous film of the semiconductor A may be used.
(Porous membrane layer)
The total film thickness of the light absorption layer and the light reflection layer of the porous film layer (hereinafter also referred to as semiconductor porous film layer) of the present invention is preferably 10 μm to 20 μm, more preferably 13 μm to 17 μm, and more preferably 14 μm to 16 μm. Most preferred.

光吸収層と光反射層の膜厚比は、光吸収層:光反射層=15:1〜4:1が好ましく、12:1〜5:1がさらに好ましく、10:1〜6:1が最も好ましい。   The film thickness ratio between the light absorption layer and the light reflection layer is preferably light absorption layer: light reflection layer = 15: 1 to 4: 1, more preferably 12: 1 to 5: 1, and 10: 1 to 6: 1. Most preferred.

本発明においては、焼成後の半導体多孔質膜層が前記の膜厚範囲に好ましく形成される様に、粒子懸濁液(ペースト)を最適に設計し、また、ペーストの塗布工程において重ね塗布するなどして膜厚を確保させることが好ましい。   In the present invention, the particle suspension (paste) is optimally designed so that the semiconductor porous film layer after firing is preferably formed in the above-mentioned film thickness range, and is repeatedly applied in the paste application step. For example, it is preferable to ensure the film thickness.

さらに、本発明の光吸収層および光反射層を積層させる場合にも、同様にして重ね塗布により形成させることが好ましい。
(半導体微粒子)
本発明の半導体微粒子の製法としては、一般公知の技術を用いて行うことができる。微粒子形成方法は大きく分けて気相法と液相法に分類される。
Furthermore, when laminating the light absorption layer and the light reflection layer of the present invention, it is preferable to form them by repeated coating in the same manner.
(Semiconductor fine particles)
The method for producing the semiconductor fine particles of the present invention can be performed using a generally known technique. Fine particle forming methods are roughly classified into a vapor phase method and a liquid phase method.

気相法とは気体状の原料物質から結晶形成させる手法であり、連続的なプロセスを構築しやすく低コストで高純度な粒子を大量生産することに好適である。   The gas phase method is a method of forming crystals from a gaseous source material, and is suitable for mass production of low-cost, high-purity particles that are easy to construct a continuous process.

一方で液相法は原料物質1種、あるいは2種以上を溶液中で混合し、原料物質と生成物の溶解度変化を利用して粒子形成する方法であり、シングルジェット法、ダブルジェット法、ゾル−ゲル法および水熱法、などが挙げられ、極端な大量生産には不向きなものの粒子形状の揃った高品質な微粒子を合成できる手法として広く用いられている。   On the other hand, the liquid phase method is a method in which one kind of raw material or two or more kinds are mixed in a solution and particles are formed by utilizing the solubility change of the raw material and the product. The single jet method, double jet method, sol -Gel method, hydrothermal method, and the like can be mentioned, and they are widely used as methods for synthesizing high-quality fine particles with uniform particle shapes that are not suitable for extreme mass production.

また、液相法の一種であるが、原料物質を溶融し冷却時の溶解度変化を利用して粒子形成させるメルト法や、メルト法と同様にして高温溶融したフラックス塩中で形成させる手法などが挙げられる。   In addition, it is a kind of liquid phase method, such as a melt method in which raw material is melted and particles are formed by utilizing the solubility change during cooling, and a method in which it is formed in a flux salt melted at a high temperature in the same manner as the melt method. Can be mentioned.

本発明の光吸収層に用いられる半導体微粒子は、粒子サイズが制御して形成できる方法であれば、上記のいかなる手法にて粒子形成されてもよく、酸化チタンに限って言えば粒径、純度、コストの観点から気相法酸化チタン(例えば、デグサ社製P25など)で十分な性能を得ることができる。   The semiconductor fine particles used in the light absorption layer of the present invention may be formed by any of the above methods as long as the particle size is controlled, and the particle size and purity are limited to titanium oxide. From the viewpoint of cost, sufficient performance can be obtained by vapor phase titanium oxide (for example, P25 manufactured by Degussa).

本発明の多孔質膜層においては、特に光反射層を形成する高アスペクト比微粒子の製造方法としては、単分散で特異な粒子形状を安定して得ることができる液相法が好ましく、ゾル−ゲル法とった金属アルコキシドの加水分解、所謂水熱法などを好ましく用いることができるが、本発明においては高温溶融状態から急冷することで粒子形成させるメルト法、もしくはフラックス法が好ましい。   In the porous film layer of the present invention, a liquid phase method capable of stably obtaining a monodisperse and unique particle shape is particularly preferable as a method for producing high aspect ratio fine particles for forming a light reflecting layer. A metal alkoxide hydrolysis such as a so-called hydrothermal method, which is a gel method, can be preferably used. In the present invention, a melt method in which particles are formed by rapid cooling from a high-temperature molten state, or a flux method is preferable.

本発明の光反射層に用いる高アスペクト比微粒子は、酸化チタンを例にすると、例えば特開平7−157312号公報に記載された方法を参考にして得ることができる。   The high aspect ratio fine particles used in the light reflecting layer of the present invention can be obtained by referring to, for example, the method described in JP-A-7-155731, taking titanium oxide as an example.

この方法は、原料粉末の加熱溶融物を冷却し繊維状チタン酸カリウム結晶〔K2Ti25〕を生成させ、これにK+イオンの溶出処理と湿式粉砕処理を施し、ついで焼成処理を行うことで薄片形状の酸化チタンを得ることが出来る。 In this method, the heated melt of the raw material powder is cooled to produce fibrous potassium titanate crystals [K 2 Ti 2 O 5 ], which are subjected to elution treatment of K + ions and wet pulverization treatment, followed by firing treatment. By performing this, a flake-shaped titanium oxide can be obtained.

前記繊維状チタン酸カリウム結晶は、TiO5三角両錐体の連鎖が積層した層状構造結晶を有し、酸水溶液による脱カリウム過程で、層間のK+イオンがH+またはH3+と置換されて膨潤・劈解を生じる。 The fibrous potassium titanate crystal has a layered structure crystal in which chains of TiO 5 triangular bipyramids are stacked, and K + ions between the layers are replaced with H + or H 3 O + in the depotassification process with an acid aqueous solution. It causes swelling and decontamination.

これに湿式粉砕処理を加えることにより、繊維同士の分離,層間の剥離が促進され、形態の揃った薄片形状を有する水和酸化チタンの粉末が高収率で得られる。   By applying a wet pulverization treatment to this, separation of fibers and delamination between layers are promoted, and a powder of hydrated titanium oxide having a uniform flake shape can be obtained in a high yield.

本発明に用いることができる薄片形状の微粒子は、前記冷却過程における温度プロファイルを制御することで、所望の形状およびサイズを単分散且つ安定して得ることができ、急冷することで薄片の厚み方向が薄くなる傾向になる。   The flake-shaped fine particles that can be used in the present invention can be monodispersed and stably obtained by controlling the temperature profile in the cooling process, and the flake thickness direction can be obtained by rapid cooling. Tends to be thinner.

また、湿式粉砕処理は、水溶液中において分散剤存在下、ビーズミル分散機(例えば、壽工業社製ウルトラアペックスミル/50μm径ジルコニアビーズ)を用いることで、安定して薄片形状の微粒子を得ることができる。   In addition, the wet pulverization treatment can stably obtain flake-shaped fine particles by using a bead mill disperser (for example, Ultra Apex Mill / 50 μm diameter zirconia beads manufactured by Sakai Kogyo Co., Ltd.) in the presence of a dispersant in an aqueous solution. it can.

次に、本発明の半導体多孔質膜の作製方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the semiconductor porous film of this invention is demonstrated.

半導体多孔質膜を作製する方法としては公知の方法を適用することが可能であり、
(1)半導体微粒子を含有する懸濁液を導電性基材上に塗布し、乾燥及び焼成を行って半導体層を形成する方法、
(2)コロイド溶液中に導電性基材を浸漬して電気泳動により半導体微粒子を導電性基材上に付着させる泳動電着法、
(3)コロイド溶液や分散液に発泡剤を混合して塗布した後、焼結して多孔質化する方法、
(4)ポリマーマイクロビーズを混合して塗布した後、このポリマーマイクロビーズを加熱処理や化学処理により除去して空隙を形成させ多孔質化する方法などを適用することができる。
As a method for producing the semiconductor porous film, it is possible to apply a known method,
(1) A method of forming a semiconductor layer by applying a suspension containing semiconductor fine particles on a conductive substrate, drying and firing,
(2) Electrophoretic electrodeposition method in which a conductive substrate is immersed in a colloidal solution, and semiconductor fine particles are adhered to the conductive substrate by electrophoresis.
(3) A method in which a foaming agent is mixed and applied to a colloidal solution or dispersion and then sintered to make it porous.
(4) After the polymer microbeads are mixed and applied, a method of removing the polymer microbeads by heat treatment or chemical treatment to form voids and making it porous can be applied.

上記の作製方法の中で、特に塗布方法としては公知の方法を適用することが可能で、スクリーン印刷法、インクジェット法、ロールコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、スプレー塗布法などを挙げることができる。   Among the above-described production methods, a known method can be applied particularly as a coating method, and examples include a screen printing method, an ink jet method, a roll coating method, a doctor blade method, a spin coating method, and a spray coating method. Can do.

特に上記(1)の方法の場合、懸濁液中の半導体微粒子の粒子径は微細である方が好ましく、1次粒子として存在していることが好ましい。   In particular, in the case of the above method (1), the particle diameter of the semiconductor fine particles in the suspension is preferably finer and is preferably present as primary particles.

半導体微粒子を含有する懸濁液は、半導体微粒子を溶媒中に分散させることによって調製することができる。   The suspension containing the semiconductor fine particles can be prepared by dispersing the semiconductor fine particles in a solvent.

溶媒としては、半導体微粒子を分散し得るものであれば特に制限は無く、水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合液が包含される。   The solvent is not particularly limited as long as it can disperse the semiconductor fine particles, and includes water, an organic solvent, and a mixed solution of water and an organic solvent.

