JP2011040223A - Dye-sensitized solar cell, coating liquid for electrolyte layer forming, and solar cell module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell with high stability of an electrolyte layer with alkali metal salt or alkaline earth metal salt as a redox pair, and with excellent durability. <P>SOLUTION: The dye-sensitized solar cell is structured of a conductive base material, a porous semiconductor layer formed on the conductive base material with sensitizing dyes carried on a pore surface, an opposed electrode arranged in opposition to the porous semiconductor layer, and an electrolyte layer formed between the conductive material and the opposed electrode and containing alkali metal salt or alkaline earth metal salt and ionic liquid with anion as B(CN)<SB>4</SB><SP>-</SP>, Al(CN)<SB>4</SB><SP>-</SP>, C(CN)<SB>3</SB><SP>-</SP>, Si(CN)<SB>3</SB><SP>-</SP>, P(CN)<SB>2</SB><SP>-</SP>, OCN<SP>-</SP>, or SCN<SP>-</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、色素増感型の太陽電池、太陽電池における電解質層を形成するために用いる塗工液、及び二以上の太陽電池を接続してなる色素増感型の太陽電池モジュールに関するものである。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, a coating solution used for forming an electrolyte layer in the solar cell, and a dye-sensitized solar cell module formed by connecting two or more solar cells. .

二酸化炭素が原因とされる地球温暖化が世界的に問題となっている近年、環境にやさしく、クリーンなエネルギー源として、太陽光エネルギーを利用した太陽電池の積極的な研究開発が進められている。その中でも、より光電変換効率が高く、低コストの太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目されている。   In recent years, global warming caused by carbon dioxide has become a global problem. In recent years, active research and development of solar cells using solar energy has been promoted as an environmentally friendly and clean energy source. . Among them, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a solar cell with higher photoelectric conversion efficiency and lower cost.

色素増感型太陽電池では、例えば、光の入射する側から、透明基板、この透明基板上に形成された透明導電層、色素が担持された酸化物の半導体層、酸化還元対及び電解質を有する電解質層、並びに対向電極を形成した基板が順に積層されて、セルが形成される。特に、グレッチェルセルは、ナノ微粒子である酸化チタンを焼成させた多孔質半導体層を用いることを特徴とし、半導体層を多孔質とすることで増感色素の吸着量を増加させ光吸収能を向上させている。さらに、グレッチェルセルの電池性能を向上させる技術として、グレッチェルセルの酸化還元対としてヨウ化リチウム等のアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を用いることで、電流値を増加させることが知られている(特許文献1の段落0004から0005)。   The dye-sensitized solar cell has, for example, a transparent substrate, a transparent conductive layer formed on the transparent substrate, an oxide semiconductor layer carrying a dye, a redox couple, and an electrolyte from the light incident side. The electrolyte layer and the substrate on which the counter electrode is formed are sequentially stacked to form a cell. In particular, the Gretcher cell is characterized by using a porous semiconductor layer obtained by firing titanium oxide, which is a nanoparticle, and by making the semiconductor layer porous, the adsorption amount of the sensitizing dye is increased and the light absorption ability is increased. It is improving. Further, as a technique for improving the battery performance of the Gretcher cell, it is known to increase the current value by using an alkali metal salt or alkaline earth metal salt such as lithium iodide as the redox pair of the Gretcher cell. (Patent Document 1, paragraphs 0004 to 0005).

ところが、従来の色素増感型太陽電池では、有機溶媒系の電解質が用いられているので、液の蒸発による性能低下の問題がある。これに対して、常温で比較的安定なイオン性液体を電解質に用いる色素増感型太陽電池が提案されている。   However, in the conventional dye-sensitized solar cell, since an organic solvent-based electrolyte is used, there is a problem of performance degradation due to evaporation of the liquid. On the other hand, a dye-sensitized solar cell using an ionic liquid that is relatively stable at room temperature as an electrolyte has been proposed.

例えば、特許文献2には、アニオンがフッ素含有イミドイオンであるイオン性液体を溶媒とした電解質が開示されている。しかし、アニオンがフッ素含有イミドイオンであるイオン性液体は、電流値や光電変換効率の電池性能が不十分であるという問題がある。   For example, Patent Document 2 discloses an electrolyte in which an ionic liquid whose anion is a fluorine-containing imide ion is used as a solvent. However, an ionic liquid in which the anion is a fluorine-containing imide ion has a problem that the battery performance of current value and photoelectric conversion efficiency is insufficient.

また、例えば、特許文献2や特許文献3には、アニオンが非フッ素含有物であるイオン性液体が開示されている。しかし、非フッ素含有物であるイオン性液体の多くは、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩に対する溶解性が低い。溶解性が低いイオン性液体を用いた電解質層では、十分な量のアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩が添加できず、また、無理に添加してもアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩が析出してくることがあり、電解質層の経時安定性に欠けるという問題がある。   For example, Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose ionic liquids whose anion is a non-fluorine-containing material. However, many ionic liquids that are non-fluorine-containing materials have low solubility in alkali metal salts or alkaline earth metal salts. In an electrolyte layer using an ionic liquid with low solubility, a sufficient amount of alkali metal salt or alkaline earth metal salt cannot be added, and even if forcibly added, an alkali metal salt or alkaline earth metal salt is not present. There is a problem that it may be deposited, and the electrolyte layer lacks stability over time.

さらに、色素増感型太陽電池の実用化にあたっては、様々な環境下において長期の使用に耐え得るように太陽電池の耐久性をより高めることが重要な課題である。太陽電池の耐久性を向上させるには、電解質層の経時や熱に対する安定性が必要となる。   Furthermore, in putting the dye-sensitized solar cell into practical use, it is an important issue to further improve the durability of the solar cell so that it can withstand long-term use in various environments. In order to improve the durability of the solar cell, the electrolyte layer needs to be stable over time and heat.

特開2004−247158JP 2004-247158 A 特開2006−134615JP 2006-134615 A 特開2006−302531JP 2006-302531

本発明は、上記の状況を鑑みて、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を酸化還元対とする電解質層の安定性が高く、優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池、及び色素増感型太陽電池モジュールを提供することを課題とする。また、そのような電解質層を形成するための塗工液を提供することを課題とする。   In view of the above situation, the present invention provides a dye-sensitized solar cell having high durability and excellent durability of an electrolyte layer using an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt as a redox pair, and dye sensitization. An object is to provide a sensitive solar cell module. Another object is to provide a coating solution for forming such an electrolyte layer.

本発明者は、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体が、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩に対する溶解性が高いことを見出して、本発明を完成させた。 In the present inventor, the anion is B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN . The present invention has been completed by finding that the ionic liquid is highly soluble in alkali metal salts or alkaline earth metal salts.

さらに、本発明者は特に、アニオンがB(CN)4 -であるイオン性液体を用いることで、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩の経時劣化等を防止できることを見出して、より優れた発明も完成させた。 Furthermore, the present inventor has found that the use of an ionic liquid having an anion of B (CN) 4 can prevent deterioration of the alkali metal salt or alkaline earth metal salt with the passage of time. Also completed.

すなわち、本発明の要旨は、下記の通りである。
第1の発明は、 導電性基材と、前記導電性基材上に形成され、増感色素を細孔表面に担持させた多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層に対向して配置された対向電極と、前記導電性基材と前記対向電極の間に形成され、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩と、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体とを含む電解質層と、から構成される色素増感型太陽電池である。
That is, the gist of the present invention is as follows.
According to a first aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a porous semiconductor layer formed on the conductive substrate and having a sensitizing dye supported on the pore surface, and disposed opposite the porous semiconductor layer. The counter electrode is formed between the conductive base material and the counter electrode, and an alkali metal salt or alkaline earth metal salt and anions of B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN ) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN , and an electrolyte layer, and a dye-sensitized solar cell.

第2の発明は、第1の発明において、アニオンがB(CN)4 -である色素増感型太陽電池である。 The second invention is the first invention, the anion is B (CN) 4 - is a dye-sensitized solar cell is.

第3の発明は、第1の発明又は第2の発明において、電解質層に熱可塑性のセルロース系樹脂を含む色素増感型太陽電池である。   A third invention is a dye-sensitized solar cell according to the first or second invention, wherein the electrolyte layer contains a thermoplastic cellulose resin.

第4の発明は、色素増感型太陽電池の電解質層形成用塗工液であって、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩と、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体とを含む塗工液である。 The fourth invention is a coating solution for forming an electrolyte layer of a dye-sensitized solar cell, wherein the alkali metal salt or alkaline earth metal salt and the anion are B (CN) 4 , Al (CN) 4 −. , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN .

第5の発明は、二以上の第1の発明から第3の発明のいずれかの色素増感型太陽電池を、直列又は並列に接続してなる色素増感型太陽電池モジュールである。   A fifth invention is a dye-sensitized solar cell module formed by connecting two or more of the dye-sensitized solar cells of the first to third inventions in series or in parallel.

本発明によれば、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を酸化還元対として含む電解質層の安定性が高く、優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池、及び太陽電池モジュールを得ることができる。また、そのような電解質を形成するための塗工液を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a dye-sensitized solar cell and a solar cell module in which an electrolyte layer containing an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt as a redox pair has high stability and excellent durability. it can. Moreover, the coating liquid for forming such an electrolyte can be obtained.

本発明の色素増感型太陽電池の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the dye-sensitized solar cell of this invention.

