JP2010140812A - Function element, manufacturing method therefor, and dye-sensitized solar cell - Google Patents

Function element, manufacturing method therefor, and dye-sensitized solar cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance performance of a function element, by reducing the energy barrier in the grain boundary of particulate groupings which constitute the function element of a photoelectric transfer element, or the like, of a dye-sensitized solar cell. <P>SOLUTION: A gel precursor 25 to become a function film 24 is coated on the surface of particulate nucleus 23 to form particulates 22. The particulates 22 are, for example, arranged on a substrate 10 by coating or the like and are collected by pressurization or the like. Then, the precursor 25 is calcined to form the function film 24. The adjoining function films 24 of the particulates 22 are made to be integrally continuous. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、微粒子の集合体で構成された機能素子及び該機能素子を製造する方法に関し、特に、色素増感太陽電池の光電変換素子、燃料電池の反応部等に適した機能素子及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a functional element composed of an aggregate of fine particles and a method for producing the functional element, and in particular, a functional element suitable for a photoelectric conversion element of a dye-sensitized solar cell, a reaction part of a fuel cell, and the production thereof. It is about the method.

いわゆるグレッツエル型(特許文献1参照)として一般に知られている色素増感太陽電池は、導電膜を含む基材上に光電変換素子が設けられている。光電変換素子は、ルテニウム錯体等の増感色素を吸着させた酸化チタンの多孔質膜からなる。酸化チタンの結晶微粒子を集合させて多孔質化している。これにより、光電変換素子の比表面積を大きくし、色素の光吸収量ひいては電荷の輸送量を増やし、発電効率を高めている。   In a dye-sensitized solar cell generally known as a so-called Gretzell type (see Patent Document 1), a photoelectric conversion element is provided on a base material including a conductive film. The photoelectric conversion element is composed of a porous titanium oxide film on which a sensitizing dye such as a ruthenium complex is adsorbed. Titanium oxide crystal particles are aggregated to make it porous. As a result, the specific surface area of the photoelectric conversion element is increased, the light absorption amount of the dye, and hence the charge transport amount, is increased, thereby improving the power generation efficiency.

酸化チタン多孔質膜は、通常、次のようにして製造される(特許文献2等参照)。チタンアルコキシドなどを水熱合成し、粒径10nm〜1μm程の酸化チタン結晶の微粒子を含むコロイド溶液を製造する。このコロイド溶液を透明電極からなる基材に塗布する。その後、高温で焼成する。これによって、酸化チタン結晶の微粒子どうしが固溶接合(ネッキング)し、酸化チタン多孔質膜が得られる。
特許2664194号公報 特開2005−302509号公報
The titanium oxide porous membrane is usually produced as follows (see Patent Document 2 etc.). A titanium alkoxide or the like is hydrothermally synthesized to produce a colloidal solution containing fine particles of titanium oxide crystals having a particle size of about 10 nm to 1 μm. This colloidal solution is applied to a substrate made of a transparent electrode. Thereafter, it is fired at a high temperature. As a result, the fine particles of titanium oxide crystals are solid-welded (necked) to obtain a porous titanium oxide film.
Japanese Patent No. 2664194 JP 2005-302509 A

しかし、このようにして製造された結晶微粒子の集合体は、隣接する微粒子どうしが固相接合(ネッキング)している。これら微粒子の結晶面の方向は互いにランダムである。したがって、隣接する微粒子どうし間に粒界抵抗すなわちエネルギー障壁が形成される。粒界抵抗は、キャリア電子の伝導性を阻害し、光電変換素子としての発電効率を低下させる。粒径を大きくすれば、粒界密度が小さくなって抵抗が小さくなるが、発電に寄与する表面積が小さくなるため、発電効率が低下する。発電に寄与する表面積を大きくすべく、粒径を小さくすれば、粒界密度が大きくなり、抵抗が増す。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、色素太陽電池の光電変換素子をはじめとする種々の機能素子等に適用される微粒子集合体の粒界抵抗等のエネルギー障壁を低減し、機能素子の性能を高めることを目的とする。
However, in the aggregate of crystal particles produced in this way, adjacent particles are solid-phase bonded (necked). The directions of the crystal planes of these fine particles are random to each other. Therefore, a grain boundary resistance, that is, an energy barrier is formed between adjacent fine particles. The grain boundary resistance hinders the conductivity of carrier electrons and lowers the power generation efficiency as a photoelectric conversion element. If the particle size is increased, the grain boundary density is decreased and the resistance is decreased, but the surface area contributing to power generation is decreased, so that the power generation efficiency is decreased. If the particle size is reduced to increase the surface area that contributes to power generation, the grain boundary density increases and the resistance increases.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is the grain boundary resistance of a fine particle assembly applied to various functional elements including a photoelectric conversion element of a dye solar cell. The purpose is to reduce the energy barrier of the device and improve the performance of the functional device.

上記問題点を解決するために、本発明は、微粒子集合体を含む機能素子を製造する方法であって、
前記機能素子の機能を担う機能膜になるべきゲル状の前駆体を生成する前駆体生成工程と、
前記前駆体を微粒子核の表面に被膜し、微粒子を得る被膜工程と、
多数の前記微粒子を集合させて配置する集合工程と、
集合させた前記微粒子を焼成する焼成工程と、
を実行することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is a method for producing a functional element including a fine particle assembly,
A precursor generating step for generating a gel-like precursor to be a functional film responsible for the function of the functional element;
Coating the precursor on the surface of fine particle nuclei to obtain fine particles; and
An assembly step of assembling and arranging a large number of the fine particles;
A firing step of firing the aggregated fine particles;
It is characterized by performing.

微粒子を集合させることにより、隣接する微粒子どうしを接触させることができる。すると、隣接する微粒子のゲル状の前駆体どうしが一体に連続する。この微粒子の集合体を焼成することによって、前駆体を焼結させて機能膜を生成できる。機能膜は各微粒子核を覆う。かつ、隣接する微粒子の機能膜どうしが一体に連なる。機能膜が結晶質である場合、隣接する微粒子の機能膜の結晶面の方向が揃い、一体的に結晶化される。したがって、微粒子集合体の粒界抵抗等のエネルギー障壁を低減でき、機能素子の性能を高めることができる。微粒子を三次元網目構造になるよう集合させることによって、機能素子を多孔質にでき、機能素子の比表面積を大きくできる。   By assembling the fine particles, adjacent fine particles can be brought into contact with each other. Then, the gel-like precursors of adjacent fine particles are continuously connected. By firing the aggregate of the fine particles, the functional film can be generated by sintering the precursor. The functional film covers each particle nucleus. In addition, adjacent functional films of fine particles are integrally connected. When the functional film is crystalline, the crystal plane directions of the functional films of adjacent fine particles are aligned and are crystallized integrally. Therefore, the energy barrier such as the grain boundary resistance of the fine particle aggregate can be reduced, and the performance of the functional element can be improved. By assembling the fine particles into a three-dimensional network structure, the functional element can be made porous and the specific surface area of the functional element can be increased.

また、本発明は、微粒子の集合体で構成された機能素子であって、
前記微粒子が、微粒子核と、前記微粒子核の表面に被覆された機能膜とを有し、隣接する微粒子の機能膜どうしが、一体に連続していることを特徴とする。
これによって、微粒子集合体の粒界でのエネルギー障壁を低減でき、機能素子の性能を高めることができる。
一体に連続しているとは、隣接する微粒子の機能膜どうしが界面を介在させずに連なっている状態をいい、隣接する微粒子の機能膜どうしの結合部分に界面がまったく存在しない場合に限られず、結合部分の一部に界面が存在せず、残部に界面が存在する場合も含む。機能膜が結晶質の場合、一体に連続しているとは、隣接する微粒子の機能膜どうしの結晶面の方向が互いに揃った状態を含む。
Further, the present invention is a functional element composed of an aggregate of fine particles,
The fine particles have fine particle nuclei and a functional film coated on the surface of the fine particle nuclei, and the functional films of adjacent fine particles are integrally continuous.
Thereby, the energy barrier at the grain boundary of the fine particle aggregate can be reduced, and the performance of the functional element can be enhanced.
The term “continuous in one piece” means a state in which the functional films of adjacent fine particles are connected without interposing an interface, and is not limited to the case where there is no interface at the bonding portion between the functional films of adjacent fine particles. In addition, the case where the interface does not exist in a part of the bonding portion and the interface exists in the remaining part is included. In the case where the functional film is crystalline, the term “continuous integrally” includes a state in which the crystal plane directions of the functional films of adjacent fine particles are aligned with each other.

