JP2009187738A - 光電変換材料、半導体電極およびそれを用いた光電変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた光電変換特性を有する光電変換材料、半導体電極および光電変換素子を提供すること。
【解決手段】一般式（１）で示される化合物の少なくとも１種を色素として光電変換材料に用いる。
【化１】

【選択図】なし

Description

本発明は、光電変換材料、半導体電極およびそれを用いた光電変換素子に関するものである。

大量の化石燃料の使用で引き起こされるＣＯ₂濃度増加による地球温暖化、更に人口増加に伴うエネルギー需要の増大は、人類の存亡にまで関わる問題と認識されている。そのため近年、無限で有害物質を発生しない太陽光の利用が精力的に検討されている。このクリーンエネルギー源である太陽光利用として現在実用化されているものは、住宅用の単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンおよびテルル化カドミウムやセレン化インジウム銅等の無機系太陽電池が挙げられる。

しかしながら、これらの無機系太陽電池にも欠点がある。例えばシリコン系では、非常に純度の高いものが要求され、当然精製の工程は複雑でプロセス数が多く、製造コストが高い。それ以外にも軽量化等の要求もあり、特に、ユーザーへのペイバックが長い点でも不利であり、普及には問題があった。

その一方で、有機材料を使う太陽電池も多く提案されている。有機太陽電池としては、ｐ型有機半導体と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型光電変換素子、ｐ型有機半導体とｎ型無機半導体、あるいはｐ型有機半導体と電子受容性有機化合物を接合させるヘテロ接合型光電変換素子等があり、利用される有機半導体は、クロロフィル、ペリレン等の合成色素や顔料、ポリアセチレン等の導電性高分子材料、またはそれらの複合材料等である。これらを真空蒸着法、キャスト法、またはディッピング法等により、薄膜化し電池材料が構成されている。有機材料は低コスト、大面積化が容易等の長所もあるが、光電変換特性が低いものが殆どであり、また耐久性も悪いという問題もあった。

こうした状況の中で、良好な特性を示す太陽電池がスイスのグレッツェル博士らによって報告された（非特許文献１参照）。この文献には電池作製に必要な材料および製造技術も開示されている。提案された電池は色素増感型太陽電池、あるいはグレッツェル型太陽電池と呼ばれ、ルテニウム錯体で分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池である。この方式の利点は酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度まで精製する必要がないこと、従って安価で、更に利用できる光は広い可視光領域にまでわたっており、可視光成分の多い太陽光を有効に電気へ変換できることである。

反面、資源的制約があるルテニウム錯体が使われているため、この太陽電池が実用化された場合に、ルテニウム錯体の供給が危ぶまれている。また、この資源的な制約ゆえに、ルテニウム錯体自体が高価なものとなっており、コスト面で問題が生じる可能性があるとされている。よって、ルテニウム錯体をより安価な有機色素へ変更することを目的として、従来より種々の提案がなされてきている。その例として、種々のメロシアニン色素、シアニン色素、９−フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素などが開示されているが（例えば、特許文献１〜６など参照）、より優れた光電変換特性を有する光電変換材料が求められている。
特開平１１−２３８９０５号公報 特開２００１−７６７７３号公報 特開平１０−９２４７７号公報 特開２００２−１６４０８９号公報 特開２００４−９５４５０号公報 特開２００５−２０９６８２号公報 Ｎａｔｕｒｅ，３５３，７３７（１９９１）

本発明の課題は、優れた光電変換特性を有する光電変換材料、半導体電極および光電変換素子を提供することである。

本発明者は上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、下記一般式（１）で示される化合物の少なくとも１種を光電変換材料として用いることで目標達成することができた。

式中、Ｚは５員の含窒素複素環を形成するのに必要な原子群を表す。Ｒ₁はｐＫａ６未満の酸性基を置換基として有する脂肪族基、芳香族基を表す。Ｒ₂、Ｒ₃は脂肪族基、芳香族基、複素環基を表す。Ｌは共役メチン基ユニットを表す。ｎは０〜２の整数を表す。