以下、本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の色素増感型太陽電池の一実施形態を示す断面図である。この色素増感型太陽電池1は、導電性基材10と、導電性基材10上に形成され増感色素を細孔表面に担持させた多孔質半導体層20と、多孔質半導体層20に対向して配置された対向電極40と、導電性基材10及び対向電極40の間に形成された電解質層30とから概略構成されている。電解質層30は少なくとも、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を成分とする酸化還元対、及びアニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体で構成されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. The dye-sensitized solar cell 1 includes a conductive substrate 10, a porous semiconductor layer 20 formed on the conductive substrate 10 and carrying a sensitizing dye on the pore surface, and a porous semiconductor layer 20. The counter electrode 40 is arranged roughly and is composed of a conductive substrate 10 and an electrolyte layer 30 formed between the counter electrode 40. The electrolyte layer 30 includes at least a redox pair having an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt as a component, and anions of B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN ) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN .

(導電性基材)
導電性基材10としては、各種の金属箔や金属板等の一般的な導電性基材を用いることができ、あるいは、ガラスやプラスチック等の基板上に導電層を形成することによって得ることができる。基板は、透明であっても不透明であっても良いが、光の受光面側に位置する場合には、光の透過性に優れた透明基板であることが好ましい。さらに、耐熱性、耐候性、及び水蒸気等に対するガスバリア性に優れたものであることが好ましい。具体的には、石英ガラス、パイレックス(登録商標)、及び合成石英ガラス等の可撓性のない透明なリジット材、あるいはエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム(PET)、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリエーテルエーテルケトンフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリイミドフィルム、及びポリエチレンナフタレート(PEN)等のプラスチックフィルムを挙げることができる。
(Conductive substrate)
As the conductive substrate 10, general conductive substrates such as various metal foils and metal plates can be used, or can be obtained by forming a conductive layer on a substrate such as glass or plastic. it can. The substrate may be transparent or opaque, but when it is located on the light receiving surface side, it is preferably a transparent substrate having excellent light transmittance. Furthermore, it is preferable that it is excellent in heat resistance, weather resistance, and gas barrier properties against water vapor and the like. Specifically, non-flexible transparent rigid materials such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), and synthetic quartz glass, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film, polyethylene terephthalate film (PET), polyether Examples thereof include a sulfone film, a polyether ether ketone film, a polyether imide film, a polyimide film, and a plastic film such as polyethylene naphthalate (PEN).

上記のうち、リジット材を基板としてこれに導電層を形成した導電性基材を使用する場合は、その導電性基材上に後述する多孔質半導体層を形成した後に数百度程度で焼結処理をおこなうことが好ましい。焼結処理により、多孔質半導体層の酸化還元対の保持機能が向上するので、酸化還元対の経時劣化による光電変換効率の低下を防ぎ、太陽電池の耐久性が高まる。   Among the above, when using a conductive base material in which a rigid material is used as a substrate and a conductive layer is formed thereon, a sintering process is performed at a few hundred degrees after forming a porous semiconductor layer described later on the conductive base material. It is preferable to carry out. The sintering process improves the retention function of the redox couple of the porous semiconductor layer, thereby preventing a decrease in photoelectric conversion efficiency due to the deterioration of the redox couple over time and increasing the durability of the solar cell.

プラスチックフィルムを基板としてこれに導電層を形成した可撓性フィルムからなる導電性基材を使用する場合は、これにより様々な用途に太陽電池を用いることができ、また太陽電池の軽量化、製造コストの削減を果たすことができる。プラスチックフィルムを基板として用いたときは、多孔質半導体層を形成した後に、多孔質半導体層のプレス処理及び/又はプラスチックフィルムが耐えられる程度の温度で焼結処理をおこなうことで、多孔質半導体層の酸化還元対の保持機能を向上させることができる。なお、プラスチックフィルムは単独で基板として使用しても良く、2種以上の異なるプラスチックフィルムを積層した状態で使用しても良い。   When using a conductive base material made of a flexible film with a conductive layer formed on a plastic film as a substrate, solar cells can be used for various applications. Cost reduction can be achieved. When a plastic film is used as a substrate, after the porous semiconductor layer is formed, the porous semiconductor layer is subjected to a press treatment of the porous semiconductor layer and / or a sintering treatment at a temperature that can withstand the plastic film. It is possible to improve the retention function of the redox pair. The plastic film may be used alone as a substrate, or may be used in a state where two or more different plastic films are laminated.

導電性基材、又は導電性基材の基板の厚さとしては、10μm〜500μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the conductive substrate or the substrate of the conductive substrate is preferably in the range of 10 μm to 500 μm.

基板上に形成する導電層の材料としては、導電性に優れたものであれば特に限定はされないが、光の受光面側に位置する導電層においては、光の透過性に優れているものであることが好ましい。例えば、光の透過性に優れた材料として、SnO2、ITO、FTO、ZnO、IZO等を挙げることができる。中でも、FTO、ITOは、導電性及び透過性の両方に優れているため特に好ましく用いられる。 The material of the conductive layer formed on the substrate is not particularly limited as long as it is excellent in conductivity, but the conductive layer located on the light receiving surface side is excellent in light transmission. Preferably there is. For example, as a material having excellent light permeability, can be cited SnO 2, ITO, FTO, ZnO, IZO, or the like. Among these, FTO and ITO are particularly preferably used because they are excellent in both conductivity and transparency.

また、基板上に形成する導電層の材料としては、各々の仕事関数を考慮して選択することが好ましい。例えば、仕事関数が高い材料としては、Au、Ag、Co、Ni、Pt、C、ITO、FTO、SnO2、ZnO等を挙げることができる。一方、仕事関数が低い材料としては、Li、In、Al、Ca、Mg、Sm、Tb、Yb、Zr等を挙げることができる。 Further, the material for the conductive layer formed on the substrate is preferably selected in consideration of each work function. For example, examples of materials having a high work function include Au, Ag, Co, Ni, Pt, C, ITO, FTO, SnO 2 , and ZnO. On the other hand, examples of the material having a low work function include Li, In, Al, Ca, Mg, Sm, Tb, Yb, and Zr.

なお、各々の導電層は、単層から構成されていても良く、また、異なる仕事関数の材料が積層されて構成されていても良い。   Each conductive layer may be composed of a single layer, or may be composed of laminated materials having different work functions.

導電層の膜厚としては、0.1nm〜500nmの範囲内、好ましくは1nm〜300nmの範囲内である。   The thickness of the conductive layer is in the range of 0.1 nm to 500 nm, preferably in the range of 1 nm to 300 nm.

このような導電層を形成する方法としては、特に限定はされないが、蒸着法、スパッタ法、CVD法等を挙げることができる。中でも、スパッタ法が好ましく用いられる。   A method for forming such a conductive layer is not particularly limited, and examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, and a CVD method. Among these, the sputtering method is preferably used.

(多孔質半導体層)
次に、多孔質半導体層20について説明する。多孔質半導体層は、金属酸化物の微粒子を有し、これに増感色素が担持され、光照射により増感色素から生じた電荷を伝導する機能を有している。
(Porous semiconductor layer)
Next, the porous semiconductor layer 20 will be described. The porous semiconductor layer has metal oxide fine particles, on which a sensitizing dye is supported, and has a function of conducting charges generated from the sensitizing dye by light irradiation.

金属酸化物微粒子は、その細孔表面に増感色素が担持されることから、連通孔を有する多孔質であることが好ましい。このような多孔質とすることにより、多孔質半導体層の表面積が大きくなり、十分な量の増感色素を担持させることができる。また、後述する電解質層との接触面積も大きくなり、エネルギー変換効率を向上させることができる。   The metal oxide fine particles are preferably porous having communication holes because the sensitizing dye is supported on the surface of the pores. By setting it as such a porous, the surface area of a porous semiconductor layer becomes large, and sufficient quantity of a sensitizing dye can be carry | supported. Moreover, a contact area with the electrolyte layer mentioned later becomes large, and energy conversion efficiency can be improved.

多孔質半導体層の膜厚としては、1μm〜100μmの範囲内、その中でも、5μm〜30μmの範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、多孔質半導体層の膜抵抗を小さくすることができ、また、多孔質半導体層による光吸収が十分に行われるからである。   The film thickness of the porous semiconductor layer is preferably in the range of 1 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 5 μm to 30 μm. This is because the film resistance of the porous semiconductor layer can be reduced within the above range, and light absorption by the porous semiconductor layer is sufficiently performed.

多孔質半導体層を形成する金属酸化物微粒子は、増感色素から発生した電荷を導電性基材10へ伝導させることができるものであれば特に限定はされない。具体的には、TiO2、ZnO、SnO2、ITO、ZrO2、SiO2、MgO、Al23,CeO2、Bi23、Mn34、Y23、WO3、Ta25、Nb25、La23等を挙げることができる。これらの金属酸化物微粒子は、いずれか一種を使用しても良く、また、2種以上を混合して使用してもよい。中でも、TiO2を好ましく用いることができる。さらに、これらの内の一種をコア粒子とし、他の金属酸化物微粒子により、コア粒子を被覆してシェルを形成するコアシェル構造としてもよい。 The metal oxide fine particles forming the porous semiconductor layer are not particularly limited as long as the charge generated from the sensitizing dye can be conducted to the conductive substrate 10. Specifically, TiO 2, ZnO, SnO 2 , ITO, ZrO 2, SiO 2, MgO, Al 2 O 3, CeO 2, Bi 2 O 3, Mn 3 O 4, Y 2 O 3, WO 3, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , La 2 O 3 and the like can be mentioned. Any one kind of these metal oxide fine particles may be used, or two or more kinds may be mixed and used. Among these, TiO 2 can be preferably used. Further, a core-shell structure in which one of these is used as a core particle and the core particle is coated with another metal oxide fine particle to form a shell may be used.

