JP2010020942A - Photoelectric conversion material, semiconductor electrode, and photoelectric conversion element using the same - Google Patents

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孝一 住岡
Takaaki Kasai
孝章 香西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion material, a semiconductor electrode and a photoelectric conversion element, having excellent photoelectric conversion efficiency. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion material uses at least one of compounds shown by General Formula (1), as a pigment. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a photoelectric conversion material, a semiconductor electrode, and a photoelectric conversion element using the same.

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。 Global warming due to the increase in CO 2 concentration caused by the use of a large amount of fossil fuel, and the increase in energy demand accompanying population increase are recognized as problems related to the existence of human beings. For this reason, in recent years, the use of sunlight that is infinite and does not generate harmful substances has been energetically studied. What is currently put into practical use as sunlight, which is a clean energy source, includes residential single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and inorganic solar cells such as cadmium telluride and indium copper selenide.

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。   However, these inorganic solar cells also have drawbacks. For example, a silicon system is required to have a very high purity. Naturally, the purification process is complicated, the number of processes is large, and the manufacturing cost is high. In addition, there is a demand for weight reduction and the like, and in particular, it is disadvantageous in that payback to the user is long, and there is a problem in the spread.

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、変換効率は1%以下と低いものが多く、また耐久性も悪いという問題もあった。   On the other hand, many solar cells using organic materials have been proposed. As an organic solar cell, a Schottky photoelectric conversion element that joins a p-type organic semiconductor and a metal having a low work function, a p-type organic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor, or a p-type organic semiconductor and an electron-accepting organic compound are joined. There are heterojunction photoelectric conversion elements and the like, and organic semiconductors used are synthetic dyes and pigments such as chlorophyll and perylene, conductive polymer materials such as polyacetylene, or composite materials thereof. These are thinned by a vacuum deposition method, a casting method, a dipping method, or the like to form a battery material. Although organic materials have advantages such as low cost and easy area enlargement, there are many problems that the conversion efficiency is as low as 1% or less and the durability is poor.

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。ここで提案されている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ために、前述の無機系太陽電池と比較して製造コストが低減できること、また利用できる光が可視光領域に幅広くいきわたっているため、可視光領域のエネルギー強度が高いとされる太陽光を有効に電気へ変換できることである。   Under such circumstances, a solar cell exhibiting good characteristics has been reported by Dr. Gretzell of Switzerland (see Non-Patent Document 1). This document also discloses materials and manufacturing techniques necessary for battery fabrication. The battery proposed here is called a dye-sensitized solar cell or a Gretzel solar cell, and is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized with a ruthenium complex as a working electrode. The advantage of this method is that it is not necessary to purify an inexpensive oxide semiconductor such as titanium oxide to high purity, so that the manufacturing cost can be reduced compared to the inorganic solar cell described above, and the available light is in the visible light region. Therefore, it is possible to effectively convert sunlight, which has a high energy intensity in the visible light region, into electricity.

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、従来より様々な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1〜4など参照)、これらは光電変換特性においてルテニウム錯体よりかなり劣っており、実用性に乏しいものがほとんどであった。   On the other hand, ruthenium complexes with limited resources are used, so when this solar cell is put to practical use, the supply of ruthenium complexes is in danger. In addition, due to this resource limitation, the ruthenium complex itself is expensive, and it is considered that there may be a problem in terms of cost. Therefore, various proposals have heretofore been made for the purpose of changing the ruthenium complex to a cheaper organic dye. Examples thereof include various merocyanine dyes, cyanine dyes, 9-phenylxanthene dyes, coumarin dyes, and the like (see, for example, Patent Documents 1 to 4). Most of them were very inferior and poor in practicality.

一方、最近、酸化物半導体の分光増感色素として、ルテニウム錯体に匹敵する高性能を有する有機色素が開示された(例えば、特許文献5〜9参照)が、実用的な太陽電池を製造する観点からは、更なる改良が求められている。
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2004−200068号公報 特開2005−19252号公報 特開2007−115673号公報 特開2008−16383号公報 特開2008−98138号公報 Nature,353,737(1991)
On the other hand, recently, organic dyes having high performance comparable to ruthenium complexes have been disclosed as spectral sensitizing dyes for oxide semiconductors (see, for example, Patent Documents 5 to 9). Therefore, further improvement is required.
JP 11-238905 A JP 2001-76773 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-92477 JP 2002-164089 A JP 2004-200068 A JP 2005-19252 A JP 2007-115673 A JP 2008-16383 A JP 2008-98138 A Nature, 353, 737 (1991)

本発明の課題は優れた光電変換効率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。   The subject of this invention is providing the photoelectric conversion material which has the outstanding photoelectric conversion efficiency, a semiconductor electrode, and a photoelectric conversion element.

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、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により目標を達成することができた。   As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have been able to achieve the target with a photoelectric conversion material characterized by using at least one compound represented by the general formula (1).

