JP2009212035A - 色素増感光電変換素子及び太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電変換素子は基板1、1′、透明導電膜2、7、酸化物半導体3、色素4、電解質5、隔壁9等から構成される。対向電極6は基板1′、透明導電膜7、白金8から構成される。色素4は、特定構造を有する2種の色素から構成される。2種の色素は、分子長の差(|L1−L2|)が特定式に従う。
【選択図】図1
Description
B.O’Regan and M.Gratzel,Nature,353,737(1991)
一般式(2)及び(5)中、Ar2、Ar3はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R4は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基、アリール基または複素環基を表し、アルキル基、アミノ基、アリール基、複素環基は置換基を有していてもよい。R5、R6、R11、R12は単結合、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基を表し、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基は置換基を有していてもよい。X2、X3、X8、X9は酸性基を表す。R4、Ar2、Ar3は連結し、環を形成してもよい。
一般式(3)及び(6)中、Ar4、Ar5、Ar6はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R7、R8、R9、R13,R14、R15は単結合、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基を表し、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基は置換基を有していてもよい。Ar4、Ar5、Ar6は連結し、環を形成してもよい。X4、X5、X6、X10、X11、X12は酸性基を表す。)
式(X) 0.1≦|L1−L2|≦2.2(nm)
(式中、L1は一般式(1)〜(3)で表される色素の分子長を表し、L2は一般式(4)〜(6)で表される色素の分子長を表す。分子長L1及びL2は、Combridge Soft社製ChemDraw Ultra Ver.9.0.1にて化合物を作図する際に、最も分子長が長くなるよう作図、構造最適化した構造において、中心窒素原子から酸性基が結合している原子までの原子間距離(nm)を表す。)
2.導電性支持体上の酸化物半導体に複数の色素を担持させてなる色素担持半導体電極と対向電極とを、電荷移動層を介して対向配置してなる色素増感光電変換素子において、前記複数の色素が、下記一般式(7)と(10)、または一般式(8)と(11)、または一般式(9)と(12)で表される2種の色素を有し、かつ、前記2種の色素の分子長の差(|L1−L2|)が下記式(X)に従うことを特徴とする色素増感光電変換素子。
一般式(8)及び一般式(11)中、Ar24、Ar25、Ar26はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R24は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基、アリール基または複素環基を表し、アルキル基、アミノ基、アリール基、複素環基は置換基を有していてもよい。R25、R26、R31、R32は単結合、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基を表し、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基は置換基を有していてもよい。X22、X23、X28、X29は酸性基を表す。Ar24、Ar25、Ar26は連結し、環を形成してもよい。
一般式(9)及び一般式(12)中、Ar27、Ar28、Ar29はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R27、R28、R29、R33、R34、R35は単結合、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基を表し、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基は置換基を有していてもよい。Ar27、Ar28、Ar29は連結し、環を形成してもよい。X24、X25、X26、X30、X31、X32は酸性基を表す。)
式(X) 0.1≦|L1−L2|≦2.2(nm)
(式中、L1は一般式(7)〜(9)で表される色素の分子長を表し、L2は一般式(10)〜(12)で表される色素の分子長を表す。分子長L1及びL2は、Combridge Soft社製ChemDraw Ultra Ver.9.0.1にて化合物を作図する際に、最も分子長が長くなるよう作図、構造最適化した構造において、中心窒素原子から酸性基が結合している原子までの原子間距離(nm)を表す。)
3.前記1または2に記載の色素増感光電変換素子を用いることを特徴とする太陽電池。
本発明では、色素として、前記一般式(1)と(4)、または前記一般式(2)と(5)、または前記一般式(3)と(6)で表される2種の色素を組み合わせて用いる。
下記トリフェニルアミン化合物に3当量のオキシ塩化リンならびに4当量のN,N′−ジメチルホルムアミドを加え、窒素雰囲気下にて8時間60℃で加熱した後、水を加え20℃1時間攪拌することによりホルミル体を得た。
上記トリフェニルアミン化合物のDMF溶液に1.05当量のN−ブロモスクシミドを加え、20℃で10分間攪拌した。反応液を酢酸エチルで抽出、水洗、硫酸マグネシウムで乾燥後、ロータリーエバポレータにて濃縮乾固し、シリカカラムで処理しブロモ体を得た。
