JP2010170775A - Photoelectric conversion element and solar cell - Google Patents

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Mayuko Ushiro
真優子 鵜城
Kazuya Isobe
和也 磯部
Hideya Miwa
英也 三輪
Kazukuni Nishimura
一国 西村
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 with high photoelectric conversion efficiency. <P>SOLUTION: In the photoelectric conversion element provided with a semiconductor layer, a charge transport layer, and counter electrodes on a conductive support body, the semiconductor layer has oxide semiconductor particles having absorbed dyes dispersed in a p-type semiconductor polymer compound, and the semiconductor layer contains an n-type semiconductor compound. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は光電変換素子及び太陽電池に関し、特に色素及びn型半導体化合物を含有する半導体層を有する色素増感型光電変換素子及びそれを用いた太陽電池に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element and a solar cell, and more particularly to a dye-sensitized photoelectric conversion element having a semiconductor layer containing a dye and an n-type semiconductor compound and a solar cell using the same.

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があるが、光電変換効率は1%以下と低いものが多く、また耐久性も悪いという問題があった。   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 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 photoelectric 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(例えば、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。また、酸化物半導体の接触をよくすることで電気伝導度の向上をはかるため、半導体粒子同士を結合・接合させる処理を行っている。この方式の利点は酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度まで精製する必要がないこと、従って安価で、さらに利用できる光は広い可視光領域にまで亘っており、可視光成分の多い太陽光を有効に電気へ変換できることである。   Under such circumstances, a solar cell exhibiting good characteristics has been reported by Dr. Gretzell of Switzerland (see, for example, 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. In addition, in order to improve the electrical conductivity by improving the contact of the oxide semiconductor, a process of bonding and joining the semiconductor particles is performed. The advantage of this method is that it is not necessary to purify an inexpensive oxide semiconductor such as titanium oxide to high purity, and therefore, it is inexpensive and the available light extends over a wide visible light region, so that a solar having a large amount of visible light components. It is that light can be effectively converted into electricity.

また、プラスチック等のフレキシブル基板を用いたセルの作製も可能である(非特許文献2、特許文献1参照)。しかしながら、フレキシブル基板を用いた光電変換素子場合、半導体粒子の接触をよくすることで電気伝導度の向上をはかるために、半導体層に含まれる半導体粒子同士を結合・接合させる処理を行うと、応力の緩和がされにくく、折り曲げ等により半導体層に割れや剥離が生じ変換効率が低下するという問題があった。   A cell using a flexible substrate such as plastic can also be manufactured (see Non-Patent Document 2 and Patent Document 1). However, in the case of a photoelectric conversion element using a flexible substrate, in order to improve the electrical conductivity by improving the contact of the semiconductor particles, if the treatment for bonding and bonding the semiconductor particles contained in the semiconductor layer is performed, There is a problem that the conversion efficiency is lowered due to cracking or peeling of the semiconductor layer due to bending or the like.

この問題の発生は半導体層の薄膜化により抑制することができるが、薄膜化をすると光捕集力が低下し十分な変換効率を得ることは困難であった。   The occurrence of this problem can be suppressed by reducing the thickness of the semiconductor layer. However, when the thickness is reduced, the light collecting power is reduced and it is difficult to obtain sufficient conversion efficiency.

特開2002−231326号公報JP 2002-231326 A

B.O’Regan,M.Gratzel,Nature,353,737(1991)B. O'Regan, M.M. Gratzel, Nature, 353, 737 (1991) T.Miyasaka,Y.Kijitori,T.N.Murakami,M.Kimura,S.Uegusa,Chem.Lett.,31,1250(2002)T.A. Miyasaka, Y. et al. Kijitori, T .; N. Murakami, M .; Kimura, S .; Uegusa, Chem. Lett. , 31, 1250 (2002)

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光電変換効率が高く、かつ、半導体層が厚膜でも曲げた際に割れや剥離が生じない光電変換素子及びそれを用いた太陽電池を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to use a photoelectric conversion element that has high photoelectric conversion efficiency and does not cause cracking or peeling when bent even if the semiconductor layer is thick. It is to provide a solar cell.

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.導電性支持体上に、半導体層、電荷輸送層及び対向電極を有する光電変換素子において、前記半導体層は、色素を吸着した酸化物半導体粒子がp型半導体高分子化合物中に分散されており、かつ前記半導体層はn型半導体化合物を含有することを特徴とする光電変換素子。   1. In the photoelectric conversion element having a semiconductor layer, a charge transport layer, and a counter electrode on a conductive support, the semiconductor layer has oxide semiconductor particles adsorbed with a dye dispersed in a p-type semiconductor polymer compound, And the said semiconductor layer contains an n-type semiconductor compound, The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.

2.前記n型半導体化合物が前記酸化物半導体粒子に色素と共に吸着してい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 n-type semiconductor compound is adsorbed to the oxide semiconductor particles together with a dye.

3.前記1または2に記載の光電変換素子を有することを特徴とする太陽電池。   3. A solar cell comprising the photoelectric conversion element as described in 1 or 2 above.

本発明によれば、光電変換効率が高く、かつ、半導体層が厚膜でも曲げた際に割れや剥離が生じない光電変換素子及びそれを用いた太陽電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion element that has high photoelectric conversion efficiency and that does not break or peel when the semiconductor layer is bent even when it is thick, and a solar cell using the photoelectric conversion element.

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他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the photoelectric conversion element of this invention.

色素増感太陽電池においては、半導体粒子相互の接触をよくすることで電気伝導度の向上をはかるため、半導体粒子同士を結合・接合させる処理が行われている。しかし、フレキシブル基板を用いる場合、上記処理を行うと応力の緩和がされにくいため、半導体層を厚膜化した際に、曲げに対する強度が低下し、曲げると半導体層の割れや剥離が生じ、変換効率が低下するという問題があった。この問題を解決するために、半導体層を薄膜化すると、光捕集能力が低下し、高い光電変換効率が得られないという問題が生じる。従って、曲げた際の半導体層の割れや剥離の防止と半導体層の厚膜化を両立するためには、半導体粒子同士の結合・接合処理を行わずに十分な電気伝導性を得る必要がある。   In a dye-sensitized solar cell, in order to improve electrical conductivity by improving contact between semiconductor particles, a process of bonding and bonding semiconductor particles is performed. However, when a flexible substrate is used, stress relaxation is less likely to occur when the above treatment is performed. Therefore, when the semiconductor layer is thickened, the strength against bending is reduced. There was a problem that efficiency decreased. In order to solve this problem, when the semiconductor layer is thinned, the light collecting ability is lowered, and there is a problem that high photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. Therefore, in order to achieve both prevention of cracking and peeling of the semiconductor layer when bent and thickening of the semiconductor layer, it is necessary to obtain sufficient electrical conductivity without performing bonding / bonding treatment between the semiconductor particles. .