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。   The photoelectric conversion material means all members constituting an element that converts light into electric energy, such as a material constituting a conductive support, a material constituting a semiconductor electrode, an electrolyte, and a material constituting a counter electrode. To do. By adsorbing and supporting a dye that absorbs light in the visible region on a semiconductor electrode that does not have photoelectric conversion capability in the visible region, the photoelectric conversion capability of the semiconductor electrode can be expanded to the visible region. The dye used in is called a sensitizing dye. The compound represented by the general formula (1) used in the present invention acts as this sensitizing dye.

Figure 2010020942
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式中、R1、R2、R3は脂肪族基、芳香族基、複素環基を表し、またR2、R3は互いに連結して環を形成していても良い。R4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。L1は共役メチン基ユニットを表す。L2は炭素数6以下のアルキレン基を表し、R5は脂肪族基、芳香族基、複素環基を表す。 In the formula, R 1 , R 2 and R 3 represent an aliphatic group, an aromatic group and a heterocyclic group, and R 2 and R 3 may be linked to each other to form a ring. R 4 represents an aliphatic group or an aromatic group having an acidic group of less than pKa6 as a substituent. L 1 represents a conjugated methine group unit. L 2 represents an alkylene group having 6 or less carbon atoms, and R 5 represents an aliphatic group, an aromatic group, or a heterocyclic group.

本発明で使用される一般式(1)で示される化合物の少なくとも1種を用いることにより、優れた光電変換効率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得ることができる。   By using at least one compound represented by the general formula (1) used in the present invention, a photoelectric conversion material, a semiconductor electrode, and a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.

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、R1、R2、R3は脂肪族基(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)、複素環基(例えば、インドリル基、ピリジル基、フリル基、チエニル基など)を表す。うちR1として好ましいものは芳香族基であり、そしてこの芳香族基は、更に種々の置換基によって置換されていても良い。その好ましい例としては、上述のような脂肪族基、芳香族基、複素環基に加えて、アミノ基、ビニル基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヒドロキシ基、カルボキシ基、ハロゲン原子などがあり、またこれらは可能であるならば更に置換基を有していても良い。またR2、R3として好ましいものは脂肪族基である。なお以上述べたR1、R2、R3の組み合わせの中で光電変換効率においてより好ましい特性を示すものは、R1が芳香族基でR2、R3が互いに連結して5または6員環を形成しているものであり、うち特に好ましい特性を示すR1、R2、R3の組み合わせのものは、下記構造で示されるものである。 The compounds used in the present invention are described in detail below. In the general formula (1), R 1 , R 2 and R 3 are aliphatic groups (eg, alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl and octyl groups, alkenyl groups such as allyl and butenyl groups, propargyl) Alkynyl groups such as aralkyl groups, aralkyl groups such as benzyl groups, etc., aromatic groups (eg phenyl groups, tolyl groups, naphthyl groups, etc.), heterocyclic groups (eg indolyl groups, pyridyl groups, furyl groups, thienyl groups, etc.) ). Among them, preferred as R 1 is an aromatic group, and this aromatic group may be further substituted with various substituents. Preferred examples thereof include, in addition to the aliphatic group, aromatic group and heterocyclic group as described above, an amino group, vinyl group, alkoxy group, aryloxy group, alkylthio group, arylthio group, hydroxy group, carboxy group, There are halogen atoms and the like, and these may further have a substituent if possible. Preferred as R 2 and R 3 are aliphatic groups. Among the combinations of R 1 , R 2 , and R 3 described above, those having more preferable characteristics in photoelectric conversion efficiency are those in which R 1 is an aromatic group and R 2 and R 3 are connected to each other to form 5 or 6 members. A combination of R 1 , R 2 , and R 3 that forms a ring and exhibits particularly preferable characteristics is represented by the following structure.

Figure 2010020942
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上記構造中、R21は芳香族基(なおこの芳香族基は、種々の置換基により置換されていても良い)を表す。その好ましい具体的な例としては、以下のようなものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 In the above structure, R 21 represents an aromatic group (note that this aromatic group may be substituted with various substituents). Specific preferred examples thereof include the following, but are not limited thereto.

Figure 2010020942
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Figure 2010020942
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上記した芳香族基の中で光電変換効率においてより好ましい特性を示すものは、Ar−5、Ar−10〜Ar−13、Ar−20〜Ar−22などであり、うち特に好ましい特性を示すものは、Ar−5、Ar−10〜Ar−12、Ar−21、Ar−22である。   Among the above-mentioned aromatic groups, those that exhibit more preferable characteristics in photoelectric conversion efficiency are Ar-5, Ar-10 to Ar-13, Ar-20 to Ar-22, and the like, of which particularly preferable characteristics are shown. Are Ar-5, Ar-10 to Ar-12, Ar-21, Ar-22.