前記微粒子核の粒径は、1nm〜1μmであることが好ましく、1nm〜30nmであることがより好ましい。
微粒子核の粒径ひいては微粒子の粒径が小さくなればなるほど粒界密度が増す。一方、本発明によれば、隣接する微粒子の機能膜どうしを連続させることにより、粒界密度が増大しても機能素子全体のエネルギー障壁を低く抑えることができる。したがって、比表面積が大きいほど機能が高くなる機能素子の場合、エネルギー障壁の増大を懸念することなく、粒径を十分に小さくして比表面積を稼ぐことができる。
The particle diameter of the fine particle nuclei is preferably 1 nm to 1 μm, and more preferably 1 nm to 30 nm.
The grain boundary density increases as the particle diameter of the fine particle nuclei and thus the particle diameter of the fine particles become smaller. On the other hand, according to the present invention, it is possible to keep the energy barrier of the entire functional element low even if the grain boundary density increases by making the functional films of adjacent fine particles continuous. Therefore, in the case of a functional element whose function increases as the specific surface area increases, the specific surface area can be increased by sufficiently reducing the particle size without concern for an increase in the energy barrier.

前記微粒子の集合体が三次元網目構造であることが好ましい。
これによって、機能素子を多孔質にすることができ、比表面積を大きくできる。
It is preferable that the aggregate of fine particles has a three-dimensional network structure.
Thereby, the functional element can be made porous and the specific surface area can be increased.

前記前駆体が、金属塩、金属アルコキシド、有機金属錯体から選択される少なくとも1種の化合物を出発原料とするゾルゲル法により生成されることが好ましい。金属塩として、チタン塩等が挙げられる。金属アルコキシドとして、チタンテトラアルコキシド等が挙げられる。有機金属錯体として、ビストルエンチタニウム等が挙げられる。
選択された化合物が、Ti、Zn、Sn、In、W、V、Al、Fe、Sr、Gaから選択される少なくとも1種の金属元素を含むことが好ましい。
The precursor is preferably generated by a sol-gel method using at least one compound selected from a metal salt, a metal alkoxide, and an organometallic complex as a starting material. Examples of metal salts include titanium salts. Examples of the metal alkoxide include titanium tetraalkoxide. Examples of the organometallic complex include bistoluene titanium.
It is preferable that the selected compound contains at least one metal element selected from Ti, Zn, Sn, In, W, V, Al, Fe, Sr, and Ga.

前記機能膜が、金属カルコゲニド化合物を含有することが好ましい。
金属カルコゲニド化合物とは、金属及び酸素族元素(例えばO、S、Se、Te、Po)を含む化合物をいう。前記金属カルコゲニド化合物が、Ti、Zn、Sn、In、W、V、Al、Fe、Sr、Gaから選択される少なくとも1種の金属元素を含有することが好ましい。金属カルコゲニド化合物として、例えばTiO、ZnO、ZnS等が挙げられる。
前記機能膜が、金属カルコゲニド化合物を複数種含んでいてもよい。
The functional film preferably contains a metal chalcogenide compound.
The metal chalcogenide compound refers to a compound containing a metal and an oxygen group element (for example, O, S, Se, Te, Po). The metal chalcogenide compound preferably contains at least one metal element selected from Ti, Zn, Sn, In, W, V, Al, Fe, Sr, and Ga. Examples of the metal chalcogenide compound include TiO 2 , ZnO, ZnS, and the like.
The functional film may contain a plurality of metal chalcogenide compounds.

前記機能膜の厚さは、1nm〜100nmであることが好ましく、1nm〜10nmであることがより好ましい。   The thickness of the functional film is preferably 1 nm to 100 nm, and more preferably 1 nm to 10 nm.

本発明に係る機能素子製造方法の集合工程において、前記微粒子を基材に配置して加圧することが好ましい。
加圧によって、微粒子の配置密度を大きくでき、微粒子を確実に集合させることができる。微粒子核同士が接触することでストッパーの役を成しつつ隣接する微粒子どうしを確実に接触させることができ、更には隣接する微粒子の機能性前駆体どうしを確実に連続させることができる。
In the assembly step of the functional element manufacturing method according to the present invention, it is preferable that the fine particles are placed on a substrate and pressed.
By pressurization, the arrangement density of the fine particles can be increased, and the fine particles can be reliably assembled. When the fine particle nuclei are in contact with each other, the adjacent fine particles can be reliably brought into contact with each other while serving as a stopper, and further, the functional precursors of the adjacent fine particles can be reliably made continuous.

本発明に係る機能素子製造方法の集合工程において、前記微粒子を、互いに衝突するよう基材に吹き付けることにしてもよい。
微粒子の吹き付けには、吹き付けガン等の吹き付け装置を用いるとよい。衝突の衝撃によって、微粒子どうしを接触させることができる。
In the assembly step of the functional element manufacturing method according to the present invention, the fine particles may be sprayed onto the base material so as to collide with each other.
A spraying device such as a spray gun may be used for spraying the fine particles. The particles can be brought into contact with each other by the impact of the collision.

また、本発明は、前記機能素子製造方法にて機能素子を製造し、該機能素子を光電変換素子とする色素増感太陽電池の製造方法であって、
前記前駆体が半導体膜の前駆体であり、前記微粒子を透明電極上に集合させて焼成し、焼成後の微粒子集合体に増感色素を担持させることを特徴とする。
Further, the present invention is a method for producing a dye-sensitized solar cell, wherein a functional element is produced by the functional element production method, and the functional element is a photoelectric conversion element,
The precursor is a precursor of a semiconductor film, the fine particles are collected on a transparent electrode and fired, and a sensitizing dye is supported on the fired fine particle aggregate.

この色素増感太陽電池製造方法によれば、ゲル状の半導体膜前駆体を生成し、このゲル状半導体膜前駆体を微粒子核に被膜する。得られた微粒子を透明電極上に集合させて配置する。これにより、隣接する微粒子のゲル状半導体膜前駆体どうしを連続させることができる。集合させた微粒子を焼成する。焼成によって、ゲル状半導体膜前駆体を固相の半導体膜にすることができる。これにより、微粒子核を半導体膜で被膜してなる微粒子の集合体を得ることができる。この微粒子集合体における隣接する微粒子の半導体膜どうしが一体に連続するようにできる。前記微粒子集合体に増感色素を担持させる。これにより、色素増感太陽電池の光電変換素子を得ることができる。この光電変換素子は、微粒子の集合体にて構成されているから、三次元網目構造すなわち多孔質にでき、比表面積を確保できる。しかも、隣接する微粒子の半導体膜どうしが一体に連続しているため、粒界抵抗を小さくできる。よって、光電変換素子の内部抵抗の増大を懸念することなく、微粒子の粒径を小さくでき、比表面積を十分に大きくできる。この結果、光電変換素子の光電変換効率を高くすることができ、ひいては色素増感太陽電池の発電効率を高くすることができる。   According to this method for producing a dye-sensitized solar cell, a gel-like semiconductor film precursor is generated, and the gel-like semiconductor film precursor is coated on fine particle nuclei. The obtained fine particles are collected and arranged on the transparent electrode. Thereby, the gel-like semiconductor film precursors of adjacent fine particles can be made continuous. The assembled fine particles are fired. By baking, the gel-like semiconductor film precursor can be made into a solid phase semiconductor film. Thereby, an aggregate of fine particles formed by coating fine particle nuclei with a semiconductor film can be obtained. Adjacent fine particle semiconductor films in this fine particle aggregate can be made to continue integrally. A sensitizing dye is supported on the fine particle aggregate. Thereby, the photoelectric conversion element of a dye-sensitized solar cell can be obtained. Since this photoelectric conversion element is composed of an aggregate of fine particles, it can have a three-dimensional network structure, that is, a porous structure, and can secure a specific surface area. In addition, since the semiconductor films of adjacent fine particles are continuously connected, the grain boundary resistance can be reduced. Therefore, the particle size of the fine particles can be reduced and the specific surface area can be sufficiently increased without concern for an increase in internal resistance of the photoelectric conversion element. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element can be increased, and as a result, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell can be increased.

