JP2009065216A - Photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element.
従来から、環境にやさしい電源として、シリコンを用いた太陽電池(光電変換素子)が
注目を集めている。シリコンを用いた太陽電池の中には、人工衛星等に用いられる単結晶
シリコン型の太陽電池もあるが、実用的なものとしては、特に多結晶シリコンを用いた太
陽電池や、アモルファスシリコンを用いた太陽電池が、産業用や家庭用として実用化が始
まっている。
Conventionally, solar cells (photoelectric conversion elements) using silicon have attracted attention as environmentally friendly power sources. Among solar cells using silicon, there are single crystal silicon type solar cells used for artificial satellites and the like. However, as practical ones, especially solar cells using polycrystalline silicon and amorphous silicon are used. Practical use of solar cells for industrial use and home use has begun.
しかしながら、これらのシリコンを用いた太陽電池は、いずれも、製造コストが高く、
また、製造に多大なエネルギーを必要とし、必ずしも省エネルギーな電源とは言えなかっ
た。
However, all of these solar cells using silicon are expensive to manufacture,
In addition, a large amount of energy is required for production, and it cannot always be said to be an energy-saving power source.
また、これに替わる次世代の太陽電池として開発され、製造コストが安く、また、製造
エネルギーが少ないとされる色素増感型湿式太陽電池(例えば、特許文献1参照)は、蒸
気圧の高い電解液を用いているため、電解液が揮発するという問題があった。
In addition, a dye-sensitized wet solar cell (see, for example, Patent Document 1), which has been developed as a next-generation solar cell that replaces this and has a low production cost and low production energy, is an electrolysis with a high vapor pressure. Since the solution was used, there was a problem that the electrolyte solution volatilized.
また、このような欠点を補うものとして、完全固体型色素増感型太陽電池(例えば、非
特許文献1参照)の発表がされている。
In addition, as a supplement to such drawbacks, a completely solid dye-sensitized solar cell (for example, see Non-Patent Document 1) has been announced.
この太陽電池は、TiO2層が積層された電極と、TiO2層上に設けられたp型半導体
層とを有する構成とされている。
This solar cell is configured to have an electrode in which a TiO 2 layer is laminated and a p-type semiconductor layer provided on the TiO 2 layer.
しかしながら、これらのいずれの方式の色素増感型太陽電池も、まだ変換効率が低く実
用化には至っていない。
However, any of these types of dye-sensitized solar cells has not yet been put into practical use because of low conversion efficiency.
また、従来の技術として、光触媒等の用途に好適な材料であるナノチューブ状の結晶チ
タニア(チタニアナノチューブ)が開発されている(例えば、特許文献2参照)。
Further, as a conventional technique, a nanotube-like crystal titania (titania nanotube) that is a material suitable for a photocatalyst or the like has been developed (for example, see Patent Document 2).
本発明の目的は、安価に製造ができ、光電変換効率に優れる固体型色素増感型光電変換
素子を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a solid-state dye-sensitized photoelectric conversion element that can be manufactured at low cost and has excellent photoelectric conversion efficiency.
このような目的は、下記(1)〜(17)の本発明により達成される。
(1)第1の電極と、該第1の電極と対向して設置された第2の電極と、前記第1の電
極と前記第2の電極との間に位置し、その少なくとも一部が多孔質な電子輸送層と、該電
子輸送層と接触する色素層と、前記電子輸送層と前記第2の電極との間に位置する正孔輸
送層とを有する光電変換素子であって、前記電子輸送層中には、色素から励起した電子の
逆電子移動を抑制する物質が含まれていることを特徴とする光電変換素子。
(2)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の伝導帯(Conduction
Band)下端電位よりも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質である光電
変換素子。
(3)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の伝導帯(Conduction
Band)下端電位よりも価電子帯(Valence Band)側に伝導帯(Conduction Band)下端電
位を有する物質である光電変換素子。
(4)前記電子輸送層の表面には、色素から励起した電子の逆電子移動を抑制する物質
がオーバーコートされている光電変換素子。
(5)前記電子輸送層の表面には、前記電子輸送層の伝導帯(Conduction Band)下端
電位よりも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質がオーバーコートされ
ている光電変換素子。
(6)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は酸化物である光電変換素子。
(7)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は金属酸化物である光電変換素子。
(8)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は化合物である光電変換素子。
(9)前記電子輸送層の伝導帯(Conduction Band)下端電位は4.5eVである光電
変換素子。
(10)前記電子の逆電子移動を抑制する物質の伝導帯(Conduction Band)下端電位
は4.5eVよりも価電子帯(Valence Band)側に下端電位を有する物質であるである光
電変換素子。
(11)前記電子輸送材料表面の前記電子の逆電子移動を抑制する物質のオーバーコー
ト層は、0.1〜10ナノメートルである光電変換素子。
(12)前記電子輸送材料は、少なくとも結晶粒子または、チューブ状結晶を含有して
なる光電変換素子。
(13)前記電子輸送材料は、少なくともTiO2ナノ粒子または、チタニアナノチュ
ーブである光電変換素子。
(14)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の価電子帯(Valenc
e Band)下端電位よりも高い価電子帯(Valence Band)下端電位を有する物質である光電
変換素子。
(15)前記電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の価電子帯(Valenc
e Band)下端電位よりも伝導帯(Conduction Band)側に価電子帯(Valence Band)下端
電位を有する物質である光電変換素子。
(16)前記電子輸送層の価電子帯(Valence Band)下端電位よりも高い価電子帯(Va
lence Band)下端電位を有する物質が前記電子輸送層の表面にオーバーコートされている
光電変換素子。
(17)太陽電池である光電変換素子。
Such an object is achieved by the present inventions (1) to (17) below.
(1) Located between the first electrode, the second electrode disposed opposite to the first electrode, the first electrode and the second electrode, at least a part of which is located A photoelectric conversion element comprising a porous electron transport layer, a dye layer in contact with the electron transport layer, and a hole transport layer positioned between the electron transport layer and the second electrode, A photoelectric conversion element characterized in that an electron transport layer contains a substance that suppresses reverse electron transfer of electrons excited from a dye.
(2) The substance that suppresses reverse electron transfer of the electron is a conduction band of the electron transport layer.
Band) A photoelectric conversion element which is a substance having a conduction band lower end potential lower than the lower end potential.
(3) The substance that suppresses reverse electron transfer of the electron is a conduction band of the electron transport layer.
Band) A photoelectric conversion element that is a substance having a conduction band lower end potential on the valence band side of the lower end potential.
(4) The photoelectric conversion element in which the surface which suppresses the reverse electron transfer of the electron excited from the pigment | dye is overcoated on the surface of the said electron carrying layer.
(5) The photoelectric conversion element in which the surface of the electron transport layer is overcoated with a substance having a conduction band lower end potential lower than the conduction band lower end potential of the electron transport layer.
(6) The photoelectric conversion element whose substance which suppresses the reverse electron transfer of the said electron is an oxide.
(7) The photoelectric conversion element whose substance which suppresses the reverse electron transfer of the said electron is a metal oxide.
(8) The photoelectric conversion element whose substance which suppresses the reverse electron transfer of the said electron is a compound.
(9) A photoelectric conversion element in which a conduction band lower end potential of the electron transport layer is 4.5 eV.
(10) The photoelectric conversion element which is a substance which has the lower end potential of the conduction band of the substance which suppresses the reverse electron transfer of the electrons on the valence band side from 4.5 eV.
(11) The photoelectric conversion element whose overcoat layer of the substance which suppresses the reverse electron transfer of the said electron of the said electron transport material surface is 0.1-10 nanometer.
(12) The photoelectric conversion element in which the electron transport material contains at least crystal particles or tube crystals.
(13) The photoelectric conversion element, wherein the electron transport material is at least TiO 2 nanoparticles or titania nanotubes.
(14) The substance that suppresses reverse electron transfer of the electron is a valence band (Valenc) of the electron transport layer.
e Band) A photoelectric conversion element which is a substance having a valence band lower end potential higher than the lower end potential.
(15) The substance that suppresses reverse electron transfer of the electrons is a valence band (Valenc) of the electron transport layer.
e Band) A photoelectric conversion element that is a substance having a valence band lower end potential closer to the conduction band than the lower end potential.
(16) A valence band (Va) higher than the lower end potential of the valence band (Valence Band) of the electron transport layer.
lence Band) A photoelectric conversion element in which a substance having a lower end potential is overcoated on the surface of the electron transport layer.
(17) A photoelectric conversion element which is a solar cell.
以下、本発明の光電変換素子を添付図面に示す好適な実施形態について詳細に説明する
。
Hereinafter, preferred embodiments of the photoelectric conversion element of the present invention shown in the accompanying drawings will be described in detail.
<第1実施形態>
図1は、本発明の光電変換素子を太陽電池に適用した場合の第1実施形態を示す部分断
面図、図2は、第1実施形態の太陽電池の厚さ方向の中央部付近の断面を示す拡大図、図
3は、色素層が形成された電子輸送層の断面を示す部分拡大図、図4は、電子輸送層およ
び色素層の構成を示す模式図、図5は、太陽電池の原理を示す模式図、図6は、図1に示
す太陽電池回路の等価回路を示す図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a first embodiment when the photoelectric conversion element of the present invention is applied to a solar cell, and FIG. 2 is a cross section near the central portion in the thickness direction of the solar cell of the first embodiment. FIG. 3 is a partially enlarged view showing a cross section of the electron transport layer on which the dye layer is formed, FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the electron transport layer and the dye layer, and FIG. 5 is the principle of the solar cell. FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit of the solar cell circuit shown in FIG.
図1に示す太陽電池1は、電解質溶液を必要としない、いわゆる完全固体型色素増感太
陽電池と呼ばれるものであり、第1の電極3と、第1の電極3と対向して設置された第2
の電極6と、これらの間に位置する電子輸送層4と、電子輸送層4と接触する色素層Dと
、電子輸送層4と第2の電極6との間に位置し、色素層Dに接触する正孔輸送層5と、バ
リヤ層8とを有し、これらは、基板2上に設置されている。
The solar cell 1 shown in FIG. 1 is a so-called completely solid dye-sensitized solar cell that does not require an electrolyte solution, and is placed opposite to the first electrode 3 and the first electrode 3. Second
The electrode 6, the
以下、各構成要素について説明する。なお、以下の説明では、図1および図2中、各層
(各部材)の上側の面を「上面」、下側の面を「下面」と言う。
Hereinafter, each component will be described. In the following description, in FIGS. 1 and 2, the upper surface of each layer (each member) is referred to as “upper surface” and the lower surface is referred to as “lower surface”.
基板2は、第1の電極3、バリヤ層8、電子輸送層4、色素層D、正孔輸送層5および
第2の電極6を支持するためのものであり、平板状の部材で構成されている。
The substrate 2 is for supporting the first electrode 3, the
本実施形態の太陽電池1Aでは、図1に示すように、基板2および後述する第1の電極
3側から、例えば、太陽光等の光(以下、単に「光」と言う。)を入射させて(照射して
)使用するものである。このため、基板2および第1の電極3は、それぞれ、好ましくは
実質的に透明(無色透明、着色透明または半透明)とされる。これにより、光を、後述す
る色素層Dに効率よく到達させることができる。
In the solar cell 1A of the present embodiment, as shown in FIG. 1, light such as sunlight (hereinafter simply referred to as “light”) is incident from the substrate 2 and the first electrode 3 side described later, for example. (Irradiated) for use. For this reason, each of the substrate 2 and the first electrode 3 is preferably substantially transparent (colorless transparent, colored transparent, or translucent). Thereby, light can be efficiently made to reach the dye layer D described later.
この基板2の構成材料としては、例えば、各種ガラス材料、各種セラミックス材料、ポ
リカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)のような各種樹脂材料
、または、アルミニウムのような各種金属材料等が挙げられる。
Examples of the constituent material of the substrate 2 include various glass materials, various ceramic materials, various resin materials such as polycarbonate (PC) and polyethylene terephthalate (PET), and various metal materials such as aluminum.
基板2の平均厚さとしては、材料、用途等により適宜設定され、特に限定されないが、
例えば、次のようにすることができる。
The average thickness of the substrate 2 is appropriately set depending on the material, use, etc., and is not particularly limited.
For example, it can be as follows.
基板2を、例えばガラス材料のような硬質材料で構成する場合、その平均厚さとしては
、0.1〜1.5mm程度であるのが好ましく、0.8〜1.2mm程度であるのがより
好ましい。
When the substrate 2 is made of a hard material such as a glass material, the average thickness is preferably about 0.1 to 1.5 mm, and preferably about 0.8 to 1.2 mm. More preferred.
また、基板2を、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)のようなフレキシブル
素材(可撓性材料)で構成する場合、その平均厚さとしては、0.5〜150μm程度で
あるのが好ましく、10〜75μm程度であるのがより好ましい。
When the substrate 2 is made of a flexible material (flexible material) such as polyethylene terephthalate (PET), the average thickness is preferably about 0.5 to 150 μm, preferably 10 to 75 μm. More preferred is the degree.
なお、基板2は、必要に応じて、省略することもできる。 In addition, the board | substrate 2 can also be abbreviate | omitted as needed.
基板2の上面には、層状(平板状)の第1の電極3が設置されている。換言すれば、第
1の電極3は、後述する色素層Dが形成された電子輸送層4の受光面側に、この受光面を
覆うようにして設置されている。この第1の電極3は、後述する色素層Dで発生した電子
を、電子輸送層4およびバリヤ層8を介して受け取り、これに接続された外部回路100
へ伝達する。
On the upper surface of the substrate 2, a layered (flat plate) first electrode 3 is provided. In other words, the first electrode 3 is disposed on the light receiving surface side of the
To communicate.
第1の電極3の構成材料としては、例えば、インジウムティンオキサイド(ITO)、
フッ素ドープした酸化錫(FTO)、酸化インジウム(IO)、酸化錫(SnO2)のよ
うな金属酸化物、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、モリブデン、
チタン、タンタルのような金属またはこれらを含む合金、あるいは、黒鉛のような各種炭
素材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることがで
きる。
As a constituent material of the first electrode 3, for example, indium tin oxide (ITO),
Fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (IO), metal oxides such as tin oxide (SnO 2 ), aluminum, nickel, cobalt, platinum, silver, gold, copper, molybdenum,
Examples thereof include metals such as titanium and tantalum, alloys containing these, and various carbon materials such as graphite. One or more of these can be used in combination.
第1の電極3の平均厚さとしては、材料、用途等により適宜設定され、特に限定されな
いが、例えば、次のようにすることができる。
The average thickness of the first electrode 3 is appropriately set depending on the material, application, and the like, and is not particularly limited. For example, the average thickness can be as follows.
第1の電極3を前記の金属酸化物(透明導電性金属酸化物)で構成する場合、その平均
厚さとしては、0.05〜5μm程度であるのが好ましく、0.1〜1.5μm程度であ
るのがより好ましい。
When the first electrode 3 is composed of the metal oxide (transparent conductive metal oxide), the average thickness is preferably about 0.05 to 5 μm, preferably 0.1 to 1.5 μm. More preferred is the degree.
また、第1の電極3を前記の金属またはこれらを含む合金、あるいは、各種炭素材料で
構成する場合、その平均厚さとしては、0.01〜1μm程度であるのが好ましく、0.
03〜0.1μm程度であるのがより好ましい。
Further, when the first electrode 3 is made of the above-described metal, an alloy containing these, or various carbon materials, the average thickness is preferably about 0.01 to 1 μm.
More preferably, it is about 03 to 0.1 μm.
なお、第1の電極3は、図示の構成のようなものに限定されず、例えば、複数の櫛歯を
有する形状のもの等であってもよい。この場合、光は、複数の櫛歯同士の間を通過して、
色素層Dに到達するので、第1の電極3は、実質的に透明でなくてもよい。これにより、
第1の電極3の構成材料や形成方法(製造方法)等の選択の幅を拡大することができる。
また、この場合、第1の電極3の平均厚さとしては、特に限定されないが、例えば、1〜
5μm程度とするのが好ましい。
In addition, the 1st electrode 3 is not limited to the thing of the structure of illustration, For example, the thing etc. which have the shape which has several comb teeth may be sufficient. In this case, the light passes between the plurality of comb teeth,
Since it reaches the dye layer D, the first electrode 3 may not be substantially transparent. This
The range of selection of the constituent material, the forming method (manufacturing method), and the like of the first electrode 3 can be expanded.
In this case, the average thickness of the first electrode 3 is not particularly limited.
The thickness is preferably about 5 μm.
また、第1の電極3としては、このような櫛歯状の電極と、ITO、FTO等からなる
透明な電極とを組み合わせて(例えば、積層等して)用いることもできる。
Further, as the first electrode 3, such a comb-like electrode and a transparent electrode made of ITO, FTO, or the like can be used in combination (for example, laminated).
第1の電極3の上面には、膜状(層状)のバリヤ層(短絡防止手段)8が設置されてい
る。なお、このバリヤ層8の詳細については、後述する。
On the upper surface of the first electrode 3, a film-like (layer-like) barrier layer (short-circuit preventing means) 8 is provided. The details of the
バリヤ層8の上面には、多孔質な電子輸送層4と、この電子輸送層4と接触する色素層
Dとが設置されている。
On the upper surface of the
電子輸送層4は、少なくとも色素層Dで発生した電子を輸送する機能を有するものであ
る。
The
電子輸送層4の構成材料としては、例えば、二酸化チタン(TiO2)、一酸化チタン
(TiO)、三酸化二チタン(Ti2O3)等の酸化チタン、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ス
ズ(SnO2)のようなn型酸化物半導体材料や、その他のn型半導体材料等が挙げられ
、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができるが、この中でも
、酸化チタン、特に、二酸化チタンを用いるのが好ましい。すなわち、電子輸送層4は、
主として二酸化チタンで構成されているのが好ましい。
Examples of the constituent material of the
It is preferably composed mainly of titanium dioxide.
二酸化チタンは、特に、電子の輸送能力に優れ、また、光に対する感受性が高いので、
電子輸送層4自体でも、電子を発生することができる。その結果、太陽電池1Aでは、光
電変換効率(発電効率)をより向上することができる。
Titanium dioxide is particularly excellent in electron transport capability and high sensitivity to light.
The
また、二酸化チタンは、その結晶構造が安定しているので、二酸化チタンを主とする電
子輸送層4では、過酷な環境下に曝された場合でも、経年変化(劣化)が少なく、安定し
た性能が長期間継続して得られるという利点を有する。
In addition, since the crystal structure of titanium dioxide is stable, the
また、二酸化チタンからなる電子輸送層4には、ナノチューブ状の結晶チタニア(チタ
ニアナノチューブ)を単体もしくは混合物として用いてもよい。
Further, for the
従来、このナノチューブ状の結晶チタニア(チタニアナノチューブ)は、特開平10−
152323号公報で報告されているように、紫外線吸収剤、接着剤、触媒等の用途に好
適な材料として用いられているものである。
Conventionally, this nanotube-like crystalline titania (titania nanotube) has been disclosed in
As reported in Japanese Patent No. 152323, it is used as a material suitable for applications such as ultraviolet absorbers, adhesives, and catalysts.
