JP2010067542A - Photoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and solar cell - Google Patents

Photoelectric conversion element, manufacturing method thereof, and solar cell Download PDF

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一国 西村
Kazuya Isobe
和也 磯部
Hideya Miwa
英也 三輪
Mayuko Ushiro
真優子 鵜城
Hidekazu Kawasaki
秀和 川▲崎▼
Akihiko Itami
明彦 伊丹
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion efficiency and a high durability, to provide a manufacturing method thereof, and to provide a solar cell using the photoelectric conversion element. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion element of dye-sensitized type has a counter electrode, a semiconductor electrode which has at least one kind of dye adsorbed, and a solid hole transporting layer on a substrate. The surface of the semiconductor electrode is formed of a dye phase and an inorganic oxo acid phase or a metal hydroxide phase. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、色素増感型の光電変換素子、その製造方法及び該光電変換素子を用いた太陽電池に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized photoelectric conversion element, a method for producing the same, and a solar cell using the photoelectric conversion element.

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及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。   In recent years, the use of sunlight, which is infinite and does not generate harmful substances, has been energetically studied. What is currently put into practical use as solar energy, 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の欠点としては、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、製造コストが高いことが挙げられる。   However, the disadvantages of these inorganic solar cells are that, for example, silicon-based solar cells are required to have a very high purity. Naturally, the purification process is complicated, the number of processes is large, and the production cost is high.

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)。提案された電池は色素増感型太陽電池であり、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。この方式の利点として、酸化チタン等の安価な金属半導体を高純度まで精製する必要なく利用できることが挙げられ、従って低コストで太陽電池を製造することができる。また、色素の分光増感作用により、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。   Under such circumstances, a solar cell exhibiting good characteristics has been reported by Dr. Gretzell of Switzerland (see Non-Patent Document 1). The proposed battery is a dye-sensitized solar cell, which is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized with a ruthenium complex as a working electrode. An advantage of this method is that an inexpensive metal semiconductor such as titanium oxide can be used without the need to purify it to high purity, and thus a solar cell can be produced at low cost. In addition, the spectral sensitization effect of the dye can effectively convert sunlight with many visible light components into electricity.

上記の色素増感型太陽電池は、ヨウ素を含む電解質を有機溶媒に溶解させた電解液を電荷輸送層として用いているが、電解液の揮発及び漏れ、あるいはヨウ素による腐食といった問題を抱えている。これらの欠点を補うものとして、電荷輸送層として芳香族アミン固体p型半導体を用いたもの(例えば、非特許文献2参照)が報告された。しかし、耐久性についての報告がないものが多く、あったとしても実用となる水準の耐久性を満たしてはいなかった。耐久性の低い原因として、酸化チタン等の半導体薄膜に吸着した色素が半導体の光触媒作用により分解することが挙げられ、この分解作用は電解質が固体の場合に顕著であった。
B.O’Regan,M.Gratzel,Nature,353,737(1991) U.Bach,M.Gratzel,Nature,395,583(1998)
The above dye-sensitized solar cell uses, as a charge transport layer, an electrolytic solution in which an electrolyte containing iodine is dissolved in an organic solvent, but has problems such as volatilization and leakage of the electrolytic solution or corrosion by iodine. . In order to compensate for these drawbacks, a substance using an aromatic amine solid p-type semiconductor as a charge transport layer (for example, see Non-Patent Document 2) has been reported. However, there are many cases where there is no report about durability, and even if there is, it did not satisfy the level of practical durability. A cause of low durability is that the dye adsorbed on the semiconductor thin film such as titanium oxide is decomposed by the photocatalytic action of the semiconductor, and this decomposition action is remarkable when the electrolyte is solid.
B. O'Regan, M.M. Gratzel, Nature, 353, 737 (1991) U. Bach, M.M. Gratzel, Nature, 395, 583 (1998)

本発明の目的は、高い光電変換効率を有し、耐久性の高い光電変換素子、その製造方法及び該光電変換素子を用いた太陽電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and high durability, a method for producing the photoelectric conversion element, and a solar cell using the photoelectric conversion element.

本発明の上記課題は、以下の構成により達成される。   The above object of the present invention is achieved by the following configurations.

1.基板の上に、対向電極、少なくとも1種の色素を吸着させてなる半導体電極及び固体の正孔輸送層を設けてなる色素増感型の光電変換素子において、該半導体電極の表面が色素相、及び無機のオキソ酸相または金属水酸化物相から形成されていることを特徴とする光電変換素子。   1. In a dye-sensitized photoelectric conversion element in which a counter electrode, a semiconductor electrode formed by adsorbing at least one dye and a solid hole transport layer are provided on a substrate, the surface of the semiconductor electrode is a dye phase, And a photoelectric conversion element formed of an inorganic oxoacid phase or a metal hydroxide phase.

2.前記半導体電極を形成する半導体が酸化チタンであることを特徴とする前記1に記載の光電変換素子。   2. 2. The photoelectric conversion element as described in 1 above, wherein the semiconductor forming the semiconductor electrode is titanium oxide.

3.前記オキソ酸相がリン酸あるいは硫酸であることを特徴とする前記1または2に記載の光電変換素子。   3. 3. The photoelectric conversion element as described in 1 or 2 above, wherein the oxo acid phase is phosphoric acid or sulfuric acid.

4.前記金属水酸化物相を形成する水酸化物が水酸化アルミニウムあるいは水酸化ジルコニウムであることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。   4). 4. The photoelectric conversion element according to any one of 1 to 3, wherein the hydroxide forming the metal hydroxide phase is aluminum hydroxide or zirconium hydroxide.

5.前記正孔輸送層が芳香族アミン化合物を含むことを特徴とする前記1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。   5. 5. The photoelectric conversion element according to any one of 1 to 4, wherein the hole transport layer contains an aromatic amine compound.

6.前記色素がカルボキシル基を有することを特徴とする前記1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。   6). The photoelectric conversion element according to any one of 1 to 5, wherein the dye has a carboxyl group.

7.基板の上に、対向電極、少なくとも1種の色素を吸着させてなる半導体電極及び固体の正孔輸送層を設けてなる色素増感型の光電変換素子の製造方法において、前記色素を吸着させた半導体電極が、オキソ酸塩溶液あるいは金属水酸化物含有液に、浸漬あるいは接触させて得られることを特徴とする光電変換素子の製造方法。   7). In the method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element comprising a counter electrode, a semiconductor electrode on which at least one kind of dye is adsorbed on a substrate, and a solid hole transport layer, the dye is adsorbed. A method for producing a photoelectric conversion element, wherein the semiconductor electrode is obtained by being immersed or brought into contact with an oxoacid salt solution or a metal hydroxide-containing solution.

8.前記1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子または前記7に記載の光電変換素子の製造方法により得られた光電変換素子を有することを特徴とする太陽電池。   8). A solar cell comprising the photoelectric conversion device according to any one of 1 to 6 or the photoelectric conversion device obtained by the method for producing a photoelectric conversion device according to 7.

本発明により、高い光電変換効率を有し、耐久性の高い光電変換素子、その製造方法及び該光電変換素子を用いた太陽電池を提供することができた。   According to the present invention, a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and high durability, a manufacturing method thereof, and a solar cell using the photoelectric conversion element can be provided.

本発明者らは、鋭意検討の結果、基板の上に、対向電極、色素を吸着させてなる半導体電極及び固体の正孔輸送層を設けてなる色素増感型の光電変換素子において、該半導体電極の表面が色素相、及び無機のオキソ酸相または金属水酸化物相から形成された光電変換素子により、高い光電変換効率を有し、かつ耐久性の高い光電変換素子が得られることを見出した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that in a dye-sensitized photoelectric conversion element in which a counter electrode, a semiconductor electrode on which a dye is adsorbed, and a solid hole transport layer are provided on a substrate, the semiconductor It has been found that a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency and high durability can be obtained by a photoelectric conversion element in which the surface of the electrode is formed of a dye phase and an inorganic oxo acid phase or metal hydroxide phase. It was.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

〔光電変換素子〕
本発明の光電変換素子について、図をもって説明する。
[Photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の光電変換素子の一例を示す断面図である。本発明の光電変換素子は図1に示すように、基板1、透明導電膜2、絶縁層3、半導体電極6、正孔輸送層7、対向電極8等から構成されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the photoelectric conversion element of the present invention. As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element of the present invention comprises a substrate 1, a transparent conductive film 2, an insulating layer 3, a semiconductor electrode 6, a hole transport layer 7, a counter electrode 8, and the like.