光電変換材料とは、例えば導電性支持体を構成する材料、半導体電極を構成する材料、電解質、対極を構成する材料等、光を電気エネルギーに変換する素子を構成する全ての部材のことを意味する。可視領域に光電変換能を持たない半導体電極上に可視領域の光を吸収する色素を吸着担持させることにより、半導体電極の光電変換能を可視領域にまで拡大することができるが、このような目的で使用される色素は増感色素と呼ばれる。本発明で使用される一般式（１）で示される化合物は、この増感色素として作用する。

本発明で使用される一般式（１）で示される化合物を増感色素として用いることにより、優れた光電変換特性を有する光電変換素子を得ることができる。

以下に本発明で使用される化合物について詳細に述べる。前記一般式（１）において、Ｚは５員の含窒素複素環を形成するのに必要な原子群を表す。その具体例としては、例えばピロリン環、オキサゾリン環、チアゾリン環などがある。またこれらは、ベンゾ縮環やナフト縮環などの縮環構造を有していてもよい。以上のうち好ましいものは、ベンゾ縮環構造を有するピロリン環、チアゾリン環などであり、特にベンゾ縮環構造を有するピロリン環が好ましい。

Ｒ₁はｐＫａ６未満の酸性基を置換基として有する脂肪族基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、オクチル基などのアルキル基、アリル基、ブテニル基などのアルケニル基、プロパルギル基などのアルキニル基、ベンジル基などのアラルキル基など）、芳香族基（例えば、フェニル基、トリル基、ナフチル基など）を表す。うち好ましいものは、炭素数４以下の脂肪族基である。なおｐＫａが６未満の酸性基の例としては、例えばカルボキシ基、スルホ基、スルフィノ基、スルフェノ基、フォスフォノ基、フォスフィニコ基などが挙げられるが、中でもカルボキシ基が特に好ましい。またこれらの酸性基は、遊離酸であっても、塩（例えばアンモニウム塩、トリメチルアンモニウム塩、トリエチルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩などのアンモニウム塩、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩などのアルカリ金属塩など）であってもよい。

Ｒ₂、Ｒ₃は脂肪族基（例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基などのアルキル基、アリル基、ブテニル基、ヘキセニル基などのアルケニル基、プロペニル基、ブチニル基、ヘキシニル基などのアルキニル基、ベンジル基、フェネチル基、ナフチルメチル基、ナフチルエチル基などのアラルキル基など）、芳香族基（Ｒ₁の芳香族基に同義）、複素環基（例えば、イミダゾリル基、チアゾリル基、ピリジル基、モルホリノ基、テトラヒドロピラニル基など）を表す。うち好ましいものは、Ｒ₂については炭素数６〜１２のアルキル基、炭素数７〜１２のアラルキル基であり、Ｒ₃については炭素数４以下のアルキル基である。

Ｌは共役メチン基ユニット（奇数個の共役メチン鎖からなる）を表す。うち好ましいものは炭素数１個のモノメチン構造である。ｎは０〜２の整数を表す。うち好ましいものは、ｎ＝１である。

また一般式（１）におけるピロール環は、Ｒ₁およびＲ₂、Ｒ₃で述べたような脂肪族基や芳香族基、複素環基、アミノ基（例えば、無置換アミノ基、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ基、Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノ基など）、ヒドロキシ基、アルコキシ基（例えば、メトキシ基、エトキシ基、ｎ−プロポキシ基など）、ハロゲン原子などの周知の置換基により置換されていることが好ましい。その好ましい例としては、Ｒ₁およびＲ₂、Ｒ₃で述べたような炭素数８以下の脂肪族基や芳香族基などが挙げられる。また、Ｚで形成される５員の含窒素複素環およびそれに縮環しているベンゾ環やナフト環などにも上記のような置換基を有していてもよい。またこれらの置換基は、可能であるならば更に周知の置換基により置換されていてもよい。