我々の実験では、このチタニアナノチューブを単体もしくは混合物として本発明の電子
輸送層に用いた場合には、色素で励起され、電子輸送層へ注入された電子の伝搬スピード
が非常に速くなり、電子と正孔の再結合を抑制する作用があることが、明らかになってい
る。
In our experiment, when this titania nanotube is used alone or as a mixture in the electron transport layer of the present invention, the propagation speed of the electrons excited by the dye and injected into the electron transport layer becomes very fast. It has been clarified that there is an action of suppressing recombination of holes.
これは、従来のTiO2ナノ粒子が、数個〜数十個のTiO2分子の固まり(粒子、gr
ain)であるのに対し、チタニアナノチューブは、単分子もしくは数分子からなるTi
O2分子がチューブ状に結合してチタニアナノチューブを形成しているからであり、電子
の伝搬スピードが速く、色素で励起した電子の逆電子移動を抑制しているため、電子と正
孔の再結合が起こり難いためである。
This is because conventional TiO 2 nanoparticles are composed of several to several tens of TiO 2 molecules (particles, gr
ain), whereas titania nanotubes are composed of single or several molecules of Ti.
This is because the O 2 molecules are combined in a tube shape to form a titania nanotube, and the electron propagation speed is fast and the reverse electron transfer of the electrons excited by the dye is suppressed. This is because bonding is difficult to occur.
二酸化チタンからなる電子輸送層4にナノチューブ状の結晶チタニア(以下、チタニア
ナノチューブという)を単体もしくは混合物として用いると、通常用いられる二酸化チタ
ン粒子に比べてチタニアナノチューブの比表面積が5〜100倍大きいので、電子輸送層
4の表面積を十分大きくすることができる。
When a nanotube-like crystal titania (hereinafter referred to as titania nanotube) is used alone or as a mixture for the
より具体的には、通常用いられる二酸化チタン粒子は10〜150m2/g程度の比表
面積であるのに比べて、チタニアナノチューブは100〜1500m2/g程度の比表面
積を有する。
More specifically, titanium dioxide particles generally used as compared to a specific surface area of about 10 to 150 m 2 / g, titania nanotubes have a specific surface area of about 100~1500m 2 / g.
したがって、電子輸送層4の外面および孔41の内面に沿って形成される色素層D(後
述参照)の形成面積(形成領域)も十分に大きくすることができ、従来のポーラス状のT
iO2結晶に比べて色素の吸着量が、5〜100倍になった。
Therefore, the formation area (formation region) of the dye layer D (see below) formed along the outer surface of the
The amount of dye adsorbed was 5 to 100 times that of the iO 2 crystal.
チタニアナノチューブの比表面積が、従来のTiO2ナノ粒子の比表面積に比べて大き
い理由は、従来のTiO2ナノ粒子が、数個〜数十個のTiO2分子の固まり(粒子、gr
ain)であるのに対し、チタニアナノチューブは、単分子もしくは数分子からなるTi
O2分子がチューブ状に結合してチタニアナノチューブを形成しているからである。
The specific surface area of the titania nanotube is greater reason than the specific surface area of a conventional TiO 2 nanoparticles, conventional TiO 2 nanoparticles, several to several tens of TiO 2 molecules mass of (particles, gr
ain), whereas titania nanotubes are composed of single or several molecules of Ti.
This is because O 2 molecules are bonded in a tube shape to form a titania nanotube.
次に、このチタニアナノチューブの形成方法を以下に詳細に説明する。
(1)まず、チタンイソプロポキシド(Ti(OPr)4)等の金属アルコキシドとI
PA(イソプロピルアルコール)等のアルコールを混合した溶液に硝酸、酢酸等の酸を入
れた溶液に、水を加えることによって加水分解してTiO2(二酸化チタン)を形成する
ゾルゲル法、チタン鉱石を硝酸等の強酸で、加熱過熱化水分解して得られる含水酸化チタ
ンを800〜900℃で焼成してTiO2を形成する気相法、TiCl4にO2およびH2を
接触させてTiO2を形成する液相法等のよく知られている形成法により、TiO2を形成
する。
(2)次に、これらの方法により得られたTiO2(結晶)を5〜15M(モル)のK
OH(水酸化カリウム)またはNaOH(水酸化ナトリウム)の水溶液中に入れ、60〜
150℃で10〜20時間、アルカリ処理をする。
(3)このTiO2アルカリ水溶液を希塩酸(HCl)水溶液及び純水でpH7前後に
なるように中和処理する。
(4)この状態では、TiO2の塊となっているため、乳鉢等で1〜10時間程度の時
間、混連し、チタニアナノチューブを得る。
Next, a method for forming the titania nanotube will be described in detail below.
(1) First, a metal alkoxide such as titanium isopropoxide (Ti (OPr) 4 ) and I
A sol-gel method in which TiO 2 (titanium dioxide) is formed by hydrolysis by adding water to a solution in which an acid such as nitric acid or acetic acid is added to a solution in which an alcohol such as PA (isopropyl alcohol) is mixed. a strong acid etc., vapor phase method for forming the TiO 2 hydrous titanium oxide obtained by heating overheated water decomposition by firing at 800 to 900 ° C., the TiO 2 in contact with O 2 and H 2 in the TiCl 4 TiO 2 is formed by a well-known formation method such as a liquid phase method to be formed.
(2) Next, TiO 2 (crystals) obtained by these methods is converted to 5-15 M (mol) K.
Put in an aqueous solution of OH (potassium hydroxide) or NaOH (sodium hydroxide), 60-
An alkali treatment is performed at 150 ° C. for 10 to 20 hours.
(3) The TiO 2 alkali aqueous solution is neutralized with a dilute hydrochloric acid (HCl) aqueous solution and pure water so as to have a pH of around 7.
(4) In this state, since it is a lump of TiO 2 , it is mixed in a mortar or the like for about 1 to 10 hours to obtain titania nanotubes.
こうして得られた、粉末をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察すると、製造条件による
が、直径5〜50nm、長さ10〜200nm、比表面積100〜1500m2/gのチ
タニアナノチューブが形成されていた。
When the powder thus obtained was observed with an SEM (scanning electron microscope), titania nanotubes having a diameter of 5 to 50 nm, a length of 10 to 200 nm, and a specific surface area of 100 to 1500 m 2 / g were formed depending on the production conditions. .
こうして形成された二酸化チタンからなるナノチューブ状(体)の結晶チタニア(チタ
ニアナノチューブ)を単体もしくは混合物として電子輸送層4に用いる。
The thus formed nanotube-like (body) crystalline titania (titania nanotubes) made of titanium dioxide is used for the
また、色素で励起した電子の逆電子移動を抑制する別の方法としては、上述したTiO
2ナノ粒子または、チタニアナノチューブの表面に、0.1〜10ナノメートルの電子の
逆電子移動を抑制する物質(薄膜金属酸化物)をオーバーコートしてもよい。
As another method for suppressing reverse electron transfer of electrons excited by a dye, the above-described TiO
A substance (thin metal oxide) that suppresses reverse electron transfer of 0.1 to 10 nanometer electrons may be overcoated on the surface of the two nanoparticles or titania nanotube.
このとき、電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の伝導帯(Conduction
Band)下端電位よりも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質であること
が必要であり、電子輸送層の伝導帯(Conduction Band)下端電位よりも低い伝導帯(Con
duction Band)下端電位を有する物質が前記電子輸送層の表面に0.1〜10ナノメート
ルの厚みのオーバーコート層が形成されている。
At this time, the substance that suppresses reverse electron transfer of electrons is a conduction band of the electron transport layer.
The material must have a conduction band lower potential than the lower band potential, and the conduction band lower than the conduction band lower potential of the electron transport layer.
An overcoat layer having a thickness of 0.1 to 10 nanometers is formed on the surface of the electron transport layer.
電子の逆電子移動を抑制する物質が、前記電子輸送層の伝導帯(Conduction Band)下
端電位よりも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有するとは、具体的には、電子
の逆電子移動を抑制する物質が、電子輸送層の伝導帯(Conduction Band)下端電位より
も価電子帯(Valence Band)側に伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質であ
るということである。
A substance that suppresses reverse electron transfer of an electron has a conduction band lower end potential lower than the conduction band lower end potential of the electron transport layer. That is, the substance that suppresses the conduction band is a substance having a conduction band lower end potential on the valence band side of the conduction band lower end potential of the electron transport layer.
我々の実験では、電子の逆電子移動を抑制する物質として、前記電子輸送層の伝導帯(
Conduction Band)下端電位よりも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質
をチタニアナノ粒子またはチタニアナノチューブの表面に、0.1〜10ナノメートルの
厚みでオーバーコートした場合には、色素で励起された電子が、まず金属酸化物からなる
オーバーコート層に注入され、次にTiO2に伝搬される。その後は、両者の伝導帯(Con
duction Band)下端電位の高さの違いにより、TiO2から、金属酸化物への電子の逆移
動が起こり難くなるため、電子と正孔の再結合を抑制する作用があることが、明らかにな
っている。
In our experiment, as a substance that suppresses reverse electron transfer of electrons, the conduction band of the electron transport layer (
When a substance having a conduction band lower end potential lower than the lower end potential is overcoated on the surface of titania nanoparticles or titania nanotubes with a thickness of 0.1 to 10 nanometers, it is excited by the dye. The electrons are first injected into the overcoat layer made of metal oxide and then propagated to TiO 2 . After that, both conduction bands (Con
duction Band) Due to the difference in the height of the lower end potential, the reverse transfer of electrons from TiO 2 to the metal oxide is less likely to occur. ing.
このとき、電子輸送層にTiO2を用いた場合には、TiO2の伝導帯(Conduction Ban
d)下端電位は4.5eVであり、電子の逆電子移動を抑制する物質の伝導帯(Conductio
n Band)下端電位は4.5eV以下である。
At this time, when TiO 2 is used for the electron transport layer, the conduction band of TiO 2 (Conduction Ban
d) The lower end potential is 4.5 eV, and the conduction band of a substance that suppresses reverse electron transfer of electrons (Conductio)
n Band) The lower end potential is 4.5 eV or less.
電子の逆電子移動を抑制する物質の伝導帯(Conduction Band)下端電位が4.5eV
以下であるということは、電子の逆電子移動を抑制する物質の伝導帯(Conduction Band
)下端電位が4.5eVよりも価電子帯(Valence Band)側に下端電位を有する物質であ
るであるということを指す。
The lower end potential of the conduction band of the substance that suppresses reverse electron transfer of electrons is 4.5 eV.
This means that the conduction band of a substance that suppresses reverse electron transfer of electrons (Conduction Band)
) It indicates that the lower end potential is a substance having a lower end potential on the valence band side from 4.5 eV.
電子輸送材料は、少なくとも結晶粒子または、チューブ状結晶を含有しており、少なく
ともTiO2ナノ粒子または、チタニアナノチューブであることが好ましい。
The electron transport material contains at least crystal particles or tube-like crystals, and is preferably at least TiO 2 nanoparticles or titania nanotubes.
また、前記電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の価電子帯(Valence
Band)下端電位よりも高い価電子帯(Valence Band)下端電位を有する物質であることが
好ましい。すなわち、前記電子の逆電子移動を抑制する物質は、前記電子輸送層の価電子
帯(Valence Band)下端電位よりも伝導帯(Conduction Band)側に価電子帯(Valence B
and)下端電位を有するということである。
In addition, the substance that suppresses reverse electron transfer of the electron is a valence band (Valence) of the electron transport layer.
Preferably, the substance has a valence band lower end potential higher than the lower end potential. That is, the substance that suppresses reverse electron transfer of the electron is a valence band (Valence B) that is closer to the conduction band than the lower end potential of the valence band (Valence Band) of the electron transport layer.
and) having a lower end potential.
電子の逆電子移動を抑制する物質の具体的な例としては、金属酸化物が好ましく、金属
酸化物の具体例としては、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、M
gO、ZnO、SnO2などが用いられ、これらは、電子輸送層4を構成するTiO2(二
酸化チタン)の伝導帯(Conduction Band)下端電位よりも低い伝導帯(Conduction Band
)下端電位を有する金属酸化物である。
As a specific example of the substance that suppresses reverse electron transfer of electrons, a metal oxide is preferable. Specific examples of the metal oxide include zirconium oxide, strontium titanate, niobium oxide, M
gO, ZnO, SnO 2 and the like are used, and these are conduction bands lower than the lower end potential of the conduction band (conduction band) of TiO 2 (titanium dioxide) constituting the
) A metal oxide having a lower end potential.
この物質が前記電子輸送層の表面に0.1〜10ナノメートルの厚さでオーバーコート
されている。
This material is overcoated with a thickness of 0.1 to 10 nanometers on the surface of the electron transport layer.
次に、このオーバーコート層の形成方法を以下に詳細に説明する。
(1)ガラス基板上に、少なくともチタニアナノ粒子またはチタニアナノチューブを含
む電子輸送材料層を形成する。
(2)次に、この電子輸送材料層が形成されたガラス基板をマグネシウム溶液に浸漬さ
せる。
(3)その後、溶液から取り出した基板を洗浄し、大気中または酸素雰囲気中で、40
0〜500度の温度で基板を再焼成することによって、電子輸送材料層であるチタニアナ
ノ粒子またはチタニアナノチューブの表面に0.1〜10ナノメートルの酸化マグネシウ
ムの薄膜金属酸化物層が形成する。
Next, the formation method of this overcoat layer is demonstrated in detail below.
(1) An electron transport material layer containing at least titania nanoparticles or titania nanotubes is formed on a glass substrate.
(2) Next, the glass substrate on which the electron transport material layer is formed is immersed in a magnesium solution.
(3) After that, the substrate taken out from the solution is washed, and the substrate is 40 in the air or in an oxygen atmosphere.
By re-baking the substrate at a temperature of 0 to 500 degrees, a thin film metal oxide layer of 0.1 to 10 nanometers of magnesium oxide is formed on the surface of titania nanoparticles or titania nanotubes which are electron transport material layers.
このような薄膜姻族酸化物層が前記電子輸送層の表面に0.1〜10ナノメートルの厚
さでオーバーコートされている。
Such a thin-film group oxide layer is overcoated with a thickness of 0.1 to 10 nanometers on the surface of the electron transport layer.
次に二酸化チタンとしては、結晶構造がアナターゼ型の二酸化チタンを主とするもの、
ルチル型の二酸化チタンを主とするもの、アナターゼ型の二酸化チタンとルチル型の二酸
化チタンとの混合物を主とするもののいずれであってもよい。
Next, as titanium dioxide, the one whose crystal structure is mainly anatase type titanium dioxide,
Any of those mainly composed of rutile type titanium dioxide and those mainly composed of a mixture of anatase type titanium dioxide and rutile type titanium dioxide may be used.
結晶構造がアナターゼ型の二酸化チタンは、電子をより効率よく輸送することができる
という利点を有する。
Titanium dioxide having an anatase type crystal structure has an advantage that electrons can be transported more efficiently.
なお、ルチル型の二酸化チタンとアナターゼ型の二酸化チタンとを混合する場合、ルチ
ル型の二酸化チタンとアナターゼ型の二酸化チタンとの混合比は、特に限定されないが、
例えば、重量比で95:5〜5:95程度であるのが好ましく、80:20〜20:80
程度であるのがより好ましい。
When mixing rutile type titanium dioxide and anatase type titanium dioxide, the mixing ratio of rutile type titanium dioxide and anatase type titanium dioxide is not particularly limited,
For example, the weight ratio is preferably about 95: 5 to 5:95, and 80:20 to 20:80.
More preferred is the degree.
電子輸送層4は、複数の孔(細孔)41を有している。図3は、電子輸送層4に、光が
入射している状態を模式的に示している。図3に示すように、バリヤ層8を通過した光(
図3中の矢印)は、電子輸送層4の内部まで侵入し、電子輸送層4内を透過、または、孔
41内で任意の方向に反射(乱反射、拡散等)する。
このとき、光は、色素層Dと接触することになり、色素層Dにおいて高い頻度で電子お
よび正孔を発生させることができる。
The
3) penetrates to the inside of the
At this time, light comes into contact with the dye layer D, and electrons and holes can be generated at a high frequency in the dye layer D.
この電子輸送層4の空孔率としては、特に限定されないが、例えば、5〜90%程度で
あるのが好ましく、15〜50%程度であるのがより好ましく、20〜40%程度である
のがさらに好ましい。
The porosity of the
電子輸送層4の空孔率を、このような範囲内とすることにより、電子輸送層4の表面積
を十分大きくすることができる。したがって、電子輸送層4の外面および孔41の内面に
沿って形成される色素層D(後述参照)の形成面積(形成領域)も十分に大きくすること
ができる。このため、色素層Dでは、十分な電子を発生させることができるとともに、こ
の電子を効率よく電子輸送層4へ受け渡すことができる。その結果、太陽電池1Aでは、
発電効率(光電変換効率)をより向上することができる。
By setting the porosity of the
The power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency) can be further improved.
また、電子輸送層4は、比較的厚さの大きなものであってもよいが、膜状をなすものが
好ましい。これにより、太陽電池1Aの薄型化(小型化)、製造コストの削減を図ること
ができ有利である。
In addition, the
この場合、電子輸送層4の平均厚さ(膜厚)としては、特に限定されないが、例えば、
0.1〜300μm程度であるのが好ましく、0.5〜100μm程度であるのがより好
ましく、1〜25μm程度であるのがさらに好ましい。
In this case, the average thickness (film thickness) of the
The thickness is preferably about 0.1 to 300 μm, more preferably about 0.5 to 100 μm, and further preferably about 1 to 25 μm.
このような電子輸送層4には、色素を、例えば吸着、結合(共有結合、配位結合)等さ
せることにより、色素層Dが接触するようにして形成されている。
Such an
この色素層Dは、受光により、電子と正孔とを発生する受光層であり、図4に示すよう
に、電子輸送層4の外面および孔41の内面に沿って形成されている。
これにより、色素層Dで発生した電子を効率よく電子輸送層4に受け渡すことができる
。
The dye layer D is a light-receiving layer that generates electrons and holes by receiving light, and is formed along the outer surface of the
Thereby, the electrons generated in the dye layer D can be efficiently transferred to the
この色素層Dを構成する色素としては、特に限定されないが、例えば、顔料、染料等が
挙げられ、これらを単独または混合して使用することができるが、経時的変質、劣化がよ
り少ないという点で顔料を、電子輸送層4への吸着性(電子輸送層4との結合性)がより
優れるという点で染料を用いるのが好ましい。
The dye constituting the dye layer D is not particularly limited, and examples thereof include pigments, dyes, and the like. These can be used alone or as a mixture, but are less deteriorated and deteriorated over time. It is preferable to use a dye from the viewpoint that the pigment is more adsorbable to the electron transport layer 4 (bondability with the electron transport layer 4).