そこで、色素が吸着した酸化物半導体粒子をp型半導体高分子化合物中に分散し、そこにさらにn型半導体化合物を含有させることで、n型半導体化合物がない場合に比べ高い電気伝導性を達成し、厚膜でも曲げた際に割れや剥離が生じないで、高い光電変換効率が得られることを見出した。n型半導体化合物は色素と共に酸化物半導体粒子に吸着していることが好ましい。   Therefore, by dispersing the oxide semiconductor particles adsorbed with the dye in the p-type semiconductor polymer compound and further containing the n-type semiconductor compound, high electrical conductivity is achieved compared to the case where there is no n-type semiconductor compound. And it discovered that a high photoelectric conversion efficiency was obtained, without a crack and peeling, when it bends even with a thick film. The n-type semiconductor compound is preferably adsorbed on the oxide semiconductor particles together with the dye.

このような効果が発現される機構は、以下のように推定している。   The mechanism by which such an effect is expressed is estimated as follows.

n型半導体化合物が色素と共に酸化物半導体粒子に吸着または近傍にあるため、色素が光吸収し、励起によって発生した電子は酸化チタン等の酸化物半導体粒子、n型半導体化合物、次いで導電性支持体を経由して対向電極に移動して、電荷輸送層の芳香族アミン誘導体等の電荷輸送剤を還元する。一方、酸化物半導体粒子に電子を移動させた色素は酸化体となっているが、対向電極から電荷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、同時に電荷輸送層の芳香族アミン誘導体等の電荷輸送剤は酸化されて、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。この結果、光電流が観測される。   Since the n-type semiconductor compound is adsorbed to or close to the oxide semiconductor particles together with the dye, the dye absorbs light, and the electrons generated by excitation are oxide semiconductor particles such as titanium oxide, the n-type semiconductor compound, and then the conductive support. To the counter electrode to reduce the charge transport agent such as an aromatic amine derivative in the charge transport layer. On the other hand, the dye that has moved the electrons to the oxide semiconductor particles is an oxidant, but when the electrons are supplied from the counter electrode via the charge transport layer, it is reduced and returned to its original state. The charge transporting agent such as an aromatic amine derivative in the charge transporting layer is oxidized and returns to a state where it can be reduced again by electrons supplied from the counter electrode. As a result, a photocurrent is observed.

n型半導体化合物が半導体層に無い場合は、光吸収によって発生した電子の一部は導電性支持体まで移動できなかったり、酸化されたp型半導体に移動したりして、失活していると推定される。従って光電流が減少する。また、n型半導体化合物が酸化物半導体粒子に吸着している場合は、n型半導体化合物がより酸化物半導体粒子の近傍に存在するので、この失活の抑制が効果的に行える。   When the n-type semiconductor compound is not present in the semiconductor layer, some of the electrons generated by light absorption cannot be transferred to the conductive support, or are transferred to the oxidized p-type semiconductor and deactivated. It is estimated to be. Accordingly, the photocurrent is reduced. In addition, when the n-type semiconductor compound is adsorbed on the oxide semiconductor particles, the deactivation can be effectively suppressed because the n-type semiconductor compound is present in the vicinity of the oxide semiconductor particles.

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、図により説明する。
<< 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、半導体層8、電荷輸送層9、対向電極10等から構成されている。半導体層8は色素4、酸化物半導体粒子5、n型半導体化合物6、p型半導体高分子化合物7を含有する。   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, a semiconductor layer 8, a charge transport layer 9, a counter electrode 10, and the like. The semiconductor layer 8 contains a dye 4, oxide semiconductor particles 5, an n-type semiconductor compound 6, and a p-type semiconductor polymer compound 7.

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、必要に応じて絶縁層3を形成した後、表面に色素4を吸着した酸化物半導体粒子5、n型半導体化合物6及びp型半導体高分子化合物7を有する半導体層8を形成する。電荷輸送層9を半導体層8上に設け、その上に対向電極10が設置されている。透明導電膜2及び対向電極10に端子を付けて光電流を取り出す。図2に絶縁層3を設けた素子の断面図の一例を示す。   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, if necessary, and then an oxide semiconductor particle 5 having a dye 4 adsorbed on its surface, an n-type semiconductor compound 6 And the semiconductor layer 8 which has the p-type semiconductor polymer compound 7 is formed. The charge transport layer 9 is provided on the semiconductor layer 8, and the counter electrode 10 is provided thereon. A terminal is attached to the transparent conductive film 2 and the counter electrode 10 to extract a photocurrent. FIG. 2 shows an example of a cross-sectional view of an element provided with the insulating layer 3.

〔半導体層〕
本発明に係る半導体層は、色素を吸着した酸化物半導体粒子がp型半導体高分子化合物中に分散されており、かつn型半導体化合物を含有する。n型半導体化合物は酸化物半導体粒子に色素と共に吸着していることが好ましい。
[Semiconductor layer]
In the semiconductor layer according to the present invention, oxide semiconductor particles adsorbed with a dye are dispersed in a p-type semiconductor polymer compound and contain an n-type semiconductor compound. The n-type semiconductor compound is preferably adsorbed together with the pigment on the oxide semiconductor particles.

(色素)
本発明では、酸化物半導体粒子に色素を吸着させている。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。
(Dye)
In the present invention, a dye is adsorbed on the oxide semiconductor particles. When the sensitization treatment is performed using a dye, the dye may be used alone or in combination.

電荷の酸化物半導体粒子への効率的な注入の観点から、上記色素はカルボキシル基を有することが好ましい。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、本発明に係る酸化物半導体粒子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。   From the viewpoint of efficient injection of charges into the oxide semiconductor particles, the dye preferably has a carboxyl group. 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 oxide semiconductor particles 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2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 described later, two or more types having different absorption wavelengths can be used so that sunlight can be effectively used by widening the wavelength range of photoelectric conversion as much as possible. It is preferable to use a mixture of dyes.

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.

酸化物半導体粒子に色素を吸着させるには、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酸化物半導体粒子を長時間浸漬する方法が一般的である。   In order to adsorb the dye to the oxide semiconductor particles, a general method is to dissolve the dye in an appropriate solvent (ethanol or the like) and immerse the well-dried oxide semiconductor particles in the solution for a long time.

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、酸化物半導体粒子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酸化物半導体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 different solutions for each dye and immersing in each solution in order, the effect described in the present invention can be obtained regardless of the order in which the dye is included in the oxide semiconductor particles. Can do. Alternatively, the oxide semiconductor particles in which a dye is adsorbed alone may be mixed.

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。   Specific examples of the dye are shown below, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2010170775
Figure 2010170775

(酸化物半導体粒子)
本発明の光電変換素子において、酸化物半導体粒子としては、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の酸化物を使用することができる。
(Oxide semiconductor particles)
In the photoelectric conversion element of the present invention, oxide semiconductor particles include oxides of compounds having elements of Group 3 to Group 5 and Group 13 to Group 15 of the periodic table (also referred to as element periodic table). Can be used.