本発明の光電変換素子は、以下の構成で形成される。透明導電膜2を付けた基板1(導電性支持体ともいう)上に、絶縁層3を形成した後、焼結して形成した空孔を有する半導体層5を有し、その空孔表面に増感色素4を吸着させて半導体電極6を形成する。p型半導体を主たる成分とする正孔輸送層7を半導体電極6上に設け、その上に対向電極8が付着している。透明導電膜2及び対向電極8に端子を付けて光電流を取り出す。   The photoelectric conversion element of this invention is formed with the following structures. An insulating layer 3 is formed on a substrate 1 (also referred to as a conductive support) to which a transparent conductive film 2 is attached, and then a semiconductor layer 5 having pores formed by sintering is formed. The semiconductor electrode 6 is formed by adsorbing the sensitizing dye 4. A hole transport layer 7 mainly composed of a p-type semiconductor is provided on the semiconductor electrode 6, and a counter electrode 8 is attached thereon. A terminal is attached to the transparent conductive film 2 and the counter electrode 8, and a photocurrent is taken out.

(オキソ酸相または金属水酸化物相)
本発明では、光触媒作用による色素の分解を抑えるために、半導体電極に用いられる半導体の表面が、色素を有する色素相と、無機のオキソ酸相または金属水酸化物相から形成されることを特徴とする。
(Oxo acid phase or metal hydroxide phase)
In the present invention, the surface of the semiconductor used for the semiconductor electrode is formed of a dye phase having a dye and an inorganic oxo acid phase or metal hydroxide phase in order to suppress decomposition of the dye due to photocatalysis. And

本発明で色素相とは、半導体表面に色素が吸着した部分をいい、無機のオキソ酸相とは、半導体表面に無機オキソ酸イオンが吸着した部分をいい、金属水酸化物相とは、半導体表面が金属水酸化物と反応あるいは吸着した部分をいう。従って、本発明に係る半導体電極の表面を模式的に示すと、図2のように、半導体電極を構成する半導体粒子の表面が、色素吸着相11、無機のオキソ酸相または金属水酸化物相12で構成されている。   In the present invention, the dye phase refers to the portion where the dye is adsorbed on the semiconductor surface, the inorganic oxo acid phase refers to the portion where the inorganic oxo acid ion is adsorbed to the semiconductor surface, and the metal hydroxide phase refers to the semiconductor The part where the surface reacted or adsorbed with the metal hydroxide. Therefore, when the surface of the semiconductor electrode according to the present invention is schematically shown, as shown in FIG. 2, the surface of the semiconductor particles constituting the semiconductor electrode is composed of a dye adsorption phase 11, an inorganic oxo acid phase, or a metal hydroxide phase. 12 is comprised.

このような構成により、半導体粒子表面の大気への露出が少なくなることにより活性酸素種の発生が抑えられ、光電変換機能を保ったまま光触媒による分解を抑えることができたものと推定している。これらは、特にミクロ的に半導体電極と電荷輸送層の離間が生じる可能性のある固体電荷輸送層を有する色素増感型太陽電池の場合に、光触媒による分解抑制効果が大きく、顕著な耐久性の向上が図れたものと考える。電荷輸送層が液体であるときは、電解質中のイオンが光触媒作用を抑制するため、吸着した増感色素の分解は起こりにくい。   With such a configuration, it is presumed that the generation of active oxygen species is suppressed by reducing the exposure of the semiconductor particle surface to the atmosphere, and decomposition by the photocatalyst can be suppressed while maintaining the photoelectric conversion function. . In particular, in the case of a dye-sensitized solar cell having a solid charge transport layer in which the semiconductor electrode and the charge transport layer may be microscopically separated, the decomposition suppression effect by the photocatalyst is large, and the remarkable durability. We think that improvement was achieved. When the charge transport layer is a liquid, ions in the electrolyte suppress the photocatalytic action, so that the adsorbed sensitizing dye is hardly decomposed.

また、耐久性の向上効果は、半導体電極の中で酸化チタンの場合に特に顕著である。これは、酸化チタンが高い光触媒作用を有するため、反応抑制効果がより顕著になるためと推定している。   The durability improvement effect is particularly remarkable in the case of titanium oxide among the semiconductor electrodes. This is presumed to be because the reaction suppression effect becomes more remarkable because titanium oxide has a high photocatalytic action.

このような半導体を得るためには、例えば、半導体電極を色素溶液で処理して表面に色素分子を吸着させ、色素分子が吸着した領域として色素吸着相を形成する。次いで、この半導体電極を無機のオキソ酸溶液で処理すると、既に吸着していた色素分子が脱離することなしに、半導体粒子表面の色素未吸着サイトに無機のオキソ酸相が形成される。同様にして、色素が吸着した半導体電極を金属水酸化物含有液で処理すると金属水酸化物相が形成される。   In order to obtain such a semiconductor, for example, a semiconductor electrode is treated with a dye solution to adsorb dye molecules on the surface, and a dye adsorbing phase is formed as a region where the dye molecules are adsorbed. Next, when this semiconductor electrode is treated with an inorganic oxo acid solution, an inorganic oxo acid phase is formed at the dye non-adsorption site on the surface of the semiconductor particles without desorbing the already adsorbed dye molecules. Similarly, when a semiconductor electrode having a dye adsorbed is treated with a metal hydroxide-containing liquid, a metal hydroxide phase is formed.

本発明で、半導体電極表面が色素相、及び無機のオキソ酸相または金属水酸化物相から形成されているとは、半導体電極を構成する半導体粒子の表面の一部分が色素相、無機のオキソ酸相または金属水酸化物相でないものを除外するものではなく、全半導体表面から色素相を引いた部分が一部無機のオキソ酸相または金属水酸化物相に変化しているものであればよい。ただし、耐久性の観点から、全半導体表面から色素相を引いた部分が50%以上オキソ酸相または金属水酸化物相に変化しているものが好ましく、70%以上オキソ酸相または金属水酸化物相に変化しているものがより好ましい。   In the present invention, the surface of the semiconductor electrode is formed of a dye phase and an inorganic oxo acid phase or metal hydroxide phase. A part of the surface of the semiconductor particles constituting the semiconductor electrode is a dye phase and an inorganic oxo acid. It is not excluded that the phase is not a phase or a metal hydroxide phase, as long as the portion obtained by subtracting the dye phase from the entire semiconductor surface is partially changed to an inorganic oxo acid phase or metal hydroxide phase. . However, from the viewpoint of durability, it is preferable that the portion where the dye phase is subtracted from the entire semiconductor surface is changed to 50% or more of the oxo acid phase or metal hydroxide phase, and 70% or more of the oxo acid phase or metal hydroxide. What has changed into the physical phase is more preferable.

無機のオキソ酸相または金属水酸化物相を形成するには、増感処理を終えた半導体電極を、無機のオキソ酸塩溶液あるいは金属水酸化物含有液に、浸漬あるいは接触させる。既に吸着していた色素分子が脱離することなしに、半導体粒子表面の色素未吸着サイトに無機のオキソ酸相または金属水酸化物相が形成される。浸漬あるいは接触終了後の半導体電極を乾燥して溶媒を除去する。   In order to form an inorganic oxo acid phase or metal hydroxide phase, the sensitized semiconductor electrode is immersed or brought into contact with an inorganic oxo acid salt solution or a metal hydroxide-containing solution. An inorganic oxo acid phase or a metal hydroxide phase is formed at the dye non-adsorption site on the surface of the semiconductor particle without desorption of the dye molecules that have already been adsorbed. The semiconductor electrode after the immersion or contact is dried to remove the solvent.