さらに、本発明は、前記機能素子を光電変換素子として有する色素増感太陽電池であって、前記機能膜が、増感色素を担持した半導体膜であり、前記微粒子の集合体が、三次元網目構造をなして透明電極に接していることを特徴とする。
微粒子集合体を三次元網目構造にすることにより光電変換素子を多孔質にでき、光電変換素子の比表面積を確保できる。さらに、隣接する微粒子の半導体膜どうしが連続する。したがって、粒界抵抗を小さくできる。よって、光電変換素子の内部抵抗の増大を懸念することなく、微粒子の粒径を小さくでき、比表面積を十分に大きくできる。この結果、光電変換素子の光電変換効率を高くすることができ、ひいては色素増感太陽電池の発電効率を高くすることができる。
Furthermore, the present invention provides a dye-sensitized solar cell having the functional element as a photoelectric conversion element, wherein the functional film is a semiconductor film supporting a sensitizing dye, and the aggregate of the fine particles is a three-dimensional network. It has a structure and is in contact with a transparent electrode.
By making the fine particle aggregate into a three-dimensional network structure, the photoelectric conversion element can be made porous, and the specific surface area of the photoelectric conversion element can be secured. Further, adjacent semiconductor films of fine particles are continuous. Therefore, the grain boundary resistance can be reduced. Therefore, the particle size of the fine particles can be reduced and the specific surface area can be sufficiently increased without concern for an increase in internal resistance of the photoelectric conversion element. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element can be increased, and as a result, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell can be increased.

前記増感色素は、光を吸収して電荷を放出する。増感色素としては、例えばルテニウム錯体などの有機金属錯体等を用いることが好ましい。
前記半導体膜は、増感色素から電荷を受け取り、透明電極へ輸送する。半導体膜としては、例えば酸化チタンを用いることが好ましい。
前記半導体膜の厚さは、1nm〜100nmであることが好ましい。さらに、前記半導体膜の厚さは、前記増感色素の吸収波長の10分の1以下であることが好ましい。これによって、半導体膜が光電変換機能及び電荷輸送機能を十分に奏するようにでき、かつ半導体膜が必要以上に厚くなるのを防止して、微粒子の粒径増大を防止でき、光電変換素子の比表面積を確実に大きくできる。
The sensitizing dye absorbs light and releases a charge. As the sensitizing dye, for example, an organometallic complex such as a ruthenium complex is preferably used.
The semiconductor film receives charges from the sensitizing dye and transports them to the transparent electrode. For example, titanium oxide is preferably used as the semiconductor film.
The thickness of the semiconductor film is preferably 1 nm to 100 nm. Furthermore, the thickness of the semiconductor film is preferably 1/10 or less of the absorption wavelength of the sensitizing dye. As a result, the semiconductor film can sufficiently perform the photoelectric conversion function and the charge transport function, and the semiconductor film can be prevented from becoming unnecessarily thick, and the particle size of the fine particles can be prevented from increasing. The surface area can be reliably increased.

色素増感太陽電池用の微粒子核は、透光性材料にて構成されていてもよい。これによって、光を光電変換素子の内部まで十分に到達させることができ、光電変換効率を向上させることができる。透光性を有する微粒子核としてガラスビーズ等が挙げられる。   The fine particle nucleus for the dye-sensitized solar cell may be made of a translucent material. Thereby, the light can sufficiently reach the inside of the photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion efficiency can be improved. A glass bead etc. are mentioned as a fine particle nucleus which has translucency.

本発明によれば、微粒子集合体の粒界でのエネルギー障壁を低減でき、機能素子の性能を高めることができる。   According to the present invention, the energy barrier at the grain boundary of the fine particle aggregate can be reduced, and the performance of the functional element can be improved.

本発明の好適な実施形態を説明する。
本発明の機能素子は、所定の機能を有する素子をいう。所定の機能としては、光学的機能、電気的機能、化学的機能、物理的機能等が挙げられ、具体的には、光電変換機能、電荷輸送機能、半導体機能、触媒機能、伝熱機能などが挙げられる。例えば、機能素子は、色素増感太陽電池の光電変換素子、燃料電池の反応部、電極等に適用できる。
A preferred embodiment of the present invention will be described.
The functional element of the present invention refers to an element having a predetermined function. Examples of the predetermined function include an optical function, an electrical function, a chemical function, a physical function, and the like. Specifically, there are a photoelectric conversion function, a charge transport function, a semiconductor function, a catalyst function, a heat transfer function, and the like. Can be mentioned. For example, the functional element can be applied to a photoelectric conversion element of a dye-sensitized solar cell, a reaction part of a fuel cell, an electrode, and the like.

機能素子は、微粒子の集合体を備えている。微粒子が厚さ方向に積層され、微粒子集合体が三次元網目構造になっている。ひいては、機能素子が多孔質になっている。   The functional element includes an aggregate of fine particles. Fine particles are stacked in the thickness direction, and the fine particle aggregate has a three-dimensional network structure. As a result, the functional element is porous.

微粒子集合体を構成する各微粒子は、微粒子核と、この微粒子核の表面に被膜された機能膜を含む。   Each fine particle constituting the fine particle aggregate includes a fine particle nucleus and a functional film coated on the surface of the fine particle nucleus.

微粒子核は、微粒子の核すなわち中心部を構成する。微粒子核は、機能膜又は後述する前駆体を支持する支持体となる。微粒子核は、機能膜及び後記前駆体を支持する機械的強度を有し、更には後述する加圧に耐え得る機械的強度、及び焼成温度に耐え得る熱的強度を有している。微粒子核は、金属等の導電性材料で構成されていてもよく、樹脂やセラミック等の絶縁体で構成されていてもよく、ガラス等の透光性材料で構成されていてもよい。微粒子集合体に、材質が異なる複数種の微粒子核を混在させてもよい。微粒子核が、機能膜と同じ成分で構成されていてもよい。   The fine particle nucleus constitutes the fine particle nucleus, that is, the central portion. The fine particle nucleus serves as a support for supporting the functional film or a precursor described later. The fine particle nucleus has mechanical strength for supporting the functional film and the precursor described later, and further has mechanical strength that can withstand the pressurization described later and thermal strength that can withstand the firing temperature. The fine particle nucleus may be composed of a conductive material such as metal, may be composed of an insulator such as resin or ceramic, and may be composed of a light-transmitting material such as glass. Plural kinds of fine particle nuclei with different materials may be mixed in the fine particle aggregate. The fine particle nucleus may be composed of the same component as the functional film.

微粒子核の粒径は、例えば1nm以上1μm以下であり、好ましくは1nm以上30nm以下である。微粒子集合体に、大きさが異なる複数種の微粒子核を混在させてもよい。これにより、微粒子集合体を任意の多孔形状にすることができる。   The particle diameter of the fine particle nuclei is, for example, 1 nm or more and 1 μm or less, preferably 1 nm or more and 30 nm or less. A plurality of types of fine particle nuclei having different sizes may be mixed in the fine particle aggregate. Thereby, a fine particle aggregate can be made into arbitrary porous shapes.