以下に本発明に使用される化合物の具体例を挙げるが、これらは何ら本発明を限定するものではない。

これらの化合物は、公知の合成法にて容易に合成できる。以下に代表的合成例を述べる。

（例示化合物Ｄ−２の合成）
中間体Ａの合成
２，３，３−トリメチルインドレニン６．４ｇ、２−クロロ−２−フェニルアセトフェノン９．２ｇを混合し、浴温１３０℃にて４時間加熱した。その後室温まで冷却し、１０質量％炭酸ナトリウム水溶液１００ｍｌを加え、浴温９０℃で２時間攪拌した。ついで室温まで放冷し、目的成分をトルエン２００ｍｌにて抽出した。そしてトルエン層を飽和ＮａＣｌ水１５０ｍｌにて洗浄、乾燥（無水硫酸マグネシウム）し、ついでトルエンを減圧留去した。残渣の油状物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（展開溶媒：トルエン／ｎ−ヘキサン＝１／１）により精製して４．５ｇの中間体Ａを得た。

中間体Ｂの合成
中間体Ａ２．４ｇ、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド１０ｍｌを混合し、内温１５℃以下で攪拌しながら、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド４．５ｍｌとオキシ塩化リン１．５ｍｌより調製したＶｉｌｓｍｅｉｅｒ試薬を２０分間で滴下した。ついで浴温を上昇させ、内温４０℃で１．５時間攪拌を行った。ついでこの反応液を水１５０ｍｌに注ぎ、更に５０質量％水酸化カリウム水溶液２０ｍｌを加えて、室温にて攪拌を行った。２時間後、析出した固体を濾取、水洗、乾燥した。ついでこの固体をトルエンより再結晶して、１．８ｇの中間体Ｂを得た。

Ｄ−２の合成
中間体Ｂ０．３６ｇ、下記中間体Ｃ（特開平８−２６９３４５号公報に記載の合成例を参考にして合成）０．５１ｇ、酢酸アンモニウム０．０１ｇ、酢酸１５ｍｌを混合し、浴温１２０℃にて８時間加熱を行った。ついで室温まで冷却、そして析出した固体を濾取し、アセトンで洗浄後乾燥して、０．４ｇの粗生成物を得た。これをシリカゲルカラムクロマトグラフィー（展開溶媒クロロホルム／メタノール＝１０／１）で精製して、０．３６ｇの例示化合物Ｄ−２を得た。
吸収極大（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液）：５１８ｎｍ

（例示化合物Ｄ−１３の合成）
中間体Ｄの合成
２，３，３−トリメチルインドレニン８．０ｇ、ｐ−メチルフェナシルブロミド１０．７ｇを混合し、浴温１００℃にて４時間加熱した。その後室温まで冷却し、１０質量％炭酸ナトリウム水溶液１００ｍｌを加え、浴温９０℃で６時間攪拌した。ついで室温まで放冷し、目的成分をトルエン２００ｍｌにて抽出した。そしてトルエン層を飽和ＮａＣｌ水１５０ｍｌにて洗浄、乾燥（無水硫酸マグネシウム）し、ついでトルエンを減圧留去した。残渣の油状物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（展開溶媒：トルエン／ｎ−ヘキサン＝１／１）により精製して４．３ｇの中間体Ｄを得た。

中間体Ｅの合成
中間体Ｄ４．９ｇ、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド１０ｍｌを混合し、内温１５℃以下で攪拌しながら、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド１１ｍｌとオキシ塩化リン３．５ｍｌより調製したＶｉｌｓｍｅｉｅｒ試薬を２０分間で滴下した。ついで浴温を上昇させ、内温４０℃で１．５時間攪拌を行った。ついでこの反応液を水１５０ｍｌに注ぎ、更に５０質量％水酸化カリウム水溶液２０ｍｌを加えて、室温にて攪拌を行った。２時間後、析出した固体を濾取、水洗、乾燥した。ついでこの固体をシクロヘキサンより再結晶して、３．４ｇの中間体Ｅを得た。

Ｄ−１３の合成
中間体Ｅ０．３０ｇ、前記中間体Ｃ０．５１ｇ、酢酸アンモニウム０．０１ｇ、酢酸１５ｍｌを混合し、浴温１２０℃にて１５時間加熱を行った。ついで室温まで冷却、そして析出した固体を濾取し、メタノールで洗浄後乾燥して、０．３ｇの粗生成物を得た。これをシリカゲルカラムクロマトグラフィー（展開溶媒クロロホルム／メタノール＝１０／１）で精製して、０．２０ｇの例示化合物Ｄ−１３を得た。
吸収極大（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液）：５２９ｎｍ