多孔質半導体層には、金属酸化物微粒子の結着剤として樹脂を添加することができる。このような樹脂としては、後述するセルロース系樹脂を用いることが好ましい。   A resin can be added to the porous semiconductor layer as a binder for the metal oxide fine particles. As such a resin, it is preferable to use a cellulose-based resin described later.

多孔質半導体層中の金属酸化物微粒子の含有量としては、40重量%〜99.9重量%の範囲内、中でも、85重量%〜99.5重量%の範囲内であることが好ましい。   The content of the metal oxide fine particles in the porous semiconductor layer is preferably in the range of 40% by weight to 99.9% by weight, and more preferably in the range of 85% by weight to 99.5% by weight.

また、金属酸化物微粒子の粒径としては、1nm〜10μmの範囲内、特に、10nm〜500nmの範囲内であることが好ましい。上記範囲よりも粒子径が小さい場合には、そのような粒子の製造が困難となり、各々の粒子が凝集し、二次粒子を形成する可能性があるため好ましくない。一方、上記範囲よりも粒子径が大きい場合には、多孔質半導体層が厚膜化してしまい、抵抗が高くなるため好ましくない。   The particle diameter of the metal oxide fine particles is preferably in the range of 1 nm to 10 μm, particularly in the range of 10 nm to 500 nm. When the particle diameter is smaller than the above range, it is difficult to produce such particles, and it is not preferable because each particle may aggregate to form secondary particles. On the other hand, when the particle diameter is larger than the above range, the porous semiconductor layer becomes thicker and the resistance becomes higher, which is not preferable.

粒径の異なる金属酸化物微粒子を混合して用いてもよい。これにより、光散乱効果を高めることができ、多孔質半導体層内により多くの光を閉じ込めることができるため、増感色素における光吸収を効率的に行うことができる。例えば、10nm〜50nmの金属酸化物微粒子と、50nm〜200nmの金属酸化物微粒子とを混合して用いる場合を挙げることができる。   You may mix and use the metal oxide fine particle from which a particle size differs. Thereby, the light scattering effect can be enhanced and more light can be confined in the porous semiconductor layer, so that light absorption by the sensitizing dye can be efficiently performed. For example, a case where metal oxide fine particles of 10 nm to 50 nm and metal oxide fine particles of 50 nm to 200 nm are mixed and used can be exemplified.

金属酸化物微粒子に担持させる増感色素は、光を吸収し起電力を生じさせることが可能なものであれば特に限定はされない。具体的には、有機色素または金属錯体色素を使用することができる。例えば有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン系、インドリン系、スクアリウム系の色素が挙げられる。特に、クマリン系が好適に用いられる。   The sensitizing dye supported on the metal oxide fine particles is not particularly limited as long as it can absorb light and generate an electromotive force. Specifically, an organic dye or a metal complex dye can be used. Examples of organic dyes include acridine, azo, indigo, quinone, coumarin, merocyanine, phenylxanthene, indoline, and squalium dyes. In particular, a coumarin system is preferably used.

また、金属錯体色素としては、ルテニウム系色素、特にルテニウムビピリジン色素及びルテニウムターピリジン色素が好ましく用いられる。このような増感色素を金属酸化物微粒子の細孔表面に担持させることにより、可視光の範囲まで効率的に取り込んで光電変換を生じさせることができる。   As the metal complex dye, a ruthenium dye, particularly a ruthenium bipyridine dye and a ruthenium terpyridine dye are preferably used. By carrying such a sensitizing dye on the pore surface of the metal oxide fine particles, it is possible to efficiently take in the visible light range and cause photoelectric conversion.

多孔質半導体層を形成する方法としては、特に限定はされないが、塗布法により形成することが好ましい。すなわち、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミル、プラネタリーミキサー等の公知の分散機を用いて、金属酸化物微粒子を溶媒に分散させた塗工液を調製し、この塗工液を導電性基材10上(導電層が形成されている場合には導電性基材の導電層側)に塗布し、乾燥させ、必要に応じてさらに焼成する。その後、金属酸化物微粒子の表面に増感色素を吸着させることにより、増感色素が担持された多孔質半導体層を形成することができる。   The method for forming the porous semiconductor layer is not particularly limited, but it is preferably formed by a coating method. That is, using a known disperser such as a homogenizer, a ball mill, a sand mill, a roll mill, or a planetary mixer, a coating liquid in which metal oxide fine particles are dispersed in a solvent is prepared. It is applied to the top (the conductive layer side of the conductive substrate when a conductive layer is formed), dried, and further baked as necessary. Then, the porous semiconductor layer carrying the sensitizing dye can be formed by adsorbing the sensitizing dye on the surface of the metal oxide fine particles.

金属酸化物微粒子の塗工液に使用する溶媒としては、特に限定はされない。具体的には、クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン等の塩素系溶媒、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチルセルソルブアセテート等のエステル系溶媒、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、ブチルアルコール等のアルコール系溶媒、その他、N−メチル−2−ピロリドン、及び純水等を挙げることができる。   The solvent used in the metal oxide fine particle coating solution is not particularly limited. Specifically, chlorine solvents such as chloroform, methylene chloride, dichloroethane, ether solvents such as tetrahydrofuran, aromatic hydrocarbon solvents such as toluene and xylene, ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, ethyl acetate, butyl acetate And ester solvents such as ethyl cellosolve acetate, alcohol solvents such as isopropyl alcohol, ethanol, methanol and butyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidone, and pure water.

その他、必要に応じて、多孔質半導体層の形成に使用する塗工液の塗工適性を向上させるために、各種添加剤を用いてもよい。添加剤としては、界面活性剤、粘度調整剤、分散助剤、pH調節剤等を用いることができる。pH調整剤としては、例えば、硝酸、塩酸、酢酸、アンモニア等を挙げることができる。   In addition, various additives may be used as necessary in order to improve the coating suitability of the coating liquid used for forming the porous semiconductor layer. As the additive, a surfactant, a viscosity adjuster, a dispersion aid, a pH adjuster and the like can be used. Examples of the pH adjuster include nitric acid, hydrochloric acid, acetic acid, ammonia and the like.

金属酸化物微粒子を含む塗工液を塗布する方法としては、公知の塗布方法であれば特に限定はされないが、具体的には、ダイコート、グラビアコート、グラビアリバースコート、ロールコート、リバースロールコート、バーコート、ブレードコート、ナイフコート、エアナイフコート、スロットダイコート、スライドダイコート、ディップコート、マイクロバーコート、マイクロバーリバースコートや、スクリーン印刷等を挙げることができる。このような塗布法を用い、一回または複数回、塗布及び乾燥を繰り返すことにより多孔質半導体層を所望の膜厚になるよう調整して形成する。   The method for applying the coating liquid containing metal oxide fine particles is not particularly limited as long as it is a known coating method, specifically, die coating, gravure coating, gravure reverse coating, roll coating, reverse roll coating, Examples thereof include bar coating, blade coating, knife coating, air knife coating, slot die coating, slide die coating, dip coating, micro bar coating, micro bar reverse coating, and screen printing. Using such a coating method, the porous semiconductor layer is formed so as to have a desired film thickness by repeating coating and drying once or a plurality of times.

塗布、乾燥させた後、必要に応じて焼成を行う。これにより、多孔質半導体層の均質化、高密度化を図ることができ、金属酸化物微粒子間の結着性が高まるため、電荷の伝導性を向上させることができる。また、導電性基材と多孔質半導体層との密着性も向上させることができる。焼成する温度、時間は、多孔質半導体層の膜厚等によって異なり限定されるものではないが、一般的には300℃〜700℃で5分〜120分程度である。また、導電性基材がプラスチックフィルムから構成される場合は、フィルムの耐熱温度以下で乾燥・焼成を行うことが好ましい。   After coating and drying, baking is performed as necessary. Thereby, the porous semiconductor layer can be homogenized and densified, and the binding property between the metal oxide fine particles can be increased, so that the charge conductivity can be improved. In addition, the adhesion between the conductive substrate and the porous semiconductor layer can be improved. The firing temperature and time vary depending on the film thickness of the porous semiconductor layer and are not limited, but are generally about 300 to 700 ° C. and about 5 to 120 minutes. Moreover, when a conductive base material is comprised from a plastic film, it is preferable to perform drying and baking below the heat-resistant temperature of a film.

増感色素を担持させる方法としては、例えば、増感色素の溶液に乾燥・焼成した金属酸化物微粒子を浸漬させ、その後、乾燥させる方法や、増感色素の溶液を金属酸化物微粒子上に塗布し、浸透させた後、乾燥させる方法等を挙げることができる。増感色素の溶液に使用する溶媒は、用いる色素増感剤の種類に応じて、水系溶媒、有機系溶媒から適宜選択する。
(対向電極)
対向電極40としては、各種の金属箔や金属板等、あるいはガラスやプラスチック等の基板の表面上に導電層が形成されたものを用いることができる。基板は、透明であっても不透明であっても良いが、光の受光面側に位置する場合には、光の透過性に優れた透明基板であることが好ましい。さらに、耐熱性、耐候性、及び水蒸気等に対するガスバリア性に優れたものであることが好ましい。具体的には、石英ガラス、パイレックス(登録商標)、及び合成石英ガラス等の可撓性のない透明なリジット材、あるいはエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム(PET)、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリエーテルエーテルケトンフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリイミドフィルム、及びポリエチレンナフタレート(PEN)等のプラスチックフィルムを挙げることができる。
As a method for supporting the sensitizing dye, for example, the dried and baked metal oxide fine particles are immersed in a sensitizing dye solution and then dried, or the sensitizing dye solution is applied onto the metal oxide fine particles. And a method of drying after permeation. The solvent used in the sensitizing dye solution is appropriately selected from an aqueous solvent and an organic solvent according to the type of the dye sensitizer used.
(Counter electrode)
As the counter electrode 40, it is possible to use various metal foils, metal plates, or the like, or those in which a conductive layer is formed on the surface of a substrate such as glass or plastic. The substrate may be transparent or opaque, but when it is located on the light receiving surface side, it is preferably a transparent substrate having excellent light transmittance. Furthermore, it is preferable that it is excellent in heat resistance, weather resistance, and gas barrier properties against water vapor and the like. Specifically, non-flexible transparent rigid materials such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), and synthetic quartz glass, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film, polyethylene terephthalate film (PET), polyether Examples thereof include a sulfone film, a polyether ether ketone film, a polyether imide film, a polyimide film, and a plastic film such as polyethylene naphthalate (PEN).