無機のオキソ酸塩としては、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、過臭素酸、ヨウ素酸、過ヨウ素酸、ホウ酸、炭酸、ケイ酸、亜硝酸、硝酸、亜リン酸、リン酸、亜硫酸、硫酸等の塩が挙げられ、無機オキソ酸塩の中では、リン酸塩または硫酸塩が好ましい。オキソ酸塩の対カチオン種に特に制限はない。   Inorganic oxo acid salts include hypochlorous acid, chlorous acid, chloric acid, perchloric acid, perbromic acid, iodic acid, periodic acid, boric acid, carbonic acid, silicic acid, nitrous acid, nitric acid, phosphorous acid Examples thereof include salts of acid, phosphoric acid, sulfurous acid, sulfuric acid and the like, and among inorganic oxoacid salts, phosphate or sulfate is preferable. There are no particular restrictions on the counter-cationic species of the oxoacid salt.

同様に、金属水酸化物としては、水酸化アルミニウムや水酸化ジルコニウムが好ましい。   Similarly, as the metal hydroxide, aluminum hydroxide or zirconium hydroxide is preferable.

これらのイオンは電極に用いる半導体の有機物分解作用の抑制効果が大きく、光電変換素子の耐久性を顕著に向上する。   These ions have a great effect of suppressing the action of decomposing organic substances in the semiconductor used for the electrode, and significantly improve the durability of the photoelectric conversion element.

無機のオキソ酸塩あるいは金属水酸化物を溶解するのに用いる溶媒には、無機のオキソ酸塩あるいは金属水酸化物を溶解することができ、かつ半導体を溶解したり半導体と反応したりすることのないものであれば格別の制限はない。   The solvent used to dissolve the inorganic oxo acid salt or metal hydroxide can dissolve the inorganic oxo acid salt or metal hydroxide, and dissolve the semiconductor or react with the semiconductor. If there is no, there are no special restrictions.

本発明の光電変換素子は、導電性支持体上の半導体層に色素を吸着させてなる半導体電極と対向電極とを、正孔輸送層を介して対向配置してなる。以下、半導体電極、対向電極について説明する。   The photoelectric conversion element of the present invention is formed by disposing a semiconductor electrode formed by adsorbing a dye on a semiconductor layer on a conductive support and a counter electrode through a hole transport layer. Hereinafter, the semiconductor electrode and the counter electrode will be described.

(半導体電極)
本発明に係る半導体電極(図1の6)の作製方法について説明する。
(Semiconductor electrode)
A method for manufacturing a semiconductor electrode (6 in FIG. 1) according to the present invention will be described.

本発明に係る半導体が焼成により作製される場合には、色素を用いての半導体の増感処理(吸着、多孔質への入り込み等)は、半導体の焼成後に実施することが好ましい。焼成後、半導体に水が吸着する前に素早く色素の吸着処理を実施することが特に好ましい。   When the semiconductor according to the present invention is produced by firing, it is preferable that the semiconductor sensitization treatment (adsorption, penetration into the porous body, etc.) using a dye is performed after the semiconductor is fired. It is particularly preferable to perform the dye adsorption treatment quickly after the firing and before the water is adsorbed to the semiconductor.

本発明に係る半導体が粒子状の場合には、半導体を導電性支持体に塗布あるいは吹きつけて、半導体電極を作製するのがよい。また、本発明に係る半導体が膜状であって、導電性支持体上に保持されていない場合には、半導体を導電性支持体上に貼合して半導体電極を作製することが好ましい。   When the semiconductor according to the present invention is in the form of particles, the semiconductor electrode may be manufactured by coating or spraying the semiconductor on a conductive support. In addition, when the semiconductor according to the present invention is in the form of a film and is not held on the conductive support, it is preferable to produce a semiconductor electrode by bonding the semiconductor onto the conductive support.

本発明の光電変換素子において、半導体としては、周期表(元素周期表ともいう)の第3族〜第5族、第13族〜第15族系の元素を有する化合物、金属のカルコゲニド(例えば、酸化物、硫化物、セレン化物等)、金属窒化物等を使用することができる。   In the photoelectric conversion element of the present invention, as the semiconductor, a compound having a Group 3 to Group 5, Group 13 to Group 15 element of a periodic table (also referred to as an element periodic table), a metal chalcogenide (for example, Oxides, sulfides, selenides, etc.), metal nitrides, etc. can be used.

好ましい金属のカルコゲニドとして、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、またはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモンまたはビスマスの硫化物、カドミウムまたは鉛のセレン化物、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−ヒ素または銅−インジウムのセレン化物、銅−インジウムの硫化物、チタンの窒化物等が挙げられる。   Preferred metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxides, cadmium, zinc, lead, silver, antimony or Bismuth sulfide, cadmium or lead selenide, cadmium telluride and the like. Examples of other semiconductors include phosphides such as zinc, gallium, indium, and cadmium, gallium-arsenic or copper-indium selenides, copper-indium sulfides, and titanium nitrides.

具体例としては、TiO、ZrO、SnO、Fe、WO、ZnO、Nb、Ta、CdS、ZnS、PbS、Bi、CdSe、CdTe、GaP、InP、GaAs、CuInS、CuInSe、Ti等が挙げられるが、好ましく用いられるのは、TiO、ZnO、SnO、Fe、WO、Nb、CdS、PbSであり、より好ましく用いられるのは、TiOまたはSnOであるが、中でも特に好ましく用いられるのはTiOである。 Specific examples include TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 , ZnO, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , CdS, ZnS, PbS, Bi 2 S 3 , CdSe, CdTe, GaP. , InP, GaAs, CuInS 2 , CuInSe 2 , Ti 3 N 4 and the like, but TiO 2 , ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 , Nb 2 O 5 , CdS, etc. are preferably used. PbS is more preferably used, and TiO 2 or SnO 2 is used. Of these, TiO 2 is particularly preferably used.

光電極に用いる半導体は、上述した複数の半導体を併用して用いてもよい。例えば、上述した金属酸化物もしくは金属硫化物の数種類を併用することもでき、また酸化チタン半導体に20質量%の窒化チタン(Ti)を混合して使用してもよい。また、J.Chem.Soc.Chem.Commun.,15(1999)記載の酸化亜鉛/酸化錫複合としてもよい。このとき、半導体として金属酸化物もしくは金属硫化物以外に成分を加える場合、追加成分の金属酸化物もしくは金属硫化物半導体に対する質量比は30%以下であることが好ましい。 As the semiconductor used for the photoelectrode, a plurality of the above-described semiconductors may be used in combination. For example, several kinds of the above-described metal oxides or metal sulfides can be used in combination, and a titanium oxide semiconductor may be used by mixing 20% by mass of titanium nitride (Ti 3 N 4 ). In addition, J.H. Chem. Soc. Chem. Commun. 15 (1999). At this time, when a component is added as a semiconductor in addition to the metal oxide or metal sulfide, the mass ratio of the additional component to the metal oxide or metal sulfide semiconductor is preferably 30% or less.

(基板)
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基板(導電性支持体ともいう)には、金属板のような導電性材料や、ガラス板やプラスチックフイルムのような非導電性材料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。
(substrate)
The substrate used for the photoelectric conversion element of the present invention and the solar cell of the present invention (also referred to as a conductive support) is made of a conductive material such as a metal plate, or a non-conductive material such as a glass plate or a plastic film. A structure provided with a conductive substance can be used. Examples of materials used for the conductive support include metals (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium) or conductive metal oxides (for example, indium-tin composite oxide, fluorine for tin oxide) And carbon). The thickness of the conductive support is not particularly limited, but is preferably 0.3 to 5 mm.