本発明の光電変換素子は、表面に導電性を有する基板と、その導電性表面上に設置した色素によって増感された半導体層、電荷移動層および対極からなる。半導体層は単層構成でも積層構成でもよく、目的に応じて設計される。また、導電性支持体の導電層と半導体層の境界、半導体層と移動層の境界等、この素子における境界においては、各層の構成成分は相互に拡散、または混合していてもよい。

表面に導電性を有する基板は、金属のように支持体そのものに導電性があるもの、または表面に導電剤を含む導電層を有するガラスあるいはプラスチックの支持体を用いることができる。後者の場合、導電剤としては白金、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、炭素、あるいはインジウム−スズ複合酸化物（以降「ＩＴＯ」と略記する）、フッ素をドーピングした酸化スズ等の金属酸化物（以降「ＦＴＯ」と略記する）等が挙げられる。表面に導電性を有する基板は、光を１０％以上透過する透明性を有していることが好ましく、５０％以上透過することがより好ましい。この中でも、ＩＴＯやＦＴＯからなる導電層をガラス上に堆積した導電性ガラスが特に好ましい。

表面に導電性を有する透明基板における表面導電層の抵抗を下げる目的で、金属リード線を用いてもよい。金属リード線の材質はアルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル等の金属が挙げられる。金属リード線は、透明導電性支持体に蒸着、スパッタリング、圧着等で設置し、その上にＩＴＯやＦＴＯを設ける方法、あるいは表面に導電性を有する透明基板上に金属リード線を設置する方法がある。

半導体としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、あるいは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。金属のカルコゲニドとしてはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、あるいはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、等のリン化物、ガリウム砒素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等が好ましい。また、ペロブスカイト構造を有する化合物としては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等が好ましい。

本発明に用いられる半導体は、単結晶でも多結晶でもよい。光電変換特性向上のためには単結晶が好ましいが、製造コスト、原材料確保等のためには多結晶が好ましい。またその半導体の粒径は２ｎｍ以上、１μｍ以下であることが好ましい。

表面に導電性を有する基板上に半導体層を形成する方法としては、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法、ゾル−ゲル法等がある。その分散液の作製方法としては、前述のゾル−ゲル法、乳鉢等で機械的に粉砕する方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、あるいは半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させ、そのまま使用する方法等が挙げられる。

機械的粉砕、あるいはミルを使用して粉砕して作製する分散液の場合、少なくとも半導体微粒子単独、あるいは半導体微粒子と樹脂の混合物を水あるいは有機溶剤に分散して形成される。使用される樹脂としては、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等によるビニル化合物の重合体や共重合体、シリコーン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリエステル樹脂、セルロースエステル樹脂、セルロースエーテル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。

半導体微粒子を分散する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸ｎ−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、あるいはＮ−メチル−２−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、ｏ−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは１−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−オクタン、１，５−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができる。これらは単独、あるいは２種以上の混合溶媒として用いることができる。

得られた分散液の塗布方法としては、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、ブレード法、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、あるいはスプレー法を挙げることができる。

更に半導体層は、単層であっても多層であってもよい。多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布したり、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。また、一度の塗布で膜厚が不足する場合には多層塗布は有効な手段である。

一般的に、半導体層の膜厚が増大するほど単位投影面積当たりの担持色素量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離も増えるために電荷の再結合も多くなってしまう。従って、半導体層の膜厚は０．１〜１００μｍが好ましく、１〜３０μｍがより好ましい。

半導体微粒子は表面に導電性を有する基板上に塗布した後、加熱処理してもしなくともよいが、粒子同士の電子的コンタクトおよび塗膜強度の向上や支持体との密着性向上の点から、加熱処理をした方が好ましい。更に、マイクロ波照射、プレス処理あるいは電子線照射を行ってもよく、これらの処理は単独で行っても二種類以上行っても構わない。加熱処理の際、加熱温度は４０〜７００℃が好ましく、８０〜６００℃がより好ましい。また、加熱時間は５分〜５０時間が好ましく、１０分〜２０時間がより好ましい。マイクロ波照射は、半導体電極の半導体層形成側から照射しても、裏側から照射しても構わない。照射時間には特に制限がないが、１時間以内で行うことが好ましい。プレス処理は、９．８×１０⁶Ｐａ以上が好ましく、９．８×１０⁷Ｐａ以上が更に好ましい。プレスする時間は特に制限がないが、１時間以内で行うことが好ましい。