プラスチックフィルムを基板としてこれに導電層を形成した可撓性フィルムからなる対向電極を使用する場合は、これにより様々な用途に太陽電池を用いることができ、また太陽電池の軽量化、製造コストの削減を果たすことができる。なお、プラスチックフィルムは単独で基板として使用しても良く、2種以上の異なるプラスチックフィルムを積層した状態で使用しても良い。   When a counter electrode made of a flexible film having a conductive layer formed on a plastic film as a substrate is used, solar cells can be used for various applications. Reduction can be achieved. The plastic film may be used alone as a substrate, or may be used in a state where two or more different plastic films are laminated.

対向電極、又は対向電極の基板の厚さとしては、の厚さとしては、10μm〜500μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the counter electrode or the substrate of the counter electrode is preferably in the range of 10 μm to 500 μm.

基板上に形成する導電層の材料としては、導電性に優れたものであれば特に限定はされないが、光の受光面側に位置する導電層においては、光の透過性に優れているものであることが好ましい。例えば、光の透過性に優れた材料として、SnO2、ITO、FTO、ZnO、IZO等を挙げることができる。中でも、FTO、ITOは、導電性及び透過性の両方に優れているため特に好ましく用いられる。 The material of the conductive layer formed on the substrate is not particularly limited as long as it is excellent in conductivity, but the conductive layer located on the light receiving surface side is excellent in light transmission. Preferably there is. For example, as a material having excellent light permeability, can be cited SnO 2, ITO, FTO, ZnO, IZO, or the like. Among these, FTO and ITO are particularly preferably used because they are excellent in both conductivity and transparency.

また、基板上に形成する導電層の材料としては、各々の仕事関数を考慮して選択することが好ましい。例えば、仕事関数が高い材料としては、Au、Ag、Co、Ni、Pt、C、SnO2、ITO、FTO、ZnO等を挙げることができる。一方、仕事関数が低い材料としては、Li、In、Al、Ca、Mg、Sm、Tb、Yb、Zr等を挙げることができる。 Further, the material for the conductive layer formed on the substrate is preferably selected in consideration of each work function. For example, examples of the material having a high work function include Au, Ag, Co, Ni, Pt, C, SnO 2 , ITO, FTO, and ZnO. On the other hand, examples of the material having a low work function include Li, In, Al, Ca, Mg, Sm, Tb, Yb, and Zr.

なお、各々の導電層は、単層から構成されていても良く、また、異なる仕事関数の材料が積層されて構成されていても良い。   Each conductive layer may be composed of a single layer, or may be composed of laminated materials having different work functions.

導電層の膜厚としては、0.1nm〜500nmの範囲内、好ましくは1nm〜300nmの範囲内である。   The thickness of the conductive layer is in the range of 0.1 nm to 500 nm, preferably in the range of 1 nm to 300 nm.

このような導電層を形成する方法としては、特に限定はされないが、蒸着法、スパッタ法、CVD法等を挙げることができる。中でも、スパッタ法が好ましく用いられる。   A method for forming such a conductive layer is not particularly limited, and examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, and a CVD method. Among these, the sputtering method is preferably used.

対向電極の導電層上にさらに触媒層を形成することにより、色素増感型太陽電池の発電効率をより向上させることができる。上記触媒層の例としては、Ptを蒸着した層や、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の有機物からなる触媒層を挙げることができるが、これに限定されるものではない。   By further forming a catalyst layer on the conductive layer of the counter electrode, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell can be further improved. Examples of the catalyst layer include a layer deposited with Pt and a catalyst layer made of an organic material such as polyaniline, polythiophene, polypyrrole, but are not limited thereto.

(電解質層)
次に、電解質層30について説明する。電解質層30は、多孔質半導体層20を形成した導電性基材10と対向電極40との間に形成され、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を成分とする酸化還元対、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体を少なくとも含むものである。
(Electrolyte layer)
Next, the electrolyte layer 30 will be described. The electrolyte layer 30 is formed between the conductive substrate 10 on which the porous semiconductor layer 20 is formed and the counter electrode 40, and an oxidation-reduction pair having an alkali metal salt or alkaline earth metal salt as a component and an anion of B ( CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN .

酸化還元対として用いるアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩は、酸化チタン等の金属酸化物半導体のコンダクションバンドを下げる効果があるため、電流が増加し、その結果、電池性能を高めることができる。アルカリ金属塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、及びカリウム塩を挙げることができ、アルカリ土類金属塩としては、カルシウム塩、及びマグネシウム塩を挙げることができる。アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩は、ヨウ化物又は臭化物であることが好ましい。具体的には、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化カルシウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、及び臭化カルシウムを挙げることができる。これらのうち、ヨウ化リチウムとヨウ化カリウムが、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体に対する被溶解性が高いので好ましい。これらのアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩は、二種類以上を組み合わせて用いてもよい。 An alkali metal salt or alkaline earth metal salt used as a redox pair has an effect of lowering the conduction band of a metal oxide semiconductor such as titanium oxide, so that the current is increased, and as a result, battery performance can be improved. . Examples of the alkali metal salt include lithium salt, sodium salt, and potassium salt, and examples of the alkaline earth metal salt include calcium salt and magnesium salt. The alkali metal salt or alkaline earth metal salt is preferably iodide or bromide. Specific examples include lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, calcium iodide, lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, and calcium bromide. Of these, lithium iodide and potassium iodide have anions of B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , It is preferable because it is highly soluble in an ionic liquid that is OCN or SCN . These alkali metal salts or alkaline earth metal salts may be used in combination of two or more.

酸化還元対としては、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を含むことを条件として、ヨウ素や臭素を併用することが好ましい。   As the oxidation-reduction pair, it is preferable to use iodine or bromine in combination on the condition that an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt is contained.

電解質層30中の酸化還元対の濃度は、酸化還元対の種類によっても異なり特に限定されるものではないが、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩がヨウ化物又は臭化物であって、ヨウ素あるいは臭素の酸化還元対を併用する場合には、ヨウ化物又は臭化物が0.1mol/l〜5mol/l、ヨウ素もしくは臭素が0.01mol/l〜0.5mol/lとすることが好ましく、一般的にはアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩とヨウ素又は臭素とのモル比が10:1程度となるように設定する。   The concentration of the redox couple in the electrolyte layer 30 varies depending on the type of the redox couple and is not particularly limited, but the alkali metal salt or alkaline earth metal salt is iodide or bromide, and iodine or bromine When the redox couple of is used together, it is preferable that iodide or bromide is 0.1 mol / l to 5 mol / l, and iodine or bromine is 0.01 mol / l to 0.5 mol / l. Is set so that the molar ratio of the alkali metal salt or alkaline earth metal salt to iodine or bromine is about 10: 1.

イオン性液体は、電解質の粘性を下げ、イオンの伝導性を改善して光電変換効率を向上させるものである。イオン性液体は蒸気圧が極めて低く、室温では実質的に殆ど蒸発せず、一般的な有機溶媒のように揮発や引火の心配がないことから、揮発によるセル特性の低下を防止することができる。   The ionic liquid lowers the viscosity of the electrolyte, improves the conductivity of ions, and improves the photoelectric conversion efficiency. Ionic liquids have a very low vapor pressure, and hardly evaporate at room temperature. There is no fear of volatilization or ignition like ordinary organic solvents, so it is possible to prevent deterioration of cell characteristics due to volatilization. .

イオン性液体としては、アニオン(陰イオン)が、(1)B(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、若しくはP(CN)2 -であるシアン化物イオンがホウ素原子、アルミニウム原子、炭素原子、珪素原子、若しくはリン原子に配位して形成されたイオン、(2)OCN-であるシアン酸イオン、又は(3)SCN-であるチオシアン酸イオンであるイオン性液体を用いる。これらのアニオンは、炭素原子と窒素原子の共有結合を有し、共通ないし近似する配位力を備えている。シアン化物イオン、シアン酸イオン又はチオシアン酸イオンがアルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンに良好に配位するので、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体は、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を成分とする酸化還元対の溶解性が高く、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を成分とする酸化還元対を良好に保持することができ、電解質層を安定化させることができる。これらのイオン性液体は、いずれか一種を単独で用いても良いし、複数を混合して用いても良い。 As an ionic liquid, an anion (anion) is (1) B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , or P (CN) 2. - a is a cyanide ion boron atom, an aluminum atom, a carbon atom, a silicon atom, or a coordinating phosphorus atom and is formed by ion, (2) OCN - it can be cyanate ion, or (3) SCN - in An ionic liquid which is a certain thiocyanate ion is used. These anions have a covalent bond between a carbon atom and a nitrogen atom, and have a common or approximate coordination force. Cyanide ion, cyanate ion or thiocyanate ion is well coordinated to alkali metal ion or alkaline earth metal ion, so that the anion is B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 -, Si (CN) 3 - , P (CN) 2 -, OCN -, or SCN - ionic liquid is, the higher the solubility of the redox pair whose components an alkali metal salt or alkaline earth metal salts In addition, the redox couple having an alkali metal salt or alkaline earth metal salt as a component can be favorably retained, and the electrolyte layer can be stabilized. Any one of these ionic liquids may be used alone, or a plurality of these ionic liquids may be used in combination.