微粒子核の形状は、粒径制御された球体であってもよく、板状又は棒状であってもよく、或いは星形等の任意の形状であってもよい。微粒子集合体に、形状が異なる複数種の微粒子核を混在させてもよい。これにより、微粒子集合体を任意の多孔形状にすることができる。
1つの微粒子集合体に、材質、大きさ、形状が異なる複数種の微粒子核が混在していてもよい。
The shape of the fine particle nucleus may be a sphere with a controlled particle size, a plate shape or a rod shape, or an arbitrary shape such as a star shape. Plural kinds of fine particle nuclei having different shapes may be mixed in the fine particle aggregate. Thereby, a fine particle aggregate can be made into arbitrary porous shapes.
A single particle aggregate may contain a plurality of types of particle nuclei having different materials, sizes, and shapes.

微粒子集合体における隣接する微粒子の微粒子核どうしは、互いに接触していてもよく、互いに離れていてもよい。隣接する微粒子核どうしの間の空間を埋めるように機能膜が介在されていてもよい。   The fine particle nuclei of adjacent fine particles in the fine particle aggregate may be in contact with each other or may be separated from each other. A functional film may be interposed so as to fill a space between adjacent fine particle nuclei.

機能膜は、微粒子核の表面に被膜されている。機能膜は、機能素子において上記所定の機能を担う要素である。機能膜が単独で上記機能を担ってもよく、機能膜が機能素子の他の要素と協働して上記機能を担ってもよい。例えば、色素増感太陽電池の光電変換素子においては、酸化チタン等の半導体からなる機能膜が、該機能膜に担持された増感色素と協働して光電変換機能を発揮する。また、色素増感太陽電池の光電変換素子において、酸化チタン等の半導体からなる機能膜は、該機能膜単独で電荷輸送機能及び半導体機能を有する。
なお、上記微粒子核は、上記所定の機能を有する必要はないが、上記所定の機能を有することを排除するものではない。微粒子核が機能膜と同等又は機能膜より低い若しくは高い機能を奏し得るようになっていてもよい。機能膜と微粒子核とが互いに協働して上記所定の機能を奏するようになっていてもよい。
The functional film is coated on the surface of the fine particle nucleus. The functional film is an element having the predetermined function in the functional element. The functional film may be responsible for the above function alone, or the functional film may be responsible for the above function in cooperation with other elements of the functional element. For example, in a photoelectric conversion element of a dye-sensitized solar cell, a functional film made of a semiconductor such as titanium oxide exhibits a photoelectric conversion function in cooperation with a sensitizing dye supported on the functional film. In the photoelectric conversion element of the dye-sensitized solar cell, the functional film made of a semiconductor such as titanium oxide has a charge transport function and a semiconductor function by itself.
The fine particle nuclei need not have the predetermined function, but it does not exclude having the predetermined function. The fine particle nuclei may have the same or lower function than the functional film or a higher function. The functional film and the fine particle nucleus may cooperate with each other to perform the predetermined function.

機能膜の厚さは、例えば1nm以上100nm以下であり、好ましくは1nm以上10nm以下である。複数の微粒子の機能膜の厚さが互いに異なっていてもよい。
微粒子核と機能膜を合わせた微粒子全体の粒径は、数nm〜1μm程度であることが好ましく、10nm〜50nm程度がより好ましい。
The thickness of the functional film is, for example, 1 nm or more and 100 nm or less, and preferably 1 nm or more and 10 nm or less. The thickness of the functional film of the plurality of fine particles may be different from each other.
The total particle diameter of the fine particles including the fine particle nucleus and the functional film is preferably about several nm to 1 μm, and more preferably about 10 nm to 50 nm.

機能膜の成分は、機能素子の機能に応じて適宜選択される。機能膜は、好ましくは金属カルコゲニド化合物を含有する。金属カルコゲニド化合物の金属元素は、Ti、Zn、Sn、In、W、V、Al、Fe、Sr、Ga等から選択される。金属カルコゲニド化合物が、2種以上の金属元素を含んでいてもよい。機能膜は、2種以上の金属カルコゲニド化合物を含む混合物であってもよい。機能膜は、結晶質であることが好ましい。機能膜は、半導体であってもよい。   The component of the functional film is appropriately selected according to the function of the functional element. The functional film preferably contains a metal chalcogenide compound. The metal element of the metal chalcogenide compound is selected from Ti, Zn, Sn, In, W, V, Al, Fe, Sr, Ga, and the like. The metal chalcogenide compound may contain two or more metal elements. The functional film may be a mixture containing two or more metal chalcogenide compounds. The functional film is preferably crystalline. The functional film may be a semiconductor.

隣接する微粒子の機能膜どうしが、界面を介さずに一体に連続している。すなわち、隣接する微粒子の機能膜どうしの結合部分に界面がまったく存在せず、または部分的にしか存在せず、機能膜が一体になって隣接する微粒子間に跨っている。機能膜が結晶質の場合、隣接する微粒子の機能膜どうしの結晶面の方向が互いに揃っている。   Adjacent fine particle functional films are integrally continuous without an interface. In other words, there is no interface or only a partial interface at the bonding portion between the adjacent functional films of the fine particles, and the functional films are integrated and straddle between the adjacent fine particles. When the functional film is crystalline, the directions of the crystal planes of the functional films of adjacent fine particles are aligned.

機能素子の製造方法の一例を説明する。
[前駆体生成工程]
機能膜となるべきゲル状の前駆体を生成する。ゲル状前駆体は、例えば金属塩、金属アルコキシド、有機金属錯体等を出発原料にして、ゾルゲル法により作製する。出発原料となる金属塩又は金属アルコキシド又は有機金属錯体は、有機金属カルコゲニドの一種であることが好ましい。金属塩、金属アルコキシド、有機金属錯体等の出発原料を溶媒に溶解し、加水分解、脱水、重合、縮合等を行ない、ゲル状の前駆体を得る。
An example of a method for manufacturing a functional element will be described.
[Precursor generation step]
A gel-like precursor to be a functional film is generated. The gel-like precursor is produced by a sol-gel method using, for example, a metal salt, metal alkoxide, organometallic complex or the like as a starting material. The starting metal salt, metal alkoxide, or organometallic complex is preferably a kind of organometallic chalcogenide. A starting material such as a metal salt, metal alkoxide, or organometallic complex is dissolved in a solvent and subjected to hydrolysis, dehydration, polymerization, condensation, and the like to obtain a gel-like precursor.

[被膜工程]
上記のゲル状前駆体を微粒子核の表面に被膜し、表層がゲル状の微粒子を得る。
[Coating process]
The above gel-like precursor is coated on the surface of the fine particle nucleus to obtain fine particles having a gel surface.

[配置工程、集合工程]
上記のようにして得られた多数の微粒子を基材に配置し集合させる。これにより、微粒子どうしが接触し、三次元網目構造の微粒子集合体が得られる。さらに、隣接する微粒子のゲル状前駆体どうしが、互いに連続して一体になる。
[Placement process, assembly process]
A large number of fine particles obtained as described above are arranged and assembled on a substrate. Thereby, the fine particles come into contact with each other, and a fine particle aggregate having a three-dimensional network structure is obtained. Furthermore, the gel-like precursors of adjacent fine particles are continuously integrated with each other.

基材は、微粒子ひいては機能素子を支持可能なものであれば平板状でもよく、容器状でもよい。基材は、機能素子を定着させた状態で製品に装着される。例えば、色素増感太陽電池においては、基材として透明導電膜が被膜されたガラス基板を用いるとよい。   The substrate may be a flat plate shape or a container shape as long as it can support the fine particles and thus the functional elements. The substrate is attached to the product with the functional element fixed. For example, in a dye-sensitized solar cell, a glass substrate coated with a transparent conductive film may be used as a base material.