一般式(1)のR4はpKaが6未満の酸性基を置換基として有する脂肪族基(前記R1、R2、R3に同義)、芳香族基(前記R1、R2、R3に同義)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り、更に炭素数2個以下の脂肪族基が特に好ましい。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。 R 4 in the general formula (1) is an aliphatic group having the acidic group having a pKa of less than 6 as a substituent (synonymous with the above R 1 , R 2 , R 3 ), an aromatic group (the above R 1 , R 2 , R 3 is synonymous). Of these, an aliphatic group having 4 or less carbon atoms is preferred, and an aliphatic group having 2 or less carbon atoms is particularly preferred. Examples of the acidic group having a pKa of less than 6 include a carboxy group, a sulfo group, a sulfino group, a sulfeno group, a phosphono group, and a phosphinico group, among which a carboxy group is particularly preferable. These acidic groups may be free acids, such as salts (for example, ammonium salts such as ammonium salt, trimethylammonium salt, triethylammonium salt, tetra-n-butylammonium salt, lithium salt, sodium salt, potassium salt, etc. Alkali metal salts, etc.).

1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。 L 1 represents a conjugated methine group unit (consisting of an odd number of conjugated methine chains). Among these, a monomethine structure having 1 carbon is preferable.

2は炭素数6以下のアルキレン基(例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ヘキシレン基など、なおこれらは直鎖構造であっても、分枝構造であっても良い)を表す。うち好ましいものは、炭素数2から4のものである。R5は脂肪族基(前記R1、R2、R3に同義)、芳香族基(前記R1、R2、R3に同義)、複素環基(前記R1、R2、R3に同義)を表す。うち好ましいものは脂肪族基であり、また中でもフェニル基、ナフチル基(なおこれらの基は、種々の置換基により置換されていても良い)を置換基として有する炭素数3以下の脂肪族基が特に好ましい。 L 2 represents an alkylene group having 6 or less carbon atoms (for example, a methylene group, an ethylene group, a propylene group, a butylene group, a hexylene group, etc., which may be a linear structure or a branched structure). To express. Of these, preferred are those having 2 to 4 carbon atoms. R 5 is an aliphatic group (synonymous with the above R 1 , R 2 , R 3 ), an aromatic group (synonymous with the above R 1 , R 2 , R 3 ), a heterocyclic group (the above R 1 , R 2 , R 3 Represents the same meaning). Among them, preferred are aliphatic groups, and among them, aliphatic groups having 3 or less carbon atoms having a phenyl group or naphthyl group (these groups may be substituted with various substituents) as substituents. Particularly preferred.

次に、本発明の一般式(1)の化合物の具体例を挙げるが、これらに限定されるものではない。   Next, although the specific example of the compound of General formula (1) of this invention is given, it is not limited to these.

Figure 2010020942
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これらの化合物は、例えば特開平8−269345号公報、特開2004−200068号公報などに記載の公知の合成法を参考にすれば容易に合成できる。以下に代表的合成例を述べる。   These compounds can be easily synthesized by referring to known synthesis methods described in, for example, JP-A-8-269345 and JP-A-2004-200068. A typical synthesis example is described below.

(例示化合物D−1の合成)
中間体A1.0g、中間体B1.0g、酢酸アンモニウム0.05g、酢酸100ml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、1.2g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、1.0gの例示化合物D−1を得た。
吸収極大(N,N−ジメチルホルムアミド溶液):530nm
(Synthesis of Exemplified Compound D-1)
Intermediate A 1.0 g, Intermediate B 1.0 g, ammonium acetate 0.05 g, and acetic acid 100 ml were mixed and heated at a bath temperature of 120 ° C. for 8 hours. Subsequently, the mixture was cooled to room temperature, and the precipitated solid was collected by filtration, washed with acetone and dried to obtain 1.2 g of a crude product. This was purified by silica gel column chromatography (developing solvent chloroform / methanol = 10/1) to obtain 1.0 g of exemplary compound D-1.
Absorption maximum (N, N-dimethylformamide solution): 530 nm

(例示化合物D−14の合成)
中間体A1.0g、中間体C1.1g、酢酸アンモニウム0.05g、酢酸100ml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、1.5g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、1.1gの例示化合物D−14を得た。
吸収極大(N,N−ジメチルホルムアミド溶液):530nm
(Synthesis of Exemplified Compound D-14)
Intermediate A 1.0 g, Intermediate C 1.1 g, ammonium acetate 0.05 g, and acetic acid 100 ml were mixed and heated at a bath temperature of 120 ° C. for 8 hours. Then, the mixture was cooled to room temperature, and the precipitated solid was collected by filtration, washed with acetone and dried to obtain 1.5 g of a crude product. This was purified by silica gel column chromatography (developing solvent chloroform / methanol = 10/1) to obtain 1.1 g of exemplified compound D-14.
Absorption maximum (N, N-dimethylformamide solution): 530 nm