有機溶媒としては、メタノールやエタノール等のアルコール、メチルエチルケトン、アセトン、アセチルアセトン等のケトン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素等が用いられる。懸濁液中には、必要に応じて界面活性剤や粘度調節剤(ポリエチレングリコール等の多価アルコール等)、分散剤等を加えることができる。溶媒中の半導体微粒子の濃度の範囲は、0.1質量%〜70質量%が好ましく、0.1質量%〜30質量%が更に好ましい。   As the organic solvent, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as methyl ethyl ketone, acetone and acetyl acetone, hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, and the like are used. In the suspension, a surfactant, a viscosity modifier (polyhydric alcohol such as polyethylene glycol), a dispersant and the like can be added as necessary. The concentration range of the semiconductor fine particles in the solvent is preferably 0.1% by mass to 70% by mass, and more preferably 0.1% by mass to 30% by mass.

上記のようにして得られた半導体微粒子を含有する懸濁液を導電性基材上に塗布し、乾燥等を行った後、空気中または不活性ガス中で焼成して、導電性基材上に金属酸化物半導体層が形成される。   The suspension containing the semiconductor fine particles obtained as described above is applied on a conductive substrate, dried, etc., and then baked in air or in an inert gas. A metal oxide semiconductor layer is formed.

導電性基材上に懸濁液を塗布、乾燥して得られる半導体多孔質膜層は、半導体微粒子の集合体からなるもので、その微粒子の粒子径は使用した半導体微粒子の1次粒子径に依存するものである。導電性基材上に形成された半導体多孔質膜層は、導電性基材との結合力や、微粒子間の結合力が弱く、機械的に脆い膜であるため、この半導体微粒子集合体膜を焼成処理して機械的強度を高め、基板に強く固着した焼成物膜とすることが好ましい。   The semiconductor porous film layer obtained by applying and drying a suspension on a conductive substrate is composed of an aggregate of semiconductor fine particles, and the particle size of the fine particles is the primary particle size of the semiconductor fine particles used. It depends. The semiconductor porous membrane layer formed on the conductive substrate is a mechanically fragile film having a weak bonding force with the conductive substrate and a bonding force between the fine particles. It is preferable to increase the mechanical strength by baking treatment to obtain a fired product film that is strongly fixed to the substrate.

同時に焼成処理をすることで、粒子間が溶融密着による所謂ネッキングを形成し、半導体多孔質膜中の電子伝導性が向上する効果が得られる。   By carrying out the firing process at the same time, so-called necking due to fusion adhesion is formed between the particles, and the effect of improving the electron conductivity in the semiconductor porous film is obtained.

本発明においては、この焼成物膜はどのような構造を有していても良いが、多孔質構造(空隙を有する、ポーラスな層ともいう)であることが好ましい。   In the present invention, the fired product film may have any structure, but preferably has a porous structure (also referred to as a porous layer having voids).

ここで、半導体多孔質膜層の空隙率は、10体積%以下が好ましく、更に好ましくは、8体積%以下であり、特に好ましくは、0.01体積%〜5体積%以下である。   Here, the porosity of the semiconductor porous membrane layer is preferably 10% by volume or less, more preferably 8% by volume or less, and particularly preferably 0.01% by volume to 5% by volume.

尚、半導体多孔質膜層の空隙率は、誘電体の厚み方向に貫通性のある空隙率を意味し、水銀ポロシメーター(例えば、島津ポアライザー9220型)等の市販の装置を用いて測定することが出来る。   The porosity of the semiconductor porous film layer means a porosity that is penetrating in the thickness direction of the dielectric, and can be measured using a commercially available device such as a mercury porosimeter (for example, Shimadzu Polarizer 9220 type). I can do it.

焼成温度は300℃〜1000℃程度で行われるが、酸化チタンの場合は焼成温度によって得られる結晶相が異なるため注意が必要である。   The firing temperature is about 300 ° C. to 1000 ° C. However, in the case of titanium oxide, care must be taken because the crystal phase obtained varies depending on the firing temperature.

酸化チタンを本発明に用いる場合、900℃以上の焼成温度では、光触媒不活性なルチル晶を形成するため、一般的には600℃以下の温度で形成されるアナターゼ晶を用いることが好ましい。   When titanium oxide is used in the present invention, it is generally preferable to use an anatase crystal formed at a temperature of 600 ° C. or lower in order to form a photocatalytically inactive rutile crystal at a firing temperature of 900 ° C. or higher.

本発明の半導体多孔質膜層は、前記焼成処理後、半導体微粒子の表面積を増大させる目的、また半導体微粒子と基材電極間、また半導体微粒子間の電子伝導性を高める目的で、例えば四塩化チタン水溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。   The semiconductor porous membrane layer of the present invention is, for example, titanium tetrachloride for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor fine particles after the baking treatment, and for increasing the electron conductivity between the semiconductor fine particles and the substrate electrode, or between the semiconductor fine particles. Chemical plating using an aqueous solution or electrochemical plating using a titanium trichloride aqueous solution may be performed.

<導電性基材>
本発明で用いられる導電性基材1は実質的に透明であることが好ましく、所謂透明導電性基材であることが重要である。
<Conductive substrate>
The conductive substrate 1 used in the present invention is preferably substantially transparent, and it is important that it is a so-called transparent conductive substrate.

実質的に透明であるとは光の透過率が10%以上であることを意味し、50%以上であることが好ましく、80%以上であることが特に好ましい。   “Substantially transparent” means that the light transmittance is 10% or more, preferably 50% or more, and particularly preferably 80% or more.

導電性基材とはそれ自体が導電性を有する基材、またはその表面に導電層を有する基材を利用することができる。   As the conductive substrate, a substrate having conductivity per se, or a substrate having a conductive layer on the surface thereof can be used.

後者の場合、基材としてはガラス板や、酸化チタンやアルミナなどのセラミックの研磨板、更に公知の種々のプラスチックシートを使用することが可能である。   In the latter case, it is possible to use a glass plate, a ceramic polishing plate such as titanium oxide or alumina, and various known plastic sheets as the substrate.

具体的なプラスチックシートの例としては、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、シンジオタクチックポリステレン(SPS)、ポリカーボネート(PC),ポリアリレート(PA)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリスルフォン(PSF)、ポリエーテルスルホン(PES)、環状ポリオレフィン、フェノキシ樹脂、ブロム化フェノキシ等を挙げることができる。   Specific examples of the plastic sheet include triacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyphenylene sulfide (PPS), syndiotactic polyester (SPS), and polycarbonate (PC). , Polyarylate (PA), polyetherimide (PEI), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), cyclic polyolefin, phenoxy resin, brominated phenoxy and the like.

図1中、光透過性基材11上に設ける導電層12に使用する導電性材料は、種々公知の金属や金属酸化物等からなる無機系導電性材料、ポリマー系導電性材料、無機有機複合型の導電性材料、またはこれらを任意に混合した導電性材料など、あらゆるものを使用することができる。   In FIG. 1, the conductive material used for the conductive layer 12 provided on the light-transmitting substrate 11 is an inorganic conductive material, polymer-based conductive material, or inorganic-organic composite made of various known metals and metal oxides. Any type of conductive material can be used, such as a conductive material of a type, or a conductive material in which these are arbitrarily mixed.

無機系導電性材料として具体的には、白金、金、銀、銅、亜鉛、チタン、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属、導電性カーボン、更にスズドープ酸化インジウム(ITO)、酸化スズ(SnO2)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化亜鉛(ZnO2)等の金属酸化物を挙げることができる。 Specific examples of the inorganic conductive material include metals such as platinum, gold, silver, copper, zinc, titanium, aluminum, rhodium, and indium, conductive carbon, tin-doped indium oxide (ITO), and tin oxide (SnO 2 ). And metal oxides such as fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony-doped tin oxide (ATO), and zinc oxide (ZnO 2 ).

ポリマー系導電性材料として具体的には、各種チオフェン、ピロール、フラン、アニリンなどの誘導体を重合させてなる導電性ポリマーやポリアセチレン等を挙げることができるが、導電性が高い観点からポリチオフェンが好ましく、特にポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)が好ましい。   Specific examples of the polymer-based conductive material include conductive polymers obtained by polymerizing various derivatives such as thiophene, pyrrole, furan, and aniline, and polyacetylene. Polythiophene is preferable from the viewpoint of high conductivity, Polyethylene dioxythiophene (PEDOT) is particularly preferable.

基材上に導電層を形成する方法としては、導電性材料に応じた公知の適切な方法を用いることが可能で、例えば、ITOなどの金属酸化物からなる導電層を形成する場合、スパッタ法、CVD法、SPD法(スプレー熱分解堆積法)、蒸着法などの薄膜形成法が挙げられる。   As a method for forming a conductive layer on a substrate, a known appropriate method according to a conductive material can be used. For example, when a conductive layer made of a metal oxide such as ITO is formed, a sputtering method is used. And thin film forming methods such as CVD, SPD (spray pyrolysis deposition) and vapor deposition.

また、ポリマー系導電性材料からなる導電層を形成する場合は、公知の様々な塗布法により形成することが好ましい。   Further, when forming a conductive layer made of a polymer-based conductive material, it is preferably formed by various known coating methods.

導電層の膜厚は0.01μm〜10μm程度が好ましく、0.05μm〜5μm程度が更に好ましい。   The thickness of the conductive layer is preferably about 0.01 μm to 10 μm, more preferably about 0.05 μm to 5 μm.

導電性基材としては表面抵抗が低いほど良く、具体的には50Ω/cm2以下であることが好ましく、10Ω/cm2以下であることが更に好ましい。 The lower the surface resistance of the conductive substrate, the better. Specifically, it is preferably 50 Ω / cm 2 or less, more preferably 10 Ω / cm 2 or less.

また、導電性基材の集電効率を向上し更に導電性を上げるために、光透過率を著しく損なわない範囲の面積率で、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ニッケル、インジウム、チタン、タングステンなどからなる金属配線層を前記導電層と併用してもよい。   In addition, in order to improve the current collection efficiency of the conductive substrate and further increase the conductivity, the area ratio in a range that does not significantly impair the light transmittance, gold, silver, copper, platinum, aluminum, nickel, indium, titanium, A metal wiring layer made of tungsten or the like may be used in combination with the conductive layer.

金属配線層を用いる場合、格子状、縞状、櫛状などのパターンとして、光が導電性基材を均一に透過するように配設するとよい。金属配線層を併用する場合、基材に蒸着、スパッタリング等で設置し、その上に前記導電層を設けるのが好ましい。   In the case of using a metal wiring layer, it is preferable that light is uniformly transmitted through the conductive base material as a pattern such as a lattice shape, a stripe shape, or a comb shape. When a metal wiring layer is used in combination, it is preferable to install the conductive layer on the substrate by vapor deposition, sputtering, or the like.