具体例としては、TiO、ZrO、SnO、Fe、WO、ZnO、Nb、Ta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 and the like, but preferably used are TiO 2 , ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 and Nb 2 O 5 are TiO 2 or SnO 2 more preferably used, but TiO 2 is particularly preferably used among them.

本発明に用いる酸化物半導体粒子は、上述した複数の酸化物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、酸化物半導体粒子として金属酸化物以外に成分を加える場合、追加成分の金属酸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。 The oxide semiconductor particles used in the present invention may be used in combination with a plurality of oxide semiconductors described above. For example, several kinds of the above-described metal oxides can be used in combination, and 20% by mass of titanium nitride (Ti 3 N 4 ) may be mixed and used in the titanium oxide semiconductor. In addition, J.H. Chem. Soc. Chem. Commun. 15 (1999). At this time, when adding a component other than the metal oxide as the oxide semiconductor particle, the mass ratio of the additional component to the metal oxide semiconductor is preferably 30% or less.

この酸化物半導体粒子はその1次粒子径が微細な程好ましく、その1次粒子径は1〜5,000nmが好ましく、さらに好ましくは2〜50nmである。酸化物半導体粒子を色素を含む溶媒中に分散した酸化物半導体粒子は、その1次粒子状で分散する。   The oxide semiconductor particles preferably have a finer primary particle diameter, and the primary particle diameter is preferably 1 to 5,000 nm, more preferably 2 to 50 nm. Oxide semiconductor particles in which oxide semiconductor particles are dispersed in a solvent containing a pigment are dispersed in the form of primary particles.

(n型半導体化合物)
一般に、p型、n型とは、半導体化合物で電気伝導に寄与するのが、主に正孔である化合物をp型、主に電子である化合物をn型として分類する。本発明のn型半導体化合物としては、前記酸化物半導体粒子以外の半導体化合物をいう。
(N-type semiconductor compound)
In general, p-type and n-type are classified as p-type compounds that are mainly holes that contribute to electrical conduction by semiconductor compounds, and n-type compounds that are mainly electrons. The n-type semiconductor compound of the present invention refers to a semiconductor compound other than the oxide semiconductor particles.

n型半導体化合物の例としては、フラーレン、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物を骨格として含む化合物が挙げられる。   Examples of n-type semiconductor compounds include fullerene, octaazaporphyrin, p-type semiconductor perfluoro compounds (perfluoropentacene, perfluorophthalocyanine, etc.), naphthalenetetracarboxylic anhydride, naphthalenetetracarboxylic diimide, perylenetetracarboxylic acid Examples include anhydrides, aromatic carboxylic acid anhydrides such as perylenetetracarboxylic acid diimide, and compounds containing the imidized product thereof as a skeleton.

中でも、フラーレン含有化合物が好ましい。フラーレン含有化合物としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等を骨格に持つ化合物が挙げられる。フラーレン含有化合物では、フラーレンC60を骨格に持つ化合物(誘導体)が好ましい。   Of these, fullerene-containing compounds are preferred. Fullerene-containing compounds include fullerene C60, fullerene C70, fullerene C76, fullerene C78, fullerene C84, fullerene C240, fullerene C540, mixed fullerene, fullerene nanotubes, multi-walled nanotubes, single-walled nanotubes, nanohorns (conical), etc. The compound which has is mentioned. As the fullerene-containing compound, a compound (derivative) having fullerene C60 as a skeleton is preferable.

フラーレン含有ポリマーとしては、大別してフラーレンが高分子主鎖からペンダントされたポリマーと、フラーレンが高分子主鎖に含有されるポリマーとに大別されるが、フラーレンがポリマーの主鎖に含有されている化合物が好ましい。これは、フラーレンがペンダントされたようなポリマーは、いわばポリマーが分岐構造を有していることになり、固体化した際に高密度なパッキングができず、結果として高い移動度を得ることができなくなるためではないかと推定される。   The fullerene-containing polymers are roughly classified into polymers in which fullerene is pendant from a polymer main chain and polymers in which fullerene is contained in the polymer main chain. Fullerene is contained in the polymer main chain. Are preferred. This is because a polymer in which fullerene is pendant has a branched structure, that is, the polymer cannot be packed with high density when solidified, and as a result, high mobility can be obtained. It is presumed that it is due to disappear.

以下に、n型半導体化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the n-type semiconductor compound are shown below, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2010170775
Figure 2010170775

(p型半導体高分子化合物)
p型半導体高分子化合物としては、正孔の輸送能力が優れている芳香族アミン誘導体ポリマーが挙げられる。芳香族アミン誘導体ポリマーとしては、特に、トリフェニルジアミン誘導体ポリマーを用いるのが好ましい。トリフェニルジアミン誘導体ポリマーは、芳香族アミン誘導体ポリマーの中でも、特に正孔の輸送能力が優れている。p型半導体高分子化合物の重量平均分子量は、7,000〜200,000であることが好ましい。重量平均分子量は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフ法で測定することができる。
(P-type semiconductor polymer compound)
Examples of the p-type semiconductor polymer compound include aromatic amine derivative polymers having excellent hole transport ability. As the aromatic amine derivative polymer, it is particularly preferable to use a triphenyldiamine derivative polymer. The triphenyldiamine derivative polymer is particularly excellent in hole transport ability among aromatic amine derivative polymers. The weight average molecular weight of the p-type semiconductor polymer compound is preferably 7,000 to 200,000. The weight average molecular weight can be measured by gel permeation chromatography.