Figure 2010020942
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本発明の半導体電極は、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(本発明の一般式(1)で示される化合物)からなる。また本発明の光電変換素子はこれら半導体電極と更に電荷移動層および対極からなる。そして、表面に導電性を有する基板の導電層と半導体層の境界、また半導体層と電荷移動層の境界等、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。   The semiconductor electrode of the present invention comprises a substrate having conductivity on the surface, a semiconductor layer coated on the conductive surface, and a dye adsorbed on the surface of the semiconductor layer (shown by the general formula (1) of the present invention) Compound). The photoelectric conversion element of the present invention comprises these semiconductor electrodes, a charge transfer layer and a counter electrode. At the boundary of this element, such as the boundary between the conductive layer and the semiconductor layer of the substrate having conductivity on the surface, and the boundary between the semiconductor layer and the charge transfer layer, the constituent components of each layer are diffused or mixed with each other. Also good.

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。   As the substrate having conductivity on the surface, a substrate having conductivity on the support itself such as metal, or a glass or plastic support having a conductive layer containing a conductive agent on the surface can be used. In the latter case, the conductive agent is a metal oxide such as platinum, gold, silver, copper, aluminum or the like, carbon or indium-tin composite oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), fluorine-doped tin oxide or the like. (Hereinafter abbreviated as “FTO”) and the like. The substrate having conductivity on the surface preferably has a transparency that transmits 10% or more of light, and more preferably transmits 50% or more. Among these, conductive glass in which a conductive layer made of ITO or FTO is deposited on glass is particularly preferable.

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。   For the purpose of lowering the resistance of the surface conductive layer in the transparent substrate having conductivity on the surface, a metal lead wire may be used. Examples of the material of the metal lead wire include metals such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, and nickel. A metal lead wire is installed on a transparent conductive support by vapor deposition, sputtering, pressure bonding, etc., and a method of providing ITO or FTO thereon, or a method of installing a metal lead wire on a transparent substrate having conductivity on the surface. is there.

本発明の半導体層に用いられる半導体としては、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がある。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好ましいものとして挙げられる。その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やガリウム砒素、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。   Examples of the semiconductor used for the semiconductor layer of the present invention include a single semiconductor such as silicon and germanium, a compound semiconductor typified by a metal chalcogenide, or a compound having a perovskite structure. Metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, or tantalum oxide, cadmium, zinc, lead, silver, antimony, bismuth. And sulfides, cadmium, selenide of lead, telluride of cadmium, and the like. Other compound semiconductors are preferably phosphides such as zinc, gallium, indium, cadmium, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, and the like. As the compound having a perovskite structure, strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate and the like are preferable.

また前述した半導体は、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。   The semiconductor described above may be single crystal or polycrystalline. Single crystals are preferable for improving the photoelectric conversion characteristics, but polycrystals are preferable for manufacturing cost and securing raw materials. Further, the particle diameter of the semiconductor is preferably 2 nm or more and 1 μm or less.

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。   As a method for forming a semiconductor layer on a substrate having conductivity on the surface, there are a method of applying a dispersion or colloidal solution of semiconductor fine particles on a conductive support, a sol-gel method, and the like. The dispersion can be prepared by the above-mentioned sol-gel method, a method of mechanically pulverizing with a mortar, etc., a method of dispersing while pulverizing using a mill, or a fine particle in a solvent when synthesizing a semiconductor. And a method of using it as it is.

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。   In the case of a dispersion prepared by mechanical pulverization or pulverization using a mill, it is formed by dispersing at least semiconductor fine particles alone or a mixture of semiconductor fine particles and a resin in water or an organic solvent. Resins used include polymers and copolymers of vinyl compounds such as styrene, vinyl acetate, acrylic acid esters, methacrylic acid esters, silicone resins, phenoxy resins, polysulfone resins, polyvinyl butyral resins, polyvinyl formal resins, polyester resins. , Cellulose ester resin, cellulose ether resin, urethane resin, phenol resin, epoxy resin, polycarbonate resin, polyarylate resin, polyamide resin, polyimide resin and the like.

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。   Solvents for dispersing the semiconductor fine particles include alcohol solvents such as water, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate. Ester solvents, diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or ether solvents such as dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone , Dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodine Halogenated hydrocarbon solvents such as debenzene or 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, Examples thereof include hydrocarbon solvents such as m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene. These can be used alone or as a mixed solvent of two or more.

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。   Examples of a method for applying the obtained dispersion include a roller method, a dip method, an air knife method, a blade method, a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method. .

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。   Furthermore, the semiconductor layer may be a single layer or multiple layers. In the case of multiple layers, a dispersion of semiconductor fine particles having different particle diameters can be applied in multiple layers, or different types of semiconductors, and application layers having different compositions of resins and additives can be applied in multiple layers. In addition, when the film thickness is insufficient with a single coating, the multilayer coating is an effective means.