色素増感型太陽電池においては、前記光透過性基材上に設けた導電層とセル中に封止された電解質との短絡による開放電圧の低下を抑制するため、透明導電性基材の上に金属酸化物などを数nm〜数十nm程度形成させておくことが好ましい。   In a dye-sensitized solar cell, in order to suppress a decrease in open circuit voltage due to a short circuit between the conductive layer provided on the light-transmitting substrate and the electrolyte sealed in the cell, It is preferable to form a metal oxide or the like on the order of several nm to several tens of nm.

具体的には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどを上げることが出来、これらを単体もしくは混合した膜を、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法、ディップコート法などを用いて形成させておくことが望ましい。   Specifically, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, indium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, strontium titanate, barium titanate, calcium titanate, etc. can be raised, and these are mixed alone or in combination. It is desirable to form the film using a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, a dip coating method, or the like.

<色素>
本発明において、前述した半導体多孔質膜層2の表面に吸着させる色素3としては、種々の可視光領域および/または赤外光領域に吸収を有し、金属酸化物半導体の伝導帯より高い最低空準位を有する色素が好ましく、公知の様々な色素を使用することができる。
<Dye>
In the present invention, the dye 3 adsorbed on the surface of the semiconductor porous membrane layer 2 described above has absorption in various visible light regions and / or infrared light regions, and is the lowest higher than the conduction band of the metal oxide semiconductor. A dye having an empty level is preferable, and various known dyes can be used.

例えば、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、シアニジン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素、ローダミン系色素、ローダニン系色素などが挙げられる。   For example, azo dyes, quinone dyes, quinone imine dyes, quinacridone dyes, squarylium dyes, cyanine dyes, cyanidin dyes, merocyanine dyes, triphenylmethane dyes, xanthene dyes, porphyrin dyes, perylene dyes Examples thereof include dyes, indigo dyes, phthalocyanine dyes, naphthalocyanine dyes, rhodamine dyes, and rhodanine dyes.

なお、金属錯体色素も好ましく使用され、その場合においては、Cu、Ni、Fe、Co、V、Sn、Si、Ti、Ge、Cr、Zn、Ru、Mg、Al、Pb、Mn、In、Mo、Y、Zr、Nb、Sb、La、W、Pt、Ta、Ir、Pd、Os、Ga、Tb、Eu、Rb、Bi、Se、As、Sc、Ag、Cd、Hf、Re、Au、Ac、Tc、Te、Rhなどの種々の金属を用いることができる。   Metal complex dyes are also preferably used. In this case, Cu, Ni, Fe, Co, V, Sn, Si, Ti, Ge, Cr, Zn, Ru, Mg, Al, Pb, Mn, In, Mo Y, Zr, Nb, Sb, La, W, Pt, Ta, Ir, Pd, Os, Ga, Tb, Eu, Rb, Bi, Se, As, Sc, Ag, Cd, Hf, Re, Au, Ac Various metals such as Tc, Te, and Rh can be used.

上記の中で、シアニン色素、メロシアニン色素、スクワリリウム色素などのポリメチン色素は好ましい態様の1つであり、
具体的には特開平11−35836号、特開平11−67285号、特開平11−86916号、特開平11−97725号、特開平11−158395号、特開平11−163378号、特開平11−214730号、特開平11−214731号、特開平11−238905号、特開2004−207224号公報、特開2004−319202号公報、欧州特許892411号および同911841号などの各明細書に記載の色素を挙げることができる。更に金属錯体色素も好ましい態様の1つであり、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素またはルテニウム錯体色素が好ましく、ルテニウム錯体色素が特に好ましい。
Among the above, polymethine dyes such as cyanine dyes, merocyanine dyes, and squarylium dyes are one of preferred embodiments.
Specifically, JP-A-11-35836, JP-A-11-67285, JP-A-11-86916, JP-A-11-97725, JP-A-11-158395, JP-A-11-163378, JP-A-11- No. 214730, JP-A-11-214731, JP-A-11-238905, JP-A-2004-207224, JP-A-2004-319202, European Patents 892411 and 911841, and the like. Can be mentioned. Furthermore, a metal complex dye is also one preferred embodiment, and a metal phthalocyanine dye, a metal porphyrin dye or a ruthenium complex dye is preferable, and a ruthenium complex dye is particularly preferable.

ルテニウム錯体色素としては、例えば米国特許4927721号、同4684537号、同5084365号、同5350644号、同5463057号、同5525440号、特開平7−249790号、特表平10−504512号、WO98/50393号、特開2000−26487号、特開2001−223037号、特開2001−226607号、特許第3430254号公報、などの各明細書に記載の錯体色素を挙げることができる。   Examples of the ruthenium complex dye include, for example, U.S. Pat. And complex dyes described in each specification such as JP-A No. 2000-26487, JP-A No. 2001-223037, JP-A No. 2001-226607, JP-A No. 3430254, and the like.

これらの色素は、吸光係数が大きくかつ繰り返しの酸化還元に対して安定であることが好ましい。   These dyes preferably have a large extinction coefficient and are stable against repeated redox.

また、上記色素は金属酸化物半導体上に化学的に吸着することが好ましく、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミド基、アミノ基、カルボニル基、ホスフィン基などの官能基を有することが好ましい。   The dye is preferably chemically adsorbed on the metal oxide semiconductor and has a functional group such as a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an amide group, an amino group, a carbonyl group, or a phosphine group. preferable.

また、光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ変換効率を上げるため、2種類以上の色素を併用または混合することもできる。   Further, two or more kinds of dyes can be used in combination or mixed in order to widen the wavelength range of photoelectric conversion as much as possible and increase the conversion efficiency.

この場合、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように、併用または混合する色素とその割合を選ぶことができる。   In this case, the dye to be used or mixed and the ratio thereof can be selected so as to match the wavelength range and intensity distribution of the target light source.

本発明において、半導体多孔質膜層に色素を吸着させる方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。   In the present invention, the method for adsorbing the dye to the semiconductor porous membrane layer is not particularly limited, and a known method can be used.

例えば、色素を有機溶剤に溶解して色素溶液を調製し、得られた色素溶液に透明導電膜上の半導体層を浸漬する方法、または得られた色素溶液を半導体層表面に塗布する方法などが挙げられる。   For example, a method of dissolving a dye in an organic solvent to prepare a dye solution and immersing the semiconductor layer on the transparent conductive film in the obtained dye solution, or a method of applying the obtained dye solution to the surface of the semiconductor layer, etc. Can be mentioned.

前者においてはディップ法、ローラ法、エアーナイフ法などが適用でき、後者においてはワイヤーバー法、アプリケーション法、スピン法、スプレー法、オフセット印刷法、スクリーン印刷法などが適用できる。   In the former, a dip method, a roller method, an air knife method or the like can be applied, and in the latter, a wire bar method, an application method, a spin method, a spray method, an offset printing method, a screen printing method, or the like can be applied.

なお、色素の吸着に先立って、半導体層の表面を予め減圧処理や加熱処理など処理を施し、表面を活性化し膜中の気泡を除去する工程を有しても良い。   Prior to the adsorption of the dye, the semiconductor layer surface may be subjected to a treatment such as decompression treatment or heat treatment in advance to activate the surface and remove bubbles in the film.

半導体層への増感効果を好ましく得る観点から、半導体膜を色素の溶液に浸漬する時間は、3時間〜48時間が好ましく、更に好ましくは、4時間〜24時間である。   From the viewpoint of preferably obtaining a sensitizing effect on the semiconductor layer, the time for immersing the semiconductor film in the dye solution is preferably 3 hours to 48 hours, and more preferably 4 hours to 24 hours.

また、浸漬にあたり色素溶液は、色素が分解しないかぎりにおいて、沸騰しない温度にまで加熱して用いてもよい。   In addition, the dye solution may be heated to a temperature at which it does not boil as long as the dye does not decompose.

好ましい温度範囲は10℃〜50℃、とくに好ましくは15℃〜35℃であるが、前記のとおり溶媒が前記温度範囲で沸騰する場合はこの限りでない。   The preferred temperature range is 10 ° C. to 50 ° C., particularly preferably 15 ° C. to 35 ° C., but this is not the case when the solvent boils in the temperature range as described above.

また、半導体膜を浸漬した色素溶液に超音波照射を行うこともできる。   In addition, the dye solution in which the semiconductor film is immersed can be irradiated with ultrasonic waves.

超音波照射は市販の装置を用いることができ、また、照射時間としては、好ましくは30分〜4時間であり、更に好ましくは1時間〜3時間である。   A commercially available apparatus can be used for the ultrasonic irradiation, and the irradiation time is preferably 30 minutes to 4 hours, more preferably 1 hour to 3 hours.

色素溶液に用いる溶媒は、色素を溶解するものであればよく、従来公知の溶媒を用いることができる。また、
当該溶媒は、常法に従って精製された溶媒、また溶媒の使用に先立って、必要に応じて蒸留および/または乾燥を行い、より純度の高い溶媒であることが好ましく、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、1種又はそれ以上の疎水性溶媒、非プロトン性溶媒、疎水性かつ非プロトン性の溶媒またはそれらの混合物が挙げられる。
The solvent used for the dye solution may be any solvent that dissolves the dye, and a conventionally known solvent can be used. Also,
The solvent is preferably a solvent purified in accordance with a conventional method, or a higher-purity solvent that is distilled and / or dried as necessary prior to use of the solvent. For example, methanol, ethanol, butanol One or more hydrophobic solvents, aprotic solvents, hydrophobic and aprotic solvents or mixtures thereof.