具体的な芳香族第3級アミン誘導体ポリマーの骨格としては、N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノフェニル;N,N′−ジフェニル−N,N′−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1′−ビフェニル〕−4,4′−ジアミン(TPD);2,2−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)プロパン;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)シクロヘキサン;N,N,N′,N′−テトラ−p−トリル−4,4′−ジアミノビフェニル;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)−4−フェニルシクロヘキサン;ビス(4−ジメチルアミノ−2−メチルフェニル)フェニルメタン;ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)フェニルメタン;N,N′−ジフェニル−N,N′−ジ(4−メトキシフェニル)−4,4′−ジアミノビフェニル;N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノジフェニルエーテル;4,4′−ビス(ジフェニルアミノ)クオードリフェニル;N,N,N−トリ(p−トリル)アミン;4−(ジ−p−トリルアミノ)−4′−〔4−(ジ−p−トリルアミノ)スチリル〕スチルベン;4−N,N−ジフェニルアミノ−(2−ジフェニルビニル)ベンゼン;3−メトキシ−4′−N,N−ジフェニルアミノスチルベンゼン;N−フェニルカルバゾール、さらには米国特許第5,061,569号明細書に記載されている2個の縮合芳香族環を分子内に有するもの、例えば、4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル(NPD)、特開平4−308688号公報に記載されているトリフェニルアミンユニットが3つスターバースト型に連結された4,4′,4″−トリス〔N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ〕トリフェニルアミン(MTDATA)等が挙げられる。   Specific examples of the aromatic tertiary amine derivative polymer include N, N, N ′, N′-tetraphenyl-4,4′-diaminophenyl; N, N′-diphenyl-N, N′-bis. (3-methylphenyl)-[1,1′-biphenyl] -4,4′-diamine (TPD); 2,2-bis (4-di-p-tolylaminophenyl) propane; 1,1-bis ( 4-di-p-tolylaminophenyl) cyclohexane; N, N, N ′, N′-tetra-p-tolyl-4,4′-diaminobiphenyl; 1,1-bis (4-di-p-tolylamino) Phenyl) -4-phenylcyclohexane; bis (4-dimethylamino-2-methylphenyl) phenylmethane; bis (4-di-p-tolylaminophenyl) phenylmethane; N, N'-diphenyl-N, N'- Di (4-Me N, N, N ′, N′-tetraphenyl-4,4′-diaminodiphenyl ether; 4,4′-bis (diphenylamino) quadriphenyl; N, N, N-tri (p-tolyl) amine; 4- (di-p-tolylamino) -4 '-[4- (di-p-tolylamino) styryl] stilbene; 4-N, N-diphenylamino- (2-diphenyl) Vinyl) benzene; 3-methoxy-4'-N, N-diphenylaminostilbenzene; N-phenylcarbazole, and also two fused aromatic rings described in US Pat. No. 5,061,569. In the molecule, for example, 4,4'-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (NPD), JP-A-4-308688 4,4 ′, 4 ″ -tris [N- (3-methylphenyl) -N-phenylamino] triphenylamine (MTDATA), etc., in which three triphenylamine units described in the above are linked in a starburst type Is mentioned.

芳香族アミン誘導体以外のp型半導体高分子化合物としては、チオフェン誘導体ポリマー、ピロール誘導体ポリマー、スチルベン誘導体ポリマー等が挙げられる。   Examples of the p-type semiconductor polymer compound other than the aromatic amine derivative include a thiophene derivative polymer, a pyrrole derivative polymer, and a stilbene derivative polymer.

以下に、p型半導体高分子化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the p-type semiconductor polymer compound are shown below, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2010170775
Figure 2010170775

Figure 2010170775
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(半導体層の形成)
本発明に係る半導体層は、色素を吸着した酸化物半導体粒子がp型半導体高分子化合物中に分散されており、かつn型半導体化合物を含有する。このとき、n型半導体化合物は酸化物半導体粒子に色素と共に吸着していることが好ましい。このときの色素を吸着した酸化物半導体粒子のp型半導体高分子に対する添加濃度は、20〜500質量%が好ましく、より好ましくは30〜200質量%である。p型半導体高分子が高濃度の場合には、より折り曲げ性が強くなり、酸化物半導体粒子が高濃度の場合には、吸着可能な色素量が増大するため、高変換効率となる。従って、より割れやすい環境、例えば、10℃以下等の低温環境下の使用を想定した場合には、酸化物半導体粒子のp型半導体高分子に対する添加濃度は、前記20〜500質量%の範囲であることが好ましい。
(Formation of semiconductor layer)
In the semiconductor layer according to the present invention, oxide semiconductor particles adsorbed with a dye are dispersed in a p-type semiconductor polymer compound and contain an n-type semiconductor compound. At this time, the n-type semiconductor compound is preferably adsorbed to the oxide semiconductor particles together with the dye. At this time, the addition concentration of the oxide semiconductor particles adsorbed with the dye to the p-type semiconductor polymer is preferably 20 to 500% by mass, more preferably 30 to 200% by mass. When the concentration of the p-type semiconductor polymer is high, the bendability becomes stronger, and when the concentration of the oxide semiconductor particles is high, the amount of adsorbable dye increases, resulting in high conversion efficiency. Accordingly, when assuming use in a more fragile environment, for example, a low temperature environment such as 10 ° C. or less, the concentration of the oxide semiconductor particles added to the p-type semiconductor polymer is in the range of 20 to 500% by mass. Preferably there is.

色素及びn型半導体化合物が共に吸着した酸化物半導体粒子を得るには、上記のような色素及びn型半導体化合物を適切な溶媒に溶解し、その溶液に前記酸化物半導体粒子を分散し、ろ過−再分散を数回繰り返した後、乾燥して、色素及びn型半導体化合物が吸着した酸化物半導体粒子を得る。n型半導体化合物が色素と共に酸化物半導体粒子に吸着している場合、n型半導体化合物と色素とのモル濃度比は、n型半導体化合物:色素=5:1〜1:20であることが好ましい。   In order to obtain oxide semiconductor particles in which both the dye and the n-type semiconductor compound are adsorbed, the dye and the n-type semiconductor compound as described above are dissolved in an appropriate solvent, and the oxide semiconductor particles are dispersed in the solution, followed by filtration. -After redispersion is repeated several times, drying is performed to obtain oxide semiconductor particles adsorbed with the dye and the n-type semiconductor compound. When the n-type semiconductor compound is adsorbed to the oxide semiconductor particles together with the dye, the molar concentration ratio between the n-type semiconductor compound and the dye is preferably n-type semiconductor compound: dye = 5: 1 to 1:20. .

色素及びn型半導体化合物を溶解するのに用いる溶媒は、溶解することができ、かつ酸化物半導体粒子を溶解したり酸化物半導体粒子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により、前記色素及びn型半導体化合物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 and the n-type semiconductor compound is not particularly limited as long as it can dissolve and does not dissolve or react with the oxide semiconductor particles. However, in order to prevent the moisture and gas dissolved in the solvent from interfering with the sensitization treatment such as adsorption of the dye and the n-type semiconductor compound, it is preferable to perform deaeration and distillation purification 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、トルエン等の芳香族溶媒であり、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、テトラヒドロフラン、トルエン及びこれらの混合溶媒である。   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 aromatic solvents such as toluene, and mixed solvents may be used. Particularly preferred are ethanol, t-butyl alcohol, acetonitrile, tetrahydrofuran, toluene and a mixed solvent thereof.

その後、前記酸化物半導体粒子を上記のようなp型半導体高分子化合物中に分散し、導電性支持体上に前記p型半導体高分子化合物中に分散された酸化物半導体粒子を塗布することで半導体層が形成される。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。溶媒中の酸化物半導体粒子濃度の範囲は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。   Thereafter, the oxide semiconductor particles are dispersed in the p-type semiconductor polymer compound as described above, and the oxide semiconductor particles dispersed in the p-type semiconductor polymer compound are coated on a conductive support. A semiconductor layer is formed. 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 oxide semiconductor particle concentration in the solvent is preferably 0.1 to 70% by mass, and more preferably 0.1 to 30% by mass.