また、導電性支持体は実質的に透明であることが好ましく、実質的に透明であるとは光の透過率が10%以上であることを意味し、50%以上であることがさらに好ましく、80%以上であることが最も好ましい。透明な導電性支持体を得るためには、ガラス板またはプラスチックフイルムの表面に、導電性金属酸化物からなる導電性層を設けることが好ましい。透明な導電性支持体を用いる場合、光は支持体側から入射させることが好ましい。   Further, the conductive support is preferably substantially transparent, and substantially transparent means that the light transmittance is 10% or more, more preferably 50% or more, Most preferably, it is 80% or more. In order to obtain a transparent conductive support, it is preferable to provide a conductive layer made of a conductive metal oxide on the surface of a glass plate or a plastic film. When a transparent conductive support is used, light is preferably incident from the support side.

導電性支持体は表面抵抗は50Ω/cm以下であることが好ましく、10Ω/cm以下であることがさらに好ましい。 The conductive support preferably has a surface resistance of 50 Ω / cm 2 or less, and more preferably 10 Ω / cm 2 or less.

(半導体微粉末含有塗布液の調製)
まず、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。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。
(Preparation of coating liquid containing semiconductor fine powder)
First, a coating solution containing fine semiconductor powder is prepared. The finer the primary particle diameter of the semiconductor fine powder, the better. The primary particle diameter is preferably 1 to 5000 nm, and more preferably 2 to 50 nm. The coating liquid containing the semiconductor fine powder can be prepared by dispersing the semiconductor fine powder in a solvent. The semiconductor fine powder dispersed in the solvent is dispersed in the form of primary particles. The solvent is not particularly limited as long as it can disperse the semiconductor fine powder.

前記溶媒としては、水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合液が含まれる。有機溶媒としては、メタノールやエタノール等のアルコール、メチルエチルケトン、アセトン、アセチルアセトン等のケトン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素等が用いられる。塗布液中には、必要に応じ界面活性剤や粘度調節剤(ポリエチレングリコール等の多価アルコール等)を加えることができる。溶媒中の半導体微粉末濃度の範囲は0.1〜70質量%が好ましく、さらに好ましくは0.1〜30質量%である。   Examples of the solvent include water, an organic solvent, and a mixed solution of water and an organic solvent. As the organic solvent, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as methyl ethyl ketone, acetone and acetyl acetone, hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, and the like are used. A surfactant and a viscosity modifier (polyhydric alcohol such as polyethylene glycol) can be added to the coating solution as necessary. The range of the semiconductor fine powder concentration in the solvent is preferably 0.1 to 70% by mass, and more preferably 0.1 to 30% by mass.

(半導体微粉末含有塗布液の塗布と形成された半導体層の焼成処理)
上記のようにして得られた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、導電性支持体上に半導体層(半導体膜)が形成される。
(Application of coating solution containing fine semiconductor powder and baking treatment of the formed semiconductor layer)
The semiconductor fine powder-containing coating solution obtained as described above is applied or sprayed onto a conductive support, dried, etc., and then baked in air or an inert gas to provide a conductive support. A semiconductor layer (semiconductor film) is formed thereon.

導電性支持体上に塗布液を塗布、乾燥して得られる皮膜は、半導体微粒子の集合体からなるもので、その微粒子の粒径は使用した半導体微粉末の1次粒子径に対応するものである。   The film obtained by applying and drying the coating liquid on the conductive support is composed of an aggregate of semiconductor fine particles, and the particle size of the fine particles corresponds to the primary particle size of the semiconductor fine powder used. is there.

このようにして導電性支持体等の基板上に形成された半導体微粒子集合体膜は、導電性支持体との結合力や微粒子相互の結合力が弱く、機械的強度の弱いものであることから、機械的強度を高め、基板に強く固着した焼成物膜とするため、前記半導体微粒子集合体膜の焼成処理が好ましく行われる。   Since the semiconductor fine particle aggregate film formed on the substrate such as the conductive support in this way has a low bonding strength with the conductive support or between the fine particles and a low mechanical strength. In order to increase the mechanical strength and to obtain a fired product film firmly adhered to the substrate, the semiconductor fine particle aggregate film is preferably subjected to a firing treatment.

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

ここで、本発明に係る半導体薄膜の空隙率は10体積%以下が好ましく、さらに好ましくは8体積%以下であり、特に好ましくは0.01〜5体積%以下である。なお、半導体薄膜の空隙率は誘電体の厚み方向に貫通性のある空隙率を意味し、水銀ポロシメーター(島津ポアライザー9220型)等の市販の装置を用いて測定することができる。   Here, the porosity of the semiconductor thin film according to the present invention is preferably 10% by volume or less, more preferably 8% by volume or less, and particularly preferably 0.01 to 5% by volume or less. The porosity of the semiconductor thin film means a porosity that is penetrable in the thickness direction of the dielectric, and can be measured using a commercially available apparatus such as a mercury porosimeter (Shimadzu Polarizer 9220 type).

多孔質構造を有する焼成物膜になった半導体層の膜厚は、10nm以上が好ましく、さらに好ましくは100〜10000nmである。   As for the film thickness of the semiconductor layer used as the baked material film | membrane which has a porous structure, 10 nm or more is preferable, More preferably, it is 100-10000 nm.

焼成処理時、焼成物膜の実表面積を適切に調製し、上記の空隙率を有する焼成物膜を得る観点から、焼成温度は1000℃より低いことが好ましく、さらに好ましくは200〜800℃の範囲であり、特に好ましくは300〜800℃の範囲である。   From the viewpoint of appropriately preparing the actual surface area of the fired product film during the firing treatment and obtaining a fired product film having the above porosity, the firing temperature is preferably lower than 1000 ° C, more preferably in the range of 200 to 800 ° C. Especially preferably, it is the range of 300-800 degreeC.

また、見かけ表面積に対する実表面積の比は、半導体微粒子の粒径及び比表面積や焼成温度等によりコントロールすることができる。また、加熱処理後、半導体粒子の表面積を増大させたり、半導体粒子近傍の純度を高め、色素から半導体粒子への電子注入効率を高めたりする目的で、例えば、四塩化チタン水溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。   The ratio of the actual surface area to the apparent surface area can be controlled by the particle size, specific surface area, firing temperature, etc. of the semiconductor fine particles. In addition, after the heat treatment, for example, chemical plating using an aqueous solution of titanium tetrachloride for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor particles, increasing the purity in the vicinity of the semiconductor particles, and increasing the efficiency of electron injection from the dye to the semiconductor particles. Alternatively, an electrochemical plating process using a titanium trichloride aqueous solution may be performed.

(色素)
本発明では、半導体層に色素を担持させている。電荷の半導体薄膜への効率的な注入の観点から、上記増感色素はカルボキシル基を有することが好ましい。以下に、色素の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(Dye)
In the present invention, a pigment is supported on the semiconductor layer. From the viewpoint of efficient injection of charges into the semiconductor thin film, the sensitizing dye preferably has a carboxyl group. Specific examples of the dye are shown below, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2010067542
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(半導体の増感処理)
半導体の増感処理は上記のように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て固着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)を焼成により形成し基板を、予め減圧処理や加熱処理して膜中の気泡を除去し、色素が半導体層(半導体膜)内部深くに進入できるようにしておくことが好ましく、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。
(Semiconductor sensitization treatment)
The semiconductor sensitization treatment is performed by dissolving the dye in an appropriate solvent as described above and immersing the substrate on which the semiconductor is baked and fixed in the solution. In that case, a semiconductor layer (also referred to as a semiconductor film) is formed by baking, and the substrate is subjected to pressure reduction treatment or heat treatment in advance to remove bubbles in the film, so that the dye can enter deep inside the semiconductor layer (semiconductor film). It is preferable that the semiconductor layer (semiconductor film) is a porous structure film.

色素を溶解するのに用いる溶媒は、溶解することができ、かつ半導体を溶解したり半導体と反応したりすることのないものであれば格別の制限はないが、溶媒に溶解している水分及び気体が半導体膜に進入して、前記色素の吸着等の増感処理を妨げることを防ぐために、予め脱気及び蒸留精製しておくことが好ましい。   The solvent used for dissolving the dye is not particularly limited as long as it can dissolve and does not dissolve the semiconductor or react with the semiconductor. In order to prevent the gas from entering the semiconductor film and hindering the sensitization process such as adsorption of the dye, it is preferable to deaerate and purify in advance.