半導体微粒子は多くの色素を吸着できるように表面積の大きなものが好ましい。このため半導体層を支持体上に塗設した状態での比表面積は、１〜１０００ｍ²／ｇであることが好ましく、１０〜５００ｍ²／ｇであることがより好ましい。

本発明の半導体電極および光電変換素子は、前記一般式（１）で示される化合物の少なくとも１種を増感色素として用いる。また２種以上を併用しても構わない。

半導体層に色素を吸着させる方法としては、色素溶液中あるいは色素分散液中に半導体微粒子を含有する作用電極を浸漬する方法、色素溶液あるいは分散液を半導体層に塗布して吸着させる方法を用いることができる。前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等を用いることができ、後者の場合は、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。

色素を吸着する際、縮合剤を併用してもよい。縮合剤は、無機物表面に物理的あるいは化学的に色素を結合すると思われる触媒的作用をするもの、または化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。更に、縮合助剤としてチオール、あるいはヒドロキシ化合物を添加してもよい。

色素を溶解、あるいは分散する溶媒は、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸ｎ−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、あるいはＮ−メチル−２−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、ｏ−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは１−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−オクタン、１，５−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができ、これらは単独、あるいは２種以上の混合として用いることができる。

これらを用い、色素を吸着する際の温度としては、−５０℃以上２００℃以下が好ましい。また、この吸着は攪拌しながら行っても構わない。攪拌する場合の方法としては、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザー、あるいは超音波分散等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。吸着に要する時間は、５秒以上１０００時間以下が好ましく、１０秒以上５００時間以下がより好ましく、１分以上１５０時間以下が更に好ましい。

本発明では、前記一般式（１）で示される化合物を色素として半導体層に吸着する際、ステロイド系化合物を併用しても構わない。

そのステロイド化合物の具体例としては、（Ｅ−１）〜（Ｅ−１０）に示すものが挙げられる。ステロイド系化合物の量は、色素１質量部に対して０．０１〜１０００質量部が好ましく、０．１〜１００質量部がより好ましい。

色素を吸着した後、あるいは色素と上記ステロイド系化合物を共吸着した後、ｔ−ブチルピリジン、２−ピコリン、２，６−ルチジン等の塩基性化合物、あるいはリン酸、リン酸エステル、アルキルリン酸、酢酸、プロピオン酸等の酸性化合物を含有する有機溶媒に浸漬処理しても構わない。

本発明に係わる電荷移動層としては、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機正孔輸送物質、有機正孔輸送物質等を用いることができる。

本発明で使用される電解液は、電解質、溶媒、および添加物から構成されることが好ましい。好ましい電解質はヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化カルシウム等の金属ヨウ化物−ヨウ素の組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の４級アンモニウム化合物のヨウ素塩−ヨウ素の組み合わせ、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、臭化カルシウム等の金属臭化物−臭素の組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の４級アンモニウム化合物の臭素塩−臭素の組み合わせ、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩、フェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等が挙げられる。上述の電解質は単独の組み合わせであっても混合であってもよい。また、電解質として、室温で溶融状態の溶融塩を用いることもできる。この溶融塩を用いた場合は、特に溶媒を用いなくても構わない。

電解液における電解質濃度は、０．０５〜２０Ｍが好ましく、０．１〜１５Ｍが更に好ましい。電解液に用いる溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、３−メチル−２−オキサゾリジノン等の複素環化合物、ジオキサン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等のエーテル系溶媒、メタノール、エタノール、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のアルコール系溶媒、アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル系溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の非プロトン性極性溶媒等が好ましい。また、ｔ−ブチルピリジン、２−ピコリン、２，６−ルチジン等の塩基性化合物を併用しても構わない。