別の方法として、酸化物半導体粒子を色素溶液に中に浸漬して色素を吸着させ、色素を吸着した酸化物半導体粒子とn型半導体化合物をp型半導体高分子化合物中に分散する。ここで、n型半導体化合物は酸化物半導体微粒子に対して、0.1〜50質量%であることが好ましい。その後、導電性支持体上に前記p型半導体高分子化合物中に分散された酸化物半導体粒子を塗布することで半導体層を形成してもよい。酸化物半導体粒子を、色素を含む溶液に浸漬する時間は、吸着等を十分に進行させ、酸化物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。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。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。   As another method, the oxide semiconductor particles are immersed in a dye solution to adsorb the dye, and the oxide semiconductor particles adsorbed with the dye and the n-type semiconductor compound are dispersed in the p-type semiconductor polymer compound. Here, the n-type semiconductor compound is preferably 0.1 to 50% by mass with respect to the oxide semiconductor fine particles. Then, you may form a semiconductor layer by apply | coating the oxide semiconductor particle disperse | distributed in the said p-type semiconductor polymer compound on an electroconductive support body. The time for immersing the oxide semiconductor particles in the solution containing the dye sufficiently advances the adsorption and the like, sufficiently sensitizes the oxide semiconductor, and the decomposition product generated by the decomposition of the dye in the solution is the dye. From the viewpoint of suppressing the hindering of the adsorption, it is preferably 1 to 48 hours at 25 ° C., more preferably 3 to 24 hours. However, the immersion time is a value at 25 ° C., and this is not the case when the temperature condition is changed. 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.

本発明の光電変換素子は、導電性支持体上に、前述の酸化物半導体粒子に色素及びn型半導体化合物を吸着させた半導体層と対向電極とを、電荷輸送層を介して対向配置してなる。以下、基板、電荷輸送層、対向電極について説明する。   In the photoelectric conversion element of the present invention, a semiconductor layer in which a dye and an n-type semiconductor compound are adsorbed on the above-described oxide semiconductor particles and a counter electrode are disposed on a conductive support so as to face each other via a charge transport layer. Become. Hereinafter, the substrate, the charge transport layer, and the counter electrode will be described.

(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.

(電荷輸送層)
電荷輸送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。
(Charge transport layer)
The charge transport 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.

本発明に係る電荷輸送層は、レドックス電解質の分散物や正孔輸送材料としてのp型化合物半導体(電荷輸送剤)を主成分として構成されている。   The charge transport layer according to the present invention is mainly composed of a redox electrolyte dispersion or a p-type compound semiconductor (charge transport agent) as a hole transport material.

レドックス電解質としては、I/I 系や、Br/Br 系、キノン/ハイドロキノン系等が挙げられる。このようなレドックス電解質は従来公知の方法によって得ることができ、例えば、I/I 系の電解質は、ヨウ素のアンモニウム塩とヨウ素を混合することによって得ることができる。これらの分散物は溶液である場合に液体電解質、常温において固体である高分子中に分散させた場合に固体高分子電解質、ゲル状物質に分散された場合にゲル電解質と呼ばれる。電荷輸送層として液体電解質が用いられる場合、その溶媒としては電気化学的に不活性なものが用いられ、例えば、アセトニトリル、炭酸プロピレン、エチレンカーボネート等が用いられる。固体高分子電解質の例としては特開2001−160427号公報記載の電解質が、ゲル電解質の例としては「表面科学」21巻、第5号288〜293頁に記載の電解質が挙げられる。 Examples of the redox electrolyte include I / I 3 system, Br / Br 3 system, and quinone / hydroquinone system. Such redox electrolyte can be obtained by a conventionally known method, for example, I - / I 3 - system electrolyte can be obtained by mixing an ammonium salt of iodine and iodine. These dispersions are called liquid electrolytes when they are in solution, solid polymer electrolytes when dispersed in a polymer that is solid at room temperature, and gel electrolytes when dispersed in a gel-like substance. When a liquid electrolyte is used as the charge transport layer, an electrochemically inert solvent is used as the solvent, for example, acetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, or the like is used. Examples of the solid polymer electrolyte include the electrolyte described in JP-A No. 2001-160427, and examples of the gel electrolyte include the electrolyte described in “Surface Science” Vol. 21, No. 5, pages 288 to 293.

電荷輸送剤としては、色素吸収を妨げないために大きいバンドギャップを持つことが好ましい。本発明で使用する電荷輸送剤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、電荷輸送剤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輸送層に使用する電荷輸送剤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 agent preferably has a large band gap so as not to prevent dye absorption. The band gap of the charge transfer agent used in the present invention is preferably 2 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more. Further, the ionization potential of the charge transport agent needs to be smaller than the dye adsorption electrode ionization potential in order to reduce the dye hole. Although the preferable range of the ionization potential of the charge transport agent used in the charge transport 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.

電荷輸送剤としては、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、電荷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、電荷輸送層を塗布法により形成する場合に、電荷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い。   As the charge transport agent, 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 charge 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. For this reason, when forming a charge transport layer by the apply | coating method, there exists an advantage that preparation of charge transport layer material can be performed more easily. Among these, it is preferable to use a dimer or a trimer as the oligomer.

具体的な芳香族第3級アミン化合物としては、N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノフェニル;N,N′−ジフェニル−N,N′−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1′−ビフェニル〕−4,4′−ジアミン(TPD);2,2−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)プロパン;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)シクロヘキサン;N,N,N′,N′−テトラ−p−トリル−4,4′−ジアミノビフェニル;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)−4−フェニルシクロヘキサン;ビス(4−ジメチルアミノ−2−メチルフェニル)フェニルメタン;ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)フェニルメタン;N,N′−ジフェニル−N,N′−ジ(4−メトキシフェニル)−4,4′−ジアミノビフェニル;N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノジフェニルエーテル;4,4′−ビス(ジフェニルアミノ)クオードリフェニル;N,N,N−トリ(p−トリル)アミン;4−(ジ−p−トリルアミノ)−4′−〔4−(ジ−p−トリルアミノ)スチリル〕スチルベン;4−N,N−ジフェニルアミノ−(2−ジフェニルビニル)ベンゼン;3−メトキシ−4′−N,N−ジフェニルアミノスチルベンゼン;N−フェニルカルバゾール、さらには米国特許第5,061,569号明細書に記載されている2個の縮合芳香族環を分子内に有するもの、例えば、4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル(NPD)、特開平4−308688号公報に記載されているトリフェニルアミンユニットが3つスターバースト型に連結された4,4′,4″−トリス〔N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ〕トリフェニルアミン(MTDATA)等が挙げられる。   Specific aromatic tertiary amine compounds include N, N, N ′, N′-tetraphenyl-4,4′-diaminophenyl; N, N′-diphenyl-N, N′-bis (3- Methylphenyl)-[1,1′-biphenyl] -4,4′-diamine (TPD); 2,2-bis (4-di-p-tolylaminophenyl) propane; 1,1-bis (4-di) -P-tolylaminophenyl) cyclohexane; N, N, N ', N'-tetra-p-tolyl-4,4'-diaminobiphenyl; 1,1-bis (4-di-p-tolylaminophenyl)- 4-phenylcyclohexane; bis (4-dimethylamino-2-methylphenyl) phenylmethane; bis (4-di-p-tolylaminophenyl) phenylmethane; N, N′-diphenyl-N, N′-di (4 -Methoxyphenyl -4,4'-diaminobiphenyl; N, N, N ', N'-tetraphenyl-4,4'-diaminodiphenyl ether; 4,4'-bis (diphenylamino) quadriphenyl; N, N, N- Tri (p-tolyl) amine; 4- (di-p-tolylamino) -4 '-[4- (di-p-tolylamino) styryl] stilbene; 4-N, N-diphenylamino- (2-diphenylvinyl) Benzene; 3-methoxy-4'-N, N-diphenylaminostilbenzene; N-phenylcarbazole, and two fused aromatic rings described in US Pat. No. 5,061,569 For example, 4,4'-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (NPD), described in JP-A-4-308688 That triphenylamine units are linked to three starburst 4,4 ', 4 "- tris [N- (3- methylphenyl) -N- phenylamino] triphenylamine (MTDATA) and the like.