下記トリフェニルアミン化合物に6当量のオキシ塩化リンならびに8当量のN,N′−ジメチルホルムアミドを加え、窒素雰囲気下にて8時間60℃で加熱した後、水を加え20℃1時間攪拌することによりジホルミル体を得た。
トリフェニルアミン化合物のDMF溶液に2.1当量のN−ブロモスクシミドを加え、20℃で10分間攪拌した。反応液を酢酸エチルで抽出、水洗、硫酸マグネシウムで乾燥後、ロータリーエバポレータにて濃縮乾固し、シリカカラムで処理しジブロモ体を得た。
下記トリフェニルアミン化合物に9当量のオキシ塩化リンならびに12当量のN,N′−ジメチルホルムアミドを加え、窒素雰囲気下にて8時間60℃で加熱した後、水を加え20℃1時間攪拌することによりトリホルミル体を得た。
本発明の光電変換素子や本発明の太陽電池に用いられる導電性支持体としては、金属板のような導電性基板や、ガラス板やプラスチックフイルムのような非導電性基板に導電性物質を設けた構造のものを用いることができる。導電性支持体に用いられる材料の例としては、金属(例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム)あるいは導電性金属酸化物(例えばインジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの)や炭素を挙げることができる。導電性支持体の厚さは特に制約されないが、0.3〜5mmが好ましい。
本発明に係る色素担持半導体電極の作製方法について説明する。
まず、酸化物半導体の微粉末を含む塗布液を調製する。この半導体微粉末はその1次粒子径が微細な程好ましく、その1次粒子径は1〜5000nmが好ましく、さらに好ましくは2〜50nmである。酸化物半導体微粉末を含む塗布液は、半導体微粉末を溶媒中に分散させることによって調製することができる。溶媒中に分散された半導体微粉末は、その1次粒子状で分散する。溶媒としては酸化物半導体微粉末を分散し得るものであればよく、特に制約されない。
上記のようにして得られた酸化物半導体微粉末含有塗布液を、導電性支持体上に塗布または吹きつけ、乾燥等を行った後、空気中または不活性ガス中で焼成して、導電性支持体上に酸化物半導体層(半導体膜)が形成される。
酸化物半導体の増感処理は、色素を適切な溶媒に溶解し、その溶液に前記半導体を焼成した基板を浸漬することによって行われる。その際には半導体層(半導体膜ともいう)を焼成により形成させた基板を、予め減圧処理したり加熱処理したりして膜中の気泡を除去しおくことが好ましい。このような処理により、本発明に係る色素が半導体層(半導体膜)内部深くに進入できるようになり、半導体層(半導体膜)が多孔質構造膜である場合には特に好ましい。
酸化物半導体を焼成した基板を、本発明に係る色素を含む溶液に浸漬する時間は、半導体層(半導体膜)に前記化合物が深く進入して吸着等を充分に進行させ、酸化物半導体を十分に増感させることが好ましい。また、溶液中での前記化合物の分解等により生成した分解物が化合物の吸着を妨害することを抑制する観点から、25℃条件下では3〜48時間が好ましく、さらに好ましくは4〜24時間である。この効果は、特に半導体膜が多孔質構造膜である場合において顕著である。ただし、浸漬時間については25℃条件での値であり、温度条件を変化させた場合には、上記の限りではない。
本発明に用いられる電解質について説明する。
本発明に用いられる対向電極について説明する。
本発明の太陽電池について説明する。
《光電変換セルの作製》
(光電変換セル1の作製)
市販の酸化チタンペースト(粒径18nm)をフッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板へ塗布した。60℃で10分間加熱してペーストペーストを乾燥した後、500℃で30分間焼成を行った。次に色素D−1と色素D−2の1:1混合物をエタノールに溶解し、3×10-4Mの溶液を作製した。前記酸化チタンを塗布焼結したFTOガラス基板を、この溶液に室温で12時間浸漬して色素の吸着処理を行い、光電変換電極とした。電解液にはヨウ化リチウム0.4M、ヨウ素0.05M、4−(t−ブチル)ピリジン0.5Mを含む3−メチルプロピオニトリル溶液を用いた。対極に白金板を用い、先に作製した光電変換電極ならびに電解液とクランプセルで組み立てることにより光電変換セル1を得た。
光電変換セル1の作製に用いた色素D−1と色素D−2を、表1記載の色素(併用)に変更した以外は光電変換セル1の作製と同様にして光電変換セル2〜11、26〜27を作製した。
市販の酸化チタンペースト(粒径18nm)をフッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板へ塗布した。60℃で10分間加熱してペーストペーストを乾燥した後、500℃で30分間焼成を行った。次に色素D−1(単独使用)をエタノールに溶解し、3×10-4Mの溶液を作製した。前記酸化チタンを塗布焼結したFTOガラス基板を、この溶液に室温で12時間浸漬して色素の吸着処理を行い、光電変換電極とした。電解液にはヨウ化リチウム0.4M、ヨウ素0.05M、4−(t−ブチル)ピリジン0.5Mを含む3−メチルプロピオニトリル溶液を用いた。対極に白金板を用い、先に作製した光電変換電極ならびに電解液とクランプセルで組み立てることにより光電変換セル12を得た。
光電変換セル12の作製に用いた色素D−1を、表1記載の色素に変更した以外は光電変換セル12の作製と同様にして光電変換セル13〜25を作製した。
作製した光電変換セルをAM1.5Gの擬似太陽光(100mA/cm2)に曝露した時の光電変換特性の測定を行った。即ち、光電変換素子について、I−Vテスターを用いて室温にて電流−電圧特性を測定し、短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、及び形状因子(F.F.)を求め、これらから光電変換効率(η(%))を求めた。なお、光電変換効率(η(%))は、下記式(A)に基づいて算出した。