ここで、疎水性溶媒としては、例えば、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等のハロゲン化脂肪族炭化水素;ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素;
ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;
クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等のハロゲン化芳香族炭化水素;
酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸エチル等のエステル類等、並びにそれらの組合せた混合溶媒等が挙げられる。非プロトン性溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類;ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジメトキシエタン等のエーテル類;
アセトニトリル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルリン酸トリアミド等の窒素化合物類;二硫化炭素、ジメチルスルホキシド等の硫黄化合物類;
ヘキサメチルホスホルアミド等のリン化合物類、並びにそれらの組み合せが挙げられる。好ましく用いられる溶媒はメタノール、エタノール、n−プロパノール、n−ブタノール、t−ブタノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル系溶媒、塩化メチレン、1,1,2−トリクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素溶媒、窒素化合物類であるアセトニトリルであり、特に好ましくはメタノール、エタノール、アセトン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、塩化メチレン、アセトニトリルである。
Here, examples of the hydrophobic solvent include halogenated aliphatic hydrocarbons such as methylene chloride, chloroform and carbon tetrachloride; hydrocarbons such as hexane and cyclohexane;
Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene;
Halogenated aromatic hydrocarbons such as chlorobenzene and dichlorobenzene;
Examples thereof include esters such as ethyl acetate, butyl acetate, and ethyl benzoate, and mixed solvents thereof. Examples of the aprotic solvent include ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; ethers such as diethyl ether, diisopropyl ether, and dimethoxyethane;
Nitrogen compounds such as acetonitrile, dimethylacetamide, hexamethylphosphoric acid triamide; sulfur compounds such as carbon disulfide and dimethyl sulfoxide;
Examples thereof include phosphorus compounds such as hexamethylphosphoramide, and combinations thereof. Solvents preferably used include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol and t-butanol, ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, diethyl ether, diisopropyl ether, tetrahydrofuran and 1,4-dioxane. Ether solvents, halogenated hydrocarbon solvents such as methylene chloride and 1,1,2-trichloroethane, and nitrogen compounds such as acetonitrile, particularly preferably methanol, ethanol, acetone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, methylene chloride and acetonitrile. .

色素溶液中の色素の濃度は、使用する色素、溶媒の種類、色素吸着工程により適宜調整することができ、例えば、1×10-5モル/リットル以上、好ましくは5×10-5〜1×10-2モル/リットル程度が挙げられる。 The density | concentration of the pigment | dye in a pigment | dye solution can be suitably adjusted with the pigment | dye to be used, the kind of solvent, and a pigment | dye adsorption process, for example, 1 * 10 < -5 > mol / liter or more, Preferably it is 5 * 10 < -5 > -1 *. About 10 −2 mol / liter is mentioned.

尚、色素の吸着量が少ないと増感効果が不十分になり、逆に吸着量が多いと酸化物半導体に吸着していない色素が浮遊して、これが増感効果を減じ、光電変換効率の低下をもたらす原因となるので好ましくない。   Note that if the amount of dye adsorbed is small, the sensitizing effect will be insufficient. Conversely, if the amount of adsorbed is large, the dye not adsorbed on the oxide semiconductor will float, which will reduce the sensitizing effect and increase the photoelectric conversion efficiency. This is not preferable because it causes a decrease.

上記のことから、未吸着の色素を洗浄により速やかに除去するのが好ましい。   From the above, it is preferable to quickly remove the unadsorbed dye by washing.

洗浄溶剤としては、色素の溶解性が比較的低く、かつ乾燥しやすい溶剤が好ましい。また、洗浄は加熱状態で行うのが好ましい。   As the cleaning solvent, a solvent having relatively low solubility of the dye and easy to dry is preferable. Moreover, it is preferable to perform washing in a heated state.

また、洗浄により余分な色素を除去した後、色素の吸着状態をより安定にするために、酸化物半導体微粒子の表面を有機塩基性化合物で処理して、未反応色素の除去を促進させてもよい。   In addition, after removing excess dye by washing, the surface of the oxide semiconductor fine particles may be treated with an organic basic compound to promote removal of unreacted dye in order to make the adsorption state of the dye more stable. Good.

有機塩基性化合物としては、ピリジン、キノリンなどの誘導体が挙げられる。   Examples of the organic basic compound include derivatives such as pyridine and quinoline.

これら化合物が液体の場合にはそのまま用いてもよいが、固体の場合には溶剤、好ましくは色素溶液と同一の溶剤に溶解して用いてもよい。   When these compounds are liquid, they may be used as they are, but when they are solid, they may be dissolved in a solvent, preferably the same solvent as the dye solution.

色素を2種以上用いる場合は、混合する色素の比率は特に限定は無く、それぞれの色素より最適化し選択されるが、一般的に等モルずつの混合から、1つの色素につき10%モル程度以上使用するのが好ましい。   When two or more kinds of dyes are used, the ratio of the dyes to be mixed is not particularly limited, and is selected and optimized from the respective dyes. In general, from about equimolar mixing, about 10% mol or more per dye. It is preferred to use.

色素を2種以上併用する場合の具体的方法としては、混合溶解して吸着させても、色素を半導体層に順次吸着させても良い。   As a specific method when two or more kinds of dyes are used in combination, the dyes may be adsorbed on the semiconductor layer sequentially or may be mixed and dissolved.

併用する色素を混合し溶解した溶液を用いて酸化物半導体層に色素を吸着する場合、溶液中の色素合計の濃度は1種類のみ担持する場合と同様でよい。   When the dye is adsorbed to the oxide semiconductor layer using a solution in which the dye to be used in combination is mixed and dissolved, the total concentration of the dye in the solution may be the same as when only one kind is supported.

色素を混合して使用する場合の溶媒としては前記したような溶媒が使用可能である。   As a solvent in the case of using a mixture of dyes, the above-mentioned solvents can be used.

併用する色素それぞれについて溶液を調製し半導体層に吸着させる場合も、溶媒としては前記したような溶媒が使用可能であり、使用する各色素用の溶媒は同一でも異なっていてもよい。   Even when a solution is prepared for each dye to be used in combination and adsorbed to the semiconductor layer, the solvent described above can be used as the solvent, and the solvent for each dye to be used may be the same or different.

各色素について別々の溶液を調製し、各溶液に順に浸漬して作製する場合は、半導体層に色素を吸着させる順序がどのようであっても本発明の効果を得ることができる。   In the case where a separate solution is prepared for each dye and is prepared by immersing in each solution in order, the effect of the present invention can be obtained regardless of the order in which the dye is adsorbed on the semiconductor layer.

また、各色素を単独で吸着させた半導体微粒子を混合することで作製してもよい。   Moreover, you may produce by mixing the semiconductor fine particle which adsorb | sucked each pigment | dye independently.

酸化物半導体微粒子の薄膜に色素を担持する際、色素同士の会合を防ぐために包摂化合物の共存下、色素を担持することが効果的である。   When the dye is supported on the thin film of oxide semiconductor fine particles, it is effective to support the dye in the presence of the inclusion compound in order to prevent the association between the dyes.

ここで包摂化合物としてはコール酸等のステロイド系化合物、クラウンエーテル、シクロデキストリン、カリックスアレン、ポリエチレンオキサイドなどが挙げられるが、好ましいものとしてはデオキシコール酸、デヒドロデオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、コール酸メチルエステル、コール酸ナトリウム等のコール酸類、ポリエチレンオキサイド等が挙げられる。   Examples of inclusion compounds include steroidal compounds such as cholic acid, crown ether, cyclodextrin, calixarene, polyethylene oxide, and the like. Deoxycholic acid, dehydrodeoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, methyl cholate are preferable. Examples include esters, cholic acids such as sodium cholate, polyethylene oxide, and the like.

また、色素を担持させた後、4−t−ブチルピリジン等のアミン化合物で半導体層表面を処理しても良い。   Further, after the dye is supported, the surface of the semiconductor layer may be treated with an amine compound such as 4-t-butylpyridine.

処理の方法は例えばアミンのエタノール溶液に色素を担持した半導体微粒子薄膜の設けられた基板を浸す方法等が採られる。   As a treatment method, for example, a method in which a substrate provided with a semiconductor fine particle thin film carrying a dye in an ethanol solution of amine is immersed.

<電荷移動層>
電荷移動層は色素の酸化体に電子を補充する機能を有する電荷輸送材料を含有する層である。
<Charge transfer layer>
The charge transfer layer is a layer containing a charge transport material having a function of replenishing electrons to the oxidant of the dye.

本発明で用いることのできる代表的な電荷輸送材料の例としては、酸化還元対イオンが溶解した溶剤や酸化還元対イオンを含有する常温溶融塩などの電解液、酸化還元対イオンの溶液をポリマーマトリクスや低分子ゲル化剤等に含浸したゲル状の擬固体化電解質、更には高分子固体電解質等が挙げられる。   Examples of typical charge transport materials that can be used in the present invention include a solvent in which a redox counter ion is dissolved, an electrolytic solution such as a room temperature molten salt containing the redox counter ion, and a solution of the redox counter ion as a polymer. Examples thereof include a gel-like quasi-solidified electrolyte impregnated with a matrix, a low-molecular gelling agent, and the like, and a polymer solid electrolyte.

また、イオンが関わる電荷輸送材料の他に、固体中のキャリア移動が電気伝導に関わる材料として、電子輸送材料や正孔(ホール)輸送材料を挙げることもでき、これらは併用してすることも可能である。   In addition to charge transport materials that involve ions, electron transport materials and hole transport materials can also be used as materials whose carrier transport in solids is involved in electrical conduction, and these can be used in combination. Is possible.

電荷移動層に電解液を使用する場合、含有する酸化還元対イオンとしては、一般に公知の太陽電池などにおいて使用することができるものであれば特に限定されない。   When using an electrolytic solution for the charge transfer layer, the redox counter ion contained is not particularly limited as long as it can be used in a generally known solar cell.

具体的には、I-/I3 -系、Br2 -/Br3 -系等の酸化還元対イオンを含有させたもの、フェロシアン酸塩/フェリシアン酸塩やフェロセン/フェリシニウムイオン、コバルト錯体などの金属錯体等の金属酸化還元系、アルキルチオール−アルキルジスルフィド、ビオロゲン色素、ハイドロキノン/キノン等の有機酸化還元系、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール/アルキルジスルフィドなどのイオウ化合物などを挙げることができる。 Specifically, those containing an oxidation-reduction counter ion such as I / I 3 series, Br 2 / Br 3 series, ferrocyanate / ferricyanate, ferrocene / ferricinium ion, cobalt Examples include metal redox systems such as metal complexes such as complexes, organic redox systems such as alkylthiol-alkyldisulfides, viologen dyes, hydroquinone / quinone, and sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol / alkyldisulfides. .

ヨウ素系として更に具体的には、ヨウ素とLiI、NaI、KI、CsI、CaI2などの金属ヨウ化物との組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなどの4級アンモニウム化合物や4級イミダゾリウム化合物のヨウ素塩などとの組み合わせなどが挙げられる。 More specifically as iodine, iodine and LiI, NaI, KI, CsI, a combination of a metal iodide such as CaI 2, tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, quaternary ammonium compounds such as imidazolium iodide And combinations with iodine salts of quaternary imidazolium compounds.