さらにこれらの材料を高分子鎖に導入した、またはこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。   Furthermore, a polymer material in which these materials are introduced into a polymer chain or these materials are used as a polymer main chain can also be used.

芳香族アミン誘導体以外の電荷輸送剤としては、チオフェン誘導体、ピロール誘導体、スチルベン誘導体等が挙げられる。   Examples of charge transport agents other than aromatic amine derivatives include thiophene derivatives, pyrrole derivatives, stilbene derivatives, and the like.

以下に、電荷輸送剤の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the charge transfer agent are shown below, but the present invention is not limited thereto.

Figure 2010170775
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Figure 2010170775
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Figure 2010170775
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電荷輸送層は上記電荷輸送剤または前述のp型半導体高分子化合物を塗布して形成される。または、上記レドックス電解質の分散物を塗布または充填して形成される。   The charge transport layer is formed by applying the charge transport agent or the above-described p-type semiconductor polymer compound. Or it forms by apply | coating or filling the dispersion of the said redox electrolyte.

(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、電荷輸送層との接触性のよい金属薄膜、または導電性支持体上に金属を担持させたものであることが好ましい。   The counter electrode only needs to have conductivity, and any conductive material can be used, but a metal thin film having good contact with the charge transport layer or a metal supported on a conductive support. It is preferable.

また、電荷輸送層としてレドックス電解質の分散物を用いた場合には、レドックスイオンの酸化還元反応を充分な速さで行わせる触媒能を持ったものの使用が好ましい。このようなものとしては、白金電極、導電材料表面に白金メッキや白金蒸着を施したもの、ロジウム金属、ルテニウム金属、酸化ルテニウム、カーボン等が挙げられる。   In addition, when a redox electrolyte dispersion is used as the charge transport layer, it is preferable to use a dispersion having a catalytic ability to cause redox ion oxidation-reduction reaction at a sufficiently high rate. Examples of such a material include a platinum electrode, a surface of the conductive material subjected to platinum plating or platinum deposition, rhodium metal, ruthenium metal, ruthenium oxide, and carbon.

《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、色素増感された酸化物半導体粒子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、前記半導体層、電荷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, it has a structure in which sunlight can be irradiated to the dye-sensitized oxide semiconductor particles. When configuring the solar cell of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer, the charge transport layer, and the counter electrode are housed in a case and sealed, or the whole is resin-sealed.

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、酸化物半導体粒子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酸化物半導体粒子、n型半導体化合物、次いで導電性支持体を経由して対向電極に移動して、電荷輸送層の芳香族アミン誘導体等の電荷輸送剤を還元する。一方、酸化物半導体粒子に電子を移動させた色素は酸化体となっているが、対向電極から電荷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、同時に電荷輸送層の芳香族アミン誘導体等の電荷輸送剤は酸化されて、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 electromagnetic waves equivalent to sunlight, the dye adsorbed on the oxide semiconductor particles is excited by absorbing the irradiated light or electromagnetic waves. Electrons generated by excitation move to the counter electrode via the oxide semiconductor particles, the n-type semiconductor compound, and then the conductive support, and reduce a charge transport agent such as an aromatic amine derivative in the charge transport layer. On the other hand, the dye that has moved the electrons to the oxide semiconductor particles is an oxidant, but when the electrons are supplied from the counter electrode via the charge transport layer, it is reduced and returned to its original state. The charge transporting agent such as an aromatic amine derivative in the charge transporting layer is oxidized and returns to a state where it can be reduced again by 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、本発明は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;本発明〕
(半導体層の形成)
光電変換素子の一方の電極を形成する導電性支持体として、フィルム厚み125μmのポリエチレンナフタレート(PEN)上に、ITOを導電膜として担持し、表面抵抗10Ω/□の導電性支持体(ITO/PEN支持体)を作製した。この導電性支持体上に酸化チタン薄膜をスパッタ法で担持し、短絡防止層(絶縁層)とした。
Example [Production of Photoelectric Conversion Element 1; Present Invention]
(Formation of semiconductor layer)
As a conductive support for forming one electrode of the photoelectric conversion element, ITO is supported as a conductive film on a polyethylene naphthalate (PEN) having a film thickness of 125 μm, and a conductive support (ITO / 10) having a surface resistance of 10Ω / □. PEN support) was prepared. A titanium oxide thin film was supported on this conductive support by a sputtering method to form a short circuit prevention layer (insulating layer).

次いで、色素A−1及びn型半導体化合物B−1が吸着した酸化チタン粒子A 10gを、p型半導体高分子化合物C−1 10gのトルエン130g溶液に超音波分散した半導体層塗布液を、前記導電性支持体にドクターブレード法により塗布した後、室温、大気圧下で1時間乾燥し、さらに70℃、10−5atm(1.01Pa)で1時間乾燥することで半導体層を形成した。なお、半導体層の膜厚は30μmであった。 Next, a semiconductor layer coating solution obtained by ultrasonically dispersing 10 g of titanium oxide particles A adsorbed with the dye A-1 and the n-type semiconductor compound B-1 in a 130 g toluene solution of 10 g of the p-type semiconductor polymer compound C-1, After apply | coating to a conductive support body by the doctor blade method, it dried at room temperature and atmospheric pressure for 1 hour, and also dried at 70 degreeC and 10 < -5 > atm (1.01 Pa) for 1 hour, and the semiconductor layer was formed. The film thickness of the semiconductor layer was 30 μm.