本発明では、電解質はポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法によりゲル化させることもできる。ポリマー添加によりゲル化させる場合の好ましいポリマーとしては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン等を挙げることができる。オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合の好ましいゲル化剤としては、ジベンジルデン−Ｄ−ソルビトール、コレステロール誘導体、アミノ酸誘導体、トランス−（１Ｒ，２Ｒ）−１，２−シクロヘキサンジアミンのアルキルアミド誘導体、アルキル尿素誘導体、Ｎ−オクチル−Ｄ−グルコンアミドベンゾエート、双頭型アミノ酸誘導体、４級アンモニウム誘導体等を挙げることができる。

多官能モノマーによって重合する場合の好ましいモノマーとしては、ジビニルベンゼン、エチレングルコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等を挙げることができる。更に、アクリルアミド、メチルアクリレート等のアクリル酸やα−アルキルアクリル酸から誘導されるエステル類やアミド類、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル等のマレイン酸やフマル酸から誘導されるエステル類、ブタジエン、シクロペンタジエン等のジエン類、スチレン、ｐ−クロロスチレン、スチレンスルホン酸ナトリウム等の芳香族ビニル化合物、ビニルエステル類、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、含窒素複素環を有するビニル化合物、４級アンモニウム塩を有するビニル化合物、Ｎ−ビニルホルムアミド、ビニルスルホン酸、ビニリデンフルオライド、ビニルアルキルエーテル類、Ｎ−フェニルマレイミド等の単官能モノマーを含有してもよい。モノマー全量に占める多官能性モノマーは、０．５〜７０質量％が好ましく、１．０〜５０質量％がより好ましい。

上述のモノマーは、ラジカル重合によって重合することができる。本発明で使用できるゲル電解質用モノマーは、加熱、光、電子線あるいは電気化学的にラジカル重合することができる。架橋高分子が加熱によって形成される場合に使用される重合開始剤は、２，２′−アゾビスイソブチロニトリル、２，２′−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、ジメチル−２，２′−アゾビス（２−メチルプロピオネート）等のアゾ系開始剤、ベンゾイルパーオキシド等の過酸化物系開始剤等が好ましい。これらの重合開始剤の添加量は、モノマー総量に対して、０．０１〜２０質量％が好ましく、０．１〜１０質量％がより好ましい。

ポリマーの架橋反応により電解質をゲル化させる場合、架橋反応に必要な反応性基を含有するポリマーおよび架橋剤を併用することが望ましい。架橋可能な反応性基に好ましい例としては、ピリジン、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、トリアゾール、モルフォリン、ピペリジン、ピペラジン等の含窒素複素環を挙げることができ、好ましい架橋剤は、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキル、スルホン酸エステル、酸無水物、酸クロリド、イソシアネート等の窒素原子に対して求電子反応可能な２官能以上の試薬を挙げることができる。

無機正孔輸送物質を電解質の代わりに用いる場合、ヨウ化銅、チオシアン化銅等をキャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解メッキ等の手法により電極内部に導入することができる。

また、電解質の代わりに有機電荷輸送物質を用いることも可能である。電荷輸送物質には正孔輸送物質と電子輸送物質がある。前者の例としては、例えば特公昭３４−５４６６号公報等に示されているオキサジアゾール類、特公昭４５−５５５号公報等に示されているトリフェニルメタン類、特公昭５２−４１８８号公報等に示されているピラゾリン類、特公昭５５−４２３８０号公報等に示されているヒドラゾン類、特開昭５６−１２３５４４号公報等に示されているオキサジアゾール類、特開昭５４−５８４４５号公報に示されているテトラアリールベンジジン類、特開昭５８−６５４４０号公報、あるいは特開昭６０−９８４３７号公報に示されているスチルベン類等を挙げることができる。その中でも、本発明に使用される電荷輸送物質としては、特開昭６０−２４５５３号公報、特開平２−９６７６７号公報、特開平２−１８３２６０号公報、並びに特開平２−２２６１６０号公報に示されているヒドラゾン類、特開平２−５１１６２号公報、並びに特開平３−７５６６０号公報に示されているスチルベン類が特に好ましい。また、これらは単独、あるいは２種以上の混合物として用いることができる。