また、顔料としては、特に限定されないが、例えば、フタロシアニングリーン、フタロ
シアニンブルー等のフタロシアニン系顔料、ファストイエロー、ジスアゾイエロー、縮合
アゾイエロー、ペンゾイミダゾロンイエロー、ジニトロアニリンオレンジ、ペンズイミダ
ゾロンオレンジ、トルイジンレッド、パーマネントカーミン、パーマネントレッド、ナフ
トールレッド、縮合アゾレッド、ベンズイミダゾロンカーミン、ベンズイミダゾロンブラ
ウン等のアゾ系顔料、アントラピリミジンイエロー、アントラキノニルレッド等のアント
ラキノン系顔料、銅アゾメチンイエロー等のアゾメチン系顔料、キノフタロンイエロー等
のキノフタロン系顔料、イソインドリンイエロー等のイソインドリン系顔料、ニッケルジ
オキシムイエロー等のニトロソ系顔料、ペリノンオレンジ等のペリノン系顔料、キナクリ
ドンマゼンタ、キナクリドンマルーン、キナクリドンスカーレット、キナクリドンレッド
等のキナクリドン系顔料、ペリレンレッド、ペリレンマルーン等のペリレン系顔料、ジケ
トピロロピロールレッド等のピロロピロール系顔料、ジオキサジンバイオレット等のジオ
キサジン系顔料のような有機顔料、カーボンブラック、ランプブラック、ファーネスブラ
ック、アイボリーブラック、黒鉛、フラーレン等の炭素系顔料、黄鉛、モリブデートオレ
ンジ等クロム酸塩系顔料、カドミウムイエロー、カドミウムリトポンイエロー、カドミウ
ムオレンジ、カドミウムリトポンオレンジ、銀朱、カドミウムレッド、カドミウムリトポ
ンレッド、硫化等の硫化物系顔料、オーカー、チタンイエロー、チタンバリウムニッケル
イエロー、べんがら、鉛丹、アンバー、褐色酸化鉄、亜鉛鉄クロムブラウン、酸化クロム
、コバルトグリーン、コバルトクロムグリーン、チタンコバルトグリーン、コバルトブル
ー、セルリアンブルー、コバルトアルミニウムクロムブルー、鉄黒、マンガンフェライト
ブラック、コバルトフェライトブラック、銅クロムブラック、銅クロムマンガンブラック
等の酸化物系顔料、ビリジアン等の水酸化物系顔料、紺青等のフェロシアン化物系顔料、
群青等のケイ酸塩系顔料、コバルトバイオレット、ミネラルバイオレット等のリン酸塩系
顔料、その他(例えば硫化カドミウム、セレン化カドミウム等)のような無機顔料等が挙
げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
The pigment is not particularly limited, but examples thereof include phthalocyanine pigments such as phthalocyanine green and phthalocyanine blue, fast yellow, disazo yellow, condensed azo yellow, benzoimidazolone yellow, dinitroaniline orange, benzimidazolone orange, and toluidine. Red, permanent carmine, permanent red, naphthol red, condensed azo red, azo pigments such as benzimidazolone carmine and benzimidazolone brown, anthraquinone pigments such as anthrapyrimidine yellow and anthraquinonyl red, and azomethines such as copper azomethine yellow Pigments, quinophthalone pigments such as quinophthalone yellow, isoindoline pigments such as isoindoline yellow, nitroso such as nickel dioxime yellow Pigments, perinone pigments such as perinone orange, quinacridone pigments such as quinacridone magenta, quinacridone maroon, quinacridone scarlet and quinacridone red, perylene pigments such as perylene red and perylene maroon, and pyrrolopyrrole pigments such as diketopyrrolopyrrole red Organic pigments such as dioxazine pigments such as dioxazine violet, carbon black, lamp black, furnace black, ivory black, carbon pigments such as graphite and fullerene, chromate pigments such as chrome lead and molybdate orange, cadmium Yellow, cadmium lithopone yellow, cadmium orange, cadmium lithopone orange, silver vermilion, cadmium red, cadmium lithopone red, sulfide pigments such as sulfide, ocher, titanium yellow , Titanium barium nickel yellow, red rice, red lead, amber, brown iron oxide, zinc iron chrome brown, chromium oxide, cobalt green, cobalt chrome green, titanium cobalt green, cobalt blue, cerulean blue, cobalt aluminum chrome blue, iron black, Oxide pigments such as manganese ferrite black, cobalt ferrite black, copper chrome black, copper chrome manganese black, hydroxide pigments such as viridian, ferrocyanide pigments such as bitumen,
Examples include silicate pigments such as ultramarine, phosphate pigments such as cobalt violet and mineral violet, and other inorganic pigments such as cadmium sulfide and cadmium selenide. Two or more kinds can be used in combination.
また、染料としては、特に限定されないが、例えば、RuL2(SCN)2、RuL2C
l2、RuL2CN2、Rutenium535−bisTBA(Solaronics社
製)、[RuL2(NCS)2]2H2Oのような金属錯体色素、シアン系色素、キサンテン
系色素、アゾ系色素、ハイビスカス色素、ブラックベリー色素、ラズベリー色素、ザクロ
果汁色素、クロロフィル色素等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合
わせて用いることができる。なお、前記組成式中のLは、2,2’−bipyridin
e、または、その誘導体を示す。
The dye is not particularly limited, and examples thereof include RuL 2 (SCN) 2 and RuL 2 C.
metal complex dyes such as l 2 , RuL 2 CN 2 , Rutenium 535-bisTBA (manufactured by Solaronics), [RuL 2 (NCS) 2 ] 2 H 2 O, cyan dyes, xanthene dyes, azo dyes, hibiscus dyes , Blackberry pigments, raspberry pigments, pomegranate juice pigments, chlorophyll pigments, etc., and one or more of these can be used in combination. Note that L in the composition formula is 2,2′-bipyridin.
e or a derivative thereof.
色素層Dが形成された電子輸送層4の上面には、層状(平板状)の正孔輸送層5が設置
されている。換言すれば、正孔輸送層5は、色素層Dが形成された電子輸送層4を介して
第1の電極3と対向して設置されている。この正孔輸送層5は、色素層Dで発生した正孔
を捕捉し、輸送する機能を有する。換言すれば、この正孔輸送層5は、後述する第2の電
極6を介して、または、正孔輸送層5自体が電極となり外部回路100へ正孔を輸送する
機能を有する。
On the upper surface of the
正孔輸送層5の平均厚さとしては、特に限定されないが、例えば、1〜500μm程度
であるのが好ましく、10〜300μm程度であるのがより好ましく、10〜30μm程
度であるのがさらに好ましい。
The average thickness of the hole transport layer 5 is not particularly limited. For example, it is preferably about 1 to 500 μm, more preferably about 10 to 300 μm, and further preferably about 10 to 30 μm. .
正孔輸送層5の構成材料としては、例えば、各種イオン伝導特性を有する物質、トリフ
ェニルジアミン(モノマー、ポリマー等)、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェ
ン、フタロシアニン化合物(例えば、銅フタロシアニン)またはこれらの誘導体のような
各種p型半導体材料、または、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、
モリブデン、チタン、タンタルのような金属またはこれらを含む合金等が挙げられ、これ
らのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができるが、特に、イオン伝導
特性を有する物質が好ましく用いられる。
Examples of the constituent material of the hole transport layer 5 include substances having various ion conduction characteristics, triphenyldiamine (monomers, polymers, etc.), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, phthalocyanine compounds (for example, copper phthalocyanine) or derivatives thereof. Various p-type semiconductor materials such as aluminum, nickel, cobalt, platinum, silver, gold, copper,
Examples thereof include metals such as molybdenum, titanium, and tantalum, and alloys containing these. One or more of these can be used in combination, but in particular, a substance having ion conduction characteristics is preferably used. .
すなわち、正孔輸送層5は、主としてイオン伝導特性を有する物質で構成されているの
が好ましい。これにより、正孔輸送層5は、色素層Dで発生した正孔(ホール)をより効
率よく輸送することができる。
That is, it is preferable that the hole transport layer 5 is mainly composed of a substance having ion conduction characteristics. Thereby, the hole transport layer 5 can transport holes generated in the dye layer D more efficiently.
このとき、正孔輸送層5を構成する正孔輸送材料は、p型無機半導体または、p型化合
物半導体であるイオン伝導特性を有する物質であるのが好ましく、電子輸送層中の電子輸
送材料にTiO2を用いる場合には、TiO2のバンドギャップが2.2eVであることか
ら、正孔輸送層5を構成する正孔輸送材料のバンドギャップは2.2eV以上であること
が必要である。
また、このイオン伝導特性を有する物質としては、例えば、CuI、AgIのようなヨ
ウ化金属化合物、AgBrのような臭化金属化合物等のハロゲン化金属化合物、CuSC
Nのようなチオシアン酸金属塩(ロダン化金属化合物)等が挙げられ、これらのうちの1
種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
At this time, the hole transport material constituting the hole transport layer 5 is preferably a p-type inorganic semiconductor or a p-type compound semiconductor material having ion conduction characteristics, and the electron transport material in the electron transport layer When TiO 2 is used, since the band gap of TiO 2 is 2.2 eV, the band gap of the hole transport material constituting the hole transport layer 5 needs to be 2.2 eV or more.
In addition, examples of the substance having the ion conduction characteristics include metal halide compounds such as metal iodide compounds such as CuI and AgI, metal bromide compounds such as AgBr, and CuSC.
Examples include thiocyanate metal salts (rhodanide metal compounds) such as N, and one of these
Species or a combination of two or more can be used.
これらの中でも、イオン伝導特性を有する物質としては、ヨウ化金属化合物、臭化金属
化合物等のハロゲン化金属化合物が好ましい。ハロゲン化金属化合物は、イオン伝導特性
に特に優れている。
Among these, metal halide compounds such as metal iodide compounds and metal bromide compounds are preferable as substances having ion conduction characteristics. The metal halide compound is particularly excellent in ion conduction characteristics.
さらに、イオン伝導特性を有する物質としては、CuI、AgIのようなヨウ化金属化
合物のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いるのが、特に好ましい。ヨウ化金属
化合物は、イオン伝導特性に極めて優れている。このため、正孔輸送層5の主材料として
、ヨウ化金属化合物を用いることにより、太陽電池1Aの光電変換効率(エネルギー変換
効率)をより向上することができる。
Furthermore, it is particularly preferable to use one or more of metal iodide compounds such as CuI and AgI in combination as the substance having ion conduction characteristics. Metal iodide compounds are extremely excellent in ion conduction characteristics. For this reason, by using a metal iodide compound as the main material of the hole transport layer 5, the photoelectric conversion efficiency (energy conversion efficiency) of the solar cell 1A can be further improved.
また、正孔輸送層5は、図2に示すように、色素層Dが形成された電子輸送層4の孔4
1内に入り込んで形成されている。これにより、色素層Dと正孔輸送層5との接触面積を
増大することができるので、色素層Dで発生した正孔(ホール)を、より効率よく正孔輸
送層5へ伝達することができる。その結果、太陽電池1Aは、発電効率をさらに向上する
ことができる。
Further, as shown in FIG. 2, the hole transport layer 5 has
1 is formed. As a result, the contact area between the dye layer D and the hole transport layer 5 can be increased, so that holes generated in the dye layer D can be transmitted to the hole transport layer 5 more efficiently. it can. As a result, the solar cell 1A can further improve the power generation efficiency.
正孔輸送層5の上面には、層状(平板状)の第2の電極6が設置されている。 On the upper surface of the hole transport layer 5, a layered (flat plate) second electrode 6 is provided.
第2の電極6の平均厚さとしては、材料、用途等により適宜設定され、特に限定されな
い。
The average thickness of the second electrode 6 is appropriately set depending on the material, application, etc., and is not particularly limited.
また、第2の電極6の構成材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、コバルト
、白金、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルのような金属またはこれらを含む合
金、あるいは、黒鉛のような各種炭素材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種
以上を組み合わせて用いることができる。
The constituent material of the second electrode 6 is, for example, a metal such as aluminum, nickel, cobalt, platinum, silver, gold, copper, molybdenum, titanium, tantalum or an alloy containing these metals, or a graphite. Various carbon materials etc. are mentioned, Among these, it can use combining 1 type (s) or 2 or more types.
また、本発明の光電変換素子は、光化学素子であるため、第2の電極6と正孔輸送層5
との間には界面を形成し、この界面には触媒層が形成されている。
Further, since the photoelectric conversion element of the present invention is a photochemical element, the second electrode 6 and the hole transport layer 5 are used.
An interface is formed between the catalyst layer and the catalyst layer.
従来の色素増感湿式光電変換素子は、正孔輸送層にヨウ素溶液等からなる電解液が用い
られているため、第2の電極6と色素を吸着した電子輸送層4との間には、スペーサー等
を用いてある距離の間隙を形成し、この間隙には、正孔輸送層である電解液が充填されて
いる構造であった。
Since the conventional dye-sensitized wet photoelectric conversion element uses an electrolytic solution made of an iodine solution or the like for the hole transport layer, between the second electrode 6 and the
このような、従来の色素増感湿式太陽電池やK. Tennakone, G.R.R.A. Kumara, I.R.M.
Kottegoda, K.G.U. Wijiayantha, and V.P.S. Perera: J. Phys. D: Appl. Phys. 31(199
8)1492 等に発表されている従来の完全固体型色素増感型太陽電池等は、第2の電極が形
成された基板と色素が吸着された電子輸送層4が形成された基板とをクリップ等で狭持し
て、正孔輸送層と第2の電極を押し当てて、押圧により物理的に接触させているものであ
り、接触抵抗が大きい等の問題があった。
Such conventional dye-sensitized wet solar cells and K. Tennakone, GRRA Kumara, IRM
Kottegoda, KGU Wijiayantha, and VPS Perera: J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (199
8) The conventional solid-state dye-sensitized solar cell disclosed in 1492, etc., clips the substrate on which the second electrode is formed and the substrate on which the
しかしながら、本発明の完全固体型色素増感光電変換素子は、第2の電極6と正孔輸送
層5の間には界面を形成しており、この界面には、触媒層が形成されている点で、上述し
た従来の色素増感型太陽電池等とは異なる。
However, in the completely solid dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention, an interface is formed between the second electrode 6 and the hole transport layer 5, and a catalyst layer is formed at this interface. This is different from the above-described conventional dye-sensitized solar cell and the like.
また、本発明の完全固体型色素増感光電変換素子の正孔輸送層5と触媒層とからなる界
面の界面準位は0.1〜0.0001eVであることが好ましく、さらに好ましい界面準
位は0.01〜0.001eVである。
The interface state of the interface comprising the hole transport layer 5 and the catalyst layer of the completely solid dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention is preferably 0.1 to 0.0001 eV, and more preferably an interface state. Is 0.01 to 0.001 eV.
本発明においては、正孔輸送層5上の触媒層の形成は、スピンコート、印刷法、スプレ
ーコート、塗布等のウェットプロセス(湿式)法が用いられ、正孔輸送層5と触媒層との
間には界面を形成している。これらのウェットプロセス(湿式)の後工程には、触媒層を
乾燥、焼成してもよい。
In the present invention, the catalyst layer on the hole transport layer 5 is formed by a wet process (wet) method such as spin coating, printing, spray coating, coating, etc. An interface is formed between them. In the subsequent step of these wet processes (wet processes), the catalyst layer may be dried and fired.
また、本発明においては、正孔輸送層5上の触媒層の形成は、スパッタ、蒸着、CVD
法等のドライプロセス(乾式)法が用いられて、正孔輸送層5と触媒層との間には界面を
形成している。
In the present invention, the catalyst layer on the hole transport layer 5 is formed by sputtering, vapor deposition, or CVD.
A dry process (dry type) method such as a method is used to form an interface between the hole transport layer 5 and the catalyst layer.
触媒層としては、Pt(白金)、Pt−Ru(白金−ルテニウム)、Au(金)等が用
いられるが、本発明にいては、黒鉛のような各種炭素材料等が最適である。
As the catalyst layer, Pt (platinum), Pt—Ru (platinum-ruthenium), Au (gold), or the like is used. In the present invention, various carbon materials such as graphite are optimal.
炭素材料の例としては、黒鉛、グラファイト、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、
フラーレン(C60)等のいずれか1つ以上が用いられる。
Examples of carbon materials include graphite, graphite, diamond, carbon nanotubes,
Any one or more of fullerene (C60) or the like is used.
炭素材料の強度を上げるために、これらの炭素材料中には炭素繊維が織り込まれていて
もよい。炭素繊維としては、レーヨンやポリアクリロニトリルなどの有機繊維や精製した
石油ピッチを紡糸して作った繊維を、不活性ガス中で熱処理して炭化して作った繊維が用
いられる。
In order to increase the strength of the carbon material, carbon fibers may be woven into these carbon materials. As the carbon fiber, a fiber made by carbonizing an organic fiber such as rayon or polyacrylonitrile or a fiber made by spinning a refined petroleum pitch in an inert gas is used.
特に、ポリアクリロニトリルで作った炭素繊維は高弾性、高強度であり、これを上述し
た炭素材料と樹脂などで固めた複合剤は、本発明の触媒層として最適である。
In particular, the carbon fiber made of polyacrylonitrile has high elasticity and high strength, and a composite agent obtained by hardening the carbon fiber with the above-described carbon material and resin is optimal as the catalyst layer of the present invention.
炭素繊維および樹脂は導電性を有している。 Carbon fiber and resin have electrical conductivity.
さらに、第2の電極6と正孔輸送層5との間には、より密着した界面を形成するために
、正孔輸送層をより平滑に形成することが必要である。
Furthermore, in order to form a tighter interface between the second electrode 6 and the hole transport layer 5, it is necessary to form the hole transport layer more smoothly.
正孔輸送層の触媒層と界面をなす側の表面は、平坦であることが望ましく、正孔輸送層
の触媒層と界面をなす側の表面の表面荒さは、Rmax(最大表面荒さ)が10μm以下
であることが望ましく、Ra(平均表面荒さ)は5μm以下であることが望ましい。
The surface of the hole transport layer on the side that forms the interface with the catalyst layer is desirably flat, and the surface roughness on the surface that forms the interface with the catalyst layer of the hole transport layer has an Rmax (maximum surface roughness) of 10 μm. Desirably, Ra (average surface roughness) is desirably 5 μm or less.
また、形成された触媒層の表面荒さも、Rmax(最大表面荒さ)が10μm以下であ
ることが望ましく、Ra(平均表面荒さ)は5μm以下であることが望ましい。
Further, the surface roughness of the formed catalyst layer is preferably Rmax (maximum surface roughness) of 10 μm or less, and Ra (average surface roughness) of 5 μm or less.
このような太陽電池1Aでは、図5に示すように、光が入射すると、主に色素層Dにお
いて、電子が励起され、電子(e-)と正孔(h+)とが発生する。このうち、電子は、電
子輸送層4へ、正孔は、正孔輸送層5へ移動し、第1の電極3と第2の電極6との間に、
電位差(光起電力)が生じて、外部回路100に、電流(光励起電流)が流れる。
In such a solar cell 1A, as shown in FIG. 5, when light is incident, electrons are excited mainly in the dye layer D to generate electrons (e − ) and holes (h + ). Among these, electrons move to the
A potential difference (photoelectromotive force) is generated, and a current (photoexcitation current) flows through the
なお、図5に示すVaccum Energyの値は、電子輸送層4およびバリヤ層8
が二酸化チタンで構成され、正孔輸送層5がCuIで構成される場合の一例である。
The values of Vaccum Energy shown in FIG. 5 are the
Is an example in which is made of titanium dioxide and the hole transport layer 5 is made of CuI.
この様子を等価回路で表すと、図6に示すようなダイオード200を有する電流の循環
回路が形成されているものとなる。
When this state is represented by an equivalent circuit, a current circulation circuit having a
なお、光の照射(受光)により、色素層Dでは、電子および正孔が同時に発生するが、
以下の説明では、便宜上、「電子が発生する」と記載する。
It should be noted that electrons and holes are generated simultaneously in the dye layer D by light irradiation (light reception).