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。   In general, as the thickness of the semiconductor layer increases, the amount of supported dye increases per unit projected area and the light capture rate increases. However, the diffusion distance of the generated electrons also increases, and the recombination of charges also increases. End up. Therefore, the film thickness of the semiconductor layer is preferably 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 30 μm.

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。 The semiconductor fine particles need not be heat-treated after being coated on a substrate having conductivity on the surface, but from the viewpoint of improving the electronic contact between the particles and the strength of the coating film and the adhesion to the support, Heat treatment is preferred. Furthermore, microwave irradiation, press treatment, or electron beam irradiation may be performed, and these treatments may be performed alone or in combination of two or more. In the heat treatment, the heating temperature is preferably 40 to 700 ° C, more preferably 80 to 600 ° C. The heating time is preferably 5 minutes to 50 hours, and more preferably 10 minutes to 20 hours. The microwave irradiation may be performed from the semiconductor layer forming side of the semiconductor electrode or from the back side. Although there is no restriction | limiting in particular in irradiation time, It is preferable to carry out within 1 hour. The pressing treatment is preferably 9.8 × 10 6 Pa or more, and more preferably 9.8 × 10 7 Pa or more. There is no particular limitation on the pressing time, but it is preferably performed within 1 hour.

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。 The semiconductor fine particles preferably have a large surface area so that many dyes can be adsorbed. The specific surface area in a state of coated with a semiconductor layer on a support is preferably 1 to 1,000 m 2 / g, and more preferably 10 to 500 m 2 / g.

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。   The semiconductor electrode and photoelectric conversion element of the present invention use at least one compound represented by the general formula (1) as a sensitizing dye. Two or more kinds may be used in combination.

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。   As a method of adsorbing the dye to the semiconductor layer, a method of immersing a working electrode containing semiconductor fine particles in a dye solution or a dye dispersion, or a method of applying a dye solution or a dispersion to the semiconductor layer and adsorbing it is used. Can do. In the former case, dipping method, dipping method, roller method, air knife method, etc. can be used, and in the latter case, wire bar method, slide hopper method, extrusion method, curtain method, spin method, spray method, etc. Can be used.

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。   When adsorbing the dye, a condensing agent may be used in combination. The condensing agent may be either one that has a catalytic action that is supposed to physically or chemically bind the dye to the inorganic surface, or one that acts stoichiometrically to favorably shift the chemical equilibrium. Furthermore, a thiol or a hydroxy compound may be added as a condensation aid.

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。   Solvents for dissolving or dispersing the dye are water, methanol, ethanol, alcohol solvents such as isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, or methyl isobutyl ketone, ethyl formate, ethyl acetate, or n-butyl acetate. Ester solvents such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or dioxane, nitrile solvents such as acetonitrile, propionitrile, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or Amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-di Halogenated hydrocarbon solvents such as lolobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, or 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene , Hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, or cumene, and these can be used alone or as a mixture of two or more.

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。   The temperature at which these are used and the dye is adsorbed is preferably from −50 ° C. to 200 ° C. Further, this adsorption may be performed while stirring. Examples of the stirring method include, but are not limited to, a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, and ultrasonic dispersion. The time required for adsorption is preferably 5 seconds to 1000 hours, more preferably 10 seconds to 500 hours, and even more preferably 1 minute to 150 hours.

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。   In the present invention, when the compound represented by the general formula (1) is adsorbed to the semiconductor layer as a dye, a steroidal compound may be used in combination.

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。   Specific examples of the steroid compound include those shown in E-1 to E-10. 0.01-1000 mass parts is preferable with respect to 1 mass part of pigment | dyes, and, as for the quantity of a steroid type compound, 0.1-100 mass parts is more preferable.

Figure 2010020942
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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。   After adsorbing the dye, or after co-adsorbing the dye and the steroidal compound, basic compounds such as t-butylpyridine, 2-picoline, 2,6-lutidine, or phosphoric acid, phosphate ester, alkyl phosphoric acid Further, it may be dipped in an organic solvent containing an acidic compound such as acetic acid or propionic acid.

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。   As the charge transfer layer according to the present invention, an electrolytic solution in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, a gel electrolyte in which a polymer matrix is impregnated with a liquid in which the redox couple is dissolved in an organic solvent, a molten salt containing the redox couple, A solid electrolyte, an inorganic hole transport material, an organic hole transport material, or the like can be used.

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。   The electrolytic solution used in the present invention is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. Preferred electrolytes are metal iodide-iodine combinations such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, and calcium iodide, and quaternary compounds such as tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, and imidazolium iodide. Iodine salt of ammonium compound-iodine combination, metal bromide-bromine combination such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, calcium bromide, quaternary ammonium such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide Bromine-bromine combinations of compounds, metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate, ferrocene-ferricinium ions, sulfur compounds such as sodium polysulfide, alkylthiol-alkyldisulfides, viologen Dye, hydroquinone - quinones, and the like. The above-mentioned electrolytes may be a single combination or a mixture. Further, a molten salt in a molten state at room temperature can also be used as the electrolyte. When this molten salt is used, it is not necessary to use a solvent.