一方、電子輸送物質としては、例えばクロラニル、テトラシアノエチレン、テトラシアノキノジメタン、２，４，７−トリニトロ−９−フルオレノン、２，４，５，７−テトラニトロ−９−フルオレノン、２，４，５，７−テトラニトロキサントン、２，４，８−トリニトロチオキサントン、１，３，７−トリニトロジベンゾチオフェン、あるいは１，３，７−トリニトロジベンゾチオフェン−５，５−ジオキシド等がある。これらの電子輸送物質は単独、あるいは２種以上の混合物として用いることができる。

更に、電荷移動層中の電荷移動効率を向上させる目的として、ある種の電子吸引性化合物を電荷移動層中に添加することもできる。この電子吸引性化合物としては例えば、２，３−ジクロロ−１，４−ナフトキノン、１−ニトロアントラキノン、１−クロロ−５−ニトロアントラキノン、２−クロロアントラキノン、フェナントレンキノン等のキノン類、４−ニトロベンズアルデヒド等のアルデヒド類、９−ベンゾイルアントラセン、インダンジオン、３，５−ジニトロベンゾフェノン、あるいは３，３′，５，５′−テトラニトロベンゾフェノン等のケトン類、無水フタル酸、４−クロロナフタル酸無水物等の酸無水物、テレフタラルマロノニトリル、９−アントリルメチリデンマロノニトリル、４−ニトロベンザルマロノニトリル、あるいは４−（ｐ−ニトロベンゾイルオキシ）ベンザルマロノニトリル等のシアノ化合物、３−ベンザルフタリド、３−（α−シアノ−ｐ−ニトロベンザル）フタリド、あるいは３−（α−シアノ−ｐ−ニトロベンザル）−４，５，６，７−テトラクロロフタリド等のフタリド類等を挙げることができる。

電荷輸送材料を用いて電荷移動層を形成する場合、樹脂を併用しても構わない。樹脂を併用する場合にはポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリアリレート樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂が好ましい。これらの樹脂は、単独あるいは共重合体として２種以上を混合しても構わない。

電荷移動層の形成方法は大きく２通りの方法が挙げられる。１つは増感色素を担持した半導体層の上に、先に対極を貼り合わせ、その隙間に液状の電荷移動層を挟み込む方法、もう一つは、増感色素を担持した半導体層の上に直接電荷移動層を付与する方法である。後者の場合、電荷移動層の上に対極を新たに付与することになる。

前者の場合、電荷移動層の挟み込み方法として、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセスと常圧より低い圧力にして気相を液相に置換する真空プロセスが挙げられる。後者の場合、湿式の電荷移動層においては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止を施す必要がある。また、ゲル電解液の場合においては、湿式で塗布して重合等の方法により固体化する方法もある。その場合、乾燥、固定化した後に対極を付与してもよい。電解液の他、有機電荷輸送材料の溶解液やゲル電解質を付与する方法としては、半導体層や色素の付与と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライドホッパー法、ワイヤーバー法、スピン法、スプレー法、キャスト法、各種印刷法等が挙げられる。

対極は、前述の表面に導電性を有する基板と同様に導電層を有する支持体上に用いることができるが、導電層自体が強度や密封性を十分有する場合は必ずしも支持体は必要ではない。対極に用いる材料の具体例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属、炭素系化合物、ＩＴＯ、ＦＴＯ等の導電性金属酸化物等が挙げられる。対極の厚さには特に制限はない。

感光層に光が到達するためには、半導体層を保持した表面に導電性を有する基板と対極の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の光電変換素子においては、半導体微粒子層を保持した表面に導電性を有する基板が透明であり、太陽光を半導体層を保持した導電性基板側から入射させる方法が好ましい。この場合、対極には光を反射させる材料を使用することが好ましく、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、あるいは金属薄膜が好ましい。

対極の塗設については前述の通り、電荷移動層の上に付与する場合と半導体層上に付与する場合の２通りがある。何れの場合も対極材料の種類や電荷移動層の種類により、適宜、電荷移動層上または半導体層上に対極材料を塗布、ラミネート、蒸着、貼り合わせ等の手法により形成可能である。また、電荷移動層が固体の場合には、その上に直接、前述の導電性材料を塗布、蒸着、ＣＶＤ等の手法で対極を形成することができる。