In the following description, for convenience, it is described as “electrons are generated”.
さて、本発明では、第1の電極3と正孔輸送層5との間での短絡(リーク)を防止また
は抑制する短絡防止手段を設けたことに特徴を有している。
Now, the present invention is characterized in that a short-circuit prevention means for preventing or suppressing a short-circuit (leakage) between the first electrode 3 and the hole transport layer 5 is provided.
以下、この短絡防止手段について、詳述する。 Hereinafter, this short-circuit prevention means will be described in detail.
本実施形態では、短絡防止手段として、膜状(層状)をなし、第1の電極3と電子輸送
層4との間に位置するバリヤ層8が設けられている。このバリヤ層8は、電子輸送層4の
空孔率より、その空孔率が小さくなるよう形成されたものである。
In the present embodiment, as a short-circuit preventing means, a
太陽電池1Aを製造する際には、後述するように、例えば、正孔輸送層材料を塗布法に
より、色素層Dが形成された電子輸送層4の上面に塗布することが行われる。
When manufacturing the solar cell 1A, as will be described later, for example, a hole transport layer material is applied to the upper surface of the
この場合、仮に、バリヤ層8が設けられない太陽電池では、電子輸送層4の空孔率を大
きくすると、正孔輸送層材料が色素層Dが形成された電子輸送層4の孔41内を浸透して
いき、第1の電極3に到達してしまうことがある。すなわち、バリヤ層8を有さない太陽
電池では、第1の電極3と正孔輸送層5との間で接触(短絡)が生じることにより、漏れ
電流が多くなり、発電効率(光電変換効率)の低下を招く場合がある。
In this case, in the solar cell in which the
これに対し、バリヤ層8が設けられた太陽電池1Aでは、前述のような不都合が防止さ
れ、発電効率の低下が好適に防止または抑制される。
On the other hand, in the solar cell 1 </ b> A provided with the
また、バリヤ層8の空孔率をA[%]とし、電子輸送層4の空孔率をB[%]としたと
き、B/Aが、例えば、1.1以上程度であるのが好ましく、5以上程度であるのがより
好ましく、10以上程度であるのがさらに好ましい。これにより、バリヤ層8と電子輸送
層4とは、それぞれ、それらの機能をより好適に発揮することができる。
Further, when the porosity of the
より具体的には、バリヤ層8の空孔率Aとしては、例えば、20%以下程度であるのが
好ましく、5%以下程度であるのがより好ましく、2%以下程度であるのがさらに好まし
い。すなわち、バリヤ層8は、緻密層であるのが好ましい。これにより、前記効果をより
向上することができる。
More specifically, the porosity A of the
さらに、バリヤ層8と電子輸送層4との厚さの比率は、特に限定されないが、例えば、
1:99〜60:40程度であるのが好ましく、10:90〜40:60程度であるのが
より好ましい。換言すれば、バリヤ層8と電子輸送層4との全体におけるバリヤ層8の占
める厚さの割合は、1〜60%程度であるのが好ましく、10〜40%程度であるのがよ
り好ましい。これにより、バリヤ層8は、第1の電極3と正孔輸送層5との接触等による
短絡を、より確実に防止または抑制することができるとともに、色素層Dへの光の到達率
が低下するのを好適に防止することができる。
Furthermore, the ratio of the thickness of the
It is preferably about 1:99 to 60:40, more preferably about 10:90 to 40:60. In other words, the ratio of the thickness occupied by the
より具体的には、バリヤ層8の平均厚さ(膜厚)としては、例えば、0.01〜10μ
m程度であるのが好ましく、0.1〜5μm程度であるのがより好ましく、0.5〜2μ
m程度であるのがさらに好ましい。これにより、前記効果をより向上することができる。
More specifically, the average thickness (film thickness) of the
m is preferably about 0.1 to 5 μm, more preferably about 0.5 to 2 μm.
More preferably, it is about m. Thereby, the said effect can be improved more.
このバリヤ層8の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、電子輸送層4の主
たる構成材料である酸化チタンの他、例えば、SrTiO3、ZnO、SiO2、Al2O3
、SnO2のような各種金属酸化物、CdS、CdSe、TiC、Si3N4、SiC、B4
N、BNのような各種金属化合物等の1種または2種以上を組み合わせて用いることがで
きるが、この中でも、電子輸送層4と同等の電気伝導性を有するものであるのが好ましく
、特に、酸化チタンを主とするものがより好ましい。バリヤ層8をこのような材料で構成
することにより、色素層Dで発生した電子をより効率よく、電子輸送層4からバリヤ層8
へ伝達することができ、その結果、太陽電池1Aの発電効率をより向上することができる
。
The constituent material of the
, Various metal oxides such as SnO 2 , CdS, CdSe, TiC, Si 3 N 4 , SiC, B 4
N, BN and various metal compounds can be used alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to have an electrical conductivity equivalent to that of the
As a result, the power generation efficiency of the solar cell 1A can be further improved.
このバリヤ層8および電子輸送層4の厚さ方向の抵抗値は、それぞれ、特に限定されな
いが、バリヤ層8と電子輸送層4との全体における厚さ方向の抵抗値、すなわち、バリヤ
層8と電子輸送層4との積層体の厚さ方向の抵抗値は、100Ω/cm2以上程度である
のが好ましく、1kΩ/cm2以上程度であるのがより好ましい。これにより、第1の電
極3と正孔輸送層5との間でのリーク(短絡)をより確実に防止または抑制することがで
き、太陽電池1Aの発電効率の低下を防ぐことができるという利点がある。
The resistance values in the thickness direction of the
また、バリヤ層8と電子輸送層4との界面は、明確でなくても、明確であってもよいが
、明確でない(不明確である)のが好ましい。すなわち、バリヤ層8と電子輸送層4とは
、一体的に形成され、互いに部分的に重なっているのが好ましい。これにより、バリヤ層
8と電子輸送層4との間での電子の伝達を、より確実に(効率よく)行うことができる。
Further, the interface between the
さらに、バリヤ層8と電子輸送層4とは、同一の組成の材料(例えば、二酸化チタンを
主とする材料)を用いて作成し、それらの空孔率のみが異なる構成、すなわち、電子輸送
層4の一部が、前記バリヤ層8として機能するような構成であってもよい。
Further, the
この場合、電子輸送層4は、その厚さ方向に、密な部分と粗な部分とを有し、このうち
、密な部分がバリヤ層8として機能する。
In this case, the
また、この場合、密な部分は、電子輸送層4の第1の電極3側に形成されているのが好
ましいが、厚さ方向の任意の位置に形成することもできる。
In this case, the dense portion is preferably formed on the first electrode 3 side of the
また、この場合、電子輸送層4は、密な部分で粗な部分を挟んだ部分を有する構成のも
のや、粗な部分で密な部分を挟んだ部分を有する構成のもの等であってもよい。
Further, in this case, the
このような太陽電池1Aでは、色素層D(色素層Dが形成された電子輸送層4)への光
の入射角が90°での光電変換効率をR90とし、光の入射角が52°での光電変換効率を
R52としたとき、R52/R90が0.8以上程度となるような特性を有しているのが好まし
く、0.85以上程度であるのがより好ましい。このような条件を満たすということは、
色素層Dが形成された電子輸送層4が光に対する指向性が低い、すなわち、等方性を有す
るということである。したがって、このような太陽電池1Aは、太陽の日照時間のほぼ全
域に渡って、より効率良く発電することができる。
In such a solar cell 1A, the photoelectric conversion efficiency when the incident angle of light to the dye layer D (the
That is, the
さらに、太陽電池1Aでは、第1の電極3が正、第2の電極6(正孔輸送層5)が負と
なるようにして、0.5Vの電圧を印加したとき、その抵抗値が、例えば、100Ω/c
m2以上程度となる特性を有するのが好ましく、1kΩ/cm2以上程度となる特性を有す
るのがより好ましい。このような特性を有するということは、太陽電池1Aでは、第1の
電極3と正孔輸送層5との間での接触等による短絡(リーク)が好適に防止または抑制さ
れていることを示すものである。よって、このような太陽電池1Aでは、発電効率(光電
変換効率)をより向上することができる。
Furthermore, in the solar cell 1A, when a voltage of 0.5 V is applied so that the first electrode 3 is positive and the second electrode 6 (hole transport layer 5) is negative, the resistance value is For example, 100Ω / c
It preferably has a characteristic of about m 2 or more, and more preferably has a characteristic of about 1 kΩ / cm 2 or more. Having such characteristics indicates that in the solar cell 1A, a short circuit (leakage) due to contact or the like between the first electrode 3 and the hole transport layer 5 is preferably prevented or suppressed. Is. Therefore, in such a solar cell 1A, the power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency) can be further improved.
このような太陽電池1Aは、例えば、次のようにして製造することができる。 Such a solar cell 1A can be manufactured as follows, for example.
まず、例えばソーダガラス等で構成された基板2を用意する。この基板2には、厚さが
均一で、たわみのないものが好適に用いられる。
First, a substrate 2 made of, for example, soda glass is prepared. A substrate having a uniform thickness and no deflection is preferably used for the substrate 2.
<1> まず、第1の電極3を基板2の上面に形成する。
第1の電極3は、例えばFTO等で構成される第1の電極3の材料を、例えば、蒸着法
、スパッタリング法、印刷法等を用いることにより、形成することができる。
<1> First, the first electrode 3 is formed on the upper surface of the substrate 2.
The first electrode 3 can be formed by using, for example, a vapor deposition method, a sputtering method, a printing method, or the like as the material of the first electrode 3 made of, for example, FTO.
<2> 次に、バリヤ層8を第1の電極3の上面に形成する。
バリヤ層8は、例えば、ゾル・ゲル法、蒸着(真空蒸着)法、スパッタリング法(高周
波スパッタリング、DCスパッタリング)、スプレー熱分解法、ジェットモールド(プラ
ズマ溶射)法、CVD法等により形成することができるが、この中でも、ゾル・ゲル法に
より形成するのが好ましい。
<2> Next, the
The
このゾル・ゲル法は、その操作が極めて簡単であり、例えば、ディッピング、滴下、ド
クターブレード、スピンコート、刷毛塗り、スプレー塗装、ロールコーター等の各種塗布
法と組み合わせて用いることにより、大掛かりな装置も必要とせず、好適にバリヤ層8を
膜状(厚膜および薄膜)に形成することができる。
This sol-gel method is very easy to operate. For example, it can be used in combination with various coating methods such as dipping, dripping, doctor blade, spin coating, brush coating, spray coating, roll coater, etc. However, the
また、塗布法によれば、例えばマスク等を用いて、マスキングを行うことにより、所望
のパターン形状のバリヤ層8を容易に得ることができる。
Further, according to the coating method, the
このゾル・ゲル法としては、バリヤ層材料中での後述するチタン化合物(有機または無
機)の反応(例えば、加水分解、重縮合等)を許容しない(防止する)方法(以下、「M
OD(Metal Organic DepositionまたはMetal Organic Decomposition)法」と言う。)
、あるいは、これを許容する方法が挙げられるが、特に、MOD法を用いるのが好ましい
。
As this sol-gel method, a method of preventing (preventing) the reaction (for example, hydrolysis, polycondensation, etc.) of a titanium compound (organic or inorganic) described later in the barrier layer material (hereinafter referred to as “M”).
"OD (Metal Organic Deposition or Metal Organic Decomposition) method". )
Alternatively, a method allowing this is mentioned, but it is particularly preferable to use the MOD method.
このMOD法によれば、バリヤ層材料中でのチタン化合物(有機または無機)の安定性
が維持され、また、バリヤ層8をより容易かつ確実に(再現性よく)、緻密なもの(前記
範囲内の空孔率)とすることができる。
According to this MOD method, the stability of the titanium compound (organic or inorganic) in the barrier layer material is maintained, and the
特に、チタンテトライソプロポキシド(TPT)、チタンテトラメトキシド、チタンテ
トラエトキシド、チタンテトラブトキシドのような化学的に非常に不安定な(分解しやす
い)チタンアルコキシド(金属アルコキシド)等の有機チタン化合物を用いて、緻密なT
iO2層(本発明のバリヤ層8)を形成する場合には、このMOD法は最適である。
In particular, organic titanium such as titanium alkoxide (metal alkoxide) that is chemically very unstable (decomposable) such as titanium tetraisopropoxide (TPT), titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetrabutoxide, etc. Dense T using compound
This MOD method is optimal when forming an iO 2 layer (the
以下、バリヤ層8のMOD法による形成方法について説明する。
Hereinafter, a method of forming the
[バリヤ層材料の調製]
例えば、チタンテトライソプロポキシド(TPT)、チタンテトラメトキシド、チタン
テトラエトキシド、チタンテトラブトキシドのようなチタンアルコキシド(金属アルコキ
シド)等の有機チタン化合物のうちの1種または2種以上組み合わせたものを用いる場合
には、まず、この有機チタン化合物(またはこの溶液)を、例えば、無水エタノール、2
−ブタノール、2−プロパノール、2−n−ブトキシエタノール等の有機溶媒(またはこ
れらの混合溶媒)に溶解する。
[Preparation of barrier layer material]
For example, one or a combination of two or more organic titanium compounds such as titanium tetraisopropoxide (TPT), titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium alkoxide (metal alkoxide) such as titanium tetrabutoxide When this is used, first, this organotitanium compound (or this solution) is mixed with, for example, absolute ethanol, 2
-It melt | dissolves in organic solvents (or these mixed solvents), such as butanol, 2-propanol, and 2-n-butoxyethanol.
これにより、有機チタン化合物の前記溶液中の濃度(含有量)を調製(例えば0.1〜
10mol/L程度)して、得られるバリヤ層材料の粘度を調製する。
このバリヤ層材料の粘度としては、前記塗布法の種類等により、適宜設定され、特に限
定されないが、スピンコートを用いる場合には、好ましくは高粘度(例えば0.5〜20
cP(常温)程度)とされ、スプレーコートを用いる場合には、好ましくは低粘度(例え
ば0.1〜2cP(常温)程度)とされる。
Thereby, the concentration (content) of the organic titanium compound in the solution is prepared (for example, 0.1 to 0.1).
The viscosity of the obtained barrier layer material is adjusted.
The viscosity of the barrier layer material is appropriately set depending on the type of coating method and the like, and is not particularly limited. However, when spin coating is used, a high viscosity (for example, 0.5 to 20) is preferable.
When using spray coating, the viscosity is preferably low (for example, about 0.1 to 2 cP (room temperature)).
次に、この溶液に、例えば、四塩化チタン、酢酸、アセチルアセトン、トリエタノール
アミン、ジエタノールアミン等の前記チタンアルコキシド(金属アルコキシド)を安定化
する機能を有する添加物を添加する。
Next, an additive having a function of stabilizing the titanium alkoxide (metal alkoxide) such as titanium tetrachloride, acetic acid, acetylacetone, triethanolamine, diethanolamine is added to the solution.
これらの添加物を加えることにより、これらの添加物がチタンアルコキシド中のチタン
原子に配位するアルコキシド(アルコキシル基)と置換して、チタン原子に配位する。こ
れにより、チタンアルコキシドの加水分解を抑止して、安定化させる。すなわち、これら
の添加物は、チタンアルコキシドの加水分解を抑止する加水分解抑止剤として機能するも
のである。この場合、この添加物とチタンアルコキシドとの配合比は、特に限定されない
が、例えば、モル比で1:2〜8:1程度とするのが好ましい。
By adding these additives, these additives replace the alkoxide (alkoxyl group) coordinated to the titanium atom in the titanium alkoxide, and coordinate to the titanium atom. Thereby, hydrolysis of titanium alkoxide is suppressed and stabilized. That is, these additives function as a hydrolysis inhibitor that inhibits hydrolysis of titanium alkoxide. In this case, the compounding ratio of this additive and titanium alkoxide is not particularly limited, but is preferably about 1: 2 to 8: 1 in terms of a molar ratio, for example.
より具体的には、チタンアルコキシドにジエタノールアミンを配位させた場合、チタン
アルコキシドのアルコキシド(アルコキシル基)に換わり(置換して)、チタン原子にジ
エタノールアミンが2分子配位する。このジエタノールアミンにより置換された化合物は
、チタンアルコキシドよりも二酸化チタンを生成する上で安定化した化合物となる。
More specifically, when diethanolamine is coordinated to titanium alkoxide, it replaces (substitutes) the alkoxide (alkoxyl group) of titanium alkoxide, and two molecules of diethanolamine are coordinated to the titanium atom. The compound substituted with diethanolamine is a compound that is more stable in producing titanium dioxide than titanium alkoxide.
他の場合の組み合わせでも同様である。 The same applies to other combinations.
これにより、バリヤ層材料(バリヤ層形成用のゾル液:MOD用ゾル液)を得る。 Thereby, a barrier layer material (a sol solution for forming a barrier layer: a sol solution for MOD) is obtained.
また、四塩化チタン(TTC)等の無機チタン化合物を用いる場合には、この無機チタ
ン化合物(またはこの溶液)を、無水エタノール、2−ブタノール、2−プロパノール、
2−n−ブトキシエタノール等の有機溶媒(またはこれらの混合溶媒)に溶解することに
より、有機溶媒がチタンに配位し、添加物を加えないで安定した化合物となる。
When an inorganic titanium compound such as titanium tetrachloride (TTC) is used, this inorganic titanium compound (or this solution) is mixed with absolute ethanol, 2-butanol, 2-propanol,
By dissolving in an organic solvent (or a mixed solvent thereof) such as 2-n-butoxyethanol, the organic solvent coordinates to titanium and becomes a stable compound without adding an additive.
さらに、チタンオキシアセチルアセトナート(TOA)等の有機チタン化合物を用いる
場合には、この有機チタン化合物(またはこの溶液)が単独で安定なものであるので、前
記有機溶媒に溶解することで安定したバリヤ層材料を得ることができる。
Furthermore, when an organic titanium compound such as titanium oxyacetylacetonate (TOA) is used, this organic titanium compound (or this solution) is stable by itself, and thus stable when dissolved in the organic solvent. A barrier layer material can be obtained.
なお、本発明において、MOD法でバリヤ層8を形成する場合には、上述した3つの溶
液のうち、次の方法により調整された溶液を用いるのが最適である。すなわち、チタンテ
トライソプロポキシド(TPT)、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、
チタンテトラブトキシドのようなチタンアルコキシド等の有機チタン化合物(またはこの
溶液)を溶媒で溶解(または希釈)し、この溶液に、四塩化チタン、酢酸、アセチルアセ
トン、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン等の添加物を添加する方法により調整
された溶液を用いるのが最適である。この方法によれば、チタンアルコキシドのチタン原
子に、前記添加物を配位させ、二酸化チタンを生成する上で安定化した化合物を得ること
ができる。
In the present invention, when the
An organic titanium compound such as titanium alkoxide such as titanium tetrabutoxide (or this solution) is dissolved (or diluted) with a solvent, and additives such as titanium tetrachloride, acetic acid, acetylacetone, triethanolamine, diethanolamine are added to this solution. It is optimal to use a solution prepared by the method of addition. According to this method, a compound stabilized in producing titanium dioxide by coordinating the additive to the titanium atom of the titanium alkoxide can be obtained.