ここで、Pは入射光強度[mW/cm-2]、Vocは開放電圧[V]、Jscは短絡電流密度[mA・cm-2]、F.F.は形状因子を示す。
2,7 透明導電膜
3 酸化物半導体
4 色素
5 電解質
6 対向電極
8 白金(Pt)
Claims (3)
- 導電性支持体上の酸化物半導体に複数の色素を担持させてなる色素担持半導体電極と対向電極とを、電荷移動層を介して対向配置してなる色素増感光電変換素子において、前記複数の色素が、下記一般式(1)と(4)、または一般式(2)と(5)、または一般式(3)と(6)で表される2種の色素を有し、かつ、前記2種の色素の分子長の差(|L1−L2|)が下記式(X)に従うことを特徴とする色素増感光電変換素子。
一般式(2)及び(5)中、Ar2、Ar3はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R4は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基、アリール基または複素環基を表し、アルキル基、アミノ基、アリール基、複素環基は置換基を有していてもよい。R5、R6、R11、R12は単結合、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基を表し、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基は置換基を有していてもよい。X2、X3、X8、X9は酸性基を表す。R4、Ar2、Ar3は連結し、環を形成してもよい。
一般式(3)及び(6)中、Ar4、Ar5、Ar6はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R7、R8、R9、R13,R14、R15は単結合、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基を表し、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基は置換基を有していてもよい。Ar4、Ar5、Ar6は連結し、環を形成してもよい。X4、X5、X6、X10、X11、X12は酸性基を表す。)
式(X) 0.1≦|L1−L2|≦2.2(nm)
(式中、L1は一般式(1)〜(3)で表される色素の分子長を表し、L2は一般式(4)〜(6)で表される色素の分子長を表す。分子長L1及びL2は、Combridge Soft社製ChemDraw Ultra Ver.9.0.1にて化合物を作図する際に、最も分子長が長くなるよう作図、構造最適化した構造において、中心窒素原子から酸性基が結合している原子までの原子間距離(nm)を表す。) - 導電性支持体上の酸化物半導体に複数の色素を担持させてなる色素担持半導体電極と対向電極とを、電荷移動層を介して対向配置してなる色素増感光電変換素子において、前記複数の色素が、下記一般式(7)と(10)、または一般式(8)と(11)、または一般式(9)と(12)で表される2種の色素を有し、かつ、前記2種の色素の分子長の差(|L1−L2|)が下記式(X)に従うことを特徴とする色素増感光電変換素子。
一般式(8)及び一般式(11)中、Ar24、Ar25、Ar26はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R24は水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、アミノ基、アリール基または複素環基を表し、アルキル基、アミノ基、アリール基、複素環基は置換基を有していてもよい。R25、R26、R31、R32は単結合、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基を表し、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基は置換基を有していてもよい。X22、X23、X28、X29は酸性基を表す。Ar24、Ar25、Ar26は連結し、環を形成してもよい。
一般式(9)及び一般式(12)中、Ar27、Ar28、Ar29はアリール基を表し、置換基を有していてもよい。R27、R28、R29、R33、R34、R35は単結合、アルキレン基、アリーレン基、または2価の複素環基、またはこれらの結合基を表し、アルキレン基、アリーレン基または2価の複素環基は置換基を有していてもよい。Ar27、Ar28、Ar29は連結し、環を形成してもよい。X24、X25、X26、X30、X31、X32は酸性基を表す。)
式(X) 0.1≦|L1−L2|≦2.2(nm)
(式中、L1は一般式(7)〜(9)で表される色素の分子長を表し、L2は一般式(10)〜(12)で表される色素の分子長を表す。分子長L1及びL2は、Combridge Soft社製ChemDraw Ultra Ver.9.0.1にて化合物を作図する際に、最も分子長が長くなるよう作図、構造最適化した構造において、中心窒素原子から酸性基が結合している原子までの原子間距離(nm)を表す。) - 請求項1または2に記載の色素増感光電変換素子を用いることを特徴とする太陽電池。
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JP2008056082A JP5194893B2 (ja) | 2008-03-06 | 2008-03-06 | 色素増感光電変換素子及び太陽電池 |
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