臭素系として更に具体的には、臭素とLiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2などの金属臭化物との組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイドなど4級アンモニウム化合物の臭素塩などとの組み合わせなどが挙げられる。 More specifically, bromine-based combinations include bromine and metal bromides such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr, and CaBr 2 , and combinations of bromides of quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium bromide and pyridinium bromide. Can be mentioned.

溶剤としては電気化学的に不活性で、粘度が低くイオン易動度を向上したり、もしくは誘電率が高く有効キャリア濃度を向上したりして、優れたイオン伝導性を発現できる化合物であることが望ましい。   As a solvent, it is an electrochemically inert compound that has low viscosity and improved ion mobility, or has a high dielectric constant and improved effective carrier concentration, and can exhibit excellent ionic conductivity. Is desirable.

具体的にはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物、ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル化合物、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテルなどの鎖状エーテル類、メタノール、エタノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなどのアルコール類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール類、アセトニトリル、グルタロジニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物、更にテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、スルフォランなど非プロトン極性物質などを用いることができる。   Specifically, carbonate compounds such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, ether compounds such as dioxane, diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl Ethers, chain ethers such as polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, Ethylene glycol, diethylene glycol, Polyhydric alcohols such as reethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, nitrile compounds such as acetonitrile, glutarodinitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, methoxyacetonitrile, benzonitrile, tetrahydrofuran, dimethylsulfur Aprotic polar substances such as foxide and sulfolane can be used.

好ましい電解質濃度は0.1M以上15M以下であり、更に好ましくは0.2M以上10M以下である。また、ヨウ素系を使用する場合の好ましいヨウ素の添加濃度は0.01M以上0.5M以下である。   A preferable electrolyte concentration is 0.1 M or more and 15 M or less, and more preferably 0.2 M or more and 10 M or less. Moreover, the preferable addition density | concentration of iodine when using an iodine type is 0.01M or more and 0.5M or less.

溶融塩電解質は、光電変換効率と耐久性の両立という観点から好ましい。   The molten salt electrolyte is preferable from the viewpoint of achieving both photoelectric conversion efficiency and durability.

溶融塩電解質としては、例えばWO95/18456号、特開平8−259543号、特開2001−357896号、電気化学,第65巻,11号,923頁(1997年)等に記載されているピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩を含む電解質を挙げることができる。   Examples of the molten salt electrolyte include pyridinium salts described in WO95 / 18456, JP-A-8-259543, JP-A-2001-357896, Electrochemistry, Vol. 65, No. 11, page 923 (1997), and the like. And electrolytes containing known iodine salts such as imidazolium salts and triazolium salts.

これらの溶融塩電解質は常温で溶融状態であるものが好ましく、溶媒を用いない方が好ましい。   These molten salt electrolytes are preferably in a molten state at room temperature, and it is preferable not to use a solvent.

オリゴマ−及びポリマー等のマトリックスに電解質あるいは電解質溶液を含有させたものや、ポリマー添加、低分子ゲル化剤やオイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法によりゲル化(擬固体化)させて使用することもできる。ポリマー添加によりゲル化させる場合は、特にポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンを好ましく使用することができる。   Gels prepared by adding an electrolyte or electrolyte solution to an oligomer or polymer matrix, polymer addition, addition of low-molecular gelling agent or oil gelling agent, polymerization including polyfunctional monomers, polymer crosslinking reaction, etc. (Pseudo-solidification) can also be used. In the case of gelation by adding a polymer, polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride can be preferably used.

オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合は、好ましい化合物は分子構造中にアミド構造を有する化合物である。   In the case of gelation by adding an oil gelling agent, a preferred compound is a compound having an amide structure in the molecular structure.

また、ポリマーの架橋反応により電解質をゲル化させる場合、架橋可能な反応性基を含有するポリマーおよび架橋剤を併用することが望ましい。   Further, when the electrolyte is gelled by a polymer crosslinking reaction, it is desirable to use a polymer containing a crosslinkable reactive group and a crosslinking agent in combination.

この場合、好ましい架橋可能な反応性基は、含窒素複素環(例えば、ピリジン環、イミダゾール環、チアゾール環、オキサゾール環、トリアゾール環、モルホリン環、ピペリジン環、ピペラジン環など)であり、好ましい架橋剤は、窒素原子に対して求電子反応可能な2官能以上の試薬(例えば、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキル、スルホン酸エステル、酸無水物、酸クロライド、イソシアネートなど)である。電解質の濃度は通常0.01〜99質量%で好ましくは0.1〜90質量%程度である。   In this case, a preferable crosslinkable reactive group is a nitrogen-containing heterocyclic ring (for example, a pyridine ring, an imidazole ring, a thiazole ring, an oxazole ring, a triazole ring, a morpholine ring, a piperidine ring, a piperazine ring), and a preferable crosslinking agent. Is a bifunctional or higher functional reagent (for example, alkyl halide, halogenated aralkyl, sulfonate ester, acid anhydride, acid chloride, isocyanate, etc.) capable of electrophilic reaction with a nitrogen atom. The concentration of the electrolyte is usually 0.01 to 99% by mass, and preferably about 0.1 to 90% by mass.

また、ゲル状電解質としては、電解質と、金属酸化物粒子および/または導電性粒子とを含む電解質組成物を用いることもできる。   In addition, as the gel electrolyte, an electrolyte composition containing an electrolyte and metal oxide particles and / or conductive particles can also be used.

金属酸化物粒子としては、TiO2、SnO2、WO3、ZnO、ITO、BaTiO3、Nb25、In23、ZrO2、Ta25、La23、SrTiO3、Y23、Ho23、Bi23、CeO2、Al23からなる群から選択される1種または2種以上の混合物が挙げられる。 As the metal oxide particles, TiO 2 , SnO 2 , WO 3 , ZnO, ITO, BaTiO 3 , Nb 2 O 5 , In 2 O 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , SrTiO 3 , Y Examples thereof include one or a mixture of two or more selected from the group consisting of 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CeO 2 , and Al 2 O 3 .

これらは不純物がドープされたものや複合酸化物などであってもよい。導電性粒子としては、カーボンを主体とする物質からなるものが挙げられる。   These may be doped with impurities or complex oxides. Examples of the conductive particles include those made of a substance mainly composed of carbon.

次に、高分子電解質としては、酸化還元種を溶解あるいは酸化還元種を構成する少なくとも1つの物質と結合することができる固体状の物質であり、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレンサクシネート、ポリ−β−プロピオラクトン、ポリエチレンイミン、ポリアルキレンスルフィドなどの高分子化合物またはそれらの架橋体、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアルキレンオキサイドなどの高分子官能基に、ポリエーテルセグメントまたはオリゴアルキレンオキサイド構造を側鎖として付加したものまたはそれらの共重合体などが挙げられ、その中でも特にオリゴアルキレンオキサイド構造を側鎖として有するものやポリエーテルセグメントを側鎖として有するものが好ましい。   Next, the polymer electrolyte is a solid substance capable of dissolving the redox species or binding with at least one substance constituting the redox species, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethylene succinate, Polymer functional groups such as poly-β-propiolactone, polyethyleneimine, polyalkylene sulfide, or cross-linked products thereof, polyphosphazene, polysiloxane, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyalkylene oxide, Examples include those obtained by adding a polyether segment or oligoalkylene oxide structure as a side chain or a copolymer thereof. Among them, those having an oligoalkylene oxide structure as a side chain or a polyether segment as a side chain. Those with is preferable.

前記の固体中に酸化還元種を含有させるには、例えば、高分子化合物となるモノマーと酸化還元種との共存下で重合する方法、高分子化合物などの固体を必要に応じて溶媒に溶解し、次いで、前記の酸化還元種を加える方法等を用いることができる。酸化還元種の含有量は、必要とするイオン伝導性能に応じて、適宜選定することができる。   In order to contain the redox species in the solid, for example, a method of polymerizing in the coexistence of a monomer that becomes a polymer compound and a redox species, a solid such as a polymer compound is dissolved in a solvent as necessary. Then, the above-mentioned method of adding the redox species can be used. The content of the redox species can be appropriately selected according to the required ion conduction performance.

本発明では、溶融塩などのイオン伝導性電解質の代わりに、有機または無機あるいはこの両者を組み合わせた固体の正孔輸送材料を使用することができる。   In the present invention, instead of an ion conductive electrolyte such as a molten salt, a solid hole transport material which is organic or inorganic or a combination of both can be used.

有機正孔輸送材料としては、芳香族アミン類やトリフェニレン誘導体類、更にポリアセチレンおよびその誘導体、ポリ(p−フェニレン)およびその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)、その誘導体、ポリチエニレンビニレン、その誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリトルイジンおよびその誘導体等の導電性高分子を好ましく用いることができる。   Organic hole transport materials include aromatic amines and triphenylene derivatives, polyacetylene and its derivatives, poly (p-phenylene) and its derivatives, poly (p-phenylene vinylene), its derivatives, polythienylene vinylene, its Conductive polymers such as derivatives, polythiophene and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, polytoluidine and derivatives thereof can be preferably used.

正孔(ホール)輸送材料にはドーパントレベルをコントロールするためにトリス(4−ブロモフェニル)アミニウムヘキサクロロアンチモネートのようなカチオンラジカルを含有する化合物を添加したり、酸化物半導体表面のポテンシャル制御(空間電荷層の補償)を行うためにLi[(CF3SO22N]のような塩を添加しても構わない。 In order to control the dopant level, the hole transport material may be added with a compound containing a cation radical such as tris (4-bromophenyl) aminium hexachloroantimonate, or the potential control of the oxide semiconductor surface ( A salt such as Li [(CF 3 SO 2 ) 2 N] may be added to perform compensation of the space charge layer.

無機正孔輸送材料としては、p型無機化合物半導体を用いることができる。   A p-type inorganic compound semiconductor can be used as the inorganic hole transport material.

この目的のp型無機化合物半導体は、バンドギャップが2eV以上であることが好ましく、さらに2.5eV以上であることが好ましい。   The p-type inorganic compound semiconductor for this purpose preferably has a band gap of 2 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more.

また、p型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルは色素の正孔を還元できる条件から、色素吸着電極のイオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。   Also, the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor needs to be smaller than the ionization potential of the dye-adsorbing electrode from the condition that the holes of the dye can be reduced.