これによって、化学的に不安定なチタンアルコキシドを、化学的に安定な化合物にする
ことができる。かかる化合物は、本実施形態のバリヤ層8、すなわち、二酸化チタンを主
材料とする緻密なバリヤ層8を形成する場合において、極めて有用である。
Thereby, a chemically unstable titanium alkoxide can be made into a chemically stable compound. Such a compound is extremely useful in forming the
[バリヤ層8の形成]
第1の電極3の上面に、塗布法(例えば、スピンコート等)により、バリヤ層材料を塗
布して膜状に形成する。塗布法としてスピンコートを用いる場合、回転数を500〜40
00rpm程度で行うのが好ましい。
[Formation of barrier layer 8]
A barrier layer material is applied to the upper surface of the first electrode 3 by a coating method (for example, spin coating) to form a film. When spin coating is used as the coating method, the rotational speed is 500 to 40.
It is preferable to carry out at about 00 rpm.
次いで、かかる塗膜に対して、熱処理を施す。これにより、有機溶媒を揮発、除去する
。この熱処理条件としては、好ましくは50〜250℃程度で1〜60分間程度、より好
ましくは100〜200℃程度で5〜30分間程度とされる。
Next, heat treatment is applied to the coating film. Thereby, the organic solvent is volatilized and removed. The heat treatment conditions are preferably about 50 to 250 ° C. and about 1 to 60 minutes, more preferably about 100 to 200 ° C. and about 5 to 30 minutes.
かかる熱処理は、例えば、大気中、窒素ガス中で行うことができる他、例えば、各種不
活性ガス、真空、減圧状態(例えば、1×10-1〜1×10-6Torr)のような非酸化
性雰囲気中で行うようにしてもよい。
Such heat treatment can be performed, for example, in the atmosphere or in nitrogen gas, and for example, various inert gases, vacuum, reduced pressure conditions (for example, 1 × 10 −1 to 1 × 10 −6 Torr), etc. It may be performed in an oxidizing atmosphere.
なお、バリヤ層材料の第1の電極3の上面への塗布は、第1の電極3を加熱しつつ行う
ようにしてもよい。
Note that the barrier layer material may be applied to the upper surface of the first electrode 3 while the first electrode 3 is heated.
さらに、塗膜に対して、前記熱処理より高温で熱処理を施す。これにより、塗膜中に残
存する有機成分を除去するとともに、二酸化チタン(TiO2)を焼結させ、アモルファ
スまたはアナターゼ型の結晶構造の二酸化チタンからなるバリヤ層8を形成する。この熱
処理条件としては、好ましくは300〜700℃程度で1〜70分間程度、より好ましく
は400〜550℃程度で5〜45分間程度とされる。
Further, the coating film is subjected to heat treatment at a temperature higher than the heat treatment. As a result, organic components remaining in the coating film are removed, and titanium dioxide (TiO 2 ) is sintered to form a
なお、かかる熱処理の雰囲気は、前記熱処理と同様の雰囲気とすることができる。 In addition, the atmosphere of this heat processing can be made into the atmosphere similar to the said heat processing.
以上のような操作を、好ましくは1〜20回程度、より好ましくは1〜10回程度行っ
て、前述したような平均厚さのバリヤ層8を形成する。
The above operation is preferably performed about 1 to 20 times, more preferably about 1 to 10 times to form the
この場合、1回の前記操作により得られる塗膜の厚さ(膜厚)は、100nm以下程度
とするのが好ましく、50nm以下程度とするのがより好ましい。このような薄膜を積層
してバリヤ層8を形成することにより、バリヤ層8をより均一で密度の高いものとするこ
とができる。また、1回の前記操作により得られる膜厚の調整は、バリヤ層材料の粘度を
調製することで、容易に行うことができる。
In this case, the thickness (film thickness) of the coating film obtained by one operation is preferably about 100 nm or less, and more preferably about 50 nm or less. By laminating such thin films to form the
なお、バリヤ層8の形成に先立って、第1の電極3の上面には、例えば、O2プラズマ
処理、EB処理、有機溶剤(例えばエタノール、アセトン等)での洗浄処理等を行うこと
により、第1の電極3の上面に付着した有機物を除去するようにしてもよい。この場合、
バリヤ層8を形成する部分を残し、第1の電極3の上面にマスク層を形成し、マスキング
しておく。また、このマスク層は、バリヤ層8の形成後に除去するようにしてもよく、太
陽電池1Aの完成後に除去するようにしてもよい。
Prior to the formation of the
A mask layer is formed on the upper surface of the first electrode 3 except for a portion where the
<3> 次に、バリヤ層8の上面に、電子輸送層4を形成する。
電子輸送層4は、例えば、ゾル・ゲル法、蒸着法、スパッタリング法等により形成する
ことができるが、この中でも、ゾル・ゲル法により形成するのが好ましい。
<3> Next, the
The
このゾル・ゲル法は、その操作が極めて簡単であり、例えば、ディッピング、滴下、ド
クターブレード、スピンコート、刷毛塗り、スプレー塗装、ロールコーター等の各種塗布
法と組み合わせて用いることにより、大掛かりな装置も必要とせず、好適に電子輸送層4
を膜状(厚膜および薄膜)に形成することができる。
This sol-gel method is very easy to operate. For example, it can be used in combination with various coating methods such as dipping, dripping, doctor blade, spin coating, brush coating, spray coating, roll coater, etc. The
Can be formed into a film (thick film and thin film).
また、塗布法によれば、例えばマスク等を用いて、マスキングを行うことにより、所望
のパターン形状の電子輸送層4を容易に得ることができる。
Further, according to the coating method, for example, by performing masking using a mask or the like, the
この電子輸送層4の形成には、電子輸送層材料の粉末を含有するゾル液を用いるのが好
ましい。これにより、電子輸送層4をより容易かつ確実に多孔質とすることができる。
For the formation of the
電子輸送層材料の粉末の平均粒径としては、特に限定されないが、例えば、1nm〜1
μm程度であるのが好ましく、5〜50nm程度であるのがより好ましい。電子輸送層材
料の粉末の平均粒径を前記の範囲内とすることにより、電子輸送層材料の粉末のゾル液中
での均一性を向上することができる。また、このように電子輸送層材料の粉末の平均粒径
を小さくすることにより、得られる電子輸送層4の表面積(比表面積)をより大きくする
ことができるので、色素層Dの形成領域(形成面積)をより大きくすることができ、太陽
電池1Aの発電効率の向上に寄与する。
Although it does not specifically limit as an average particle diameter of the powder of electron transport layer material, For example, 1 nm-1
It is preferably about μm, and more preferably about 5 to 50 nm. By setting the average particle diameter of the powder of the electron transport layer material within the above range, the uniformity of the powder of the electron transport layer material in the sol liquid can be improved. Moreover, since the surface area (specific surface area) of the obtained
以下に、電子輸送層4の形成方法の一例について説明する。
Below, an example of the formation method of the
[酸化チタン粉末(電子輸送層材料の粉末)の調製]
<3−A0> ルチル型の二酸化チタン粉末とアナターゼ型の二酸化チタン粉末とを所
定の配合比(アナターゼ型の二酸化チタン粉末のみ、ルチル型の二酸化チタン粉末のみの
場合も含む)にて、配合し混合しておく。
[Preparation of titanium oxide powder (electron transport layer material powder)]
<3-A0> A rutile-type titanium dioxide powder and anatase-type titanium dioxide powder are blended at a predetermined blending ratio (including only anatase-type titanium dioxide powder and only rutile-type titanium dioxide powder). Mix.
これらのルチル型の二酸化チタン粉末の平均粒径と、アナターゼ型の二酸化チタン粉末
の平均粒径とは、それぞれ異なっていてもよいし、同じであってもよいが、異なっている
方が好ましい。
The average particle size of these rutile type titanium dioxide powders and the average particle size of anatase type titanium dioxide powders may be different or the same, but are preferably different.
なお、酸化チタン粉末全体としての平均粒径は、前述の範囲とする。 In addition, the average particle diameter as a whole titanium oxide powder shall be the above-mentioned range.
また、上記二酸化チタン粉末の替わりに、もしくは上記二酸化チタン粉末と混合して、
ナノチューブ状(体)の結晶チタニア(チタニアナノチューブ)を単体もしくは混合物と
して用いてもよい。
Also, instead of the titanium dioxide powder or mixed with the titanium dioxide powder,
Nanotube (body) crystalline titania (titania nanotubes) may be used alone or as a mixture.
このときのチタニアナノチューブの大きさの平均は、内径5nm、外形8nm、長さは
70nmであった。また、このチタニアナノチューブの比表面積の平均は400m2/g
であった。
The average size of the titania nanotubes at this time was 5 nm in inner diameter, 8 nm in outer diameter, and 70 nm in length. The average specific surface area of the titania nanotube is 400 m 2 / g.
Met.
[ゾル液(電子輸送層材料)の調製]
<3−A1> まず、例えば、チタンテトライソプロポキシド(TPT)、チタンテト
ラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラブトキシドのようなチタンアルコ
キシド、チタンオキシアセチルアセトナート(TOA)等の有機チタン化合物や、四塩化
チタン(TTC)等の無機チタン化合物のうちの1種または2種以上組み合わせたものを
、例えば、無水エタノール、2−ブタノール、2−プロパノール、2−n−ブトキシエタ
ノール等の有機溶媒(またはこれらの混合溶媒)に溶解する。
[Preparation of sol solution (electron transport layer material)]
<3-A1> First, for example, titanium alkoxides such as titanium tetraisopropoxide (TPT), titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetrabutoxide, and organic titanium compounds such as titanium oxyacetylacetonate (TOA) Or an organic solvent such as anhydrous ethanol, 2-butanol, 2-propanol, 2-n-butoxyethanol, or a combination of one or more inorganic titanium compounds such as titanium tetrachloride (TTC). (Or a mixed solvent thereof).
このとき、チタン化合物(有機または無機)の溶液中の濃度(含有量)としては、特に
限定されないが、例えば、0.1〜3mol/L程度とするのが好ましい。
At this time, although it does not specifically limit as a density | concentration (content) in the solution of a titanium compound (organic or inorganic), For example, it is preferable to set it as about 0.1-3 mol / L.
次に、必要に応じて、この溶液中に各種添加物を添加する。有機チタン化合物として、
例えばチタンアルコキシドを用いる場合には、チタンアルコキシドは、化学的安定性が低
いので、例えば、酢酸、アセチルアセトン、硝酸等の添加物を添加するようにする。これ
により、チタンアルコキシドを化学的に安定な化合物とすることができる。この場合、こ
の添加物とチタンアルコキシドとの配合比は、特に限定されないが、例えば、モル比で1
:2〜8:1程度とするのが好ましい。
Next, various additives are added to this solution as necessary. As an organic titanium compound,
For example, when titanium alkoxide is used, since titanium alkoxide has low chemical stability, for example, an additive such as acetic acid, acetylacetone, and nitric acid is added. Thereby, titanium alkoxide can be made into a chemically stable compound. In this case, the compounding ratio of the additive and titanium alkoxide is not particularly limited.
: It is preferable to set it as about 2-8: 1.
<3−A2> 次に、この溶液に、例えば、蒸留水、超純水、イオン交換水、RO水等
の水を混合する。この水とチタン化合物(有機または無機)との配合比は、モル比で1:
4〜4:1程度とするのが好ましい。
<3-A2> Next, water, such as distilled water, ultrapure water, ion-exchange water, RO water, is mixed with this solution, for example. The mixing ratio of water and titanium compound (organic or inorganic) is 1:
It is preferably about 4 to 4: 1.
<3−A3> 次いで、かかる溶液に、前記工程<3−A0>で調製した酸化チタン粉
末もしくはチタニアナノチューブを混合して懸濁(分散)液を得る。
<3-A3> Next, the solution is mixed with the titanium oxide powder or titania nanotube prepared in the above-mentioned step <3-A0> to obtain a suspension (dispersion) liquid.
<3−A4> さらに、この懸濁液を前記の有機溶媒(または、混合溶媒)で希釈する
。これにより、ゾル液を調製する。この希釈倍率としては、例えば、1.2〜3.5倍程
度が好ましい。
<3-A4> Further, the suspension is diluted with the organic solvent (or mixed solvent). Thereby, a sol solution is prepared. The dilution factor is preferably about 1.2 to 3.5 times, for example.
また、酸化チタン粉末(電子輸送層材料の粉末)もしくはチタニアナノチューブのゾル
液中の含有量としては、特に限定されないが、例えば、0.1〜10wt%(重量%)程
度であるのが好ましく、0.5〜5wt%程度であるのがより好ましい。これにより、電
子輸送層4の空孔率を好適に前記範囲内とすることができる。
Further, the content in the sol solution of titanium oxide powder (electron transport layer material powder) or titania nanotube is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 10 wt% (wt%), for example, More preferably, it is about 0.5 to 5 wt%. Thereby, the porosity of the
[電子輸送層(酸化チタン層)4の形成]
<3−A5> バリヤ層8を好ましくは加熱しつつ、バリヤ層8の上面に、塗布法(例
えば、滴下等)により、ゾル液を塗布して膜状体(塗膜)を得る。この加熱温度としては
、特に限定されないが、例えば、80〜180℃程度であるのが好ましく、100〜16
0℃程度であるのがより好ましい。
[Formation of Electron Transport Layer (Titanium Oxide Layer) 4]
<3-A5> While the
More preferably, it is about 0 ° C.
以上のような操作を、好ましくは1〜10回程度、より好ましくは5〜7回程度行って
、前述したような平均厚さの電子輸送層4を形成する。
The above operation is preferably performed about 1 to 10 times, more preferably about 5 to 7 times, to form the
次いで、この電子輸送層4に、必要に応じて、例えば、温度250〜500℃程度で0
.5〜3時間程度、熱処理(例えば、焼成等)を施してもよい。
Next, if necessary, the
. You may perform heat processing (for example, baking etc.) for about 5 to 3 hours.
<3−A6> 前記工程<3−A5>で得られた電子輸送層4には、必要に応じて、後
処理を行うことができる。
<3-A6> The
この後処理としては、例えば、形状を整えるための、研削、研磨等のような機械加工(
後加工)や、その他、洗浄、化学処理のような後処理等が挙げられる。
As this post-processing, for example, machining such as grinding and polishing for adjusting the shape (
Post-processing), and other post-treatments such as cleaning and chemical treatment.
また、電子輸送層4は、例えば、次のようにして形成することもできる。以下、電子輸
送層4の他の形成方法について説明する。なお、以下の説明では、前記の形成方法との相
違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
Moreover, the
[酸化チタン粉末(電子輸送層材料の粉末)の調製]
<3−B0> 前記工程<3−A0>と同様の工程を行う。
[Preparation of titanium oxide powder (electron transport layer material powder)]
<3-B0> A step similar to the step <3-A0> is performed.
[塗布液(電子輸送層材料)の調製]
<3−B1> まず、前記工程で調製した酸化チタン粉末もしくはチタニアナノチュー
ブを適当量の水(例えば、蒸留水、超純水、イオン交換水、RO水等)に懸濁する。
[Preparation of coating solution (electron transport layer material)]
<3-B1> First, the titanium oxide powder or titania nanotube prepared in the above step is suspended in an appropriate amount of water (for example, distilled water, ultrapure water, ion-exchanged water, RO water, or the like).
<3−B2> 次に、かかる懸濁液に、例えば硝酸等の安定化剤を添加し、メノウ製(
またはアルミナ製)の乳鉢内で十分に混練する。
<3-B2> Next, for example, a stabilizer such as nitric acid is added to the suspension, and the agate (
Or kneaded sufficiently in a mortar made of alumina.
<3−B3> 次いで、かかる懸濁液に、前記の水を加えてさらに混練する。
このとき、前記安定化剤と水との配合比は、体積比で好ましくは10:90〜40:6
0程度、より好ましくは15:85〜30:70程度とし、かかる懸濁液の粘度を、例え
ば0.2〜30cP(常温)程度とする。
<3-B3> Next, the above water is added to the suspension and further kneaded.
At this time, the mixing ratio of the stabilizer and water is preferably 10:90 to 40: 6 in volume ratio.
About 0, more preferably about 15:85 to 30:70, and the viscosity of the suspension is, for example, about 0.2 to 30 cP (normal temperature).
<3−B4> その後、かかる懸濁液に、例えば、最終濃度が0.01〜5wt%程度
となるように界面活性剤を添加して混練する。これにより、塗布液(電子輸送層材料)を
調製する。
<3-B4> Then, a surfactant is added to the suspension so as to have a final concentration of about 0.01 to 5 wt%, and the mixture is kneaded. Thereby, a coating liquid (electron transport layer material) is prepared.
なお、界面活性剤としては、カチオン性、アニオン性、両イオン性、非イオン性のいず
れであってもよいが、好ましくは非イオン性のものが用いられる。
The surfactant may be cationic, anionic, amphoteric or nonionic, but preferably a nonionic one.
また、安定化剤としては、硝酸に代わり、酢酸やアセチルアセトンのような酸化チタン
の表面修飾試薬を用いることもできる。
Further, as the stabilizer, a surface modifying reagent of titanium oxide such as acetic acid or acetylacetone can be used instead of nitric acid.
また、塗布液(電子輸送層材料)中には、必要に応じて、例えばポリエチレングリコー
ルのようなバインダー、可塑剤、酸化防止剤等の各種添加物を添加してもよい。
Moreover, you may add various additives, such as binders, such as polyethylene glycol, a plasticizer, antioxidant, in a coating liquid (electron transport layer material) as needed.
[電子輸送層(酸化チタン層)4の形成]
<3−B5> 第1の電極3の上面に、塗布法(例えば、ディッピング等)により、塗
布液を塗布・乾燥して膜状体(塗膜)を形成する。また、塗布・乾燥の操作を複数回行っ
て積層するようにしてもよい。これにより、電子輸送層4を得る。
[Formation of Electron Transport Layer (Titanium Oxide Layer) 4]
<3-B5> A coating solution is applied and dried on the upper surface of the first electrode 3 by a coating method (for example, dipping) to form a film-like body (coating film). Alternatively, the coating and drying operations may be performed a plurality of times for lamination. Thereby, the
次いで、この電子輸送層4に、必要に応じて、例えば、温度250〜500℃程度で0
.5〜3時間程度、熱処理(例えば、焼成等)を施してもよい。これにより、単に接触す
るのに止まっていた酸化チタン粉末同士は、その接触部位に拡散が生じ、酸化チタン粉末
同士がある程度固着(固定)するようになる。なお、この状態で、電子輸送層4が多孔質
となる。
Next, if necessary, the
. You may perform heat processing (for example, baking etc.) for about 5 to 3 hours. As a result, the titanium oxide powders that have merely stopped contacting each other are diffused at the contact sites, and the titanium oxide powders are fixed (fixed) to a certain extent. In this state, the
<3−B6> 前記工程<3−A6>と同様の工程を行う。 <3-B6> A step similar to the step <3-A6> is performed.