好ましく用いられる溶媒は、メタノール、エタノール、n−プロパノール、t−ブチ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等のケトン系溶媒、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン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、塩化メチレン、1,1,2−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素溶媒であり、混合溶媒を用いてもよい。特に好ましくはエタノール、t−ブチルアルコール、アセトニトリルである。   Solvents preferably used include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-propanol, and t-butyl alcohol, ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, and ether solvents such as diethyl ether, diisopropyl ether, tetrahydrofuran, and 1,4-dioxane. Solvents, nitrile solvents such as acetonitrile and propionitrile, halogenated hydrocarbon solvents such as methylene chloride and 1,1,2-trichloroethane, and mixed solvents may be used. Particularly preferred are ethanol, t-butyl alcohol and acetonitrile.

半導体を焼成した基板を、色素を含む溶液に浸漬する時間は、半導体層(半導体膜)に前記色素が深く進入して吸着等を十分に進行させ、半導体を十分に増感させ、かつ溶液中で前記色素の分解等により生成した分解物が色素の吸着を妨害することを抑制する観点から、25℃では1〜48時間が好ましく、さらに好ましくは3〜24時間である。この温度、時間は、特に半導体膜が多孔質構造膜である場合に好ましい。ただし、浸漬時間については25℃での値であり、温度条件を変化させて場合にはこの限りではない。   The time for immersing the substrate on which the semiconductor is baked in the solution containing the dye is such that the dye penetrates deeply into the semiconductor layer (semiconductor film) to sufficiently advance adsorption, etc., sufficiently sensitize the semiconductor, and in the solution From the viewpoint of suppressing degradation products generated by the decomposition of the dye and the like from interfering with the adsorption of the dye, it is preferably 1 to 48 hours, more preferably 3 to 24 hours at 25 ° C. This temperature and time are particularly preferred when the semiconductor film is a porous structure film. However, the immersion time is a value at 25 ° C., and this is not the case when the temperature condition is changed.

浸漬しておくに当たり、色素を含む溶液は、色素が分解しない限り、沸騰しない温度にまで加熱して用いてもよい。好ましい温度範囲は10〜100℃であり、さらに好ましくは25〜80℃であるが、前記の通り溶媒が前記温度範囲で沸騰する場合はこの限りでない。   In soaking, the solution containing the pigment may be heated to a temperature that does not boil as long as the pigment does not decompose. A preferable temperature range is 10 to 100 ° C., more preferably 25 to 80 ° C., but this is not the case when the solvent boils in the temperature range as described above.

色素を用いて増感処理を行う場合、色素を単独で用いてもよいし、複数を併用することもできる。   When the sensitization treatment is performed using a dye, the dye may be used alone or in combination.

また、本発明に好ましいカルボキシル基を有する色素と他の色素を併用して用いることもできる。併用して用いることのできる色素としては、本発明に係る半導体層を分光増感しうるものならばいずれの色素も用いることができる。光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ光電変換効率を上げるため2種類以上の色素を混合することが好ましい。また、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように混合する色素とその割合を選ぶことができる。   Moreover, the pigment | dye which has a preferable carboxyl group for this invention, and another pigment | dye can also be used together. As the dye that can be used in combination, any dye can be used as long as it can spectrally sensitize the semiconductor layer according to the present invention. In order to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible and increase the photoelectric conversion efficiency, it is preferable to mix two or more kinds of dyes. Moreover, the pigment | dye mixed and the ratio can be selected so that it may match with the wavelength range and intensity distribution of the target light source.

特に、本発明の光電変換素子の用途が後述する太陽電池である場合には、光電変換の波長域をできるだけ広くして太陽光を有効に利用できるように、吸収波長の異なる二種類以上の色素を混合して用いることが好ましい。   In particular, when the use of the photoelectric conversion element of the present invention is a solar cell to be described later, two or more types of dyes having different absorption wavelengths are used so that sunlight can be used effectively by widening the wavelength range of photoelectric conversion. It is preferable to mix and use.

併用して用いる色素の中では、光電子移動反応活性、光耐久性、光化学的安定性等の総合的な観点から、金属錯体色素、フタロシアニン系色素、ポルフィリン系色素、ポリメチン系色素が好ましく用いられる。   Among the dyes used in combination, metal complex dyes, phthalocyanine dyes, porphyrin dyes, and polymethine dyes are preferably used from the comprehensive viewpoints such as photoelectron transfer reaction activity, light durability, and photochemical stability.

本発明に好ましいカルボキシル基を有する色素と併用して用いることのできる色素としては、例えば、米国特許第4,684,537号明細書、同4,927,721号明細書、同5,084,365号明細書、同5,350,644号明細書、同5,463,057号明細書、同5,525,440号明細書、特開平7−249790号公報、特開2000−150007号公報等に記載の色素を挙げることができる。   Examples of the dye that can be used in combination with the preferred dye having a carboxyl group in the present invention include, for example, US Pat. Nos. 4,684,537, 4,927,721, 5,084, 365, 5,350,644, 5,463,057, 5,525,440, JP-A-7-249790, JP-A-2000-150007 And the like.

半導体層に色素を含ませるには、前記色素を適切な溶媒(エタノール等)に溶解し、その溶液中によく乾燥した半導体を長時間浸漬する方法が一般的である。   In order to include a dye in the semiconductor layer, a method of dissolving the dye in an appropriate solvent (ethanol or the like) and immersing a well-dried semiconductor in the solution for a long time is general.

色素を複数種類併用したり、本発明に好ましいカルボキシル基を有する色素以外の他の色素を併用したりして増感処理する際には、各々の色素の混合溶液を調製して用いてもよいし、それぞれの色素について溶液を用意して、各溶液に順に浸漬して作製することもできる。各色素について別々の溶液を用意し、各溶液に順に浸漬して作製する場合は、半導体層に前記色素を含ませる順序がどのようであっても、本発明に記載の効果を得ることができる。また、色素を単独で吸着させた半導体微粒子を混合する等により作製してもよい。   When sensitizing by using a combination of a plurality of dyes or using a dye other than the dye having a carboxyl group preferable for the present invention, a mixed solution of each dye may be prepared and used. It is also possible to prepare a solution for each dye and immerse in each solution in order. When preparing a separate solution for each dye and immersing in each solution in order, the effects described in the present invention can be obtained regardless of the order in which the dye is included in the semiconductor layer. . Alternatively, it may be produced by mixing semiconductor fine particles on which a dye is adsorbed alone.

吸着処理は半導体層が粒子状の時に行ってもよいし、支持体上に膜を形成した後に行ってもよい。吸着処理に用いる化合物を溶解した溶液はそれを常温で用いてもよいし、該化合物が分解せず溶液が沸騰しない温度範囲で加熱して用いてもよい。また、後述する光電変換素子の製造のように、半導体微粒子の塗布後に前記色素の吸着を実施してもよい。また、半導体微粒子と本発明の増感色素とを同時に塗布することにより、色素の吸着を実施してもよい。また、未吸着の色素は洗浄によって除去することができる。   The adsorption treatment may be performed when the semiconductor layer is in the form of particles, or may be performed after forming a film on the support. A solution in which the compound used for the adsorption treatment is dissolved may be used at room temperature, or may be used by heating in a temperature range in which the compound does not decompose and the solution does not boil. Moreover, you may implement adsorption | suction of the said pigment | dye after application | coating of semiconductor fine particles like manufacture of the photoelectric conversion element mentioned later. Moreover, you may implement adsorption | suction of a pigment | dye by apply | coating a semiconductor fine particle and the sensitizing dye of this invention simultaneously. Unadsorbed pigment can be removed by washing.

また、本発明に係る半導体層の増感処理については、半導体を本発明の増感色素を含むことにより増感処理が行われるが、増感処理の詳細については、後述する光電変換素子のところで具体的に説明する。   In addition, the sensitization treatment of the semiconductor layer according to the present invention is performed by including the sensitizing dye of the present invention in the semiconductor. The details of the sensitization treatment are described in the photoelectric conversion element described later. This will be specifically described.