特に、アニオンがB(CN)4 -(テトラシアノボレートイオン)であるイオン性液体(以下「TCB系イオン性液体」と記載することがある)を用いることがより好ましい。TCB系イオン性液体を電解質に用いることで、電池性能が良好で、かつアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩の経時劣化等による光電変換効率の低下が少なく、優れた耐久性を有する色素増感型太陽電池を得ることができる。 In particular, it is more preferable to use an ionic liquid whose anion is B (CN) 4 (tetracyanoborate ion) (hereinafter sometimes referred to as “TCB-based ionic liquid”). By using TCB-based ionic liquid as an electrolyte, the battery performance is good, and there is little decrease in photoelectric conversion efficiency due to deterioration with time of alkali metal salt or alkaline earth metal salt, and dye sensitization with excellent durability. Type solar cell can be obtained.

上記のイオン性液体のカチオン(陽イオン)としては、1−メチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウム、1−オクタデシル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、及び1−オクタデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム系、1−メチル−ピリジウム、1−ブチル−ピリジウム、及び1−ヘキシル−ピリジウム等のピリジウム系、脂環式アミン系、並びに脂肪族アミン系であるものを挙げることができる。   As the cation (cation) of the ionic liquid, 1-methyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-propyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3- Methylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, 1-octyl-3-methylimidazolium, 1-octadecyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-butyl- Imidazolium systems such as 2,3-dimethylimidazolium, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-octyl-2,3-dimethylimidazolium, and 1-octadecyl-2,3-dimethylimidazolium; Pyridines such as 1-methyl-pyridium, 1-butyl-pyridium, and 1-hexyl-pyridium Um-based, alicyclic amine-based, and may include those aliphatic amine.

イオン液体としては、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体を用いることを条件として、他のイオン性液体を併用しても良く、ヨウ素をアニオンとするヨウ化物系イオン性液体を併用することが好ましい。具体的には、例えば、1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−n−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、及び1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド等を挙げることができる。これらのヨウ化物系イオン性液体は、ヨウ素イオンの供給源であり上記の酸化還元対としても機能させることができる。 As the ionic liquid, the anion is B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN . On the condition that an ionic liquid is used, another ionic liquid may be used in combination, and it is preferable to use an iodide ionic liquid having iodine as an anion. Specifically, for example, 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, 1-methyl-3-n-propylimidazolium iodide, 1-propyl-3-methylimidazolium iodide, 1 -Butyl-2,3-dimethylimidazolium iodide, 1-hexyl-3-methylimidazolium iodide, etc. can be mentioned. These iodide-based ionic liquids are a source of iodine ions and can also function as the above-described redox couple.

電解質層30中のイオン性液体の濃度は、イオン性液体の種類等によっても異なるが、電解質層30中に5重量%〜95重量%、特に10重量%〜85重量%含有させることが好ましい。また、電解質層中に含有させる全てのイオン性液体のうち、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体は、少なくとも、10重量%以上を占めることが好ましい。
なお、ヨウ化物系イオン性液体のように、酸化還元対としても機能するイオン性液体については、上記の電解質層30中のイオン性液体の濃度を決するにあたってイオン性液体ではなく酸化還元対として含有させることとし、上記の酸化還元対について述べた濃度とすることが好ましく、すなわち電解質層30中に0.1〜5mol/l含有させることが好ましい。その場合、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩のヨウ化物又は臭化物とヨウ化物系イオン性液体との合計濃度が0.1〜5mol/lであれば良いが、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩のヨウ化物又は臭化物は、少なくとも、0.2mol/l以上を占めることが好ましい。
The concentration of the ionic liquid in the electrolyte layer 30 varies depending on the kind of the ionic liquid and the like, but it is preferable to contain 5 wt% to 95 wt%, particularly 10 wt% to 85 wt% in the electrolyte layer 30. Of all the ionic liquids contained in the electrolyte layer, the anions are B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN). The ionic liquid which is 2 , OCN or SCN preferably occupies at least 10% by weight or more.
Note that an ionic liquid that also functions as a redox pair, such as an iodide ionic liquid, is contained as a redox pair instead of an ionic liquid in determining the concentration of the ionic liquid in the electrolyte layer 30 described above. The concentration described above for the redox couple is preferable, that is, 0.1 to 5 mol / l is preferably contained in the electrolyte layer 30. In that case, the total concentration of the iodide or bromide of the alkali metal salt or alkaline earth metal salt and the iodide ionic liquid may be 0.1 to 5 mol / l, but the alkali metal salt or alkaline earth metal may be used. It is preferable that the iodide or bromide of the salt occupies at least 0.2 mol / l or more.

さらに、電解質層30に熱可塑性のセルロース系樹脂を含有させることが好ましい。ここでセルロース系樹脂とは、セルロース又はその誘導体をいい、酸化還元対及びイオン性液体を保持して、固体状の電解質層を形成させるものである。電解質を固体化することで、封止材の劣化や破損により液漏れが発生することを防止できる。   Furthermore, it is preferable that the electrolyte layer 30 contains a thermoplastic cellulose resin. Here, the cellulose-based resin refers to cellulose or a derivative thereof, and holds a redox couple and an ionic liquid to form a solid electrolyte layer. By solidifying the electrolyte, it is possible to prevent liquid leakage due to deterioration or damage of the sealing material.

一般に、高分子化合物を用いて電解質を固体化する場合は、高分子化合物をイオン性液体に直接溶解させることが困難であるので、高分子化合物、イオン性液体、及び酸化還元対を適当な溶媒に溶解させた塗工液を作成した後、その塗工液を後述する塗布法により半導体層上に塗布し溶媒を蒸発させて、固体状の電解質層を形成させる。セルロース系樹脂は、本発明におけるアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を成分とする酸化還元対、及びB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体が溶解し易い溶媒(メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等の低級アルコール、水、NMP等)に対する被溶解性が高いので、全体として塗工液の生産性に優れ、さらに電解質層を塗工液の塗布によって形成する場合に、成膜性に優れ、薄膜形成(例えば4μm)が可能であるので、本発明における電解質の固体化に適している。また、セルロース系樹脂で固体化された電解質層は、酸化還元対及びB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体の保持能力が良好である。 In general, when solidifying an electrolyte using a polymer compound, it is difficult to directly dissolve the polymer compound in the ionic liquid. Therefore, the polymer compound, the ionic liquid, and the redox couple should be combined with an appropriate solvent. After preparing the coating solution dissolved in (2), the coating solution is applied onto the semiconductor layer by a coating method described later, and the solvent is evaporated to form a solid electrolyte layer. The cellulosic resin includes an oxidation-reduction pair comprising an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt as a component, B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN). ) 3 -, P (CN) 2 -, OCN -, or SCN - a is liable solvent dissolved ionic liquid (methanol, ethanol, isopropanol, lower alcohols butanol, water, the solubility in NMP, etc.) Since it is high, the productivity of the coating liquid is excellent as a whole, and when the electrolyte layer is formed by application of the coating liquid, it is excellent in film formability and can form a thin film (for example, 4 μm). Suitable for electrolyte solidification. In addition, the electrolyte layer solidified with the cellulose resin includes a redox couple and B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN). Good retention of ionic liquids that are 2 , OCN , or SCN .

さらに、セルロース系樹脂は、耐熱性が高いので、セルロース系樹脂で固体化した電解質層は、高温下でも液漏れが起こらず熱安定性が高い。例えば、太陽電池の製造工程では、セルを150℃程度で熱封止する必要が生じる場合があり、また、炎天下の密閉空間では空間内温度が80℃程度まで上昇することも起こり得るので、電解質層の熱安定性を向上させることは重要である。特に、TCB系イオン性液体を用いた電解質層をセルロース系樹脂で固体化することで、電解質層の経時かつ熱に対する安定性を高くすることができ、耐久性がより優れた色素増感型太陽電池を得ることができる。   Furthermore, since the cellulosic resin has high heat resistance, the electrolyte layer solidified with the cellulosic resin does not leak even at high temperatures and has high thermal stability. For example, in the manufacturing process of a solar cell, it may be necessary to heat seal the cell at about 150 ° C., and the temperature in the space may rise to about 80 ° C. in a sealed space under the hot sun. It is important to improve the thermal stability of the layer. In particular, by solidifying an electrolyte layer using a TCB-based ionic liquid with a cellulose-based resin, the stability of the electrolyte layer over time and heat can be increased, and the dye-sensitized solar with better durability A battery can be obtained.

このようなセルロース系樹脂としては、反応性物質を使用しない熱可塑性樹脂(非熱硬化性樹脂)を用いる。反応性物質を用いると、未反応の残存物や副生成物が電解質中に発生し、酸化還元対等に悪影響を及ぼし、太陽電池の耐久性を損ねることがあるからである。具体的にはセルロース、酢酸セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース等のセルロースアセテート(CA)、セルロースアセテートブチレート(CAB)、セルロースアセテートプロピオネート(CAP)、セルロースアセテートフタレート、硝酸セルロース等のセルロースエステル類、メチルセルロース、エチルセルロース、ベンジルセルロース、シアノエチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロースエーテル類が挙げられる。これらのセルロース系樹脂は、いずれかを単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いても良い。   As such a cellulose resin, a thermoplastic resin (non-thermosetting resin) that does not use a reactive substance is used. This is because if a reactive substance is used, unreacted residues and by-products are generated in the electrolyte, adversely affecting the redox couple and the like, and impairing the durability of the solar cell. Specifically, cellulose acetate (CA) such as cellulose, cellulose acetate, cellulose diacetate, and cellulose triacetate, cellulose acetate butyrate (CAB), cellulose acetate propionate (CAP), cellulose acetate phthalate, cellulose such as cellulose nitrate, etc. Examples thereof include cellulose ethers such as esters, methylcellulose, ethylcellulose, benzylcellulose, cyanoethylcellulose, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, and carboxymethylcellulose. Any of these cellulose resins may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.