以上のような工程を経て、電子輸送層4が得られる。
The
<4> 次いで、電子輸送層4と、前述したような色素を含む液(例えば、色素を溶媒
に溶解した溶液、色素を溶媒に懸濁した懸濁液)とを、例えば、浸漬、塗布等により接触
させることにより、色素を電子輸送層4の外面および孔41の内面に、例えば吸着、結合
等して色素層Dを形成する。
<4> Next, the
より具体的には、基板2、第1の電極3、バリヤ層8および電子輸送層4の積層体を、
色素を含む液に浸漬することにより、容易に、色素層Dを電子輸送層4の外面、孔41の
内面に沿って形成することができる。
More specifically, a laminate of the substrate 2, the first electrode 3, the
By immersing in the liquid containing the dye, the dye layer D can be easily formed along the outer surface of the
色素を溶解または懸濁(分散)する溶媒(液体)としては、特に限定されないが、例え
ば、各種水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトニトリル、酢酸
エチル、エーテル、塩化メチレン、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)等が挙げられ
、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
The solvent (liquid) for dissolving or suspending (dispersing) the dye is not particularly limited. For example, various water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetonitrile, ethyl acetate, ether, methylene chloride, NMP (N-methyl- 2-pyrrolidone) and the like, and one or more of them can be used in combination.
この後、前記積層体を前記溶液(懸濁液)中から取り出し、例えば、自然乾燥による方
法や、空気、窒素ガス等の気体を吹き付ける方法等により溶媒を除去する。
Thereafter, the laminate is taken out from the solution (suspension), and the solvent is removed by, for example, a method of natural drying or a method of blowing a gas such as air or nitrogen gas.
さらに、必要に応じて、この積層体を、例えば60〜100℃程度の温度で、0.5〜
2時間程度、クリーンオーブン等で乾燥してもよい。これにより、色素をより強固に電子
輸送層4に吸着(結合)させることができる。
Further, if necessary, the laminate is made, for example, at a temperature of about 60 to 100 ° C., 0.5 to
You may dry with a clean oven etc. for about 2 hours. Thereby, a pigment | dye can be adsorb | sucked (bonded) to the
<5> 次に、色素層D(色素層Dが形成された電子輸送層4)の上面に、正孔輸送層
5を形成する。
正孔輸送層5は、例えばCuI等のイオン伝導特性を有する物質を含む正孔輸送層材料
(電極材料)を、色素層Dが形成された電子輸送層4の上面に、例えば、ディッピング、
滴下、ドクターブレード、スピンコート、刷毛塗り、スプレー塗装、ロールコーター等の
各種塗布法により、塗布して形成するのが好ましい。
<5> Next, the hole transport layer 5 is formed on the upper surface of the dye layer D (the
The hole transport layer 5 is formed by, for example, dipping a hole transport layer material (electrode material) containing a substance having ion conduction characteristics such as CuI on the upper surface of the
It is preferably formed by coating by various coating methods such as dripping, doctor blade, spin coating, brush coating, spray coating, and roll coater.
このような塗布法によれば、正孔輸送層5を色素層Dが形成された電子輸送層4の孔4
1内により確実に浸透するようにして形成することができる。
According to such a coating method, the hole transport layer 5 is replaced with the
1 can be formed so as to penetrate more reliably.
また、これらの塗布法は、色素層Dが電子輸送層4上に形成された基板2を、少なくと
も、大気圧よりも減圧された容器内に入れられた状態で、上記色素層Dの上面に上記各種
塗布法によって正孔輸送層5が塗布されるのが望ましい。
In addition, these coating methods are performed on the upper surface of the dye layer D in a state where the substrate 2 on which the dye layer D is formed on the
より具体的には、図7に示す減圧チャンバーを用いる。この減圧チャンバーは、図7に
示すように、例えば、上部構造80と、下部構造79からなり、位置決め口76と位置決
めピン77によって、位置決めされ、シリコンゴム等からなるシーリング部材81で上部
構造と下部構造がナットとボルトなどによってかしめられることによって密着される構造
になっている。
More specifically, a decompression chamber shown in FIG. 7 is used. As shown in FIG. 7, this decompression chamber is composed of, for example, an upper structure 80 and a lower structure 79. The decompression chamber is positioned by a positioning port 76 and a positioning pin 77 and is sealed by a sealing member 81 made of silicon rubber or the like. The structure is a structure that is closely attached by caulking with a nut and a bolt.
この減圧チャンバーは、吸引口78、減圧バルブ(弁)74、減圧室75を有し、吸引
口78は真空ポンプにつながれている。減圧バルブ(弁)74を開放した状態で、真空ポ
ンプを稼働させると減圧室75内が、減圧され、上述したように、1×10-1〜1×10
-6torr程度の真空状態になる。
The decompression chamber has a suction port 78, a decompression valve (valve) 74, and a decompression chamber 75, and the suction port 78 is connected to a vacuum pump. When the vacuum pump is operated with the decompression valve 74 opened, the interior of the decompression chamber 75 is decompressed and, as described above, 1 × 10 −1 to 1 × 10.
It becomes a vacuum state of about -6 torr.
この密閉されたチャンバー内に、色素層Dが電子輸送層4上に形成された基板2を入れ
、このチャンバーを減圧にする。その後、チャンバーの基板2上に設けられたシリコンゴ
ムに、正孔輸送材料を入れたシリンジ73の針71を刺し、気密状態が破られない状態で
、電子輸送層4上に形成された色素層D上に、シリンジ内の正孔輸送材料をゆっくりと滴
下して、塗布する。
In this sealed chamber, the substrate 2 on which the dye layer D is formed on the
このときの正孔輸送材料の前記基板への滴下の量は、1cm2の面積に対し、1〜0.
001mL毎分である。
The amount of the hole transport material dripped onto the substrate at this time is 1 to 0.00 with respect to an area of 1 cm 2 .
001 mL per minute.
また、前記塗布法によるは正孔輸送材料の前記色素層上への滴下の開始は、前記減圧チ
ャンバー内が減圧状態になった後、1〜5分経過後に開始される。
Further, depending on the coating method, the start of dropping of the hole transport material onto the dye layer is started 1 to 5 minutes after the inside of the decompression chamber is in a decompressed state.
このように、色素層Dが電子輸送層4上に形成された基板2上に、正孔輸送層を塗布す
る場合において、上記塗布処理を減圧下で行えば、電子輸送層中に形成された多孔質層内
の空隙中にある空気(気体)を脱気することが出来る。
In this way, when the hole transport layer is applied on the substrate 2 on which the dye layer D is formed on the
したがって、ナノポーラス状態に形成したTiO2層中へのCuIの浸透をより助成す
ることが出来る。
Therefore, it is possible to further assist the penetration of CuI into the TiO 2 layer formed in the nanoporous state.
このときの、減圧状態は、大気圧よりも低い状態で行われるが、より具体的には、1×
10-1〜1×10-6torrであることが望ましく、さらに望ましくは、1×10-1〜1
×10-3torrであることがより望ましい。
The reduced pressure state at this time is performed in a state lower than the atmospheric pressure, but more specifically, 1 ×
10 −1 to 1 × 10 −6 torr is preferable, and 1 × 10 −1 to 1 is more preferable.
More desirably, it is × 10 −3 torr.
前記塗布法によって形成される正孔輸送層5の平均厚さとしては、特に限定されないが
、例えば、1〜500μm程度であるのが好ましく、10〜300μm程度であるのがよ
り好ましく、10〜30μm程度であるのがさらに好ましい。
The average thickness of the hole transport layer 5 formed by the coating method is not particularly limited, but is preferably about 1 to 500 μm, more preferably about 10 to 300 μm, and more preferably 10 to 30 μm. More preferably, it is about.
その後、チャンバーの減圧室75内に置かれた基板2上に設けられたシリコンゴム等か
らなる逆止弁72に、正孔輸送材料を入れたシリンジ73の針71を刺し、真空チャンバ
ーの気密状態が破られない状態で、電子輸送層4上に形成された色素層D上に、シリンジ
71内の正孔輸送材料をゆっくりと滴下して、塗布する。
Thereafter, the check valve 72 made of silicon rubber or the like provided on the substrate 2 placed in the decompression chamber 75 of the chamber is pierced with a needle 71 of a syringe 73 containing a hole transport material, and the vacuum chamber is airtight. The hole transport material in the syringe 71 is slowly dropped and applied onto the dye layer D formed on the
また、塗膜形成後に、かかる塗膜に熱処理を施すようにしてもよいが、正孔輸送層材料
の色素層Dが形成された電子輸送層4の上面への塗布は、色素層D(色素層Dが形成され
た電子輸送層4)を加熱しつつ行うのが好ましい。これにより、より迅速に正孔輸送層5
を形成すること、すなわち、太陽電池1Aの製造時間の短縮に有利である。
In addition, after the coating film is formed, the coating film may be subjected to heat treatment. However, the coating on the upper surface of the
That is, it is advantageous for shortening the manufacturing time of the solar cell 1A.
この加熱温度としては、好ましくは温度50〜150℃程度とされ、この加熱処理は、
5〜60分なされる。なお、塗膜形成後、熱処理を行う場合には、かかる熱処理の前に、
塗膜の乾燥を行ってもよい。
The heating temperature is preferably set to a temperature of about 50 to 150 ° C.
5-60 minutes. In addition, when performing heat treatment after coating film formation, before such heat treatment,
The coating film may be dried.
また、以上のような操作は、複数回繰り返して行うようにしてもよい。 The above operation may be repeated a plurality of times.
より具体的には、80℃程度に加熱したホットプレート上に、基板2、第1の電極3、
バリヤ層8および色素層Dが形成された電子輸送層4の積層体を設置し、正孔輸送層材料
を、色素層Dが形成された電子輸送層4の上面に滴下して、乾燥する。この操作を複数回
行って、前述したような平均厚さの正孔輸送層5を形成する。
More specifically, on a hot plate heated to about 80 ° C., the substrate 2, the first electrode 3,
A laminate of the
また、上述したように、真空チャンバーを用いて減圧状態で正孔輸送材料を塗布する場
合には、80℃程度に加熱したホットプレート上に、前記減圧チャンバーを設置して、塗
布工程を行う。
In addition, as described above, when the hole transport material is applied in a reduced pressure state using a vacuum chamber, the application step is performed by installing the reduced pressure chamber on a hot plate heated to about 80 ° C.
正孔輸送層材料に用いる溶媒としては、特に限定されないが、例えば、アセトニトリル
、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール等の有機溶剤、あるいは、各種水等
の1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
Although it does not specifically limit as a solvent used for a positive hole transport layer material, For example, organic solvents, such as acetonitrile, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, or 1 type, or 2 or more types, such as various water, can be used in combination. .
なお、イオン伝導特性を有する物質を溶解する溶媒としては、アセトニトリルが好適に
使用される。
In addition, acetonitrile is preferably used as the solvent for dissolving the substance having ion conduction characteristics.
このとき、本発明では、正孔輸送層材料の溶液は、溶媒10mLに対し、200〜1m
gの正孔輸送材料を溶解して調製された低濃度のCuI溶液を用いる。
At this time, in the present invention, the hole transport layer material solution is 200 to 1 m with respect to 10 mL of the solvent.
A low concentration CuI solution prepared by dissolving g hole transport material is used.
さらに好ましくは、正孔輸送層材料の溶液は、溶媒10mLに対し、100〜10mg
の正孔輸送材料を溶解して調製された低濃度のCuI溶液を用いる。
More preferably, the solution of the hole transport layer material is 100 to 10 mg with respect to 10 mL of the solvent.
A low-concentration CuI solution prepared by dissolving the hole transporting material is used.
例えば、溶媒にアセトニトリルを用いた場合には、アセトニトリル10mL(7.8g
)に対して、重量比で2.5〜0.05%のCuIを溶解した低濃度のCuI溶液を用い
る。
For example, when acetonitrile is used as the solvent, 10 mL of acetonitrile (7.8 g
), A low concentration CuI solution in which 2.5 to 0.05% CuI is dissolved by weight is used.
さらに好ましくは、アセトニトリル10mL(7.8g)に対して、重量比で1.5〜
0.1%の範囲のCuIを溶解した低濃度のCuI溶液を用いる。
More preferably, the weight ratio is 1.5 to 10 mL (7.8 g) of acetonitrile.
A low concentration CuI solution in which 0.1% CuI is dissolved is used.
より具体的には、アセトニトリル10mL(7.8g)に対して、100mg(重量比
で1.28%)のCuIを溶解した低濃度のCuI溶液を用いる。
More specifically, a low concentration CuI solution in which 100 mg (1.28% by weight) of CuI is dissolved in 10 mL (7.8 g) of acetonitrile is used.
なお、この塗布方法は、この低濃度CuI溶液を前記色素層上に2〜100回に分けて
浸透させて塗布され、低濃度CuI溶液の塗布間隔は、低濃度CuI溶液の溶媒が揮発後
または、揮発する直前に連続して塗布する。
In this application method, the low-concentration CuI solution is applied to the dye layer by penetrating 2 to 100 times, and the application interval of the low-concentration CuI solution is determined after the solvent of the low-concentration CuI solution is volatilized or Apply continuously immediately before volatilization.
このように、本発明においては、低濃度のCuI溶液を用いているので、一回の塗布工
程におけるCuIの量を減らすことが出来るので、アセトニトリルの揮発によりCuIが
TiO2層の上面に堆積してしまうという問題を解決できる。
Thus, in the present invention, since the CuI solution having a low concentration is used, the amount of CuI in one application process can be reduced. Therefore, CuI is deposited on the upper surface of the TiO 2 layer by volatilization of acetonitrile. Can solve the problem.
また、本発明のように、低濃度のCuI溶液を複数回(2〜100回程度)連続して塗
布することにより、溶媒であるアセトニトリルがTiO2層の上面に堆積したCuIを再
溶解し、ナノポーラス状態に形成したTiO2層中へのCuIの浸透することを助成する
ことが出来る。
Further, as in the present invention, by continuously applying a low concentration CuI solution a plurality of times (about 2 to 100 times), acetonitrile as a solvent redissolves CuI deposited on the upper surface of the TiO 2 layer, It is possible to assist the penetration of CuI into the TiO 2 layer formed in the nanoporous state.
また、本発明のように低濃度CuI溶液を用いれば、ある単位溶液中の溶媒量を増やす
ことが出来るので、溶媒であるアセトニトリルが揮発する時間を長くすることが出来る。
In addition, when a low concentration CuI solution is used as in the present invention, the amount of solvent in a unit solution can be increased, so that the time for volatilization of acetonitrile as a solvent can be lengthened.
さらに、本発明においては、イオン伝導特性を有する物質のアセトニトリル溶液中には
、バインダーとして、例えばシアノレジン等のシアノエチル化物を添加するとよい。この
場合、イオン伝導特性を有する物質に対しシアノエチル化物を、質量比(重量比)で、5
〜0.5wt%で混合(配合)するのが好ましい。
Furthermore, in the present invention, a cyanoethylated product such as cyanoresin may be added as a binder to an acetonitrile solution of a substance having ion conduction characteristics. In this case, the cyanoethylated product with respect to the substance having ion conduction characteristics is 5% by mass ratio (weight ratio).
It is preferable to mix (blend) at ˜0.5 wt%.
また、正孔輸送層材料は、正孔の輸送効率を向上させる機能を有する正孔輸送効率向上
物質を含有しているのが好ましい。正孔輸送層材料がこの正孔輸送効率向上物質を含有し
ていると、正孔輸送層5は、イオン伝導特性の向上により、キャリア移動度がより大きく
なる。その結果、正孔輸送層5は、その電気伝導性が向上する。
Further, the hole transport layer material preferably contains a hole transport efficiency improving substance having a function of improving the hole transport efficiency. When the hole transport layer material contains this hole transport efficiency improving substance, the hole transport layer 5 has higher carrier mobility due to the improvement of ion conduction characteristics. As a result, the hole transport layer 5 has improved electrical conductivity.
正孔輸送効率向上物質としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン化アンモニウ
ム等のハロゲン化物が挙げられ、特に、テトラプロピルアンモニウムヨーダイド(TPA
I)等のハロゲン化アンモニウムを用いるのが好ましい。正孔輸送効率向上物質として、
ハロゲン化アンモニウム、特に、テトラプロピルアンモニウムヨーダイドを用いることに
より、正孔輸送層5は、イオン伝導特性がより向上することにより、キャリア移動度がさ
らに大きくなる。その結果、正孔輸送層5は、その電気伝導性がさらに向上する。
The hole transport efficiency improving substance is not particularly limited, and examples thereof include halides such as ammonium halide, and particularly tetrapropylammonium iodide (TPA).
It is preferred to use ammonium halides such as I). As a hole transport efficiency improving substance,
By using ammonium halide, in particular, tetrapropylammonium iodide, the hole transport layer 5 is further improved in ionic conduction characteristics, thereby further increasing carrier mobility. As a result, the hole transport layer 5 is further improved in electrical conductivity.
この正孔輸送効率向上物質の正孔輸送層材料中の含有量は、特に限定されないが、1×
10-4〜1×10-1wt%(重量%)程度であるのが好ましく、1×10-4〜1×10-2
wt%程度であるのがより好ましい。このような数値範囲内において、前記の効果がさら
に顕著となる。
The content of the hole transport efficiency improving substance in the hole transport layer material is not particularly limited, but is 1 ×
It is preferably about 10 −4 to 1 × 10 −1 wt% (weight%), and 1 × 10 −4 to 1 × 10 −2.
More preferably, it is about wt%. Within such a numerical range, the above-described effect becomes more remarkable.
また、正孔輸送層5を、イオン伝導特性を有する物質を主材料として構成する場合には
、正孔輸送層材料は、イオン伝導特性を有する物質が結晶化する際に、その結晶サイズが
増大するのを抑制する結晶サイズ粗大化抑制物質を含有しているのが好ましい。
In addition, when the hole transport layer 5 is composed mainly of a substance having ion conduction characteristics, the hole transport layer material increases in crystal size when the substance having ion conduction characteristics is crystallized. It is preferable to contain a crystal size coarsening-suppressing substance that suppresses this.
この結晶サイズ粗大化抑制物質としては、特に限定されないが、例えば、前述したシア
ノエチル化物、正孔輸送効率向上物質の他、チオシアン酸塩(ロダン化物)等が挙げられ
る。また、結晶サイズ粗大化抑制物質は、これらのうちの1種または2種以上を組み合わ
せて用いることができる。
The substance for suppressing the coarsening of crystal size is not particularly limited, and examples thereof include thiocyanate (rhodanide) in addition to the aforementioned cyanoethylated substance and hole transport efficiency improving substance. Moreover, the crystal size coarsening inhibitor can be used alone or in combination of two or more thereof.
なお、チオシアン酸塩としては、例えば、チオシアン酸ナトリウム(NaSCN)、チ
オシアン酸カリウム(KSCN)、チオシアン酸銅(CuSCN)、チオシアン酸アンモ
ニウム(NH4SCN)等が挙げられる。
Examples of thiocyanate include sodium thiocyanate (NaSCN), potassium thiocyanate (KSCN), copper thiocyanate (CuSCN), and ammonium thiocyanate (NH 4 SCN).
また、結晶サイズ粗大化抑制物質として、正孔輸送効率向上物質を用いる場合には、ハ
ロゲン化アンモニウムが好適である。正孔輸送効率向上物質の中でも、ハロゲン化アンモ
ニウムは、イオン伝導特性を有する物質の結晶サイズが増大するのを抑制する機能が、特
に優れている。
In addition, when a hole transport efficiency improving substance is used as the crystal size coarsening suppressing substance, ammonium halide is preferable. Among the materials that improve the hole transport efficiency, ammonium halide has a particularly excellent function of suppressing an increase in crystal size of a material having ion conduction characteristics.