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。   The electrolyte concentration in the electrolytic solution is preferably 0.05 to 20M, and more preferably 0.1 to 15M. Solvents used for the electrolyte include carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, ether solvents such as dioxane, diethyl ether and ethylene glycol dialkyl ether, methanol, ethanol Alcohol solvents such as polypropylene glycol monoalkyl ether, nitrile solvents such as acetonitrile and benzonitrile, aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide and sulfolane are preferred. Further, basic compounds such as t-butylpyridine, 2-picoline, and 2,6-lutidine may be used in combination.

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、ジベンジリデン−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。   In the present invention, the electrolyte can be gelled by a technique such as addition of a polymer, addition of an oil gelling agent, polymerization including polyfunctional monomers, or a crosslinking reaction of the polymer. Preferable polymers in the case of gelation by polymer addition include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride and the like. Preferred gelling agents for gelation by adding an oil gelling agent include dibenzylidene-D-sorbitol, cholesterol derivatives, amino acid derivatives, trans- (1R, 2R) -1,2-cyclohexanediamine alkylamide derivatives, alkyl Examples include urea derivatives, N-octyl-D-gluconamide benzoate, double-headed amino acid derivatives, quaternary ammonium derivatives, and the like.

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。   Preferred monomers for polymerization with a polyfunctional monomer include divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, pentaerythritol triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, and the like. be able to. Furthermore, esters and amides derived from acrylic acid such as acrylamide and methyl acrylate and α-alkyl acrylic acid, esters derived from maleic acid and fumaric acid such as dimethyl maleate and diethyl fumarate, butadiene, cyclohexane and the like. Dienes such as pentadiene, aromatic vinyl compounds such as styrene, p-chlorostyrene and sodium styrene sulfonate, vinyl esters, acrylonitrile, methacrylonitrile, vinyl compounds having a nitrogen-containing heterocyclic ring, vinyl having a quaternary ammonium salt A monofunctional monomer such as a compound, N-vinylformamide, vinylsulfonic acid, vinylidene fluoride, vinyl alkyl ethers, N-phenylmaleimide may be contained. 0.5-70 mass% is preferable and the polyfunctional monomer which occupies for the monomer whole quantity has more preferable 1.0-50 mass%.

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。   The above-mentioned monomers can be polymerized by radical polymerization. The monomer for gel electrolyte that can be used in the present invention can be radically polymerized by heating, light, electron beam or electrochemical. The polymerization initiator used when the crosslinked polymer is formed by heating is 2,2'-azobisisobutyronitrile, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl-2 An azo initiator such as 2,2'-azobis (2-methylpropionate) and a peroxide initiator such as benzoyl peroxide are preferable. The addition amount of these polymerization initiators is preferably 0.01 to 20% by mass and more preferably 0.1 to 10% by mass with respect to the total amount of monomers.

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。   When the electrolyte is gelled by a crosslinking reaction of the polymer, it is desirable to use a polymer containing a reactive group necessary for the crosslinking reaction and a crosslinking agent in combination. Preferable examples of the crosslinkable reactive group include nitrogen-containing heterocycles such as pyridine, imidazole, thiazole, oxazole, triazole, morpholine, piperidine, piperazine, etc. Preferred crosslinking agents include alkyl halides, halogens Bifunctional or higher functional reagents capable of electrophilic reaction with nitrogen atoms such as aralkyl fluoride, sulfonic acid ester, acid anhydride, acid chloride, and isocyanate can be exemplified.

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。   When an inorganic hole transport material is used instead of the electrolyte, copper iodide, copper thiocyanide, or the like can be introduced into the electrode by a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, electrolytic plating, or the like.

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。   It is also possible to use an organic charge transport material instead of the electrolyte. Charge transport materials include hole transport materials and electron transport materials. Examples of the former include, for example, oxadiazoles disclosed in Japanese Patent Publication No. 34-5466, triphenylmethanes disclosed in Japanese Patent Publication No. 45-555, and Japanese Patent Publication No. 52-4188. Pyrazolines shown in the above, hydrazones shown in JP-B-55-42380, oxadiazoles shown in JP-A-56-123544, etc., JP-A-54-58445 And tetrasylbenzidines disclosed in JP-A No. 58-65440, and stilbenes disclosed in JP-A No. 60-98437. Among them, examples of the charge transport material used in the present invention are shown in JP-A-60-24553, JP-A-2-96767, JP-A-2-183260, and JP-A-2-226160. Particularly preferred are the hydrazones described, and the stilbenes shown in JP-A-2-51162 and JP-A-3-75660. Moreover, these can be used individually or in mixture of 2 or more types.