セルロース系樹脂の中でも、電解質溶液への相溶性の観点から、特にカチオン性セルロース誘導体が好ましく用いられる。カチオン性セルロース誘導体とは、セルロース又はその誘導体のOH基にカチオン化剤を反応させてカチオン化したものをいう。カチオン性セルロース誘導体を含有させることにより、電解液の保持性に優れ、特に高温下あるいは加圧時において電解液の液漏れがない、熱安定性に優れた固体電解質を得ることができる。また、電解液の液漏れがないため、従来必須材料であった、セル内に電解質層を封止するための封止材が不要となり、太陽電池の製造コストを低減し、作製工程の簡略化を図ることができる。これらの効果は、色素増感型太陽電池における電解液が、主に溶媒(有機溶媒やイオン性液体)及びヨウ素塩(I-、I3 -)等から構成され、アニオン性に偏っているため、カチオン化したセルロース誘導体を用いることで、電解液との相溶性、電解液の吸着性が向上することに起因すると考えられる。 Among cellulose resins, a cationic cellulose derivative is particularly preferably used from the viewpoint of compatibility with the electrolyte solution. The cationic cellulose derivative means a product obtained by cationization by reacting a cellulose or an OH group of the derivative with a cationizing agent. By containing the cationic cellulose derivative, it is possible to obtain a solid electrolyte excellent in the retention of the electrolytic solution, and in particular, having no leakage of the electrolytic solution at a high temperature or under pressure, and excellent in thermal stability. In addition, since there is no leakage of electrolyte, a sealing material for sealing the electrolyte layer in the cell, which was an essential material in the past, is no longer necessary, reducing the manufacturing cost of the solar cell and simplifying the manufacturing process. Can be achieved. These effects are due to the fact that the electrolyte in the dye-sensitized solar cell is mainly composed of a solvent (organic solvent or ionic liquid), iodine salt (I , I 3 ), etc., and is anionic. It is considered that the use of a cationized cellulose derivative improves the compatibility with the electrolytic solution and the adsorptivity of the electrolytic solution.

カチオン化するセルロース又はその誘導体としては、セルロース、及びメチルセルロース、エチルセルロース等のアルキルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のヒドロキシアルキルセルロース、あるいはヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルエチルセルロース等の、セルロースのOH基がアルコキシ基又はヒドロキシアルコキシ基で置換されたヒドロキシアルキルアルキルセルロース等を挙げることができる。その中でも、ヒドロキシエチルセルロース等のヒドロキシアルキルセルロースが好ましく用いられる。   Examples of cellulose to be cationized or derivatives thereof include cellulose and alkylcelluloses such as methylcellulose and ethylcellulose; hydroxyalkylcelluloses such as hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, and hydroxypropylcellulose; and hydroxyethylmethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, and hydroxyethylethylcellulose. And hydroxyalkylalkylcellulose in which the OH group of cellulose is substituted with an alkoxy group or a hydroxyalkoxy group. Among these, hydroxyalkyl cellulose such as hydroxyethyl cellulose is preferably used.

カチオン化剤としては、セルロース又はその誘導体のOH基と反応する基、及び4級アンモニウム基等のカチオン部位を有する物質が用いられる。OH基と反応する基としては、OH基と共有結合を形成する反応基であれば特に限定されず、例えば、エポキシ基、ハロヒドリン基、ハロゲン基、ビニル基、メチロール基等が挙げられる。特に、反応性の点からエポキシ基及びハロヒドリン基が好ましい。また、4級アンモニウム基は、−N+3(ただし、式中のRは置換基を有していてもよいアルキル基、アリール基又は複素環基である)の構造を有する。このようなカチオン化剤の好適な例として、グリシジルトリメチルアンモニウムクロライド、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライド等のグリシジルトリアルキルアンモニウムハライド及びそのハロヒドリン型が挙げられる。 As the cationizing agent, a substance having a cation moiety such as a group that reacts with the OH group of cellulose or a derivative thereof and a quaternary ammonium group is used. The group that reacts with the OH group is not particularly limited as long as it is a reactive group that forms a covalent bond with the OH group, and examples thereof include an epoxy group, a halohydrin group, a halogen group, a vinyl group, and a methylol group. In particular, an epoxy group and a halohydrin group are preferable from the viewpoint of reactivity. Further, the quaternary ammonium group has a structure of —N + R 3 (wherein R is an alkyl group, aryl group or heterocyclic group which may have a substituent). Preferable examples of such a cationizing agent include glycidyltrialkylammonium halides such as glycidyltrimethylammonium chloride and 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride and halohydrin type thereof.

例えば、好ましいカチオン性セルロース又はその誘導体の例として、ヒドロキシエチルセルロースと、カチオン化剤である3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライドとを反応させて得られるエーテルが挙げられる。このカチオン性セルロース誘導体では、セルロースの3つのOH基の水素原子の一部がヒドロキシエチル基(−CH2CH2OH)によって置換されており、その置換されている割合(置換度m)は、1〜3(すなわちセルロースの繰り返し単位中1〜3個のOH基が置換されている)、好ましくは1.3程度である。 For example, as an example of a preferable cationic cellulose or a derivative thereof, ether obtained by reacting hydroxyethyl cellulose with 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride which is a cationizing agent can be mentioned. In this cationic cellulose derivative, some hydrogen atoms of the three OH groups of cellulose are substituted with hydroxyethyl groups (—CH 2 CH 2 OH), and the rate of substitution (substitution degree m) is as follows: 1 to 3 (that is, 1 to 3 OH groups are substituted in the repeating unit of cellulose), preferably about 1.3.

また、カチオン化剤によってカチオン化する割合、すなわち、上記のカチオン性セルロース誘導体の場合において、ヒドロキシエチルセルロースの全ての−CH2CH2OH基の内の、4級アンモニウム塩でカチオン化されている−CH2CH2OH基の割合は、セルロースの分子量等によって異なり、特に限定されるものではないが、好ましくは20%〜50%、より好ましくは30%〜40%である。なお、これらの置換度m及びカチオン化する割合についての数値範囲は、上記のようなカチオン化したヒドロキシエチルセルロース以外のカチオン性セルロース誘導体についても同様に当てはまる。 In addition, in the case of the cationic cellulose derivative described above, the ratio of cationization by a cationizing agent, that is, cationized with a quaternary ammonium salt among all —CH 2 CH 2 OH groups of hydroxyethyl cellulose— The proportion of CH 2 CH 2 OH groups varies depending on the molecular weight of the cellulose and is not particularly limited, but is preferably 20% to 50%, more preferably 30% to 40%. In addition, the numerical range about these substitution degrees m and the ratio to cationize is similarly applied also to cationic cellulose derivatives other than the above cationized hydroxyethyl cellulose.

上記カチオン性セルロース又はその誘導体を製造するに当たっては、常法に従って行うことができる。具体的には、セルロース又はその誘導体にカチオン化剤と触媒であるアルカリ金属の水酸化物とを作用させることにより行われる。反応溶媒としては、セルロース又はその誘導体に対して8重量倍〜15重量倍の水、あるいはメタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブタノール、t−ブタノール等の低級アルコールの単独又は水との混合溶媒が適用可能である。アルカリ金属の水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。また、カチオン化剤及び触媒の量は、反応系の溶媒組成、反応器の機械的条件その他の要因によって異なるが、上記の、セルロース又はその誘導体の分子中のカチオン化される割合が所望の値となるように適宜調整される。   The cationic cellulose or derivative thereof can be produced according to a conventional method. Specifically, it is carried out by allowing cellulose or a derivative thereof to act on a cationizing agent and an alkali metal hydroxide as a catalyst. As a reaction solvent, 8 to 15 times by weight of water or lower alcohol such as methanol, ethanol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butanol, t-butanol or water alone or water with respect to cellulose or a derivative thereof. And a mixed solvent can be applied. Examples of the alkali metal hydroxide include sodium hydroxide and potassium hydroxide. The amount of the cationizing agent and the catalyst varies depending on the solvent composition of the reaction system, the mechanical conditions of the reactor, and other factors, but the above-described ratio of cationization in the molecule of cellulose or its derivative is a desired value. It adjusts suitably so that it may become.

なお、アルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース等のセルロース誘導体は、例えば、セルロースをアルカリ処理した後、塩化メチル等のハロゲン化アルカンやアルキレンオキシド等を付加する方法等により得ることができる。   Cellulose derivatives such as alkyl cellulose and hydroxyalkyl cellulose can be obtained, for example, by a method in which cellulose is alkali-treated and then a halogenated alkane such as methyl chloride or an alkylene oxide is added.

カチオン化剤と反応させた後、残存する水酸化アルカリ金属塩を鉱酸もしくは有機酸により中和し、適宜、イソプロピルアルコール、アセトン等の有機溶媒により洗浄、精製、乾燥を行ってカチオン性のセルロース又はその誘導体を得ることができる。乾燥物が凝集した塊状物である場合には、ハンマーミル等で解砕することにより粉末状とし、使用時のハンドリング性を向上させることができる。   After reacting with a cationizing agent, the remaining alkali metal hydroxide salt is neutralized with a mineral acid or an organic acid, washed with an organic solvent such as isopropyl alcohol or acetone, purified, and dried as appropriate. Alternatively, a derivative thereof can be obtained. When the dried product is an aggregated lump, it can be pulverized with a hammer mill or the like to improve the handling properties during use.