(色素A−1及びn型半導体化合物B−1が吸着した酸化チタン粒子Aの調製方法)
THF/トルエン混合液(体積比1/1)に色素A−1(5×10−4mol/l)及びn型半導体化合物B−1(1×10−4mol/l)を溶解した液200mlに、酸化チタン粒子(体積平均粒径25μm、アナターゼ型酸化チタン)20gを20℃、4時間分散して、ろ過後、500mlのTHF/トルエン混合液(体積比1/1)に分散し、ろ過を2回繰り返した後、乾燥し、色素A−1及びn型半導体化合物B−1が吸着した酸化チタン粒子を得た。
(Method for preparing titanium oxide particles A adsorbed with Dye A-1 and n-type semiconductor compound B-1)
200 ml of a solution obtained by dissolving Dye A-1 (5 × 10 −4 mol / l) and n-type semiconductor compound B-1 (1 × 10 −4 mol / l) in a THF / toluene mixture (volume ratio 1/1) In addition, 20 g of titanium oxide particles (volume average particle size 25 μm, anatase-type titanium oxide) are dispersed at 20 ° C. for 4 hours, filtered, and then dispersed in 500 ml of a THF / toluene mixture (volume ratio 1/1) and filtered. Was repeated twice and dried to obtain titanium oxide particles adsorbed with the dye A-1 and the n-type semiconductor compound B-1.

(電荷輸送層の形成)
上記で得られた半導体層上に、電荷輸送剤としてp型半導体高分子化合物C−1の1質量%トルエン懸濁液をスピンコート法により塗布した。その後、室温、大気下で20分送風乾燥した後、10分間真空引きを行い、電荷輸送層を形成し、導電性支持体、半導体層、電荷輸送層の順に積層した積層体を得た。
(Formation of charge transport layer)
On the semiconductor layer obtained above, a 1% by mass toluene suspension of p-type semiconductor polymer compound C-1 as a charge transport agent was applied by spin coating. Then, after air-drying for 20 minutes at room temperature and in the atmosphere, vacuuming was performed for 10 minutes to form a charge transport layer, and a laminate in which a conductive support, a semiconductor layer, and a charge transport layer were laminated in this order was obtained.

(対向電極の作製)
ITO/PEN支持体にPtをスパッタ法で担持させ対向電極を作製した。
(Preparation of counter electrode)
Pt was supported on the ITO / PEN support by sputtering to produce a counter electrode.

(光電変換素子の作製)
上記作製したPt担持ITO/PEN対向電極を上記積層体に重ね、紫外線硬化型樹脂を用いて接着し、光電変換素子1を作製した。
(Preparation of photoelectric conversion element)
The produced Pt-supported ITO / PEN counter electrode was stacked on the laminate, and adhered using an ultraviolet curable resin to produce a photoelectric conversion element 1.

〔光電変換素子2の作製;本発明〕
光電変換素子1の作製において、半導体層の形成を下記のように変更した以外は同様にして、光電変換素子2を作製した。
[Preparation of Photoelectric Conversion Element 2; Present Invention]
In the production of the photoelectric conversion element 1, the photoelectric conversion element 2 was produced in the same manner except that the formation of the semiconductor layer was changed as follows.

(半導体層の形成)
色素A−1をTHF/トルエン混合液(体積比1/1)に溶解し、5×10−4mol/lの溶液を200ml調製した。この溶液に酸化物半導体粒子(Degussa社製の酸化チタンP−25)を4時間浸漬して、色素A−1を吸着した後、THF/トルエン混合液(体積比1/1)で洗浄し乾燥した。得られた酸化物半導体粒子10g及びn型半導体化合物B−2 1gをp型半導体高分子化合物C−1 10gのトルエン130g溶液に超音波分散し、半導体層塗布液を調製した。この塗布液を絶縁層を形成した導電性支持体(ITO/PEN支持体)にドクターブレード法により塗布した後、室温、大気圧下で1時間乾燥し、さらに室温、真空下で1時間乾燥することで半導体層を形成した。なお、半導体層の膜厚は30μmであった。
(Formation of semiconductor layer)
Dye A-1 was dissolved in a THF / toluene mixture (volume ratio 1/1) to prepare 200 ml of a 5 × 10 −4 mol / l solution. Oxide semiconductor particles (titanium oxide P-25 manufactured by Degussa) are immersed in this solution for 4 hours to adsorb the dye A-1, and then washed with a THF / toluene mixture (volume ratio 1/1) and dried. did. 10 g of the obtained oxide semiconductor particles and 1 g of n-type semiconductor compound B-2 were ultrasonically dispersed in a 130 g toluene solution of 10 g of p-type semiconductor polymer compound C-1 to prepare a semiconductor layer coating solution. This coating solution is applied to a conductive support (ITO / PEN support) having an insulating layer formed thereon by a doctor blade method, followed by drying at room temperature and atmospheric pressure for 1 hour, and further drying at room temperature and under vacuum for 1 hour. Thus, a semiconductor layer was formed. The film thickness of the semiconductor layer was 30 μm.

〔光電変換素子3〜8の作製;本発明〕
光電変換素子1の作製において、色素、n型半導体化合物、p型半導体高分子化合物及び電荷輸送剤の種類を表1のように変更した以外は同様にして、光電変換素子3〜8を作製した。
[Preparation of Photoelectric Conversion Elements 3 to 8; Present Invention]
In the production of the photoelectric conversion element 1, photoelectric conversion elements 3 to 8 were produced in the same manner except that the types of the dye, the n-type semiconductor compound, the p-type semiconductor polymer compound and the charge transfer agent were changed as shown in Table 1. .

〔光電変換素子9、10の作製;本発明〕
光電変換素子1の作製において、光電変換素子9では、色素A−1及びn型半導体化合物B−1が吸着した酸化チタン粒子Aを2g及びp型半導体高分子化合物C−1を10gに変更し、光電変換素子10では、色素A−1及びn型半導体化合物B−1が吸着した酸化チタン粒子Aを35g及びp型半導体高分子化合物7gに変更した以外は同様にして、光電変換素子9、10を作製した。
[Preparation of Photoelectric Conversion Elements 9, 10; Present Invention]
In the production of the photoelectric conversion element 1, in the photoelectric conversion element 9, the titanium oxide particles A adsorbed with the dye A-1 and the n-type semiconductor compound B-1 were changed to 2 g and the p-type semiconductor polymer compound C-1 was changed to 10 g. In the photoelectric conversion element 10, except that the titanium oxide particles A adsorbed with the dye A-1 and the n-type semiconductor compound B-1 were changed to 35 g and the p-type semiconductor polymer compound 7g, the photoelectric conversion element 9, 10 was produced.

〔光電変換素子11、12の作製;比較例〕
光電変換素子1の作製において、半導体層の形成を下記のように変更した以外は同様にして、光電変換素子11、12を作製した。
[Production of Photoelectric Conversion Elements 11 and 12; Comparative Example]
In the production of the photoelectric conversion element 1, photoelectric conversion elements 11 and 12 were produced in the same manner except that the formation of the semiconductor layer was changed as follows.