使用する色素によってp型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なってくるが、一般に4.5eV以上5.5eV以下であることが好ましく、さらに4.7eV以上5.3eV以下であることが好ましい。好ましいp型無機化合物半導体は一価の銅を含む化合物半導体であり、CuI及びCuSCNが好ましく、CuIが最も好ましい。p型無機化合物半導体を含有する電荷移動層の好ましいホール移動度は10-4cm2/V・sec以上104cm2/V・sec以下であり、更に好ましくは10-3cm2/V・sec以上103cm2/V・sec以下である。 Although the preferable range of the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor varies depending on the dye used, it is generally preferably 4.5 eV or more and 5.5 eV or less, and more preferably 4.7 eV or more and 5.3 eV or less. . A preferred p-type inorganic compound semiconductor is a compound semiconductor containing monovalent copper, preferably CuI and CuSCN, and most preferably CuI. The preferred hole mobility of the charge transfer layer containing the p-type inorganic compound semiconductor is 10 −4 cm 2 / V · sec or more and 10 4 cm 2 / V · sec or less, and more preferably 10 −3 cm 2 / V · sec. sec to 10 3 cm 2 / V · sec.

また、電荷輸送層の好ましい導電率は10-8S/cm以上102S/cm以下であり、更に好ましくは10-6S/cm以上10S/cm以下である。 The preferable conductivity of the charge transport layer is 10 −8 S / cm or more and 10 2 S / cm or less, and more preferably 10 −6 S / cm or more and 10 S / cm or less.

本発明において、電荷移動層4を半導体電極とカソード電極5との間に形成する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、半導体電極とカソード電極とを対向配置してから両電極間に前述した電解液や各種電解質を充填して電荷移動層4とする方法、半導体電極またはカソード電極の上に電解質や各種電解質を滴下あるいは塗布等することにより電荷移動層4を形成したのち電荷移動層4の上に他方の電極を重ね合わせる方法、電荷移動層以外を封止したセルの電極に電解質注入用の穴を設け、そこから電解質を注入して電荷移動層4を形成させる方法等を用いることができる。   In the present invention, the method for forming the charge transfer layer 4 between the semiconductor electrode and the cathode electrode 5 is not particularly limited. For example, the semiconductor electrode and the cathode electrode are disposed opposite to each other, and then both electrodes are disposed. A method of forming the charge transfer layer 4 by filling the above-described electrolyte solution and various electrolytes in between, and forming the charge transfer layer 4 by dropping or coating the electrolyte or various electrolytes on the semiconductor electrode or the cathode electrode, and then charge A method of superimposing the other electrode on the moving layer 4, a method of forming a hole for electrolyte injection in the electrode of the cell sealed except for the charge moving layer, and forming the charge moving layer 4 by injecting the electrolyte therefrom Can be used.

また、半導体電極とカソード電極との間から電解質が漏れ出さないようにするため、必要に応じて半導体電極とカソード電極との隙間にフィルムや樹脂を用いて封止したり、半導体電極と電荷移動層4とカソード電極5を適当なケースに収納したりすることも好ましい。   In addition, in order to prevent electrolyte from leaking between the semiconductor electrode and the cathode electrode, the gap between the semiconductor electrode and the cathode electrode is sealed with a film or resin as necessary, or the semiconductor electrode and the charge transfer It is also preferable to store the layer 4 and the cathode electrode 5 in an appropriate case.

前者の形成方法の場合、電荷移動層の充填方法として、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセス、または常圧より低い圧力にして間隙の気相を液相に置換する真空プロセスを利用できる。   In the case of the former forming method, as a method for filling the charge transfer layer, a normal pressure process using capillary action by dipping or the like, or a vacuum process in which the gas phase in the gap is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure can be used. .

後者の形成方法の場合、塗布方法としてはマイクログラビアコーティング、ディップコーティング、スクリーンコーティング、スピンコーティング等を用いることができる。   In the latter forming method, microgravure coating, dip coating, screen coating, spin coating or the like can be used as a coating method.

湿式の電荷移動層においては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止措置を施すことになる。   In the wet charge transfer layer, the counter electrode is provided in an undried state and measures for preventing liquid leakage at the edge portion are taken.

またゲル電解質の場合には湿式で塗布して重合等の方法により固体化する方法があり、その場合には乾燥、固定化した後に対極を付与することもできる。   In the case of a gel electrolyte, there is a method in which it is applied in a wet manner and solidified by a method such as polymerization. In this case, the counter electrode can be applied after drying and fixing.

固体電解質や固体の正孔(ホール)輸送材料の場合には真空蒸着法やCVD法等のドライ成膜処理で電荷移動層を形成し、その後カソード電極を付与することもできる。   In the case of a solid electrolyte or a solid hole transport material, a charge transfer layer can be formed by a dry film formation process such as a vacuum deposition method or a CVD method, and then a cathode electrode can be applied.

具体的には、真空蒸着法、キャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解重合法、光電解重合法等の手法により電極内部に導入することができ、必要に応じて基材を任意の温度に加熱して溶媒を蒸発させるなどにより形成する。   Specifically, it can be introduced into the electrode by techniques such as vacuum deposition, casting, coating, spin coating, dipping, electropolymerization, and photoelectropolymerization. It is formed by evaporating the solvent by heating to an arbitrary temperature.

電荷移動層の厚さは10μm以下、より好ましくは5μm以下、更に1μm以下であることが好ましい。また電荷移動層の導電率は1×10-1S/cm以上であることが好ましく、1×10-5S/cm以上であることが更に好ましい。 The thickness of the charge transfer layer is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and further preferably 1 μm or less. The conductivity of the charge transfer layer is preferably 1 × 10 −1 S / cm or more, and more preferably 1 × 10 −5 S / cm or more.

<カソード電極>
本発明で使用できるカソード電極は、前述した導電性基材と同様に、それ自体が導電性を有する基材の単層構造、またはその表面に対極導電層を有する基材を利用することができる。後者の場合、対極導電層に用いる導電性材料、基材、更にその製造方法としては、前述した導電性基材1の場合と同様で、公知の種々の材料及び方法を適用することができる。
<Cathode electrode>
As the cathode electrode that can be used in the present invention, a single-layer structure of a substrate having conductivity itself, or a substrate having a counter electrode conductive layer on the surface thereof can be used in the same manner as the conductive substrate described above. . In the latter case, the conductive material and the base material used for the counter electrode conductive layer, and the manufacturing method thereof are the same as those of the conductive base material 1 described above, and various known materials and methods can be applied.

その中でも、I3 -イオン等の酸化や他のレドックスイオンの還元反応を充分な速さで行わせる触媒能を持ったものを使用することが好ましく、具体的には白金電極、導電材料表面に白金メッキや白金蒸着を施したもの、ロジウム金属、ルテニウム金属、酸化ルテニウム、カーボン等が挙げられる。また、前述と同様にコスト面や可撓性を考慮すると、プラスチックシートを基材として使用し、導電性材料としてポリマー系材料を塗布して使用することも好ましい態様の1つである。 Among them, I 3 - is preferable to use those having a catalytic ability to perform a reducing reaction sufficient rate of oxidation and other redox ions such as ions, specifically platinum electrodes, the conductive material surface Examples include platinum-plated or platinum-deposited materials, rhodium metal, ruthenium metal, ruthenium oxide, and carbon. In view of cost and flexibility as described above, it is also one of preferred embodiments that a plastic sheet is used as a base material and a polymer material is applied as a conductive material.

対極導電層の厚さは特に制限されないが、3nm〜10μmが好ましい。対極導電層が金属である場合は、その厚さは好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは10nm〜3μmの範囲である。   The thickness of the counter electrode conductive layer is not particularly limited, but is preferably 3 nm to 10 μm. When the counter electrode conductive layer is a metal, the thickness is preferably 5 μm or less, and more preferably in the range of 10 nm to 3 μm.

カソード電極の表面抵抗は低い程よく、具体的には表面抵抗の範囲としては50Ω/m2以下であることが好ましく、20Ω/m2以下であることがより好ましく、10Ω/m2 以下であることが更に好ましい。 The surface resistance of the cathode electrode is preferably as low as possible. Specifically, the surface resistance is preferably 50Ω / m 2 or less, more preferably 20Ω / m 2 or less, and more preferably 10Ω / m 2 or less. Is more preferable.

前述した導電性基材1とカソード電極5のいずれか一方または両方から光を受光してよいので、導電性基材とカソード電極の少なくとも一方が実質的に透明であれば良い。   Since light may be received from one or both of the conductive substrate 1 and the cathode electrode 5 described above, it is sufficient that at least one of the conductive substrate and the cathode electrode is substantially transparent.

発電効率の向上の観点からは、導電性基材を透明にして、光を導電性基材側から入射させるのが好ましい。   From the viewpoint of improving the power generation efficiency, it is preferable to make the conductive base material transparent so that light enters from the conductive base material side.

この場合カソード電極は光を反射する性質を有するのが好ましい。   In this case, the cathode electrode preferably has a property of reflecting light.

このようなカソード電極としては、金属または導電性の酸化物を蒸着したガラスまたはプラスチック、あるいは金属薄膜を使用できる。   As such a cathode electrode, glass or plastic deposited with a metal or a conductive oxide, or a metal thin film can be used.

カソード電極は、前述した電荷移動層上に直接導電性材料を塗布、メッキまたは蒸着(PVD、CVD)するか、対極導電層を有する基材の導電層側または導電性基材単層を貼り付ければよい。   For the cathode electrode, a conductive material is directly applied, plated, or vapor deposited (PVD, CVD) on the above-described charge transfer layer, or a conductive layer side of a base material having a counter electrode conductive layer or a single conductive base material layer is pasted. That's fine.

また、導電性基材の場合と同様に、特にカソード電極が透明の場合には、金属配線層を併用することも好ましい態様のひとつである。   In addition, as in the case of the conductive base material, it is also one of preferred embodiments to use a metal wiring layer in combination, particularly when the cathode electrode is transparent.

対極としては導電性を持っており、レドックス電解質の還元反応を触媒的に作用するものが好ましい。   The counter electrode is preferably conductive and has a catalytic action on the reduction reaction of the redox electrolyte.

例えばガラス、もしくは高分子フィルムに白金、カーボン、ロジウム、ルテニウム等を蒸着し、導電性微粒子を塗り付けたものが用いうる。   For example, glass, or a polymer film deposited with platinum, carbon, rhodium, ruthenium, etc. and coated with conductive fine particles can be used.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが本発明の実施態様はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the embodiments of the present invention are not limited thereto.