上記のようなセルロース系樹脂の分子量は、そのセルロース系樹脂の種類によって異なり特に限定されないが、電解質層を形成する際に良好な造膜性を得る観点から、重量平均分子量が10,000以上(ポリスチレン換算)、特に100,000〜200,000の範囲であることが好ましい。例えば、セルロース系樹脂としてエチルセルロースを用いる場合には、水に2重量%でエチルセルロースを溶解させ、30℃で粘度測定を行った場合の値で、10mPa・s〜1000mPa・s、特に5mPa・s〜500mPa・sの粘度を示すような分子量とすることが好ましい。   The molecular weight of the cellulose resin as described above varies depending on the type of the cellulose resin and is not particularly limited. However, from the viewpoint of obtaining good film forming properties when forming the electrolyte layer, the weight average molecular weight is 10,000 or more ( Polystyrene conversion), particularly preferably in the range of 100,000 to 200,000. For example, when ethyl cellulose is used as the cellulosic resin, the value obtained by dissolving ethyl cellulose at 2% by weight in water and measuring the viscosity at 30 ° C. is 10 mPa · s to 1000 mPa · s, particularly 5 mPa · s to The molecular weight is preferably such that the viscosity is 500 mPa · s.

また、セルロース系樹脂のガラス転移温度は、電解質層の十分な熱安定性を得るために、80℃〜150℃であることが好ましい。   In addition, the glass transition temperature of the cellulose resin is preferably 80 ° C. to 150 ° C. in order to obtain sufficient thermal stability of the electrolyte layer.

電解質層30中のセルロース系樹脂の濃度は、低過ぎると電解質層の熱安定性が低下し、逆に高過ぎると太陽電池の光電変換効率が低下するため、これらを考慮して適宜設定される。具体的には、電解質層30中に5重量%〜60重量%含有させることが好ましい。   If the concentration of the cellulose resin in the electrolyte layer 30 is too low, the thermal stability of the electrolyte layer is lowered. Conversely, if the concentration is too high, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is lowered. . Specifically, it is preferable to contain 5 wt% to 60 wt% in the electrolyte layer 30.

その他、電解質層30には、耐久性の向上、開放電圧値の向上等を目的として、種々の添加剤を含有させることができる。添加剤の具体例としては、グアニジウムチオシアネート、ターシャリーブチルピリジン、N−メチルベンゾイミダゾール等を挙げることができる。これら添加剤の電解質層30中の濃度は、各種添加剤を合計して1mol/l以下とすることが好ましい。   In addition, the electrolyte layer 30 can contain various additives for the purpose of improving durability, improving open-circuit voltage value, and the like. Specific examples of the additive include guanidinium thiocyanate, tertiary butyl pyridine, N-methylbenzimidazole and the like. The concentration of these additives in the electrolyte layer 30 is preferably 1 mol / l or less in total of various additives.

電解質層30の形成方法としては、電解質層の形成に用いる塗工液を、多孔質半導体層20と対向電極40とを所定の間隙を有するように配置させ、その間隙に塗工液を注入することによって電解質層を形成する方法(以下、注入法という)、あるいは多孔質半導体層20上に塗布し、乾燥させることにより形成する方法(以下、塗布法という)等を挙げることができる。   As a method for forming the electrolyte layer 30, the coating liquid used for forming the electrolyte layer is arranged such that the porous semiconductor layer 20 and the counter electrode 40 have a predetermined gap, and the coating liquid is injected into the gap. Examples thereof include a method of forming an electrolyte layer (hereinafter referred to as an injection method), a method of applying the electrolyte layer on the porous semiconductor layer 20 and drying it (hereinafter referred to as a coating method), and the like.

電解質層30を注入法により形成する場合は、まず導電層が形成された対向電極40を準備し、多孔質半導体層20及び対向電極40が所定の間隙を有して対向するように配置する。この際の間隙としては、導電性基材10及び対向電極40の間の距離が2μm〜150μmになるように設定することが好ましい。対向電極40を所定の間隙を有して配置するために、導電性基材10側または対向電極40側のいずれか一方にスペーサを設置することができる。このようなスペーサとしては、公知のガラススペーサ、樹脂スペーサが挙げられる。   When the electrolyte layer 30 is formed by an injection method, first, the counter electrode 40 on which a conductive layer is formed is prepared, and the porous semiconductor layer 20 and the counter electrode 40 are arranged to face each other with a predetermined gap. The gap at this time is preferably set so that the distance between the conductive substrate 10 and the counter electrode 40 is 2 μm to 150 μm. In order to arrange the counter electrode 40 with a predetermined gap, a spacer can be provided on either the conductive substrate 10 side or the counter electrode 40 side. Examples of such a spacer include known glass spacers and resin spacers.

次に、電解質層の形成に用いる塗工液を、毛細管現象を利用する等して間隙に注入し、温度調整、紫外線照射または電子線照射等を行うことによって硬化させ、電解質層30を形成することができる。これにより、色素増感型太陽電池を得ることができる。   Next, a coating liquid used for forming the electrolyte layer is injected into the gap using a capillary phenomenon or the like, and cured by performing temperature adjustment, ultraviolet irradiation, electron beam irradiation, or the like to form the electrolyte layer 30. be able to. Thereby, a dye-sensitized solar cell can be obtained.

電解質層30を塗布法により形成する場合は、まず、酸化還元対と、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体とを少なくとも含む塗工液を作成する。 When the electrolyte layer 30 is formed by a coating method, first, the redox couple and the anions are B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P A coating solution containing at least an ionic liquid that is (CN) 2 , OCN , or SCN is prepared.

次に、塗布法において、塗工液を多孔質半導体層20上に塗布する手段としては、公知の手段を用いることができ、具体的には、ダイコート、グラビアコート、グラビアリバースコート、ロールコート、リバースロールコート、バーコート、ブレードコート、ナイフコート、エアナイフコート、スロットダイコート、スライドダイコート、ディップコート、マイクロバーコート、マイクロバーリバースコートや、スクリーン印刷等を挙げることができる。   Next, as a means for applying the coating liquid on the porous semiconductor layer 20 in the application method, a known means can be used. Specifically, a die coat, a gravure coat, a gravure reverse coat, a roll coat, Examples thereof include reverse roll coating, bar coating, blade coating, knife coating, air knife coating, slot die coating, slide die coating, dip coating, micro bar coating, micro bar reverse coating, and screen printing.

なお、セルロース系樹脂やその他の添加剤等を含有させたり、塗工液の塗布適性を調整するために、必要に応じて塗工液に溶媒を用いることができる。溶媒としては、酸化還元対、及びアニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体が被溶解性を示すエタノール等のアルコール系溶媒、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、N−メチルピロリドン(NMP)等のアミド系溶媒等の揮発性有機溶媒や、純水等が好ましく用いられる。具体的には、塗工液の安定性、電解質の成膜性の観点から、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等の低級アルコールや、水、NMP等の溶媒が好適に用いられる。溶媒を用いた場合には、塗工した後、適宜乾燥させて溶媒を除去することにより電解質層を形成することができる。 In addition, in order to contain a cellulose resin, other additives, etc., or to adjust the applicability of the coating liquid, a solvent can be used in the coating liquid as necessary. Solvents include redox couples and anions of B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN - ionic liquid and a volatile organic solvent of amide solvent such as an alcohol solvent such as ethanol indicating the target solubility, ketone solvents such as methyl ethyl ketone, N- methylpyrrolidone (NMP) is, pure water Is preferably used. Specifically, lower alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol and butanol, and solvents such as water and NMP are preferably used from the viewpoints of the stability of the coating solution and the film forming property of the electrolyte. When a solvent is used, the electrolyte layer can be formed by coating and then drying appropriately to remove the solvent.

このようにして形成した電解質層30に対し、対向電極40の導電層側を貼り合わせることにより、本発明の色素増感型太陽電池を得ることができる。
(太陽電池モジュール)
上述のようにして得られた二以上の色素増感型太陽電池1を、直列または並列に接続することにより色素増感型太陽電池モジュールを得ることができる。具体的には、例えば、複数個の色素増感型太陽電池を平面状または曲面状に配列させ、各電池の間には非導電性の隔壁を設けて仕切りをし、それぞれの電池を導電性の部材を用いて電気的に接続するとともに、端部から正極または負極の電極リードを引き出してモジュール化することができる。モジュールを構成する色素増感型太陽電池の個数は任意であり、所望の電圧が得られるように自由に設計することができる。
The dye-sensitized solar cell of the present invention can be obtained by bonding the conductive layer side of the counter electrode 40 to the electrolyte layer 30 thus formed.
(Solar cell module)
A dye-sensitized solar cell module can be obtained by connecting two or more dye-sensitized solar cells 1 obtained as described above in series or in parallel. Specifically, for example, a plurality of dye-sensitized solar cells are arranged in a planar shape or a curved shape, and non-conductive partition walls are provided between the cells to partition each cell. These members can be used for electrical connection, and a positive or negative electrode lead can be drawn from the end portion to form a module. The number of dye-sensitized solar cells constituting the module is arbitrary, and can be freely designed so as to obtain a desired voltage.

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに詳しく説明するが、これに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, it is not limited to this.