微粒子を分散媒に分散させた分散液を基材に塗布することにしてもよい。分散媒として、水、エタノール、アセトン等を用いることができる。
更に好ましくは、基材上に塗布(配置)した微粒子を加圧する。これによって、微粒子が集合して配置密度が高まり、隣接する微粒子の微粒子核どうしを接触させることができ、隣接する微粒子のゲル状前駆体どうしを確実に連続化できる。加圧は、例えば、平面プレス板を有する平面プレス機を用いて行なってもよく、ローラーを有するロールプレス機を用いて行ってもよい。加圧力は適宜調節する。加圧力が大きすぎると、微粒子集合体の三次元網目構造が崩れたり、微粒子核が破損したり、基材が破損したりするおそれがある。加圧力が小さすぎると、微粒子の接触及びゲル状前駆体の連続化が不十分になる。
A dispersion liquid in which fine particles are dispersed in a dispersion medium may be applied to a substrate. As the dispersion medium, water, ethanol, acetone or the like can be used.
More preferably, the fine particles applied (arranged) on the substrate are pressurized. As a result, the fine particles gather and the arrangement density increases, the fine particle nuclei of the adjacent fine particles can be brought into contact with each other, and the gel-like precursors of the adjacent fine particles can be reliably continuous. The pressurization may be performed, for example, using a flat press machine having a flat press plate, or using a roll press machine having a roller. Adjust the pressure appropriately. If the applied pressure is too large, the three-dimensional network structure of the fine particle aggregate may be destroyed, the fine particle nuclei may be damaged, or the substrate may be damaged. If the applied pressure is too small, contact of the fine particles and continuation of the gel-like precursor are insufficient.

吹き付けガンを用い、微粒子を基材に勢いよく吹き付け、基材上で微粒子を互いに衝突させることにしてもよい。そうすると、衝突の衝撃によって、微粒子どうしが接触し、隣接する微粒子のゲル状前駆体どうしが連続して一体になる。   Using a spray gun, the fine particles may be sprayed vigorously on the base material, and the fine particles may collide with each other on the base material. Then, due to the impact of the collision, the fine particles come into contact with each other, and the gel-like precursors of the adjacent fine particles are continuously integrated.

[焼成工程]
上記の微粒子集合体を加熱し、前駆体を焼成する。焼成温度は、400〜600℃程度が好ましい。焼成温度が高すぎると、焼成装置の負担が大きい。焼成温度が低すぎると、十分に焼成できない。焼成は、加熱処理にて行なってもよく、マイクロ波、UV照射、プラズマ照射などの処理にて行なってもよい。
[Baking process]
The fine particle aggregate is heated, and the precursor is fired. The firing temperature is preferably about 400 to 600 ° C. When the firing temperature is too high, the burden on the firing apparatus is large. If the firing temperature is too low, it cannot be fired sufficiently. Firing may be performed by heat treatment, or may be performed by treatment such as microwave, UV irradiation, or plasma irradiation.

焼成工程により、ゲル状前駆体が焼結して固相の機能膜になる。また、分散媒は、蒸発して除去される。隣接する微粒子の機能膜どうしは、界面を介さずに一体に連なった状態になる。機能膜が結晶質の場合は、隣接する微粒子の機能膜の結晶面の方向が互いに揃い、一体に結晶化される。したがって、微粒子集合体の粒界でのエネルギー障壁を低減できる。この結果、機能素子の性能を高めることができる。   By the firing step, the gel-like precursor is sintered to become a solid-state functional film. Further, the dispersion medium is removed by evaporation. Adjacent fine particle functional films are in a continuous state without intervening the interface. When the functional film is crystalline, the crystal plane directions of the functional films of adjacent fine particles are aligned with each other and are crystallized integrally. Therefore, the energy barrier at the grain boundary of the fine particle aggregate can be reduced. As a result, the performance of the functional element can be improved.

次に、本発明を色素増感太陽電池に適用した具体的な実施形態を図面にしたがって説明する。
図1に示すように、色素増感太陽電池1は、支持基材10と、光電変換素子20と、電解質層30と、対向電極40とを有している。
Next, specific embodiments in which the present invention is applied to a dye-sensitized solar cell will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell 1 includes a support base 10, a photoelectric conversion element 20, an electrolyte layer 30, and a counter electrode 40.

支持基材10は、透明基板11と、透明電極12を含む。透明基板11は、例えばガラス基板で構成されている。透明基板11の表面に透明電極12が被膜されている。透明電極12は、例えばフッ素添加酸化錫やインジウム錫酸化物等の透明な導電性材料にて構成され、薄膜状になっている。   The support base 10 includes a transparent substrate 11 and a transparent electrode 12. The transparent substrate 11 is composed of, for example, a glass substrate. A transparent electrode 12 is coated on the surface of the transparent substrate 11. The transparent electrode 12 is made of a transparent conductive material such as fluorine-added tin oxide or indium tin oxide, and has a thin film shape.

透明電極12上に光電変換素子20が膜状に積層されている。光電変換素子20は、光電変換機能を有する機能素子である。光電変換素子20は、多数の微粒子22の集合体21を備えている。微粒子集合体21は、三次元網目構造になっている。ひいては、光電変換素子20が多孔質体になっている。   A photoelectric conversion element 20 is laminated on the transparent electrode 12 in a film shape. The photoelectric conversion element 20 is a functional element having a photoelectric conversion function. The photoelectric conversion element 20 includes an aggregate 21 of a large number of fine particles 22. The fine particle aggregate 21 has a three-dimensional network structure. As a result, the photoelectric conversion element 20 is a porous body.

微粒子集合体21を構成する各微粒子22は、微粒子核23と、半導体膜24を有している。微粒子核23は、透光性材料のガラスにて構成されているが、これに限定されるものではなく、樹脂、セラミック、金属等で構成されていてもよい。微粒子核23が、半導体で構成されていてもよく、半導体膜24と同じ半導体成分で構成されていてもよく、例えばルチル型の酸化チタンで構成されていてもよい。微粒子核23は、粒径制御された球形になっている。微粒子核23の粒径は、例えば1nm〜1μm程度であり、好ましくは1nm〜30nm程度である。   Each fine particle 22 constituting the fine particle aggregate 21 has a fine particle nucleus 23 and a semiconductor film 24. The fine particle nuclei 23 are made of glass of a translucent material, but are not limited to this, and may be made of resin, ceramic, metal, or the like. The fine particle nucleus 23 may be composed of a semiconductor, may be composed of the same semiconductor component as the semiconductor film 24, and may be composed of, for example, rutile type titanium oxide. The fine particle nucleus 23 has a spherical shape with a controlled particle size. The particle diameter of the fine particle nucleus 23 is, for example, about 1 nm to 1 μm, and preferably about 1 nm to 30 nm.

微粒子核23の表面に、機能膜として半導体膜24が被覆されている。半導体膜24の材質としては、酸化チタンを用いることが好ましい。ここでは、半導体膜24の材質として、アナターゼ型酸化チタンが用いられている。アナターゼ型酸化チタンは、電子輸送を行うn型の金属酸化物半導体であり、かつ金属カルコゲニドの一種である。
図1において破線で示すように、半導体膜24は増感色素26を担持している。増感色素26として、例えばルテニウム錯体色素が用いられている。
The surface of the fine particle nucleus 23 is covered with a semiconductor film 24 as a functional film. As a material of the semiconductor film 24, it is preferable to use titanium oxide. Here, anatase-type titanium oxide is used as the material of the semiconductor film 24. Anatase-type titanium oxide is an n-type metal oxide semiconductor that transports electrons and is a kind of metal chalcogenide.
As shown by a broken line in FIG. 1, the semiconductor film 24 carries a sensitizing dye 26. As the sensitizing dye 26, for example, a ruthenium complex dye is used.

半導体膜24の厚さは、例えば1nm〜100nm程度であり、好ましくは1nm〜10nm程度である。さらに、半導体膜24の厚さは、増感色素26の吸収波長の10分の1以下であることが好ましい。一般に、増感色素26の吸収波長は、可視光の波長域に含まれ、例えば300〜800nm程度である。   The thickness of the semiconductor film 24 is, for example, about 1 nm to 100 nm, and preferably about 1 nm to 10 nm. Further, the thickness of the semiconductor film 24 is preferably 1/10 or less of the absorption wavelength of the sensitizing dye 26. In general, the absorption wavelength of the sensitizing dye 26 is included in the wavelength range of visible light, and is, for example, about 300 to 800 nm.