(実施例1)
《半導体多孔質膜層の作製》
半導体多孔質膜層は、半導体微粒子を含有したペーストを作製し、スクリーン印刷法により基材上に塗布、乾燥後焼成して所望の多孔質膜層を形成させた。
Example 1
<< Preparation of semiconductor porous membrane layer >>
As the semiconductor porous film layer, a paste containing semiconductor fine particles was prepared, applied onto a substrate by a screen printing method, dried and then fired to form a desired porous film layer.

以下、それぞれの層について実施例を示す。   Examples of each layer will be described below.

1.光吸収層
〔光吸収層用ペーストLAP1の製法〕
光吸収層ペースト処方
気相法チタニア(デグサ社製P25、一次粒径21nm、BET値50m2/g)
15質量%
ポリエチレングリコール(関東化学製、MW20,000) 10質量%
活性剤(花王社製、エマルゲン120) 2質量%
純水 73質量%
上記の分散液を、SMT社製超音波分散機UH−300を用いて30分間連続分散した後、寿工業社製ウルトラアペックスミル/50μm径ジルコニアビーズを用いて10m/sec回転速度で粉砕分散処理を3時間行い、光吸収層用ペーストLAP1を作製した。
1. Light Absorbing Layer [Production Method of Light Absorbing Layer Paste LAP1]
Light absorption layer paste formulation Gas phase method titania (Degussa P25, primary particle size 21 nm, BET value 50 m 2 / g)
15% by mass
Polyethylene glycol (manufactured by Kanto Chemical Co., MW20,000) 10% by mass
Activator (Emulgen 120, manufactured by Kao Corporation) 2% by mass
73% by mass of pure water
The above dispersion is continuously dispersed for 30 minutes using an ultrasonic disperser UH-300 manufactured by SMT, and then pulverized and dispersed at a rotation speed of 10 m / sec using ultra apex mill / 50 μm diameter zirconia beads manufactured by Kotobuki Industries. For 3 hours to prepare a light absorbing layer paste LAP1.

上記の気相法チタニアは、透過型電子顕微鏡(TEM)の投影層から見積もった平均粒径が約21nm、平均アスペクト比はほぼ1であった。   The above vapor phase titania had an average particle size of about 21 nm and an average aspect ratio of about 1 estimated from the projection layer of a transmission electron microscope (TEM).

また、X線回折法装置(XRD)の解析により、アナターゼ晶がほとんどであった。   Moreover, the analysis of the X-ray-diffraction apparatus (XRD) showed most anatase crystals.

2.光反射層
〔光反射層用ペーストLRP1の製法〕
光反射層に用いる高アスペクト比粒子は以下の方法を用いて作製した。
2. Light Reflective Layer [Production Method of Light Reflective Layer Paste LRP1]
The high aspect ratio particles used for the light reflecting layer were produced using the following method.

酸化チタン粉末(純度99.8%)と炭酸カリウム粉末(純度99%)とを、TiO2/K2Oのモル比が2となる割合に混合し、白金るつぼ中1100℃で加熱し40分間かけて溶融させる。 Titanium oxide powder (purity: 99.8%) and potassium carbonate powder (purity: 99%) are mixed in such a ratio that the molar ratio of TiO 2 / K 2 O is 2 and heated at 1100 ° C. in a platinum crucible for 40 minutes. To melt.

続いて溶融物を室温にて銅製の冷却層に流し込み急速に冷却させる冷却工程を経て、繊維状のチタン酸カリウム結晶を得る。   Subsequently, a molten potassium titanate crystal is obtained through a cooling process in which the melt is poured into a copper cooling layer at room temperature and rapidly cooled.

この繊維状結晶を乳鉢状粉砕機で十分にすり潰し、撹拌下で50倍量の純水に一昼夜浸漬したのち、繊維状結晶と同質量の60%硫酸水溶液を、撹拌しながら4時間かけて浸漬液に滴下した。   This fibrous crystal is sufficiently ground in a mortar-shaped pulverizer, immersed in 50 times the amount of pure water under stirring for a day and night, and then immersed in a 60% sulfuric acid aqueous solution having the same mass as the fibrous crystal over 4 hours with stirring. It was dripped at the liquid.

そのまま2時間撹拌したのち、SMT社製超音波分散機UH−300を用いて30分間連続分散し、寿工業社製ウルトラアペックスミル/30μm径ジルコニアビーズを用いて8m/sec回転速度で粉砕分散処理を12時間行った。粉砕分散後、ろ過水洗を行い乾燥させ白色粉末を得た。   After stirring as it is for 2 hours, it is continuously dispersed for 30 minutes using an ultrasonic disperser UH-300 manufactured by SMT, and pulverized and dispersed at a rotational speed of 8 m / sec using Ultra Apex Mill / 30 μm diameter zirconia beads manufactured by Kotobuki Industries. For 12 hours. After pulverization and dispersion, washing with filtered water and drying were performed to obtain a white powder.

続いて、白色粉末をアルミナるつぼに入れ、500℃に加熱した電気炉で3時間の焼成処理を行い、白色の酸化チタン粉末Aを得た。   Subsequently, the white powder was put into an alumina crucible and subjected to a baking treatment for 3 hours in an electric furnace heated to 500 ° C., thereby obtaining a white titanium oxide powder A.

上記の酸化チタン粉末Aは、X線光電子分光法(XPS)およびX線回折法装置(XRD)の解析により、アナターゼ晶酸化チタン粉末であった。   The titanium oxide powder A was anatase-type titanium oxide powder as analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and an X-ray diffraction apparatus (XRD).

また、透過型電子顕微鏡(TEM)による粒子500個以上の観察像から、投影面積の平均円相当径および、厚み平均からアスペクト比を計算したところ、平均粒径は1.5μm、アスペクト比は12.7であった。   Further, when the aspect ratio was calculated from the average equivalent circle diameter of the projected area and the average thickness from an observation image of 500 or more particles by a transmission electron microscope (TEM), the average particle diameter was 1.5 μm, and the aspect ratio was 12 .7.

下記の光反射層ペースト処方に従って分散液を作製し、SMT社製超音波分散機UH−300を用いて30分間連続分散した後、寿工業社製ウルトラアペックスミル/50μm径ジルコニアビーズを用いて10m/sec回転速度で粉砕分散処理を3時間行い、光反射層用ペーストLRP1を作製した。   A dispersion was prepared according to the following light reflection layer paste formulation, and continuously dispersed for 30 minutes using an ultrasonic disperser UH-300 manufactured by SMT, then 10 m using Ultra Apex Mill / 50 μm diameter zirconia beads manufactured by Kotobuki Industries. Crushing and dispersing treatment was performed for 3 hours at a rotation speed of / sec to prepare a light reflecting layer paste LRP1.

光反射層ペースト処方
白色酸化チタン粉末A 15質量%
ポリエチレングリコール(関東化学製、MW20,000) 10質量%
活性剤(花王社製、エマルゲン120) 2質量%
純水 73質量%
〔光反射層用ペーストLRP2の製法〕
前記光反射層用ペーストLRP1の作製方法において、酸化チタン粉末Aに代わりに、冷却工程において150℃に加熱させた冷却層にて冷却することで形成した酸化チタン粉末Bを用いた以外は前記LRP1と同様にしてLRP2を作製した。
Light reflection layer paste formulation White titanium oxide powder A 15% by mass
Polyethylene glycol (manufactured by Kanto Chemical Co., MW20,000) 10% by mass
Activator (Emulgen 120, manufactured by Kao Corporation) 2% by mass
73% by mass of pure water
[Production Method of Light Reflective Layer Paste LRP2]
In the method for producing the light reflecting layer paste LRP1, the LRP1 was used except that the titanium oxide powder B formed by cooling in the cooling layer heated to 150 ° C. in the cooling step was used instead of the titanium oxide powder A. In the same manner as above, LRP2 was produced.

LRP2に用いた酸化チタン粉末Bは、透過型電子顕微鏡(TEM)による粒子500個以上の観察像から、平均粒径は1.1μm、アスペクト比は5.4であった。   Titanium oxide powder B used for LRP2 had an average particle diameter of 1.1 μm and an aspect ratio of 5.4 from an observation image of 500 or more particles by a transmission electron microscope (TEM).

《色素増感型太陽電池の作製》
フッ素をドープした酸化スズを導電層としてコートした透明導電性ガラス基板に、高周波マグネトロンスパッタリング装置を用い、酸化チタンをターゲット材に10nmの半導体膜を形成させた。
<Production of dye-sensitized solar cell>
A 10 nm semiconductor film was formed on a transparent conductive glass substrate coated with fluorine-doped tin oxide as a conductive layer, using a high-frequency magnetron sputtering apparatus and titanium oxide as a target material.

その上から、上記ペーストをスクリーン印刷法にて塗布し、自然乾燥の後、500℃で60分間焼成して、基板上に酸化チタンからなる半導体多孔質膜層を形成した。   Then, the paste was applied by a screen printing method, naturally dried, and then fired at 500 ° C. for 60 minutes to form a semiconductor porous film layer made of titanium oxide on the substrate.

膜厚は表1に示すサンプルに合わせ、重ね塗りすることで調整した。   The film thickness was adjusted by overcoating according to the samples shown in Table 1.

また、光吸収層および光反射層を有するサンプルにおいても、同様にして積層塗布を行った。   Also, a sample having a light absorption layer and a light reflection layer was laminated and coated in the same manner.

次いで、色素増感型太陽電池用の下記ルテニウム錯体色素N719の3.0×10-3mol/L、アセトニトリル:t−ブタノール=1:1の溶液に24時間浸漬し、色素吸着後、前記のアセトニトリル:t−ブタノール溶液で過剰な色素を十分に洗い落とし、真空乾燥して色素を吸着させた半導体多孔質膜層を作製した。 Next, it was immersed in a 3.0 × 10 −3 mol / L, acetonitrile: t-butanol = 1: 1 solution of the following ruthenium complex dye N719 for dye-sensitized solar cells for 24 hours. Excess dye was sufficiently washed away with an acetonitrile: t-butanol solution and vacuum-dried to prepare a semiconductor porous film layer on which the dye was adsorbed.

Figure 2008258011
Figure 2008258011

カソード電極として、ガラス基材上に白金を蒸着し電解質を注入するための穴を設けた。   As a cathode electrode, a hole for depositing platinum on a glass substrate and injecting an electrolyte was provided.