また、空隙率の高い半導体薄膜を有する半導体層の場合には、空隙に水分、水蒸気等により水が半導体薄膜上、並びに半導体薄膜内部の空隙に吸着する前に、前記増感色素の吸着処理(半導体層の増感処理)を完了することが好ましい。   In the case of a semiconductor layer having a semiconductor thin film with a high porosity, the sensitizing dye adsorption treatment (before the water is adsorbed on the semiconductor thin film by the water, water vapor, etc., and the voids inside the semiconductor thin film ( It is preferable to complete the sensitization treatment of the semiconductor layer.

(正孔輸送層)
本発明に用いられる正孔輸送層(電荷移動層ともいう)について説明する。
(Hole transport layer)
The hole transport layer (also referred to as charge transfer layer) used in the present invention will be described.

電荷移動層は色素の酸化体を迅速に還元し、色素との界面で注入された正孔を対極に輸送する機能を担う層である。本発明に係る電荷移動層は、正孔輸送材料としてのp型化合物半導体を主成分として構成されている。p型化合物半導体のバンドギャップは色素吸収を妨げないため大きいことが好ましい。本発明で使用するp型化合物半導体のバンドギャップは、2eV以上であることが好ましく、さらに2.5eV以上であることが好ましい。また、p型化合物半導体のイオン化ポテンシャルは色素ホールを還元するためには、色素吸着電極イオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。使用する色素によって電荷移動層に使用するp型化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なってくるが、一般に4.5eV以上5.5eV以下が好ましく、さらに4.7eV以上5.3eV以下が好ましい。   The charge transfer layer is a layer having a function of rapidly reducing the oxidized oxidant and transporting holes injected at the interface with the dye to the counter electrode. The charge transfer layer according to the present invention is composed mainly of a p-type compound semiconductor as a hole transport material. The band gap of the p-type compound semiconductor is preferably large because it does not hinder dye absorption. The band gap of the p-type compound semiconductor used in the present invention is preferably 2 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more. Also, the ionization potential of the p-type compound semiconductor needs to be smaller than the dye adsorption electrode ionization potential in order to reduce the dye hole. Although the preferred range of the ionization potential of the p-type compound semiconductor used in the charge transfer layer varies depending on the dye used, it is generally preferably 4.5 eV or more and 5.5 eV or less, and more preferably 4.7 eV or more and 5.3 eV or less.

p型化合物半導体としては、正孔の輸送能力が優れている芳香族アミン誘導体が好ましい。このため、正孔輸送層を主として芳香族アミン誘導体で構成することにより、光電変換効率をより向上させることができる。芳香族アミン誘導体としては、特に、トリフェニルジアミン誘導体を用いるのが好ましい。トリフェニルジアミン誘導体は、芳香族アミン誘導体の中でも、特に正孔の輸送能力が優れている。また、このような芳香族アミン誘導体は、モノマー、オリゴマー、プレポリマー、ポリマーのいずれを用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。また、モノマー、オリゴマーやプレポリマーは、比較的低分子量であることから、有機溶媒等の溶媒への溶解性が高い。このため、例えば正孔輸送層の形成に際し、塗布法を用いる場合には、正孔輸送層材料の調製をより容易に行うことができるという利点がある。このうち、オリゴマーとしては、ダイマーまたはトリマーを用いるのが好ましく、特に、スピロ構造を有するものを用いるのがより好ましい。具体的には、2,2′,7,7′−テトラキス(N,N′−ジ(4−メトキシフェニル)アミン)−9,9′−スピロビフルオレン(spiro−MeOTAD)が好適に使用される。   As the p-type compound semiconductor, an aromatic amine derivative having an excellent hole transport capability is preferable. For this reason, photoelectric conversion efficiency can be improved more by comprising a hole transport layer mainly with an aromatic amine derivative. As the aromatic amine derivative, it is particularly preferable to use a triphenyldiamine derivative. Triphenyldiamine derivatives are particularly excellent in the ability to transport holes among aromatic amine derivatives. Moreover, such an aromatic amine derivative may use any of a monomer, an oligomer, a prepolymer, and a polymer, and may mix and use these. Monomers, oligomers, and prepolymers have a relatively low molecular weight, and thus have high solubility in solvents such as organic solvents. Therefore, for example, when a coating method is used in forming the hole transport layer, there is an advantage that the hole transport layer material can be easily prepared. Among these, as an oligomer, it is preferable to use a dimer or a trimer, and it is particularly preferable to use an oligomer having a spiro structure. Specifically, 2,2 ′, 7,7′-tetrakis (N, N′-di (4-methoxyphenyl) amine) -9,9′-spirobifluorene (spiro-MeOTAD) is preferably used. The

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正孔輸送層の平均厚さとしては、特に限定されないが、例えば、0.1〜100μmが好ましく、0.5〜50μmがより好ましく、1〜20μmがさらに好ましい。これにより、正孔輸送層から半導体電極へ正孔を伝達する効率(伝達効率)が低下するのを、より確実に防止することができる。   Although it does not specifically limit as average thickness of a positive hole transport layer, For example, 0.1-100 micrometers is preferable, 0.5-50 micrometers is more preferable, 1-20 micrometers is further more preferable. Thereby, it can prevent more reliably that the efficiency (transmission efficiency) which transmits a hole from a positive hole transport layer to a semiconductor electrode falls.

(対向電極)
本発明に用いられる対向電極について説明する。
(Counter electrode)
The counter electrode used in the present invention will be described.

対向電極は導電性を有するものであればよく、任意の導電性材料が用いられるが、正孔輸送層との接触性の良い金属薄膜であることが好ましい。正孔輸送層との仕事関数の差が小さく、化学的に安定である金属である金薄膜が特に好ましい。   The counter electrode only needs to have conductivity, and an arbitrary conductive material is used, but a metal thin film having good contact property with the hole transport layer is preferable. A gold thin film that is a chemically stable metal having a small work function difference from the hole transport layer is particularly preferable.

〔太陽電池〕
本発明の太陽電池について説明する。
[Solar cell]
The solar cell of the present invention will be described.

本発明の太陽電池は、本発明の光電変換素子の一態様として太陽光に最適の設計並びに回路設計が行われ、太陽光を光源として用いたときに最適な光電変換が行われるような構造を有する。即ち、色素増感された半導体に太陽光が照射されうる構造となっている。本発明の太陽電池を構成する際には、前記半導体電極、正孔輸送層及び対向電極をケース内に収納して封止するか、あるいはそれら全体を樹脂封止することが好ましい。   The solar cell of the present invention has a structure in which the optimum design and circuit design for sunlight are performed as one aspect of the photoelectric conversion element of the present invention, and the optimum photoelectric conversion is performed when sunlight is used as a light source. Have. That is, the semiconductor is dye-sensitized and can be irradiated with sunlight. When constituting the solar cell of the present invention, it is preferable that the semiconductor electrode, the hole transport layer and the counter electrode are housed in a case and sealed, or the whole is sealed with a resin.

本発明の太陽電池に太陽光または太陽光と同等の電磁波を照射すると、半導体に吸着された色素は、照射された光もしくは電磁波を吸収して励起する。励起によって発生した電子は半導体に移動し、次いで正孔輸送層を経由して対向電極に移動して、正孔輸送層(電荷移動層ともいう)の芳香族アミン誘導体を還元する。一方、半導体に電子を移動させた色素は酸化体となっているが、対向電極から正孔輸送層を経由して電子が供給されることにより、還元されて元の状態に戻り、同時に正孔輸送層の芳香族アミン誘導体は酸化されて、再び対向電極から供給される電子により還元されうる状態に戻る。このようにして電子が流れ、本発明の光電変換素子を用いた太陽電池を構成することができる。   When the solar cell of the present invention is irradiated with sunlight or an electromagnetic wave equivalent to sunlight, the dye adsorbed on the semiconductor is excited by absorbing the irradiated light or electromagnetic wave. Electrons generated by excitation move to the semiconductor, then move to the counter electrode via the hole transport layer, and reduce the aromatic amine derivative of the hole transport layer (also referred to as charge transfer layer). On the other hand, the dye that has moved the electrons to the semiconductor is an oxidant, but when the electrons are supplied from the counter electrode via the hole transport layer, it is reduced and returned to the original state, and at the same time The aromatic amine derivative in the transport layer is oxidized and returned to a state where it can be reduced again by the electrons supplied from the counter electrode. In this way, electrons flow, and a solar cell using the photoelectric conversion element of the present invention can be configured.