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。   On the other hand, examples of the electron transport material include chloranil, tetracyanoethylene, tetracyanoquinodimethane, 2,4,7-trinitro-9-fluorenone, 2,4,5,7-tetranitro-9-fluorenone, 2,4 , 5,7-tetranitroxanthone, 2,4,8-trinitrothioxanthone, 1,3,7-trinitrodibenzothiophene, 1,3,7-trinitrodibenzothiophene-5,5-dioxide, etc. . These electron transport materials can be used alone or as a mixture of two or more.

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。   Further, for the purpose of improving the charge transfer efficiency in the charge transfer layer, a certain electron withdrawing compound can be added to the charge transfer layer. Examples of the electron-withdrawing compound include quinones such as 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone, 1-nitroanthraquinone, 1-chloro-5-nitroanthraquinone, 2-chloroanthraquinone, and phenanthrenequinone, 4-nitro Aldehydes such as benzaldehyde, ketones such as 9-benzoylanthracene, indandione, 3,5-dinitrobenzophenone, or 3,3 ', 5,5'-tetranitrobenzophenone, phthalic anhydride, 4-chloronaphthalic anhydride Acid anhydrides such as terephthalalmalononitrile, 9-anthrylmethylidenemalononitrile, 4-nitrobenzalmalononitrile, or cyano compounds such as 4- (p-nitrobenzoyloxy) benzalmalononitrile, 3-benzalphthalide , 3- (α-cyano- - Nitorobenzaru) phthalide, or 3- (alpha-cyano -p- Nitorobenzaru) -4,5,6,7 can be mentioned phthalides such as tetrachloro phthalide like.

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。   When forming a charge transfer layer using a charge transport material, a resin may be used in combination. When resin is used in combination, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polysulfone resin, polycarbonate resin, polyester resin, polyphenylene oxide resin, polyarylate resin, acrylic resin, methacrylic resin, phenoxy resin and the like can be mentioned. Among these, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polycarbonate resin, polyester resin, and polyarylate resin are preferable. These resins may be used alone or as a copolymer in combination of two or more.

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。   There are two main methods for forming the charge transfer layer. One is a method in which a counter electrode is first pasted on a semiconductor layer carrying a sensitizing dye, and a liquid charge transfer layer is sandwiched in the gap, and the other is on a semiconductor layer carrying a sensitizing dye. This is a method of directly providing a charge transfer layer. In the latter case, a counter electrode is newly provided on the charge transfer layer.

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。   In the former case, examples of the method for sandwiching the charge transfer layer include a normal pressure process using a capillary phenomenon due to immersion and a vacuum process in which the gas phase is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure. In the latter case, in the wet charge transfer layer, it is necessary to provide a counter electrode without being dried to prevent liquid leakage at the edge portion. In the case of a gel electrolyte, there is a method in which it is applied in a wet manner and solidified by a method such as polymerization. In that case, you may provide a counter electrode after drying and fixing. In addition to the electrolytic solution, the organic charge transport material solution and gel electrolyte can be applied in the same manner as the semiconductor layer and pigment application, as well as the immersion method, roller method, dipping method, air knife method, extrusion method, slide Examples thereof include a hopper method, a wire bar method, a spin method, a spray method, a casting method, and various printing methods.

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。   The counter electrode can be used on a support having a conductive layer in the same manner as the substrate having conductivity on the surface, but the support is not necessarily required when the conductive layer itself has sufficient strength and sealing properties. Specific examples of the material used for the counter electrode include metals such as platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium and indium, carbon compounds, and conductive metal oxides such as ITO and FTO. There is no particular limitation on the thickness of the counter electrode.

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。   In order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive substrate and the counter electrode on the surface holding the semiconductor layer must be substantially transparent. In the photoelectric conversion element of the present invention, a method in which the conductive substrate is transparent on the surface holding the semiconductor fine particle layer and sunlight is incident from the conductive substrate side holding the semiconductor layer is preferable. In this case, a material that reflects light is preferably used for the counter electrode, and a metal, glass, plastic, or metal thin film on which a conductive oxide is deposited is preferable.

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。   As described above, there are two types of coating of the counter electrode: when applied on the charge transfer layer and when applied on the semiconductor layer. In any case, the counter electrode material can be appropriately formed on the charge transfer layer or the semiconductor layer by a technique such as coating, laminating, vapor deposition, or bonding depending on the type of the counter electrode material or the type of the charge transfer layer. When the charge transfer layer is solid, the counter electrode can be formed directly on the charge transfer layer by a technique such as coating, vapor deposition, or CVD.

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。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these at all.