(半導体層の形成)
チタンテトライソプロポキシドを、2−プロパノールに1mol/lとなるように溶解した。次いで、この溶液に、酢酸(添加物)と蒸留水を加えた。なお、酢酸とチタンテトライソプロポキシドの配合比は、1:1(モル比)となるように、また、蒸留水とチタンテトライソプロポキシドの配合比は、1:1(モル比)となるようにした。その後、この溶液に、酸化チタンP−25(Degussa社製)を混合した。さらに、この懸濁液を2−プロパノールで2倍に希釈した。これにより、ゾル液(半導体層材料)を調製した。なお、酸化チタン粉末のゾル液中の含有量は3質量%とした。得られたゾル液(半導体層材料)を140℃に加熱したホットプレート上に設置した絶縁層を形成した導電性支持体(ITO/PEN支持体)に滴下(塗布法)し、乾燥した。加熱したホットプレート上で操作を行うことで、酸化チタン微粒子同士は結合される。光電変換素子11及び12ではこの操作をそれぞれ10回、3回繰り返し行って積層した。これにより、平均厚さがそれぞれ25μm、2.5μmの酸化チタン層を得た。得られた積層体を、色素A−1の5×10−4mol/lのTHF/トルエン混合液(体積比1/1)に4時間浸漬して色素A−1を吸着させた後、THF/トルエン混合液(体積比1/1)で洗浄し乾燥した。
(Formation of semiconductor layer)
Titanium tetraisopropoxide was dissolved in 2-propanol to 1 mol / l. Next, acetic acid (additive) and distilled water were added to this solution. The mixing ratio of acetic acid and titanium tetraisopropoxide is 1: 1 (molar ratio), and the mixing ratio of distilled water and titanium tetraisopropoxide is 1: 1 (molar ratio). I did it. Thereafter, titanium oxide P-25 (manufactured by Degussa) was mixed with this solution. Further, this suspension was diluted 2-fold with 2-propanol. Thereby, a sol solution (semiconductor layer material) was prepared. The content of the titanium oxide powder in the sol liquid was 3% by mass. The obtained sol solution (semiconductor layer material) was dropped (coating method) onto a conductive support (ITO / PEN support) on which an insulating layer was placed on a hot plate heated to 140 ° C. and dried. By performing an operation on a heated hot plate, the titanium oxide fine particles are bonded to each other. In the photoelectric conversion elements 11 and 12, this operation was repeated 10 times and 3 times, respectively, and laminated. As a result, titanium oxide layers having an average thickness of 25 μm and 2.5 μm were obtained. The obtained laminate was immersed in a 5 × 10 −4 mol / l THF / toluene mixture (volume ratio 1/1) of the dye A-1 for 4 hours to adsorb the dye A-1, and then THF. / Toluene mixture (volume ratio 1/1) washed and dried.

光電変換素子1〜12の構成を表1に示す。   Table 1 shows the configurations of the photoelectric conversion elements 1 to 12.

Figure 2010170775
Figure 2010170775

〔光電変換素子の評価〕
(発電特性)
作製した光電変換素子を、ソーラーシミュレータ(ワコム電創株式会社製、商品名;WXS−85−H型)を用い、AMフィルター(AM−1.5)を通したキセノンランプから100mW/cmの擬似太陽光を照射することにより行った。即ち、光電変換素子について、I−Vテスターを用いて室温にて電流−電圧特性を測定し、短絡電流(Isc)、開放電圧(Voc)、及び形状因子(F.F.)を求め、これらから光電変換効率(η(%))を求めた。さらに、60℃環境下、100回の折り曲げ試験を行い、その前後での光電変換効率を比較した。
[Evaluation of photoelectric conversion element]
(Power generation characteristics)
Using the solar simulator (trade name; WXS-85-H type, manufactured by Wacom Denso Co., Ltd.), the produced photoelectric conversion element was 100 mW / cm 2 from a xenon lamp passed through an AM filter (AM-1.5). This was done by irradiating simulated sunlight. That is, current-voltage characteristics of a photoelectric conversion element are measured at room temperature using an IV tester, and a short circuit current (I sc ), an open circuit voltage (V oc ), and a form factor (FF) are obtained. From these, the photoelectric conversion efficiency (η (%)) was determined. Furthermore, a bending test was performed 100 times in an environment of 60 ° C., and the photoelectric conversion efficiency before and after the comparison was compared.

評価の結果を表2に示す。   The evaluation results are shown in Table 2.

Figure 2010170775
Figure 2010170775

表2より、本発明の光電変換素子1、2は、比較の光電変換素子11に比べ、折り曲げ前後における光電変換効率比(B/A)が高く、かつ比較の光電変換素子12に比べて初期光電変換効率(A)が優れていることが分かる。これから、色素が吸着した半導体粒子をp型半導体高分子化合物中に分散し、さらにn型半導体化合物を含有させることで、従来に比べ耐久性や効率の高い光電変換素子が得られることが分かる。特に、n型半導体化合物を色素と共に半導体粒子に吸着させた後、p型半導体高分子化合物中に分散させた光電変換素子1は優れた性能であることが分かる。   From Table 2, the photoelectric conversion elements 1 and 2 of the present invention have a higher photoelectric conversion efficiency ratio (B / A) before and after bending than the comparative photoelectric conversion element 11, and the initial stage compared with the comparative photoelectric conversion element 12. It can be seen that the photoelectric conversion efficiency (A) is excellent. From this, it can be seen that by dispersing the semiconductor particles adsorbed with the dye in the p-type semiconductor polymer compound and further containing the n-type semiconductor compound, a photoelectric conversion element having higher durability and efficiency than the conventional one can be obtained. In particular, it can be seen that the photoelectric conversion element 1 in which an n-type semiconductor compound is adsorbed on a semiconductor particle together with a dye and then dispersed in a p-type semiconductor polymer compound has excellent performance.

1 基板
2 透明導電膜
3 絶縁層
4 色素
5 酸化物半導体粒子
6 n型半導体化合物
7 p型半導体高分子化合物
8 半導体層
9 電荷輸送層
10 対向電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Transparent conductive film 3 Insulating layer 4 Dye 5 Oxide semiconductor particle 6 N-type semiconductor compound 7 P-type semiconductor polymer compound 8 Semiconductor layer 9 Charge transport layer 10 Counter electrode

Claims (3)

導電性支持体上に、半導体層、電荷輸送層及び対向電極を有する光電変換素子において、前記半導体層は、色素を吸着した酸化物半導体粒子がp型半導体高分子化合物中に分散されており、かつ前記半導体層はn型半導体化合物を含有することを特徴とする光電変換素子。   In the photoelectric conversion element having a semiconductor layer, a charge transport layer, and a counter electrode on a conductive support, the semiconductor layer has oxide semiconductor particles adsorbed with a dye dispersed in a p-type semiconductor polymer compound, And the said semiconductor layer contains an n-type semiconductor compound, The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned. 前記n型半導体化合物が前記酸化物半導体粒子に色素と共に吸着してい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 n-type semiconductor compound is adsorbed to the oxide semiconductor particles together with a dye. 請求項1または2に記載の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 claim 1.
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