半導体膜24は、増感色素26と協働して光電変換機能を発揮するとともに、該半導体膜24単独で電荷輸送機能を発揮する。すなわち、光が増感色素26に吸収されることによって増感色素26の電子が励起されると、半導体膜24が、上記励起した電子を取り込み、透明電極12へ輸送する。さらに、半導体膜24は、電子の逆流を阻止する半導体機能を有する。   The semiconductor film 24 cooperates with the sensitizing dye 26 to exhibit a photoelectric conversion function, and the semiconductor film 24 alone exhibits a charge transport function. That is, when light is absorbed by the sensitizing dye 26 and the electrons of the sensitizing dye 26 are excited, the semiconductor film 24 takes in the excited electrons and transports them to the transparent electrode 12. Furthermore, the semiconductor film 24 has a semiconductor function that prevents backflow of electrons.

隣接する微粒子22の半導体膜24どうしが、一体に連続している。すなわち、半導体膜24が、隣接する微粒子核23間に界面を介さずに跨っている。隣接する微粒子22の接合部分では、これら微粒子22の半導体膜24どうしの結晶面の方向が互いに揃っている。   Adjacent semiconductor films 24 of the fine particles 22 are integrally continuous. That is, the semiconductor film 24 straddles between the adjacent fine particle nuclei 23 without an interface. At the junction of adjacent fine particles 22, the crystal plane directions of the semiconductor films 24 of these fine particles 22 are aligned with each other.

電解質層30は、光電変換素子20と対向電極40との間に充填されている。電解質層30の一部は、多孔質の光電変換素子20の内部に充填されている。電解質層30は、電解質溶液にて構成されている。電解質溶液として、例えばヨウ化物イオン/トリヨウ化物イオンのレドックス対が用いられている。   The electrolyte layer 30 is filled between the photoelectric conversion element 20 and the counter electrode 40. A part of the electrolyte layer 30 is filled inside the porous photoelectric conversion element 20. The electrolyte layer 30 is composed of an electrolyte solution. As the electrolyte solution, for example, a redox pair of iodide ions / triiodide ions is used.

対向電極40は、透明導電膜で構成され、支持基材10と対向している。対向電極40の支持基材10を向く面に触媒42が担持されている。触媒42として例えば白金が用いられている。   The counter electrode 40 is made of a transparent conductive film and faces the support substrate 10. A catalyst 42 is supported on the surface of the counter electrode 40 facing the support substrate 10. For example, platinum is used as the catalyst 42.

色素増感太陽電池1の製造方法を説明する。
[前駆体生成工程]
例えばチタンテトラプロポキシド等の有機チタン化合物を出発原料として、この出発原料をイソプロピルアルコール等の溶媒に溶解し、ゾルゲル法によりゲル状の半導体膜前駆体25を作製する。
A method for producing the dye-sensitized solar cell 1 will be described.
[Precursor generation step]
For example, using an organic titanium compound such as titanium tetrapropoxide as a starting material, the starting material is dissolved in a solvent such as isopropyl alcohol, and the gel-like semiconductor film precursor 25 is prepared by a sol-gel method.

[被膜工程]
図2に示すように、ゲル状の前駆体25を、微粒子核23の表面に被膜し、表層がゲル状の微粒子22を得る。
[Coating process]
As shown in FIG. 2, a gel-like precursor 25 is coated on the surface of the fine particle nucleus 23 to obtain fine particles 22 whose surface layer is a gel.

[配置工程]
上記の微粒子22を水、エタノール、アセトン等の分散媒に分散させ、微粒子分散液を得る。この微粒子分散液を基材10の透明電極12上に塗布(配置)する。
[Arrangement process]
The fine particles 22 are dispersed in a dispersion medium such as water, ethanol, and acetone to obtain a fine particle dispersion. This fine particle dispersion is applied (arranged) on the transparent electrode 12 of the substrate 10.

[加圧工程(集合工程)]
塗布後の微粒子分散液を加圧する。これにより、図3に示すように、微粒子22どうしが集合して配置密度が高くなり、三次元網目構造の微粒子集合体21が形成される。微粒子集合体21において、隣接する微粒子22の微粒子核23どうしが接触する。さらに、隣接する微粒子22のゲル状の半導体膜前駆体25どうしが連続して一体になる。
[Pressure process (aggregation process)]
The fine particle dispersion after application is pressurized. As a result, as shown in FIG. 3, the fine particles 22 are gathered to increase the arrangement density, and the fine particle aggregate 21 having a three-dimensional network structure is formed. In the fine particle aggregate 21, the fine particle nuclei 23 of the adjacent fine particles 22 are in contact with each other. Further, the gel-like semiconductor film precursors 25 of the adjacent fine particles 22 are continuously integrated.

[焼成工程]
次に、基材10を焼成炉に入れ、基材10上の微粒子集合体21を焼成する。焼成温度は、400〜600℃程度が好ましく、500℃程度がより好ましい。焼成(縮合反応)温度は、一般的な色素増感太陽電池の製造技術(特許文献2参照)における酸化チタン結晶粒子の焼成(固相反応)温度よりも低温にすることができる。焼成時間は、例えば1時間程度とするが、これに限定されるものではない。焼成炉としては、加熱炉を用いてもよく、マイクロ波焼成炉を用いてもよく、紫外線照射装置を用いてもよく、プラズマ照射装置を用いてもよい。
[Baking process]
Next, the base material 10 is put into a firing furnace, and the fine particle aggregate 21 on the base material 10 is fired. The firing temperature is preferably about 400 to 600 ° C, more preferably about 500 ° C. The firing (condensation reaction) temperature can be lower than the firing (solid-phase reaction) temperature of the titanium oxide crystal particles in a general dye-sensitized solar cell manufacturing technique (see Patent Document 2). The firing time is, for example, about 1 hour, but is not limited thereto. As a baking furnace, a heating furnace may be used, a microwave baking furnace may be used, an ultraviolet irradiation apparatus may be used, and a plasma irradiation apparatus may be used.

焼成工程を実行することによって、分散媒が蒸発し除去される。さらに、図4に示すように、ゲル状前駆体25が焼結(縮合)して結晶化し、酸化チタン結晶からなる半導体膜24が得られる。結晶化の際、隣接する微粒子22の半導体膜24どうしの結晶面の方向が互いに揃い、これら隣接する微粒子22の半導体膜24どうしが界面を介さずに一体に連続する。こうして、微粒子集合体21が得られる。微粒子集合体21は、微粒子22が三次元網目状に組み合わさり、多孔質構造になっている。   By performing the firing step, the dispersion medium is evaporated and removed. Furthermore, as shown in FIG. 4, the gel-like precursor 25 is sintered (condensed) and crystallized to obtain a semiconductor film 24 made of titanium oxide crystals. At the time of crystallization, the crystal plane directions of the semiconductor films 24 of the adjacent fine particles 22 are aligned with each other, and the semiconductor films 24 of the adjacent fine particles 22 are continuously integrated with each other without an interface. In this way, the fine particle aggregate 21 is obtained. The fine particle aggregate 21 has a porous structure in which the fine particles 22 are combined in a three-dimensional network.

[色素担持工程]
続いて、微粒子集合体21を増感色素含有液に浸漬する。これにより、図1に示すように、半導体膜24の表面に増感色素26が担持される。こうして、光電変換素子20が形成される。
[Dye support process]
Subsequently, the fine particle aggregate 21 is immersed in a sensitizing dye-containing solution. As a result, the sensitizing dye 26 is carried on the surface of the semiconductor film 24 as shown in FIG. Thus, the photoelectric conversion element 20 is formed.