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。   2 hours of titanium dioxide (P-25 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), 0.2 g of acetylacetone, and 0.3 g of surfactant (Triton X-100 manufactured by Aldrich) together with 6.5 g of water in a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 6 hours. Dispersion treatment was performed. Further, 0.2 g of concentrated nitric acid, 0.4 ml of ethanol, and 1.2 g of polyethylene glycol (# 20,000) were added to 4.0 g of this dispersion to prepare a paste. This paste was applied onto an FTO glass substrate so as to have a film thickness of 12 μm, dried at room temperature, and then baked at 100 ° C. for 1 hour and further at 550 ° C. for 1 hour to obtain a semiconductor electrode.

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4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、4−t−ブチルピリジン0.05Mの3−メトキシプロピオニトリル溶液を使用した。   The dye of the present invention shown in Table 1 and the dye of the following comparison were each dissolved in tetrahydrofuran to prepare a dye solution having a concentration of 0.3 mM. The semiconductor electrode prepared previously was immersed in these dye solutions at room temperature for 4 hours to perform an adsorption treatment, thereby preparing a dye-adsorbing semiconductor electrode (working electrode). As the counter electrode, a titanium plate on which platinum was sputtered was used. Both electrodes were arranged so as to face each other, and an electrolytic solution was injected between them to produce a photoelectric conversion element. The electrolyte was 3-methoxypropionitrile of lithium iodide 0.1M, iodine 0.05M, 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide 0.5M, 4-t-butylpyridine 0.05M. The solution was used.

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、山下電装社製)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。 Pseudo sunlight (AM1.5G, irradiation intensity 100 mW / cm 2 ) generated from a solar simulator (YSS-40S, manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.) as a light source is irradiated from the working electrode side of the photoelectric conversion element thus manufactured. The photoelectric conversion characteristics were evaluated using an electrochemical measurement device (SI-1280B, manufactured by Solartron). The results are shown in Table 1.

Figure 2010020942
Figure 2010020942

Figure 2010020942
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本発明の色素(D−1、D−2、D−6、D−8、D−11、D−14)および比較の色素(C−2、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4時間浸漬して吸着処理を施した。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。   The dyes (D-1, D-2, D-6, D-8, D-11, D-14) of the present invention and the comparative dyes (C-2, C-3) are dissolved in tetrahydrofuran. A dye solution having a concentration of 3 mM was prepared. The steroid compound (E-1) was dissolved in this dye solution at a concentration of 0.6 mM. Subsequently, the semiconductor electrode produced in Example 1 was immersed in this dye solution for 4 hours at room temperature to perform an adsorption treatment. Hereinafter, photoelectric conversion characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.

Figure 2010020942
Figure 2010020942

表1、表2の結果から明らかなように、本発明の化合物は光電変換効率が比較化合物より高く、優れた光電変換特性を有していることがわかる。   As is apparent from the results of Tables 1 and 2, it can be seen that the compound of the present invention has higher photoelectric conversion efficiency than the comparative compound and has excellent photoelectric conversion characteristics.

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。   Examples of utilization of the present invention include photosensors that are sensitive to light of a specific wavelength, in addition to photoelectric conversion elements such as solar cells.

Claims (4)

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。
Figure 2010020942
(式中、R1、R2、R3は脂肪族基、芳香族基、複素環基を表し、またR2、R3は互いに連結して環を形成していても良い。R4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。L1は共役メチン基ユニットを表す。L2は炭素数6以下のアルキレン基を表し、R5は脂肪族基、芳香族基、複素環基を表す。)
At least 1 sort (s) of the compound shown by following General formula (1) is used, The photoelectric conversion material characterized by the above-mentioned.
Figure 2010020942
(Wherein R 1 , R 2 and R 3 represent an aliphatic group, an aromatic group and a heterocyclic group, and R 2 and R 3 may be linked to each other to form a ring. R 4 represents An aliphatic group and an aromatic group each having an acidic group of less than pKa6 as a substituent, L 1 represents a conjugated methine group unit, L 2 represents an alkylene group having 6 or less carbon atoms, R 5 represents an aliphatic group, Represents an aromatic group or a heterocyclic group.)
前記一般式(1)において、R1が芳香族基であり、R2、R3が互いに連結して飽和の5または6員環を形成していることを特徴とする請求項1に記載の光電変換材料。 The general formula (1), wherein R 1 is an aromatic group, and R 2 and R 3 are connected to each other to form a saturated 5- or 6-membered ring. Photoelectric conversion material. 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、請求項2のいずれか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。   A semiconductor electrode comprising a substrate having conductivity on a surface, a semiconductor layer coated on the conductive surface, and a dye adsorbed on the surface of the semiconductor layer, wherein the dye is any one of claims 1 and 2. A semiconductor electrode comprising at least one of the compounds described above. 請求項3に記載の半導体電極と更に電荷移動層および対極から構成されることを特徴とする光電変換素子。   A photoelectric conversion element comprising the semiconductor electrode according to claim 3, a charge transfer layer, and a counter electrode.
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