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明これらに限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these.

実施例
〔光電変換素子1の作製〕
フッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板に、テトラキスイソポロポキシチタン1.2ml及びアセチルアセトン0.8mlをエタノール18mlに希釈した溶液を滴下して、スピンコート法により製膜後、450℃で8分間加熱して、透明導電膜(FTO)上に絶縁膜を作製した。この絶縁膜上に市販の酸化チタンペースト(粒径18nm)をスクリーン印刷法により塗布した。120℃で3分間加熱してペーストを乾燥した後、450℃で30分間焼成を行い、厚さ3μmの酸化チタン薄膜を得た。基板ごと0.02mol/lの四塩化チタン水溶液に一晩浸漬した後、再び450℃で10分間焼成を行った。
Example [Production of Photoelectric Conversion Element 1]
A solution obtained by diluting 1.2 ml of tetrakisisoporopoxytitanium and 0.8 ml of acetylacetone in 18 ml of ethanol was dropped onto a fluorine-doped tin oxide (FTO) conductive glass substrate, and after film formation by spin coating, the film was heated at 450 ° C. at 8 ° C. The insulating film was produced on the transparent conductive film (FTO) by heating for minutes. A commercially available titanium oxide paste (particle size: 18 nm) was applied on the insulating film by a screen printing method. After heating at 120 ° C. for 3 minutes to dry the paste, baking was performed at 450 ° C. for 30 minutes to obtain a titanium oxide thin film having a thickness of 3 μm. The whole substrate was immersed in a 0.02 mol / l aqueous solution of titanium tetrachloride overnight and then baked again at 450 ° C. for 10 minutes.

色素(1)をt−ブチルアルコールとアセトニトリルの1:1混合溶媒に溶解し、5×10−4mol/lの溶液を作製した。酸化チタンを塗布焼結した上記FTOガラス基板をこの溶液に室温で3時間浸漬して、色素の吸着処理を行い半導体電極とした。この半導体電極を、濃度1×10−3mol/lのリン酸二水素カリウム水溶液に1時間浸漬して水洗後、60℃で10分間乾燥処理を行い、オキソ酸相を形成した。リン酸二水素カリウム水溶液浸漬前後の試料についてエネルギー分散型X線分析装置(EDX)のスペクトル比較を行ったところ、リン原子由来のピークが浸漬処理後の試料で新たに観測されたので、酸化チタン表面にリン酸イオンが吸着していると判断した。 The dye (1) was dissolved in a 1: 1 mixed solvent of t-butyl alcohol and acetonitrile to prepare a 5 × 10 −4 mol / l solution. The FTO glass substrate coated and sintered with titanium oxide was immersed in this solution at room temperature for 3 hours, and dye adsorption treatment was performed to obtain a semiconductor electrode. This semiconductor electrode was immersed in an aqueous potassium dihydrogen phosphate solution having a concentration of 1 × 10 −3 mol / l for 1 hour, washed with water, and then dried at 60 ° C. for 10 minutes to form an oxo acid phase. When the spectrum of the energy dispersive X-ray analyzer (EDX) was compared for the sample before and after immersion in the potassium dihydrogen phosphate aqueous solution, a peak derived from phosphorus atoms was newly observed in the sample after immersion treatment. It was judged that phosphate ions were adsorbed on the surface.

次に、クロロベンゼンとアセトニトリルの19:1混合溶媒中に、正孔輸送剤として、spiro−MeOTADを0.17mol、ホールドーピング剤としてN(PhBr)SbClを0.33mmol、Li[(CFSON]を15mmol溶解し、色素吸着後の上記半導体電極上にスピンコート法により正孔輸送層を製膜した後、30分間真空乾燥して正孔移動層を形成した。さらに真空蒸着法により金を90nm蒸着し、対極電極を作製し、光電変換素子1を作製した。 Next, in a 19: 1 mixed solvent of chlorobenzene and acetonitrile, 0.17 mol of spiro-MeOTAD is used as a hole transporting agent, 0.33 mmol of N (PhBr) 3 SbCl 6 is used as a hole doping agent, Li [(CF 3 15 mmol of SO 2 ) 2 N] was dissolved, and a hole transport layer was formed on the semiconductor electrode after adsorption of the dye by spin coating, followed by vacuum drying for 30 minutes to form a hole transport layer. Further, 90 nm of gold was vapor-deposited by a vacuum vapor deposition method, a counter electrode was produced, and a photoelectric conversion element 1 was produced.

〔光電変換素子2〜3の作製〕
光電変換素子1の作製において、オキソ酸相を形成するオキソ酸塩として硫酸カリウム及び炭酸水素ナトリウムをそれぞれ用いた他は同様にして、光電変換素子2及び3を作製した。
[Production of photoelectric conversion elements 2 to 3]
Photoelectric conversion elements 2 and 3 were prepared in the same manner as in the production of photoelectric conversion element 1 except that potassium sulfate and sodium hydrogen carbonate were used as the oxoacid salts forming the oxoacid phase, respectively.

〔光電変換素子4〜6の作製〕
光電変換素子1の作製において、金属水酸化物相を形成する水酸化物として水酸化アルミニウム、水酸化ジルコニウム及び水酸化鉄をそれぞれ用いた他は同様にして、光電変換素子4〜6を作製した。水酸化アルミニウム、水酸化ジルコニウム、水酸化鉄のときは、濃度1×10−3mol/lの硫酸アルミニウム、酢酸ジルコニウム及び塩化鉄(III)水溶液にアンモニア水を加えてpH7に調整した水酸化物の懸濁液を用いて半導体電極を処理した。
[Production of photoelectric conversion elements 4 to 6]
In the production of the photoelectric conversion element 1, photoelectric conversion elements 4 to 6 were produced in the same manner except that aluminum hydroxide, zirconium hydroxide and iron hydroxide were used as the hydroxides forming the metal hydroxide phase, respectively. . In the case of aluminum hydroxide, zirconium hydroxide, and iron hydroxide, the hydroxide is adjusted to pH 7 by adding ammonia water to an aqueous solution of aluminum sulfate, zirconium acetate, and iron (III) chloride at a concentration of 1 × 10 −3 mol / l. The semiconductor electrode was treated with a suspension of

〔光電変換素子7〜9の作製〕
光電変換素子1の作製において、色素(1)を色素(2)〜色素(4)に代えた他は同様にして、光電変換素子7〜9を作製した。
[Production of photoelectric conversion elements 7 to 9]
In the production of the photoelectric conversion element 1, photoelectric conversion elements 7 to 9 were produced in the same manner except that the dye (1) was replaced with the dyes (2) to (4).

〔光電変換素子10の作製〕
光電変換素子1の作製において、酸化チタンペーストに代えて酸化スズペーストを用いた他は同様にして、光電変換素子10を作製した。
[Production of Photoelectric Conversion Element 10]
In the production of the photoelectric conversion element 1, a photoelectric conversion element 10 was produced in the same manner except that a tin oxide paste was used instead of the titanium oxide paste.

〔光電変換素子11の作製〕
光電変換素子1の作製において、リン酸二水素カリウム水溶液への浸漬を行わない他は同様にして光電変換素子11(比較例)を作製した。
[Production of Photoelectric Conversion Element 11]
Photoelectric conversion element 11 (comparative example) was prepared in the same manner as in the production of photoelectric conversion element 1 except that immersion in an aqueous potassium dihydrogen phosphate solution was not performed.