ここで、正孔輸送層材料が、この結晶サイズ粗大化抑制物質を含有していないと、イオ
ン伝導特性を有する物質の種類、前述した加熱温度等によっては、イオン伝導特性を有す
る物質が結晶化する際に、その結晶サイズが大きくなり過ぎ、結晶の体積膨張が過度に進
む場合がある。特に、かかる結晶化がバリヤ層8の孔(微少孔)内で生じると、バリヤ層
8にクラックが発生し、その結果、正孔輸送層5と第1の電極3との間で、部分的に接触
等による短絡が生じる場合がある。
Here, if the hole transport layer material does not contain this crystal size coarsening suppression substance, the substance having ion conduction characteristics may crystallize depending on the kind of substance having ion conduction characteristics, the heating temperature described above, and the like. In this case, the crystal size becomes too large, and the volume expansion of the crystal may proceed excessively. In particular, when such crystallization occurs in the pores (micropores) of the
また、イオン伝導特性を有する物質の結晶サイズが大きくなると、イオン伝導特性を有
する物質の種類等によっては、色素層Dが形成された電子輸送層4との接触性が低下して
しまう場合がある。その結果、色素層Dが形成された電子輸送層4から、イオン伝導特性
を有する物質、すなわち、正孔輸送層5が剥離してしまう場合ある。
Further, when the crystal size of the substance having ion conduction characteristics is increased, the contact property with the
よって、このような太陽電池は、光電変換効率等のデバイスとしての特性が低下してし
まうことがある。
Therefore, such solar cells may have reduced device characteristics such as photoelectric conversion efficiency.
これに対し、正孔輸送層材料が、この結晶サイズ粗大化抑制物質を含有していると、イ
オン伝導特性を有する物質は、結晶サイズの増大が抑制され、結晶サイズが極小または比
較的小さいものとなる。
On the other hand, when the hole transport layer material contains this crystal size coarsening-suppressing substance, the substance having ion conduction characteristics is suppressed from increasing in crystal size, and the crystal size is extremely small or relatively small. It becomes.
例えば、CuIのアセトニトリル溶液中に、チオシアン酸塩を添加すると、飽和状態で
溶解しているCuIのうちのCu原子のまわりにチオシアン酸イオン(SCN-)が吸着
し、Cu−S(硫黄、Sulfor)結合が生じる。これにより、飽和状態で溶解してい
るCuI分子同士の結合が著しく阻害され、結果として、CuIの結晶成長を防止するこ
とができるので、微細に成長したCuI結晶を得ることができる。
For example, when thiocyanate is added to an acetonitrile solution of CuI, thiocyanate ions (SCN − ) are adsorbed around Cu atoms in CuI dissolved in a saturated state, and Cu—S (sulfur, Sulfor) is absorbed. ) Bonding occurs. As a result, the bonding between CuI molecules dissolved in a saturated state is remarkably inhibited, and as a result, CuI crystal growth can be prevented, so that a finely grown CuI crystal can be obtained.
このようなことから、太陽電池1Aは、前述したようなイオン伝導特性を有する物質の
結晶サイズの粗大化による不都合を好適に抑制することができる。
For this reason, the solar cell 1A can suitably suppress the disadvantages caused by the coarsening of the crystal size of the substance having the ion conduction characteristics as described above.
また、この結晶サイズ粗大化抑制物質の正孔輸送層材料中の含有量としては、特に限定
されないが、1×106〜10wt%(重量%)程度であるのが好ましく、1×10-4〜
1×10-2wt%程度であるのがより好ましい。このような数値範囲内において、前記の
効果がさらに顕著となる。
Further, the content of the crystal size coarsening inhibitor in the hole transport layer material is not particularly limited, but is preferably about 1 × 10 6 to 10 wt% (weight%), and 1 × 10 −4. ~
More preferably, it is about 1 × 10 −2 wt%. Within such a numerical range, the above-described effect becomes more remarkable.
また、正孔輸送層5を、前述したようなp型半導体材料で構成する場合には、このp型
半導体材料を、例えば、アセトン、イソプロピルアルコール(IPA)、エタノール等の
各種有機溶媒(またはこれらを含む混合溶媒)に溶解(または懸濁)して、正孔輸送層材
料を調製するようにする。この正孔輸送層材料を用いて、前記と同様にして、正孔輸送層
5を成膜(形成)する。
When the hole transport layer 5 is composed of the p-type semiconductor material as described above, the p-type semiconductor material is made of various organic solvents such as acetone, isopropyl alcohol (IPA), and ethanol (or these). The hole transport layer material is prepared by dissolving (or suspending) in a mixed solvent containing). Using this hole transport layer material, the hole transport layer 5 is formed (formed) in the same manner as described above.
<6> 次に、第2の電極6を、正孔輸送層5の上面に形成する。
第2の電極6は、例えば白金等で構成される第2の電極6の材料を、例えば、蒸着法、
スパッタリング法、印刷法等を用いることにより、形成することができる。
<6> Next, the second electrode 6 is formed on the upper surface of the hole transport layer 5.
The second electrode 6 is made of, for example, a vapor deposition method using a material of the second electrode 6 made of, for example, platinum.
It can be formed by using a sputtering method, a printing method, or the like.
<7>次に、第1の電極と第2の電極6で狭持された光電変換素子を、熱または光によ
り可塑処理する。
この処理は、CuIからなる正孔輸送層と可塑性バインダー(導電性樹脂)および色素
を吸着したTiO2層をより強固に結びつけ、さらには、なじませるための処理である。
<7> Next, the photoelectric conversion element sandwiched between the first electrode and the second electrode 6 is plasticized by heat or light.
This treatment is a treatment for binding the hole transport layer made of CuI to the TiO 2 layer adsorbing the plastic binder (conductive resin) and the dye more firmly, and further to adapt.
すなわち、CuI等からなる正孔輸送層中に含有された可塑性バインダー(導電性樹脂
)を可塑処理することにより、正孔輸送層をナノポーラス状態に形成したTiO2層に十
分に浸透、密着させる。
That is, by plasticizing a plastic binder (conductive resin) contained in a hole transport layer made of CuI or the like, the hole transport layer is sufficiently penetrated and adhered to the TiO 2 layer formed in a nanoporous state.
このとき用いる可塑性バインダー(導電性樹脂)の粘度(20℃)は、150〜700
0cPのものが用いられ、外観は、粒状または粘液状のものが用いられ、さらに好ましく
は、可塑性バインダー(導電性樹脂)の粘度(20℃)は、240〜1200cPのもの
が特に好適である。
The viscosity (20 ° C.) of the plastic binder (conductive resin) used at this time is 150 to 700.
0 cP is used, and the appearance is granular or viscous. More preferably, the viscosity (20 ° C.) of the plastic binder (conductive resin) is 240 to 1200 cP.
また、可塑性バインダー(導電性樹脂)の軟化温度は、25〜200℃のものが用いら
れ、さらに好ましくは、可塑性バインダー(導電性樹脂)の軟化温度は、40〜120℃
のものが特に好適である。
Further, the softening temperature of the plastic binder (conductive resin) is 25 to 200 ° C., more preferably, the softening temperature of the plastic binder (conductive resin) is 40 to 120 ° C.
Are particularly preferred.
可塑性バインダー(導電性樹脂)の軟化温度は、バインダーの可塑処理の熱で吸着させ
た色素が破壊されない程度の温度である必要がある。
次に、CuI等からなる正孔輸送層中に含有された可塑性バインダー(導電性樹脂)の
可塑処理方法について、具体的に説明する。
The softening temperature of the plastic binder (conductive resin) needs to be a temperature at which the dye adsorbed by the heat of plastic processing of the binder is not destroyed.
Next, the plastic treatment method of the plastic binder (conductive resin) contained in the hole transport layer made of CuI or the like will be specifically described.
第1の可塑処理方法は、熱可塑処理である。この熱可塑処理は、25〜250℃の温度
でなされ、5〜300分程度の時間継続される。
The first plastic processing method is a thermoplastic processing. This thermoplastic treatment is performed at a temperature of 25 to 250 ° C. and is continued for about 5 to 300 minutes.
第2の可塑処理は、光可塑処理である。この光可塑処理は、ハロゲンまたはキセノン光
源でなされ、25〜250℃の温度で、5〜300分程度の時間継続される。
The second plasticizing process is a photoplasticizing process. This photoplastic treatment is performed with a halogen or xenon light source, and is continued at a temperature of 25 to 250 ° C. for about 5 to 300 minutes.
以上のような工程を経て、太陽電池1Aが製造される。 Through the steps as described above, the solar cell 1A is manufactured.
以上、本発明の光電変換素子を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、こ
れらに限定されるものではない。光電変換素子を構成する各部は、同様の機能を発揮し得
る任意の構成のものと置換することができる。
As mentioned above, although the photoelectric conversion element of this invention was demonstrated based on each embodiment of illustration, this invention is not limited to these. Each unit constituting the photoelectric conversion element can be replaced with any component that can exhibit the same function.
本発明の光電変換素子は、前記第1および第2実施形態のうちの、任意の2以上の構成
を組み合わせたものであってもよい。
The photoelectric conversion element of the present invention may be a combination of any two or more configurations of the first and second embodiments.
なお、本発明の光電変換素子は、太陽電池のみならず、例えば、光センサー、光スイッ
チのような、光を受光して電気エネルギーに変換する各種素子(受光素子)に適用するこ
とができるものである。
The photoelectric conversion element of the present invention can be applied not only to solar cells but also to various elements (light receiving elements) that receive light and convert it into electrical energy, such as optical sensors and optical switches. It is.
また、本発明の光電変換素子では、光の入射方向は、図示のものとは異なり、逆方向か
らであってもよい。すなわち、光の入射方向は、任意である。
Moreover, in the photoelectric conversion element of this invention, the incident direction of light may be from the reverse direction unlike the thing of illustration. That is, the incident direction of light is arbitrary.
なお、上述した発明の実施の形態においては、光電変換素子の正孔輸送層をCuI(ヨ
ウ化銅)等の固体材料で形成した例を用いて説明したが、本発明においては、正孔輸送層
を従来のヨウ素溶液等の液体にしても、電子輸送層をチタニアナノチューブにした効果が
得られる。よって、(実施例2)には、チタニアナノチューブを電子輸送層に用いた場合
の色素増感型湿式太陽電池(特開平1−220380号公報)の例を示す。
In the embodiment of the present invention described above, the hole transport layer of the photoelectric conversion element has been described using an example of a solid material such as CuI (copper iodide). However, in the present invention, hole transport is performed. Even if the layer is made of a liquid such as a conventional iodine solution, the effect of using the titania nanotube as the electron transport layer can be obtained. Therefore, (Example 2) shows an example of a dye-sensitized wet solar cell (Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380) in the case where titania nanotubes are used for the electron transport layer.
次に、本発明の具体的実施例について説明する。 Next, specific examples of the present invention will be described.
(実施例1)
次のようにして、図1に示す太陽電池(光電変換素子)を製造した。
Example 1
The solar cell (photoelectric conversion element) shown in FIG. 1 was manufactured as follows.
−0− まず、寸法:縦30mm×横35mm×厚さ1.0mmのソーダガラス基板を
用意した。次に、このソーダガラス基板を85℃の洗浄液(硫酸と過酸化水素水との混合
液)に浸漬して洗浄を行い、その表面を清浄化した。
-0- First, a soda glass substrate having dimensions: length 30 mm × width 35 mm × thickness 1.0 mm was prepared. Next, this soda glass substrate was cleaned by immersing it in a cleaning solution (mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution) at 85 ° C. to clean the surface.
−1− 次に、ソーダガラス基板の上面に、蒸着法により、寸法:縦30mm×横35
mm×厚さ1μmのFTO電極(第1の電極)を形成した。
-1- Next, on the upper surface of the soda glass substrate, the dimensions: length 30 mm × width 35 by vapor deposition.
An FTO electrode (first electrode) of mm × thickness 1 μm was formed.
−2− 次に、形成したFTO電極の上面の縦30mm×横30mmの領域に、バリヤ
層を形成した。これは、次のようにして行った。
-2- Next, a barrier layer was formed in an area of 30 mm length × 30 mm width on the upper surface of the formed FTO electrode. This was done as follows.
[バリヤ層材料の調製]
まず、チタンテトライソプロポキシド(有機チタン化合物)を、2−n−ブトキシエタ
ノールに0.5mol/Lとなるように溶解した。
[Preparation of barrier layer material]
First, titanium tetraisopropoxide (organic titanium compound) was dissolved in 2-n-butoxyethanol so as to be 0.5 mol / L.
次いで、この溶液に、ジエタノールアミン(添加物)を添加した。なお、ジエタノール
アミンとチタンテトライソプロポキシドとの配合比は、2:1(モル比)となるようにし
た。
Then, diethanolamine (additive) was added to this solution. The mixing ratio of diethanolamine and titanium tetraisopropoxide was 2: 1 (molar ratio).
これにより、バリヤ層材料を得た。なお、バリヤ層材料の粘度は、3cP(常温)であ
った。
Thereby, a barrier layer material was obtained. The viscosity of the barrier layer material was 3 cP (normal temperature).
[バリヤ層の形成]
バリヤ層材料をスピンコート(塗布法)により塗布し、塗膜を得た。なお、このスピン
コートは、回転数を1500rpmで行った。
[Formation of barrier layer]
The barrier layer material was applied by spin coating (coating method) to obtain a coating film. This spin coating was performed at a rotation speed of 1500 rpm.
次いで、ソーダガラス基板、FTO電極および塗膜の積層体を、ホットプレート上に設
置して、160℃で10分間、熱処理を施すことにより塗膜を乾燥した。
Subsequently, the laminated body of the soda glass substrate, the FTO electrode, and the coating film was placed on a hot plate, and the coating film was dried by heat treatment at 160 ° C. for 10 minutes.
さらに、かかる積層体を、480℃で30分間、オーブン内で熱処理を施すことにより
、塗膜中に残存する有機成分を除去した。
Further, the laminate was subjected to heat treatment in an oven at 480 ° C. for 30 minutes to remove organic components remaining in the coating film.
かかる操作を10回繰り返して積層するようにした。 Such an operation was repeated 10 times to laminate.
これにより、空孔率が1%未満のバリヤ層を得た。なお、このバリヤ層の平均厚さは、
0.9μmであった。
Thereby, a barrier layer having a porosity of less than 1% was obtained. The average thickness of this barrier layer is
It was 0.9 μm.
−3− 次に、バリヤ層の上面(全体)に酸化チタン層(電子輸送層)を形成した。こ
れは、次のようにして行った。
-3- Next, a titanium oxide layer (electron transport layer) was formed on the upper surface (whole) of the barrier layer. This was done as follows.
[酸化チタン粉末の調製]
ルチル型の二酸化チタン粉末と、アナターゼ型の二酸化チタン粉末との混合物からなる
酸化チタン粉末を用意した。なお、酸化チタン粉末の平均粒径は、40nmであり、ルチ
ル型の二酸化チタン粉末とアナターゼ型の二酸化チタン粉末との配合比は、重量比で60
:40とした。
[Preparation of titanium oxide powder]
A titanium oxide powder made of a mixture of a rutile type titanium dioxide powder and an anatase type titanium dioxide powder was prepared. The average particle diameter of the titanium oxide powder is 40 nm, and the mixing ratio of the rutile type titanium dioxide powder and the anatase type titanium dioxide powder is 60 by weight.
: 40.
さらに、二酸化チタン粉末とは別にチタニアナノチューブを用意した。このチタニアナ
ノチューブの直径は、製造条件によるが、5〜50nmであり、長さは10〜200nm
である。また、このチタニアナノチューブ状の比表面積は200〜600m2/g程度で
あった。
Furthermore, a titania nanotube was prepared separately from the titanium dioxide powder. The diameter of the titania nanotube is 5 to 50 nm depending on the production conditions, and the length is 10 to 200 nm.
It is. Further, the specific surface area of the titania nanotube was about 200 to 600 m 2 / g.
[ゾル液(酸化チタン層材料)の調製]
まず、チタンテトライソプロポキシドを、2−プロパノールに1mol/Lとなるよう
に溶解した。
[Preparation of sol solution (titanium oxide layer material)]
First, titanium tetraisopropoxide was dissolved in 2-propanol so as to be 1 mol / L.
次いで、この溶液に、酢酸(添加物)と、蒸留水とを混合した。なお、酢酸とチタンテ
トライソプロポキシドとの配合比は、1:1(モル比)となるように、また、蒸留水とチ
タンテトライソプロポキシドとの配合比は、1:1(モル比)となるようにした。
Next, acetic acid (additive) and distilled water were mixed with this solution. The mixing ratio of acetic acid and titanium tetraisopropoxide is 1: 1 (molar ratio), and the mixing ratio of distilled water and titanium tetraisopropoxide is 1: 1 (molar ratio). It was made to become.
次いで、かかる溶液に、調製した酸化チタン粉末もしくはチタニアナノチューブを混合
した。さらに、この懸濁液を2−プロパノールで2倍に希釈した。これにより、ゾル液(
酸化チタン層材料)を調製した。
Next, the prepared titanium oxide powder or titania nanotube was mixed with the solution. Further, this suspension was diluted 2-fold with 2-propanol. As a result, the sol solution (
Titanium oxide layer material) was prepared.
なお、酸化チタン粉末単体を用いた場合のゾル液中の含有量は0.1〜10wt%とし
た。
In addition, content in the sol liquid at the time of using a titanium oxide powder single-piece | unit was 0.1-10 wt%.
また、チタニアナノチューブ単体を用いた場合のゾル液中の含有量は0.1〜10wt
%とした。
In addition, when the titania nanotube is used alone, the content in the sol solution is 0.1 to 10 wt.
%.
さらに、酸化チタン粉末とチタニアナノチューブの混合物を用いた場合のゾル液中の含
有量は0.1〜10wt%とした。このとき、酸化チタン粉末とチタニアナノチューブの
配合比99:1〜1:99となるようにした。
Furthermore, the content in the sol solution when a mixture of titanium oxide powder and titania nanotube was used was 0.1 to 10 wt%. At this time, the mixture ratio of titanium oxide powder and titania nanotube was set to 99: 1 to 1:99.
[酸化チタン層の形成]
ソーダガラス基板、FTO電極およびバリヤ層の積層体を、140℃に加熱したホット
プレート上に設置し、バリヤ層の上面に、ゾル液(酸化チタン層材料)を滴下(塗布法)
し、乾燥した。この操作を7回繰り返し行って積層するようにした。
[Formation of titanium oxide layer]
A laminated body of soda glass substrate, FTO electrode and barrier layer is placed on a hot plate heated to 140 ° C., and a sol solution (titanium oxide layer material) is dropped onto the upper surface of the barrier layer (coating method)
And dried. This operation was repeated 7 times to laminate.
これにより、空孔率が34%の酸化チタン層を得た。なお、この酸化チタン層の平均厚
さは、7.2μmであった。
Thereby, a titanium oxide layer having a porosity of 34% was obtained. The average thickness of this titanium oxide layer was 7.2 μm.