[対向電極配置工程、電解質充填工程]
次に、光電変換素子20の上側に電解質層30を挟んで対向電極40を配置する。対向電極40を配置した後、電解質層30を充填することにしてもよい。これにより、色素増感太陽電池1が得られる。
[Counter electrode placement process, electrolyte filling process]
Next, the counter electrode 40 is disposed above the photoelectric conversion element 20 with the electrolyte layer 30 interposed therebetween. After disposing the counter electrode 40, the electrolyte layer 30 may be filled. Thereby, the dye-sensitized solar cell 1 is obtained.

色素増感太陽電池1の光電変換素子20は、微粒子22が三次元網目状に積層され多孔質になっているだけでなく、隣接する微粒子22の半導体膜24どうしが一体に連続している。そのため、隣接する微粒子22間の粒界抵抗(エネルギー障壁)が十分に小さい。したがって、微粒子22の粒径が小さく微粒子集合体21の粒界密度が高くても、微粒子集合体21の内部抵抗を十分に低く抑えることができる。よって、微粒子集合体21の内部抵抗の増大を懸念することなく、微粒子22の粒径を十分に小さくでき、光電変換素子20の比表面積を大きくできる。この結果、光電変換素子20の光電変換効率ひいては発電効率を十分に高くすることができる。
半導体膜24の厚さを増感色素26の吸収波長の10分の1以下にすることによって、半導体膜24が光電変換機能及び電荷輸送機能を十分に奏するようにでき、かつ半導体膜24が必要以上に厚くなるのを防止して、微粒子22の粒径増大を防止できる。よって、光電変換素子20の比表面積を確実に大きくできる。
微粒子核23が透光性材料のガラスで構成されているため、入射光を光電変換素子20の内部まで十分に到達させることができ、光電変換効率ひいては発電効率を向上させることができる。
なお、微粒子核23を省略し、半導体膜の前駆体25のみを基材10に塗布して焼成した場合、無孔質の稠密な半導体膜からなる光電変換素子が形成される。したがって、光電変換素子の比表面積が小さく、十分な発電効率を確保するのは難しい。
In the photoelectric conversion element 20 of the dye-sensitized solar cell 1, not only are the fine particles 22 laminated in a three-dimensional network shape to be porous, but also the semiconductor films 24 of the adjacent fine particles 22 are integrally continuous. Therefore, the grain boundary resistance (energy barrier) between adjacent fine particles 22 is sufficiently small. Therefore, even if the particle diameter of the fine particle 22 is small and the grain boundary density of the fine particle aggregate 21 is high, the internal resistance of the fine particle aggregate 21 can be sufficiently suppressed. Therefore, the particle size of the fine particles 22 can be sufficiently reduced without increasing the internal resistance of the fine particle aggregate 21, and the specific surface area of the photoelectric conversion element 20 can be increased. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 20 and thus the power generation efficiency can be sufficiently increased.
By setting the thickness of the semiconductor film 24 to 1/10 or less of the absorption wavelength of the sensitizing dye 26, the semiconductor film 24 can sufficiently exhibit the photoelectric conversion function and the charge transport function, and the semiconductor film 24 is necessary. The increase in the particle diameter of the fine particles 22 can be prevented by preventing the increase in thickness. Therefore, the specific surface area of the photoelectric conversion element 20 can be reliably increased.
Since the fine particle nuclei 23 are made of glass of a translucent material, incident light can sufficiently reach the inside of the photoelectric conversion element 20, and the photoelectric conversion efficiency and thus the power generation efficiency can be improved.
When the fine particle nuclei 23 are omitted and only the semiconductor film precursor 25 is applied to the substrate 10 and fired, a photoelectric conversion element made of a nonporous dense semiconductor film is formed. Therefore, the specific surface area of the photoelectric conversion element is small, and it is difficult to ensure sufficient power generation efficiency.

この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、機能膜は、非晶質であってもよい。
機能膜が、金属カルコゲニドに加えて、又は金属カルコゲニドに代えて、金属カルコゲニド以外の金属化合物(例えば金属窒化物等)を含有していてもよい。
微粒子集合体が二次元の網目構造であってもよい。機能素子は、用途によっては、多孔質又は網目構造になっていなくてもよい。
機能素子の製造方法及び色素増感太陽電池の製造方法は、適宜改変してもよい。
機能素子の製造方法の各工程の順序を適宜変更してもよい。色素増感太陽電池の製造方法の各工程の順序を適宜変更してもよい。複数の工程を併行して実行してもよい。例えば、前駆体生成工程と被膜工程を併行して実行してもよい。集合工程と焼成工程を併行して実行してもよい。焼成工程の過程で分散液が蒸発するのに伴ない、微粒子が集合するようにしてもよい。加圧工程と焼成工程を併行して実行してもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, the functional film may be amorphous.
The functional film may contain a metal compound (for example, metal nitride) other than the metal chalcogenide in addition to or instead of the metal chalcogenide.
The fine particle aggregate may have a two-dimensional network structure. The functional element may not have a porous or network structure depending on the application.
The method for producing the functional element and the method for producing the dye-sensitized solar cell may be modified as appropriate.
You may change suitably the order of each process of the manufacturing method of a functional element. You may change suitably the order of each process of the manufacturing method of a dye-sensitized solar cell. A plurality of processes may be executed in parallel. For example, the precursor generation step and the coating step may be performed in parallel. The assembly process and the firing process may be performed in parallel. As the dispersion liquid evaporates in the course of the firing step, the fine particles may gather. You may perform a pressurization process and a baking process in parallel.

本発明の一実施形態を示し、色素増感太陽電池の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of this invention and shows the structure of a dye-sensitized solar cell typically. 上記実施形態における焼成工程前の微粒子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the microparticles | fine-particles before the baking process in the said embodiment. 上記色素増感太陽電池の製造方法を、集合工程の状態で模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the said dye-sensitized solar cell typically in the state of an assembly process. 上記色素増感太陽電池の製造方法を、焼成工程の状態で模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the said dye-sensitized solar cell typically in the state of a baking process.

符号の説明Explanation of symbols

1 色素増感太陽電池
10 基材
11 透明基板
12 透明電極
20 光電変換素子(機能素子)
21 微粒子集合体
22 微粒子
23 微粒子核
24 半導体膜(機能膜)
25 前駆体
26 増感色素
30 電解質層
40 対向電極
42 触媒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dye-sensitized solar cell 10 Base material 11 Transparent substrate 12 Transparent electrode 20 Photoelectric conversion element (functional element)
21 Fine particle assembly 22 Fine particle 23 Fine particle nucleus 24 Semiconductor film (functional film)
25 Precursor 26 Sensitizing dye 30 Electrolyte layer 40 Counter electrode 42 Catalyst

Claims (17)