次に本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。

二酸化チタン（日本アエロジル社製Ｐ−２５）２ｇ、アセチルアセトン０．２ｇ、界面活性剤（アルドリッチ社製Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００）０．３ｇを水６．５ｇと共にペイントコンディショナー（レッドデビル社製）で６時間分散処理を施した。更に、この分散液４．０ｇに対して濃硝酸０．２ｍｌ、エタノール０．４ｍｌ、ポリエチレングリコール（＃２０，０００）１．２ｇを加えてペーストを作製した。このペーストをＦＴＯガラス基板上に膜厚１２μｍになるように塗布し、室温で乾燥後、１００℃で１時間、更に５５０℃で１時間焼成し、半導体電極を得た。

表１に示す本発明の色素および下記比較の色素を、それぞれテトラヒドロフランに溶解し、０．３ｍＭの濃度の色素溶液を作製した。これらの色素溶液に、先に作製した半導体電極を室温で１５時間浸漬して吸着処理を施し、色素吸着半導体電極(作用電極)を作製した。対極にはチタニウム板上に白金をスパッタリングしたものを使用した。両電極を互いに向かい合うように配置し、それらの間に電解液を注入して光電変換素子を作製した。電解液はヨウ化リチウム０．１Ｍ、ヨウ素０．０５Ｍ、ヨウ化１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウム０．５Ｍの３−メトキシアセトニトリル溶液を使用した。

このようにして作製した光電変換素子の作用電極側から、光源としてソーラーシミュレーター（ＹＳＳ−４０Ｓ、山下電装（株）製）から発生した擬似太陽光（ＡＭ１．５Ｇ、照射強度１００ｍＷ／ｃｍ²）を照射し、電気化学測定装置（ＳＩ−１２８０Ｂ、ソーラートロン社製）を用いて光電変換特性を評価した。その結果を表１に示す。

本発明の色素（Ｄ−２、Ｄ−３、Ｄ−１３、Ｄ−１７）および比較の色素（Ｃ−１、Ｃ−３）をテトラヒドロフランに溶解し、０．３ｍＭの濃度の色素溶液を作製した。この色素溶液に、ステロイド化合物（Ｅ−１）を０．６ｍＭの濃度で溶解した。ついで、この色素溶液に、実施例１で作製した半導体電極を室温で１５時間浸漬して吸着処理を施した。電解液はヨウ化リチウム０．１Ｍ、ヨウ素０．０５Ｍ、ヨウ化１，２−ジメチル−３−ｎ−プロピルイミダゾリウム０．５Ｍの３−メトキシアセトニトリル溶液、対極にはチタニウム板上に白金をスパッタリングしたものを使用した。以下実施例１と同様の方法で、光電変換特性を評価した。その結果を表２に示す。

以上の結果から明らかなように、本発明の化合物は短絡電流密度および開放電圧の何れもが比較化合物より大きく、優れた光電変換特性を有していることがわかる。

本発明の活用例として、太陽電池等の光電変換素子に加えて、特定波長の光に感応する光センサー等が挙げられる。

Claims (4)

1. 下記一般式（１）で示される化合物の少なくとも１種を用いることを特徴とする光電変換材料。
   

   

   （式中、Ｚは５員の含窒素複素環を形成するのに必要な原子群を表す。Ｒ₁はｐＫａ６未満の酸性基を置換基として有する脂肪族基、芳香族基を表す。Ｒ₂、Ｒ₃は脂肪族基、芳香族基、複素環基を表す。Ｌは共役メチン基ユニットを表す。ｎは０〜２の整数を表す。）
2. 表面に導電性を有する基板と、その導電性表面上に被覆された半導体層と、その半導体層の表面に吸着した色素からなる半導体電極において、色素として請求項１に記載の化合物を少なくとも１種以上用いることを特徴とする半導体電極。
3. 前記半導体が、チタン、スズ、亜鉛、鉄、銅、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、タンタル、カドミウム、鉛、銀、アンチモン、ビスマス、モリブデン、アルミニウム、ガリウム、クロム、コバルト、ニッケルから選ばれる金属カルコゲニドを少なくとも１種含むことを特徴とする請求項２記載の半導体電極。
4. 請求項２または請求項３記載の半導体電極を用いることを特徴とする光電変換素子。