前記半導体多孔質膜層と前記カソード電極とを1cm角の穴を開けた25μm厚のシート状スペーサー兼封止材(SOLARONIX社製SX−1170−25)を用いて張り合わせ、カソード電極に設けた電解質注入穴から、体積比が1:4であるアセトニトリル:炭酸エチレンの混合溶媒にテトラプロピルアンモニウムアイオダイド、沃素、t−ブチルピリジンとを、それぞれの濃度が0.46モル/リットル、0.06モル/リットル、0.50モル/リットルとなるように溶解したレドックス電解質を入れた電荷移動層を注入し、ホットボンドで穴を塞ぎ、上から前記封止剤を用いてカバーガラスを貼り付け、色素増感型太陽電池封止セルを作製した。   The semiconductor porous membrane layer and the cathode electrode are bonded to each other using a 25 μm-thick sheet-like spacer / sealing material (SX-1170-25 manufactured by SOLARONIX) having a 1 cm square hole, and the electrolyte provided on the cathode electrode From the injection hole, tetrapropylammonium iodide, iodine, and t-butylpyridine were mixed in a mixed solvent of acetonitrile: ethylene carbonate having a volume ratio of 1: 4, respectively at concentrations of 0.46 mol / liter, 0.06 mol. A charge transfer layer containing a redox electrolyte dissolved so as to be 0.50 mol / liter is injected, the hole is closed with a hot bond, and a cover glass is pasted from above using a sealing agent, A sensitized solar cell encapsulated cell was produced.

表1に示すそれぞれのサンプルについても上記同様に作製した。ただし、比較例の光反射層は400nm粒径を有する酸化チタンペースト(触媒化成社製PST−400C)を用いた。このペーストに用いられている酸化チタン粒子は様々な形状を有する粒子からなり、ロッド状の8面体が多く、アスペクト比は3以下であった。   Each sample shown in Table 1 was produced in the same manner as described above. However, a titanium oxide paste having a particle diameter of 400 nm (PST-400C manufactured by Catalyst Kasei Co., Ltd.) was used for the light reflecting layer of the comparative example. The titanium oxide particles used in this paste consist of particles having various shapes, and there are many rod-shaped octahedrons, and the aspect ratio was 3 or less.

《太陽電池の光電変換特性評価》
上記方法で作製した表1に示す太陽電池セルについて、ソーラーシミュレーター(日本分光社製、低エネルギー分光感度測定装置CEP−25)により、0.25cm2マスク、AM1.5フィルタ、100mW/m2の強度の光を照射した時のIV特性を測定し、短絡電流Jsc(mA/cm2)および開放電圧値Voc(V)を、同じ構成および方法で作製した3つのセルについて評価し平均値を表1に示した。
<< Evaluation of photoelectric conversion characteristics of solar cells >>
About the photovoltaic cell shown in Table 1 produced by the above method, a solar simulator (manufactured by JASCO Corporation, Low Energy Spectral Sensitivity Measurement Device CEP-25) was used, and the 0.25 cm 2 mask, AM 1.5 filter, 100 mW / m 2 The IV characteristics when irradiated with intense light were measured, the short-circuit current Jsc (mA / cm 2 ) and the open-circuit voltage value Voc (V) were evaluated for three cells manufactured by the same configuration and method, and the average value was expressed. It was shown in 1.

Figure 2008258011
Figure 2008258011

表1から光吸収層であるLAP1と光反射層のLRPとのトータル膜厚が、開放電圧(Voc)に大きく影響し、膜厚が薄いほど高い電圧が取り出せることを示している。   Table 1 shows that the total film thickness of LAP1 that is the light absorption layer and LRP of the light reflection layer greatly affects the open-circuit voltage (Voc), and that a higher voltage can be extracted as the film thickness is thinner.

これは膜厚が厚くなることで、半導体中に注入された電子と、色素のホールとが再結合するチャンスが増え、Vocの低下を引き起こすためと推察される。   This is presumably because the increase in the film thickness increases the chance of recombination of the electrons injected into the semiconductor and the holes of the dye, resulting in a decrease in Voc.

また、光吸収層の厚みが厚いほど、色素の光吸収能が向上するためJscの向上が見られるが、厚すぎるとヨウ素電解質の拡散が律速になるためか頭打ちになる挙動を示した。   Further, as the thickness of the light absorption layer is increased, the light absorption ability of the dye is improved, so that Jsc is improved. However, when the thickness is too thick, the diffusion of the iodine electrolyte becomes rate-limiting or the behavior becomes a peak.

光反射層に高アスペクト比の粒子LRP1を用いたセルでは、光反射層の膜厚を比較例に対し薄くしてもJscの落ち込みが小さく、同時にVocが向上することから高い変換効率が期待される。   In the cell using the high aspect ratio particle LRP1 in the light reflection layer, even if the film thickness of the light reflection layer is made thinner than that of the comparative example, the drop in Jsc is small and Voc is improved at the same time, so high conversion efficiency is expected. The

これはアスペクト比が若干低いLRP2においても同様なことが言え、本発明の効果が現れる結果となった。   The same can be said for LRP2 having a slightly low aspect ratio, and the effect of the present invention appears.

以上の結果から、本発明の実施によって光照射時の高い短絡電流(Jsc)を保ったまま、開放電圧(Voc)を向上させた色素増感型太陽電池を提供することができた。   From the above results, it was possible to provide a dye-sensitized solar cell with an improved open-circuit voltage (Voc) while maintaining a high short-circuit current (Jsc) during light irradiation by implementing the present invention.

図1は本発明の色素増感型太陽電池の基本構造を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of the dye-sensitized solar cell of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノード電極
11 光透過性基板
12 導電層
2 多孔質膜層
21 光吸収層
22 光反射層
3 色素
4 電荷移動層
5 カソード電極
6 対向基板
7 封止材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode electrode 11 Light transmissive substrate 12 Conductive layer 2 Porous membrane layer 21 Light absorption layer 22 Light reflection layer 3 Dye 4 Charge transfer layer 5 Cathode electrode 6 Counter substrate 7 Sealing material

Claims (5)

光透過性基板の表面に、少なくとも導電層と、多孔質膜層とを積層したアノード電極、該アノード電極の多孔質膜層の側に対向するカソード電極及び前記アノード電極とカソード電極の2枚の電極間に電解質を封止した構成を有する色素増感型太陽電池において、該多孔質膜層が光透過性基材側から順に、少なくとも増感色素を吸着させた微粒子からなる光吸収層と、光反射層とからなり、該光反射層が主にアスペクト比が5以上の形状異方性微粒子からなることを特徴とする色素増感型太陽電池。 An anode electrode in which at least a conductive layer and a porous membrane layer are laminated on the surface of the light-transmitting substrate, a cathode electrode facing the porous membrane layer side of the anode electrode, and the anode electrode and the cathode electrode In a dye-sensitized solar cell having a configuration in which an electrolyte is sealed between electrodes, the porous film layer, in order from the light-transmitting substrate side, a light absorption layer made of fine particles adsorbing at least a sensitizing dye; and A dye-sensitized solar cell comprising a light reflecting layer, wherein the light reflecting layer mainly comprises shape anisotropic fine particles having an aspect ratio of 5 or more. 前記形状異方性微粒子のアスペクト比が、10〜100であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池。 2. The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein an aspect ratio of the shape anisotropic fine particles is 10 to 100. 3. 前記形状異方性微粒子が、平板形状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池。 The dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2, wherein the shape anisotropic fine particles have a flat plate shape. 前記光反射層中の形状異方性微粒子が、200nm〜10μmの平均粒径を有し、且つ光吸収層中の微粒子の平均粒径よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3何れか1項に記載の色素増感型太陽電池。 4. The shape anisotropic fine particles in the light reflecting layer have an average particle size of 200 nm to 10 μm and are larger than the average particle size of the fine particles in the light absorbing layer. 2. A dye-sensitized solar cell according to item 1. 前記多孔質膜層の光吸収層の膜厚と光反射層の膜厚との比が、5:1〜15:1であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の色素増感型太陽電池。 The ratio of the film thickness of the light absorption layer of the said porous membrane layer and the film thickness of a light reflection layer is 5: 1-15: 1, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. Dye-sensitized solar cell.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011077179A (en) * 2009-09-29 2011-04-14 Dainippon Printing Co Ltd Conversion efficiency-enhancing member for solar cell module, and solar cell module
JP2011258390A (en) * 2010-06-08 2011-12-22 Kao Corp Photoelectric conversion element
KR101116256B1 (en) * 2010-06-07 2012-06-12 박병주 Light-polarizing solar cell
JP2012122797A (en) * 2010-12-07 2012-06-28 Sony Corp Method and device for evaluating oxide semiconductor electrode, and method of manufacturing oxide semiconductor electrode
JP5377788B1 (en) * 2013-03-30 2013-12-25 株式会社フジクラ Dye-sensitized solar cell element
KR20160102444A (en) * 2013-11-28 2016-08-30 상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크 Transparent self-photorechargeable electrochemical device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289274A (en) * 2001-03-27 2002-10-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Photoelectrode and pigment sensitized solar cell comprising it

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002289274A (en) * 2001-03-27 2002-10-04 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Photoelectrode and pigment sensitized solar cell comprising it

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011077179A (en) * 2009-09-29 2011-04-14 Dainippon Printing Co Ltd Conversion efficiency-enhancing member for solar cell module, and solar cell module
KR101116256B1 (en) * 2010-06-07 2012-06-12 박병주 Light-polarizing solar cell
JP2011258390A (en) * 2010-06-08 2011-12-22 Kao Corp Photoelectric conversion element
JP2012122797A (en) * 2010-12-07 2012-06-28 Sony Corp Method and device for evaluating oxide semiconductor electrode, and method of manufacturing oxide semiconductor electrode
JP5377788B1 (en) * 2013-03-30 2013-12-25 株式会社フジクラ Dye-sensitized solar cell element
WO2014162639A1 (en) * 2013-03-30 2014-10-09 株式会社フジクラ Dye-sensitised solar cell element
US9589736B2 (en) 2013-03-30 2017-03-07 Fujikura Ltd. Dye-sensitized solar cell element
KR20160102444A (en) * 2013-11-28 2016-08-30 상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크 Transparent self-photorechargeable electrochemical device
JP2017503339A (en) * 2013-11-28 2017-01-26 サントレ ナティオナル ド ラ ルシェルシェ シアンティフィク Transparent automatic photorechargeable electrochemical device
US10333181B2 (en) 2013-11-28 2019-06-25 Centre National De La Recherche Scientifique Transparent autophotorechargeable electrochemical device
KR102303020B1 (en) * 2013-11-28 2021-09-23 상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크 Transparent self-photorechargeable electrochemical device

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