〔光電変換素子の評価〕
作製した光電変換素子について、初期光電変換効率及び光劣化試験後の光電変換効率低下率を測定した。
[Evaluation of photoelectric conversion element]
About the produced photoelectric conversion element, the initial photoelectric conversion efficiency and the photoelectric conversion efficiency fall rate after a photodegradation test were measured.

(初期光電変換効率の測定)
強度100mW/cmのキセノンランプ照射下、半導体電極に5×5mmのマスクをかけた条件下で光電変換特性の測定を行った。
(Measurement of initial photoelectric conversion efficiency)
Photoelectric conversion characteristics were measured under the condition that a semiconductor electrode was covered with a 5 × 5 mm 2 mask under irradiation of a xenon lamp having an intensity of 100 mW / cm 2 .

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(FF)を求め、これらから光電変換効率(η(%))を求めた。なお、光電変換素子の光電変換効率(η(%))は下記式(A)に基づいて算出した。   That is, for a photoelectric conversion element, current-voltage characteristics are measured at room temperature using an IV tester, and a short circuit current (Jsc), an open circuit voltage (Voc), and a form factor (FF) are obtained, and photoelectric conversion is performed from these. Efficiency (η (%)) was determined. The photoelectric conversion efficiency (η (%)) of the photoelectric conversion element was calculated based on the following formula (A).

η=100×(Voc×Jsc×FF)/P (A)
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]、FFは形状因子を示す。
η = 100 × (Voc × Jsc × FF) / P (A)
Here, P is an incident light intensity [mW · cm −2 ], Voc is an open circuit voltage [V], Jsc is a short circuit current density [mA · cm −2 ], and FF is a form factor.

(光劣化試験後の光電変換効率の測定)
開回路状態で強度100mW/cmのキセノンランプ光の3時間照射した後、光電変換効率(η(%))を求め、初期光電変換効率に対する比(%)を算出した。
(Measurement of photoelectric conversion efficiency after light degradation test)
After irradiation with xenon lamp light having an intensity of 100 mW / cm 2 in an open circuit state for 3 hours, the photoelectric conversion efficiency (η (%)) was determined, and the ratio (%) to the initial photoelectric conversion efficiency was calculated.

評価の結果を表に示す。   The evaluation results are shown in the table.

Figure 2010067542
Figure 2010067542

表1より、オキソ酸塩あるいは金属水酸化物による半導体層への表面処理を行った本発明の光電変換素子1〜10は、表面処理を行っていない光電変換素子11(比較例)と比べて、光電変換特性を損なうことなく光耐久性に優れていることが分かる。特に、半導体電極が酸化チタンで構成され、かつカルボキシル基を有する色素を用いた光電変換素子のうち、オキソ酸相がリン酸あるいは硫酸である光電変換素子1、2、7、8は、初期変換効率が2%以上と高く、かつ光劣化試験での変換効率比が0.80以上と耐久性が高いのでより好ましい。同様に、金属水酸化物相が水酸化アルミニウムあるいは水酸化ジルコニウムである光電変換素子4、5も、初期変換効率が2%以上と高く、かつ光劣化試験での変換効率比が0.80以上と耐久性が高いのでより好ましい。   From Table 1, the photoelectric conversion elements 1 to 10 of the present invention in which the semiconductor layer was surface-treated with an oxoacid salt or a metal hydroxide were compared with the photoelectric conversion element 11 (comparative example) in which the surface treatment was not performed. It can be seen that the light durability is excellent without impairing the photoelectric conversion characteristics. In particular, among photoelectric conversion elements using a semiconductor electrode made of titanium oxide and a dye having a carboxyl group, the photoelectric conversion elements 1, 2, 7, and 8 in which the oxo acid phase is phosphoric acid or sulfuric acid are initially converted. It is more preferable because the efficiency is as high as 2% or more and the conversion efficiency ratio in the light deterioration test is 0.80 or more and the durability is high. Similarly, the photoelectric conversion elements 4 and 5 in which the metal hydroxide phase is aluminum hydroxide or zirconium hydroxide have an initial conversion efficiency as high as 2% or more, and the conversion efficiency ratio in the photodegradation test is 0.80 or more. It is more preferable because of its high durability.

以上の結果より、本発明の、色素を吸着させた半導体電極をオキソ酸塩溶液あるいは金属水酸化物含有液で処理することが、耐久性の向上に対して有効であることが分かった。   From the above results, it was found that treating the semiconductor electrode adsorbed with the dye of the present invention with an oxoacid salt solution or a metal hydroxide-containing solution is effective for improving the durability.

本発明の光電変換素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the photoelectric conversion element of this invention. 本発明の光電変換素子の電極の表面を示す模式的図である。It is a schematic diagram which shows the surface of the electrode of the photoelectric conversion element of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 透明導電膜
3 絶縁層
4 色素
5 半導体電極
6 半導体電極
7 正孔輸送層
8 対向電極
11 色素吸着相
12 無機のオキソ酸相または金属水酸化物相
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Transparent conductive film 3 Insulating layer 4 Dye 5 Semiconductor electrode 6 Semiconductor electrode 7 Hole transport layer 8 Counter electrode 11 Dye adsorption phase 12 Inorganic oxo acid phase or metal hydroxide phase

Claims (8)

基板の上に、対向電極、少なくとも1種の色素を吸着させてなる半導体電極及び固体の正孔輸送層を設けてなる色素増感型の光電変換素子において、該半導体電極の表面が色素相、及び無機のオキソ酸相または金属水酸化物相から形成されていることを特徴とする光電変換素子。 In a dye-sensitized photoelectric conversion element in which a counter electrode, a semiconductor electrode formed by adsorbing at least one dye and a solid hole transport layer are provided on a substrate, the surface of the semiconductor electrode is a dye phase, And a photoelectric conversion element formed of an inorganic oxoacid phase or a metal hydroxide phase. 前記半導体電極を形成する半導体が酸化チタン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 photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the semiconductor forming the semiconductor electrode is titanium oxide. 前記オキソ酸相がリン酸あるいは硫酸であることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the oxo acid phase is phosphoric acid or sulfuric acid. 前記金属水酸化物相を形成する水酸化物が水酸化アルミニウムあるいは水酸化ジルコニウムであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 4. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the hydroxide forming the metal hydroxide phase is aluminum hydroxide or zirconium hydroxide. 5. 前記正孔輸送層が芳香族アミン化合物を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the hole transport layer contains an aromatic amine compound. 前記色素がカルボキシル基を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the dye has a carboxyl group. 基板の上に、対向電極、少なくとも1種の色素を吸着させてなる半導体電極及び固体の正孔輸送層を設けてなる色素増感型の光電変換素子の製造方法において、前記色素を吸着させた半導体電極が、オキソ酸塩溶液あるいは金属水酸化物含有液に、浸漬あるいは接触させて得られることを特徴とする光電変換素子の製造方法。 In the method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element comprising a counter electrode, a semiconductor electrode on which at least one kind of dye is adsorbed on a substrate, and a solid hole transport layer, the dye is adsorbed. A method for producing a photoelectric conversion element, wherein the semiconductor electrode is obtained by being immersed or brought into contact with an oxoacid salt solution or a metal hydroxide-containing solution. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子または請求項7に記載の光電変換素子の製造方法により得られた光電変換素子を有することを特徴とする太陽電池。 A solar cell comprising the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6 or the photoelectric conversion element obtained by the method for producing a photoelectric conversion element according to claim 7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012089380A (en) * 2010-10-20 2012-05-10 Toyo Seikan Kaisha Ltd Substrate for semiconductor electrode and electrode for use in dye-sensitized solar battery
JP2013051199A (en) * 2011-07-29 2013-03-14 Konica Minolta Business Technologies Inc Photoelectric conversion element, and solar cell
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JP2013539155A (en) * 2010-06-29 2013-10-17 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア Photoelectric conversion device comprising hydroxamic acid derivative or salt thereof as additive and method for producing the same

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