微粒子集合体を含む機能素子を製造する方法であって、
前記機能素子の機能を担う機能膜になるべきゲル状の前駆体を生成する前駆体生成工程と、
前記前駆体を微粒子核の表面に被膜し、微粒子を得る被膜工程と、
多数の前記微粒子を集合させて配置する集合工程と、
集合させた前記微粒子を焼成する焼成工程と、
を実行することを特徴とする機能素子の製造方法。
A method for producing a functional element including a fine particle assembly,
A precursor generating step for generating a gel-like precursor to be a functional film responsible for the function of the functional element;
Coating the precursor on the surface of fine particle nuclei to obtain fine particles; and
An assembly step of assembling and arranging a large number of the fine particles;
A firing step of firing the aggregated fine particles;
A method of manufacturing a functional element, characterized in that
前記微粒子核の粒径が、5nm〜1μmであることを特徴とする請求項1に記載の機能素子の製造方法。   The method for producing a functional element according to claim 1, wherein a particle diameter of the fine particle nucleus is 5 nm to 1 μm. 前記前駆体が、金属塩、金属アルコキシド、有機金属錯体から選択される少なくとも1種の化合物を出発原料とするゾルゲル法により生成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の機能素子の製造方法。   3. The functional device according to claim 1, wherein the precursor is generated by a sol-gel method using at least one compound selected from a metal salt, a metal alkoxide, and an organometallic complex as a starting material. Production method. 前記化合物が、Ti、Zn、Sn、In、W、V、Al、Fe、Sr、Gaから選択される少なくとも1種の金属元素を含むことを特徴とする請求項3に記載の機能素子の製造方法。   The functional compound according to claim 3, wherein the compound contains at least one metal element selected from Ti, Zn, Sn, In, W, V, Al, Fe, Sr, and Ga. Method. 前記焼成により前記前駆体から生成された機能膜が、Ti、Zn、Sn、In、W、V、Al、Fe、Sr、Gaから選択される少なくとも1種の金属元素を含む金属カルコゲニド化合物を含有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の機能素子の製造方法。   The functional film generated from the precursor by the firing contains a metal chalcogenide compound containing at least one metal element selected from Ti, Zn, Sn, In, W, V, Al, Fe, Sr, and Ga. The method for manufacturing a functional element according to claim 1, wherein: 前記前駆体が、有機半導体を含有することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の機能素子の製造方法。   The method for producing a functional element according to claim 1, wherein the precursor contains an organic semiconductor. 前記集合工程において、前記微粒子を基材に配置して加圧することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の機能素子の製造方法。   In the said assembly | attachment process, the said microparticles | fine-particles are arrange | positioned on a base material and it pressurizes, The manufacturing method of the functional element of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 前記集合工程において、前記微粒子を、互いに衝突するよう基材に吹き付けることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の機能素子の製造方法。   In the said assembly | attachment process, the said microparticles | fine-particles are sprayed on a base material so that it may collide with each other, The manufacturing method of the functional element of any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜8の何れか1項に記載の方法で機能素子を製造し、該機能素子を光電変換素子とする色素増感太陽電池の製造方法であって、
前記前駆体が半導体膜の前駆体であり、前記微粒子を透明電極上に集合させて焼成し、焼成後の微粒子集合体に増感色素を担持させることを特徴とする色素増感太陽電池の製造方法。
A method for producing a dye-sensitized solar cell, comprising producing a functional element by the method according to claim 1 and using the functional element as a photoelectric conversion element,
Production of a dye-sensitized solar cell, wherein the precursor is a precursor of a semiconductor film, the fine particles are aggregated on a transparent electrode, fired, and a sensitizing dye is supported on the fired fine particle aggregate Method.
微粒子の集合体で構成され、前記微粒子が、微粒子核と、前記微粒子核の表面に被覆された機能膜とを有し、隣接する微粒子の機能膜どうしが、一体に連続していることを特徴とする機能素子。   It is composed of an aggregate of fine particles, the fine particles have fine particle nuclei and a functional film coated on the surface of the fine particle nuclei, and the functional films of adjacent fine particles are integrally continuous. Functional element. 前記微粒子の集合体が三次元網目構造であることを特徴とする請求項10に記載の機能素子。   The functional device according to claim 10, wherein the aggregate of fine particles has a three-dimensional network structure. 前記微粒子核の粒径が、1nm〜1μmであることを特徴とする請求項10又は11に記載の機能素子。   The functional element according to claim 10 or 11, wherein a particle diameter of the fine particle nucleus is 1 nm to 1 µm. 前記機能膜の厚さが、1nm〜100nmであることを特徴とする請求項10〜12の何れか1項に記載の機能素子。   The functional element according to claim 10, wherein the functional film has a thickness of 1 nm to 100 nm. 前記機能膜が、Ti、Zn、Sn、In、W、V、Al、Fe、Sr、Gaから選択される少なくとも1種の金属元素を含む金属カルコゲニド化合物を含有することを特徴とする請求項10〜13の何れか1項に記載の機能素子。   11. The functional film contains a metal chalcogenide compound containing at least one metal element selected from Ti, Zn, Sn, In, W, V, Al, Fe, Sr, and Ga. The functional element according to any one of ˜13. 請求項10〜14の何れか1項に記載の機能素子を光電変換素子として有する色素増感太陽電池であって、前記機能膜が、増感色素を担持した半導体膜であり、前記微粒子の集合体が、三次元網目構造をなして透明電極に接していることを特徴とする色素増感太陽電池。   It is a dye-sensitized solar cell which has a functional element of any one of Claims 10-14 as a photoelectric conversion element, Comprising: The said functional film is a semiconductor film which carry | supported the sensitizing dye, The collection of the said microparticles | fine-particles A dye-sensitized solar cell, wherein the body is in contact with the transparent electrode in a three-dimensional network structure. 前記半導体膜の厚さが、前記増感色素の吸収波長の10分の1以下であることを特徴とする請求項15に記載の色素増感太陽電池。   The dye-sensitized solar cell according to claim 15, wherein the thickness of the semiconductor film is 1/10 or less of the absorption wavelength of the sensitizing dye. 前記微粒子核が、透光性材料にて構成されていることを特徴とする請求項15又は16に記載の色素増感太陽電池。   The dye-sensitized solar cell according to claim 15 or 16, wherein the fine particle nuclei are made of a translucent material.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001185245A (en) * 1999-12-28 2001-07-06 Catalysts & Chem Ind Co Ltd Photoelectric cell and application liquid for forming semiconductor film of photoelectric cell
JP2001345125A (en) * 1999-11-04 2001-12-14 Hitachi Maxell Ltd Photoelectric conversion element
JP2002184477A (en) * 2000-12-14 2002-06-28 Fuji Xerox Co Ltd Optical semiconductor electrode, its method of manufacture, and photoelectric conversion element using the same
WO2003064324A2 (en) * 2002-01-29 2003-08-07 Centre National De La Recherche Scientifique Titanium oxide-based sol-gel polymer
JP2004095387A (en) * 2002-08-30 2004-03-25 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd Photoelectric transfer element and its manufacturing method
JP2006019306A (en) * 2005-07-22 2006-01-19 Fujitsu Ltd Conductive material, conductive paste, and substrate
JP2006302695A (en) * 2005-04-21 2006-11-02 Nissan Motor Co Ltd Photoelectrochemical cell and its manufacturing method
WO2007100095A1 (en) * 2006-03-02 2007-09-07 Tokyo University Of Science Educational Foundation Administrative Organization Method for producing photoelectrode for dye-sensitized solar cell, photoelectrode for dye-sensitized solar cell, and dye-sensitized solar cell
WO2008136261A1 (en) * 2007-04-26 2008-11-13 Jgc Catalysts And Chemicals Ltd. Photoelectrical cell, and coating agent for forming porous semiconductor film for the photoelectrical cell

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001345125A (en) * 1999-11-04 2001-12-14 Hitachi Maxell Ltd Photoelectric conversion element
JP2001185245A (en) * 1999-12-28 2001-07-06 Catalysts & Chem Ind Co Ltd Photoelectric cell and application liquid for forming semiconductor film of photoelectric cell
JP2002184477A (en) * 2000-12-14 2002-06-28 Fuji Xerox Co Ltd Optical semiconductor electrode, its method of manufacture, and photoelectric conversion element using the same
WO2003064324A2 (en) * 2002-01-29 2003-08-07 Centre National De La Recherche Scientifique Titanium oxide-based sol-gel polymer
JP2004095387A (en) * 2002-08-30 2004-03-25 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd Photoelectric transfer element and its manufacturing method
JP2006302695A (en) * 2005-04-21 2006-11-02 Nissan Motor Co Ltd Photoelectrochemical cell and its manufacturing method
JP2006019306A (en) * 2005-07-22 2006-01-19 Fujitsu Ltd Conductive material, conductive paste, and substrate
WO2007100095A1 (en) * 2006-03-02 2007-09-07 Tokyo University Of Science Educational Foundation Administrative Organization Method for producing photoelectrode for dye-sensitized solar cell, photoelectrode for dye-sensitized solar cell, and dye-sensitized solar cell
WO2008136261A1 (en) * 2007-04-26 2008-11-13 Jgc Catalysts And Chemicals Ltd. Photoelectrical cell, and coating agent for forming porous semiconductor film for the photoelectrical cell

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