なお、バリヤ層と酸化チタン層との全体における厚さ方向の抵抗値は、1kΩ/cm2
以上であった。
The resistance value in the thickness direction of the entire barrier layer and titanium oxide layer is 1 kΩ / cm 2.
That was all.
−4− 次いで、ソーダガラス基板、FTO電極、バリヤ層および酸化チタン層の積層
体を、ルテニウムトリスビピジル(有機染料)の飽和エタノール溶液に浸漬した後、かか
るエタノール溶液から取り出し、自然乾燥により、エタノールを揮発した。さらに、80
℃、0.5時間、クリーンオーブンで乾燥した後、一晩放置した。これにより、酸化チタ
ン層の外面および孔の内面に沿って色素層を形成した。
-4- Next, the soda glass substrate, the FTO electrode, the barrier layer, and the titanium oxide layer are immersed in a saturated ethanol solution of ruthenium trisbipidyl (organic dye), then taken out from the ethanol solution, and then naturally dried. The ethanol was volatilized. In addition, 80
After drying in a clean oven at 0 ° C. for 0.5 hour, it was left overnight. Thereby, the dye layer was formed along the outer surface of the titanium oxide layer and the inner surface of the hole.
−5− 次いで、ソーダガラス基板、FTO電極、バリヤ層および色素層Dが形成され
た酸化チタン層の積層体を少なくとも、大気圧よりも減圧された図7に示す減圧チャンバ
ーに入れた状態で、上記色素層Dの上面に上記各種塗布法によって正孔輸送層5を塗布す
る。
-5- Next, in a state where the laminated body of the titanium oxide layer on which the soda glass substrate, the FTO electrode, the barrier layer, and the dye layer D are formed is put in at least a reduced pressure chamber shown in FIG. The hole transport layer 5 is applied to the upper surface of the dye layer D by the various application methods.
より具体的には、図7に示す密閉されたチャンバー内に、色素層Dが電子輸送層4上に
形成された基板2を入れ、このチャンバーを減圧にする。
More specifically, the substrate 2 on which the dye layer D is formed on the
次に減圧チャンバーの減圧バルブ(弁)74を開放した状態で、真空ポンプを稼働させ
、減圧室75内を減圧し、1×10-2torr程度の真空状態にする。
Next, with the pressure reducing valve (valve) 74 of the pressure reducing chamber opened, the vacuum pump is operated to reduce the pressure in the pressure reducing chamber 75 to a vacuum state of about 1 × 10 −2 torr.
その後、チャンバーの基板2上に設けられたシリコンゴムに、正孔輸送材料を入れたシ
リンジ73の針71を刺し、気密状態が破られない状態で、電子輸送層4上に形成された
色素層D上に、シリンジ内の正孔輸送材料をゆっくりと滴下して、塗布する。
Thereafter, a dye layer formed on the
このときの正孔輸送材料の前記基板への滴下の量は、1cm2の面積に対し、0.01
mL毎分である。
The amount of the hole transport material dropped onto the substrate at this time is 0.01% with respect to an area of 1 cm 2.
mL per minute.
なお、前記塗布法によるは正孔輸送材料の前記色素層上への滴下の開始は、前記減圧チ
ャンバー内が減圧状態になった後、1〜5分経過後に開始した。
In addition, depending on the said coating method, the start of dripping of the hole transport material onto the dye layer was started after 1 to 5 minutes had elapsed after the inside of the decompression chamber was in a decompressed state.
前記塗布法によって形成される正孔輸送層5の平均厚さとしては、20μm程度であっ
た。
The average thickness of the hole transport layer 5 formed by the coating method was about 20 μm.
また、減圧チャンバーは80℃に加熱したホットプレート上に設置し、CuIのアセト
ニトリル溶液(正孔輸送層材料)を、色素層Dが形成された酸化チタン層の上面に滴下し
、乾燥しながら行った。
The decompression chamber was placed on a hot plate heated to 80 ° C., and a solution of CuI in acetonitrile (hole transport layer material) was dropped onto the top surface of the titanium oxide layer on which the dye layer D was formed and dried. It was.
この操作を2〜100回程度繰り返し行って、CuI溶液がナノポーラス状態に形成し
たTiO2層に十分に浸透するようにして、寸法:縦30mm×横30mm×厚さ20μ
mのCuI層(正孔輸送層)を形成した。
This operation is repeated about 2 to 100 times so that the CuI solution sufficiently penetrates the TiO 2 layer formed in the nanoporous state, and the dimensions are: length 30 mm × width 30 mm × thickness 20 μm.
m CuI layer (hole transport layer) was formed.
なお、アセトニトリル溶液中には、正孔輸送効率向上物質として、テトラプロピルアン
モニウムヨーダイドを1×10-3wt%となるように添加した。
In the acetonitrile solution, tetrapropylammonium iodide was added as a hole transport efficiency improving substance so as to be 1 × 10 −3 wt%.
また、アセトニトリル溶液中には、CuIのバインダーとして、シアノレジン(シアノ
エチル化物)を添加した。なお、CuIとシアノレジンとが、質量比(重量比)で、97
:3となるように配合した。
Further, cyanoresin (cyanoethylated product) was added to the acetonitrile solution as a CuI binder. In addition, CuI and cyanoresin are 97 by mass ratio (weight ratio).
: Blended to be 3.
さらに、アセトニトリル溶液中には、結晶サイズ粗大化抑制物質として、チオシアン酸
ナトリウム(NaSCN)を1×10-3wt%となるように添加した。
Furthermore, sodium thiocyanate (NaSCN) was added to the acetonitrile solution as a crystal size coarsening inhibitor so as to be 1 × 10 −3 wt%.
−6− 次いで、CuI層の上面に、蒸着法により、寸法:縦30mm×横30mm×
厚さ0.1mmの白金電極(第2の電極)を形成した。
-6 Next, on the upper surface of the CuI layer, the dimensions: length 30 mm x width 30 mm x by vapor deposition
A platinum electrode (second electrode) having a thickness of 0.1 mm was formed.
−7− 次いで、第1の電極と第2の電極6で狭持された光電変換素子を、キセノン光
源で光アニールした。このときの温度は110℃、時間は180分間である。の温度でな
される。
−7− Next, the photoelectric conversion element held between the first electrode and the second electrode 6 was optically annealed with a xenon light source. The temperature at this time is 110 ° C. and the time is 180 minutes. Made at a temperature of
(実施例2)
次のようにして、湿式色素増感型太陽電池(光電変換素子)を製造した。
(Example 2)
A wet dye-sensitized solar cell (photoelectric conversion element) was produced as follows.
−0− まず、寸法:縦30mm×横35mm×厚さ1.0mmのソーダガラス基板を
用意した。次に、このソーダガラス基板を85℃の洗浄液(硫酸と過酸化水素水との混合
液)に浸漬して洗浄を行い、その表面を清浄化した。
-0- First, a soda glass substrate having dimensions: length 30 mm × width 35 mm × thickness 1.0 mm was prepared. Next, this soda glass substrate was cleaned by immersing it in a cleaning solution (mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution) at 85 ° C. to clean the surface.
−1− 次に、ソーダガラス基板の上面に、蒸着法により、寸法:縦30mm×横35
mm×厚さ1μmのFTO電極(第1の電極)を形成した。
-1- Next, on the upper surface of the soda glass substrate, the dimensions: length 30 mm × width 35 by vapor deposition.
An FTO electrode (first electrode) of mm × thickness 1 μm was formed.
−2− 次に、形成したFTO電極の上面の縦30mm×横30mmの領域に酸化チタ
ン層(電子輸送層)を形成した。これは、次のようにして行った。
-2- Next, a titanium oxide layer (electron transport layer) was formed in a region of 30 mm length × 30 mm width on the upper surface of the formed FTO electrode. This was done as follows.
[酸化チタン粉末の調製]
ルチル型の二酸化チタン粉末と、アナターゼ型の二酸化チタン粉末との混合物からなる
酸化チタン粉末を用意した。なお、酸化チタン粉末の平均粒径は、20nmであり、ルチ
ル型の二酸化チタン粉末とアナターゼ型の二酸化チタン粉末との配合比は、重量比で60
:40とした。
[Preparation of titanium oxide powder]
A titanium oxide powder made of a mixture of a rutile type titanium dioxide powder and an anatase type titanium dioxide powder was prepared. The average particle diameter of the titanium oxide powder is 20 nm, and the mixing ratio of the rutile type titanium dioxide powder and the anatase type titanium dioxide powder is 60 by weight.
: 40.
さらに、二酸化チタン粉末とは別にチタニアナノチューブを用意した。このチタニアナ
ノチューブ状(体)の直径は、製造条件によるが、5〜50nmであり、長さは10〜2
00nmである。
Furthermore, a titania nanotube was prepared separately from the titanium dioxide powder. The diameter of the titania nanotube (body) is 5 to 50 nm depending on the production conditions, and the length is 10 to 2.
00 nm.
[ゾル液(酸化チタン層材料)の調製]
まず、チタンテトライソプロポキシドを、2−プロパノールに1mol/Lとなるよう
に溶解した。
[Preparation of sol solution (titanium oxide layer material)]
First, titanium tetraisopropoxide was dissolved in 2-propanol so as to be 1 mol / L.
次いで、この溶液に、酢酸(添加物)と、蒸留水とを混合した。なお、酢酸とチタンテ
トライソプロポキシドとの配合比は、1:1(モル比)となるように、また、蒸留水とチ
タンテトライソプロポキシドとの配合比は、1:1(モル比)となるようにした。
Next, acetic acid (additive) and distilled water were mixed with this solution. The mixing ratio of acetic acid and titanium tetraisopropoxide is 1: 1 (molar ratio), and the mixing ratio of distilled water and titanium tetraisopropoxide is 1: 1 (molar ratio). It was made to become.
次いで、かかる溶液に、調製した酸化チタン粉末もしくはチタニアナノチューブを混入
した。さらに、この懸濁液を2−プロパノールで2倍に希釈した。これにより、ゾル液(
酸化チタン層材料)を調製した。
Next, the prepared titanium oxide powder or titania nanotube was mixed in the solution. Further, this suspension was diluted 2-fold with 2-propanol. As a result, the sol solution (
Titanium oxide layer material) was prepared.
なお、酸化チタン粉末単体を用いた場合のゾル液中の含有量は0.1〜10wt%とし
た。
In addition, content in the sol liquid at the time of using a titanium oxide powder single-piece | unit was 0.1-10 wt%.
また、チタニアナノチューブ単体を用いた場合のゾル液中の含有量は0.1〜10wt
%とした。
In addition, when the titania nanotube is used alone, the content in the sol solution is 0.1 to 10 wt.
%.
さらに、酸化チタン粉末とチタニアナノチューブの混合物を用いた場合のゾル液中の含
有量は0.1〜10wt%とした。このとき、酸化チタン粉末とチタニアナノチューブの
配合比99:1〜1:99となるようにした。
Furthermore, the content in the sol solution when a mixture of titanium oxide powder and titania nanotube was used was 0.1 to 10 wt%. At this time, the mixture ratio of titanium oxide powder and titania nanotube was set to 99: 1 to 1:99.
[酸化チタン層の形成]
ソーダガラス基板上のFTO電極の周辺を5mm程テープでマスキングし、チタニアナ
ノチューブを含有したゾル液(酸化チタン層材料)をスキージ印刷法などで塗布し、乾燥
した。
[Formation of titanium oxide layer]
The periphery of the FTO electrode on the soda glass substrate was masked with a tape of about 5 mm, and a sol solution (titanium oxide layer material) containing titania nanotubes was applied by a squeegee printing method or the like and dried.
その後、ガラス基板からマスキングテープを剥離し、450℃に熱した大気炉に投入し
、30分程度の時間、これを焼成した。
Thereafter, the masking tape was peeled off from the glass substrate, put into an atmospheric furnace heated to 450 ° C., and baked for about 30 minutes.
これにより、空孔率が34%の酸化チタン層を得た。なお、この酸化チタン層の平均厚
さは、17.2μmであった。
Thereby, a titanium oxide layer having a porosity of 34% was obtained. The average thickness of the titanium oxide layer was 17.2 μm.
−3− 次いで、ソーダガラス基板、FTO電極および酸化チタン層の積層体を、ルテ
ニウムトリスビピジル(有機染料)の飽和エタノール溶液に浸漬した後、かかるエタノー
ル溶液から取り出し、自然乾燥により、エタノールを揮発した。さらに、80℃、0.5
時間、クリーンオーブンで乾燥した後、一晩放置した。これにより、酸化チタン層の外面
、孔内及びチタニアナノチューブの内面に沿って色素層を吸着させた。
-3- Next, the soda glass substrate, the FTO electrode, and the titanium oxide layer laminate were immersed in a saturated ethanol solution of ruthenium trisbipidyl (organic dye), then taken out from the ethanol solution, and the ethanol was removed by natural drying. Volatilized. Furthermore, 80 ° C., 0.5
After drying in a clean oven for an hour, it was left overnight. Thereby, the dye layer was adsorbed along the outer surface of the titanium oxide layer, the inside of the pores, and the inner surface of the titania nanotube.
−4−
次に、FTO基板上のTiO2層が形成されていない領域の周辺に30μm程度のスペ
ーサーを張付し、さらにスペーサー上に寸法:縦30mm×横30mm×厚さ1.0mm
のガラス基板を張り付けた。
-4-
Next, a spacer of about 30 μm is attached to the periphery of the area where the TiO 2 layer is not formed on the FTO substrate, and further, dimensions: 30 mm long × 30 mm wide × 1.0 mm thick on the spacer.
A glass substrate was attached.
−5−
つぎに、上記で作成した2枚のガラス基板の間隙に、アセトニトリルを溶媒としたヨウ
素溶液を注入した。正孔輸送効率向上物質として、テトラプロピルアンモニウムヨーダイ
ドを1×10-3wt%となるように添加した。
-5-
Next, an iodine solution using acetonitrile as a solvent was injected into the gap between the two glass substrates prepared above. Tetrapropylammonium iodide was added as a hole transport efficiency improving substance so as to be 1 × 10 −3 wt%.
以上述べたように、本発明によれば、第1の電極と第2の電極6で狭持された光電変換
素子において、前記電子輸送層材料には、ナノチューブ状(体)の結晶チタニア(チタニ
アナノチューブという)を単体もしくは混合物として用いているので、通常用いられる二
酸化チタン粒子に比べてチタニアナノチューブの比表面積が大きく、電子輸送層4の表面
積を十分大きくすることができる。したがって、電子輸送層4の外面および孔41の内面
に沿って形成される色素層D(後述参照)の形成面積(形成領域)も十分に大きくするこ
とができる。
As described above, according to the present invention, in the photoelectric conversion element sandwiched between the first electrode and the second electrode 6, the electron transport layer material includes a nanotube-like (body) crystalline titania (titania). Since the specific surface area of titania nanotubes is larger than that of normally used titanium dioxide particles, the surface area of the
また、本発明の光電変換素子は、製造が容易であり、安価に製造できる。 The photoelectric conversion element of the present invention is easy to manufacture and can be manufactured at low cost.
1A,1B…太陽電池、2…基板、3…第1の電極、4…電子輸送層、41…孔、5…
正孔輸送層、51…凸部、6…第2の電極、7…スペーサ、8…バリヤ層、11A…積層
体、12A…積層体、11B…積層体、12B…積層体、100…外部回路、200…ダ
イオード、D…色素層。
1A, 1B ... solar cell, 2 ... substrate, 3 ... first electrode, 4 ... electron transport layer, 41 ... hole, 5 ...
Hole transport layer, 51 ... convex portion, 6 ... second electrode, 7 ... spacer, 8 ... barrier layer, 11A ... laminate, 12A ... laminate, 11B ... laminate, 12B ... laminate, 100 ... external circuit , 200 ... diode, D ... dye layer.
Claims (17)
該第1の電極と対向して設置された第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に位置し、その少なくとも一部が多孔質な電子
輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記第2の電極との間に位置する正孔輸送層とを有する光電変換素子
であって、
前記電子輸送層中には、色素から励起した電子の逆電子移動を抑制する物質が含まれて
いることを特徴とする光電変換素子。 A first electrode;
A second electrode disposed opposite the first electrode;
An electron transport layer located between the first electrode and the second electrode, at least a portion of which is porous;
A dye layer in contact with the electron transport layer;
A photoelectric conversion element having a hole transport layer located between the electron transport layer and the second electrode,
The photoelectric conversion element, wherein the electron transport layer contains a substance that suppresses reverse electron transfer of electrons excited from the dye.
)下端電位よりも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質であることを特
徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The substance that suppresses the reverse electron transfer of the electrons is a conduction band of the electron transport layer.
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is a substance having a conduction band lower end potential lower than the lower end potential.
)下端電位よりも価電子帯(Valence Band)側に伝導帯(Conduction Band)下端電位を
有する物質であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The substance that suppresses the reverse electron transfer of the electrons is a conduction band of the electron transport layer.
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is a substance having a conduction band lower end potential on the valence band side of the lower end potential.
バーコートされていることを特徴とする請求項1ないし3に記載の光電変換素子。 4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein a surface of the electron transport layer is overcoated with a substance that suppresses reverse electron transfer of electrons excited from the dye. 5.
りも低い伝導帯(Conduction Band)下端電位を有する物質がオーバーコートされている
請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion according to claim 1, wherein a surface of the electron transport layer is overcoated with a substance having a conduction band lower end potential lower than a conduction band lower end potential of the electron transport layer. element.
0.1〜10ナノメートルであることを特徴とする請求項5及び請求項6に記載の光電変
換素子。 An overcoat layer of a substance that suppresses reverse electron transfer of the electrons on the surface of the electron transport material,
It is 0.1-10 nanometer, The photoelectric conversion element of Claim 5 and Claim 6 characterized by the above-mentioned.
子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the substance that suppresses reverse electron transfer of electrons is a metal oxide.
記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a lower end potential of a conduction band of the electron transport layer is 4.5 eV.
eVよりも価電子帯(Valence Band)側に下端電位を有する物質であるである請求項1に
記載の光電変換素子。 The lower end potential of the conduction band of the substance that suppresses reverse electron transfer of the electron is 4.5.
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is a substance having a lower end potential on the valence band side of eV.
項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electron transport material contains at least crystal particles or tube crystals.
ることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electron transport material is at least TiO 2 nanoparticles or titania nanotubes.
下端電位よりも高い価電子帯(Valence Band)下端電位を有する物質であることを特徴と
する請求項1に記載の光電変換素子。 The substance that suppresses reverse electron transfer of the electrons is a valence band of the electron transport layer.
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is a substance having a valence band lower end potential higher than the lower end potential.
下端電位よりも伝導帯(Conduction Band)側に価電子帯(Valence Band)下端電位を有
する物質であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The substance that suppresses reverse electron transfer of the electrons is a valence band of the electron transport layer.
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is a substance having a valence band lower end potential closer to a conduction band than a lower end potential.
nd)下端電位を有する物質が前記電子輸送層の表面にオーバーコートされている請求項1
4および請求項15に記載の光電変換素子。 A valence band higher than the lower end potential of the valence band of the electron transport layer.
nd) A substance having a lower end potential is overcoated on the surface of the electron transport layer.
The photoelectric conversion element of Claim 4 and Claim 15.
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