(電解質層形成用塗工液の調製)
(実施例1)
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMIm−TCB)6.67gに、ヨウ化リチウムを0.13g加え、撹拌して溶解させた。続いて、その溶液に、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド(PMIm−I)2.74g、及びヨウ素(I2)を0.24g加えて、攪拌して溶解させた。これにより、電解質層形成用塗工液を調整した。このとき、塗工液(電解質層)中におけるEMIm−TCBの濃度は約26重量%である。
(Preparation of electrolyte layer forming coating solution)
Example 1
0.13 g of lithium iodide was added to 6.67 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMIm-TCB), and dissolved by stirring. Subsequently, 1.74 g of 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMIm-I) and 0.24 g of iodine (I 2 ) were added to the solution and dissolved by stirring. Thereby, the coating liquid for electrolyte layer formation was adjusted. At this time, the concentration of EMIm-TCB in the coating solution (electrolyte layer) is about 26% by weight.

(実施例2)
3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライドを用いてカチオン化したカチオン性ヒドロキシエチルセルロース(ダイセル化学社製;ジェルナーQH200;置換度m=1.3、カチオン化の割合は−CH2CH2OH基の35%)2.9gをメタノール57gに溶解させた溶液に、ヨウ化リチウムを0.86g加え、攪拌して溶解させた。続いて、その溶液に1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMIm−TCB)3.6g、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド(PMIm−I)5.0g、及びヨウ素(I2)を0.5g加えて、攪拌して溶解させた。これにより、塗布可能な電解質層形成用の塗工液を調製した。このとき、塗工液を塗布後に乾燥させてメタノールを除去した後の電解質層中におけるEMIm−TCBの濃度は約28重量%であり、カチオン性セルロースの濃度は約22重量%である。
(Example 2)
Cationic hydroxyethyl cellulose cationized using 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd .; Gelner QH200; substitution degree m = 1.3, cationization ratio is —CH 2 CH 2 OH group) Of lithium iodide was added to a solution prepared by dissolving 2.9 g) in 57 g of methanol and dissolved by stirring. Subsequently, 3.6 g of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMIm-TCB), 5.0 g of 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMIm-I), and iodine ( 0.5 g of I 2 ) was added and dissolved by stirring. Thereby, the coating liquid for electrolyte layer formation which can be apply | coated was prepared. At this time, the concentration of EMIm-TCB in the electrolyte layer after drying the coating liquid after coating and removing methanol is about 28% by weight, and the concentration of cationic cellulose is about 22% by weight.

(比較例1)
実施例1にて、ヨウ化リチウムを用いなかった以外は、実施例1と同様にして電解質層形成用塗工液を調整した。
(Comparative Example 1)
A coating solution for forming an electrolyte layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that lithium iodide was not used in Example 1.

(比較例2)
実施例1にて、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMIm−TCB)に代えて、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロスルフォニルイミド(EMIm−TFSI)を用いた以外は、実施例1と同様にして電解質層形成用塗工液を調整した。
(Comparative Example 2)
In Example 1, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluorosulfonylimide (EMIm-TFSI) was used in place of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMIm-TCB). In the same manner as in Example 1, an electrolyte layer forming coating solution was prepared.

(比較例3)
比較例2にて、ヨウ化リチウムを用いなかった以外は、比較例2と同様にして電解質層形成用塗工液を調整した。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 2, an electrolyte layer forming coating solution was prepared in the same manner as Comparative Example 2 except that lithium iodide was not used.

(比較例4)
実施例2にて、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMIm−TCB)に代えて、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロスルフォニルイミド(EMIm−TFSI)を用いた以外は、実施例1と同様にして電解質層形成用塗工液を調整した。
(Comparative Example 4)
In Example 2, except that 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluorosulfonylimide (EMIm-TFSI) was used instead of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMIm-TCB). In the same manner as in Example 1, an electrolyte layer forming coating solution was prepared.

(導電性基材及び多孔質半導体層の形成)
酸化チタン(日本アエロジル社製;P25)をエタノール中に分散させた酸化チタンインキを用意した。続いて、導電性基材としてガラス板上にフッ素ドープ酸化スズ(FTO)膜が形成された透明導電ガラス(日本板硝子社製)を用意し、その導電ガラス上に、上記酸化チタンインキをスクリーン印刷法で塗布し、550℃で焼成し、膜厚10μmの多孔質の酸化チタン層を形成した。次いで、ルテニウム錯体(Solaronix社製;RuI2(NCS)2)を無水エタノール中に3.0×10-4mol/lの濃度となるように溶解させた色素溶液に、上述の酸化チタン層を20時間浸漬させた。浸漬後に色素溶液から引き上げ、酸化チタン層に付着した色素溶液をアセトニトリルで洗浄し、風乾した。これにより、導電性基材上に多孔質半導体層を形成した。
(対向電極の作製)
ガラス板上にフッ素ドープ酸化スズ(FTO)膜が形成された透明導電ガラス(日本板硝子社製)上に白金を厚み150Åで積層することにより対向電極を作製した。
(色素増感型太陽電池の作製)
A.実施例1、比較例1〜3
導電性基材上の多孔質半導体層(4mm×4mm)と対向電極の白金膜とを向かい合わせて、厚さ30μmのアイオノマー樹脂を用いて貼り合わせた。そして、貼り合せたものを実施例1、比較例1〜2における各電解質層形成用塗工液に浸漬させることで、アイオノマー樹脂に電解質層形成用塗工液を含浸させ、電解質層を形成させた。これにより、所望の色素増感型太陽電池を作製した。
B.実施例2、比較例3
導電性基材上の多孔質半導体層(4mm×4mm)上に、実施例2、比較例3における各電解質形成塗工液をドクターブレードで塗布し、100℃で乾燥して厚さ4μmの電解質層を形成した。次いで、その電解質層及び多孔質半導体層を形成した導電性基材と対向電極とを貼り合わせ、クリップで圧着した。これにより、所望の色素増感型太陽電池を作製した。
(Formation of conductive substrate and porous semiconductor layer)
A titanium oxide ink in which titanium oxide (manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd .; P25) was dispersed in ethanol was prepared. Subsequently, a transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) having a fluorine-doped tin oxide (FTO) film formed on a glass plate as a conductive substrate is prepared, and the titanium oxide ink is screen-printed on the conductive glass. It was applied by the method and baked at 550 ° C. to form a porous titanium oxide layer having a thickness of 10 μm. Next, the above-mentioned titanium oxide layer was added to a dye solution in which a ruthenium complex (manufactured by Solaronix; RuI 2 (NCS) 2 ) was dissolved in absolute ethanol so as to have a concentration of 3.0 × 10 −4 mol / l. It was immersed for 20 hours. After the immersion, the pigment solution was pulled up and the pigment solution adhering to the titanium oxide layer was washed with acetonitrile and air-dried. Thereby, the porous semiconductor layer was formed on the conductive substrate.
(Preparation of counter electrode)
A counter electrode was produced by laminating platinum with a thickness of 150 mm on transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) on which a fluorine-doped tin oxide (FTO) film was formed on a glass plate.
(Preparation of dye-sensitized solar cell)
A. Example 1, Comparative Examples 1-3
The porous semiconductor layer (4 mm × 4 mm) on the conductive substrate and the platinum film of the counter electrode were faced to each other and bonded using an ionomer resin having a thickness of 30 μm. And what was bonded together is immersed in each coating solution for forming an electrolyte layer in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, so that the ionomer resin is impregnated with the coating solution for forming an electrolyte layer to form an electrolyte layer. It was. This produced the desired dye-sensitized solar cell.
B. Example 2 and Comparative Example 3
On the porous semiconductor layer (4 mm × 4 mm) on the conductive substrate, each electrolyte forming coating solution in Example 2 and Comparative Example 3 was applied with a doctor blade, dried at 100 ° C., and an electrolyte having a thickness of 4 μm. A layer was formed. Next, the conductive base material on which the electrolyte layer and the porous semiconductor layer were formed and the counter electrode were bonded together and pressed with a clip. This produced the desired dye-sensitized solar cell.

(発電性能の評価方法)
太陽電池の発電性能の評価は、擬似太陽光(AM1.5、入射光強度100mW/cm2)を光源として、増感色素を吸着させた多孔質半導体層を有する導電性基材側から入射させ、ソースメジャーユニット(ケースレー社製、2400型)を用いて電圧を印加して、太陽電池の電流電圧特性を測定し、光電変換効率を求めた。なお、測定に用いた多孔質半導体層の面積は0.16cm2(4mm×4mm)である。
(Evaluation method of power generation performance)
Evaluation of the power generation performance of the solar cell is performed by using pseudo-sunlight (AM1.5, incident light intensity of 100 mW / cm 2 ) as a light source and entering from the side of the conductive substrate having a porous semiconductor layer on which a sensitizing dye is adsorbed. A voltage was applied using a source measure unit (type 2400, manufactured by Keithley) to measure the current-voltage characteristics of the solar cell, and the photoelectric conversion efficiency was obtained. The area of the porous semiconductor layer used for the measurement is 0.16 cm 2 (4 mm × 4 mm).

(耐久性の評価方法)
太陽電池の耐久性は、加速劣化試験及び熱安定性試験により評価した。加速劣化試験では、温度を60℃に設定し湿度を無制御としたオーブン内に、500時間及び1000時間保存した後の太陽電池について、上記の発電性能の評価方法と同様の方法で、光電変換効率を求めた。一方、熱安定性試験では、温度を120℃又は150℃に設定し湿度を無制御としたオーブン内に、太陽電池を15分間保存した後、液漏れの有無を目視で調べ、また、上記の発電性能の評価方法と同様の方法で、光電変換効率を求めた。
(Durability evaluation method)
The durability of the solar cell was evaluated by an accelerated deterioration test and a thermal stability test. In the accelerated deterioration test, photoelectric conversion is performed in the same manner as the above-described evaluation method of power generation performance for solar cells after storage for 500 hours and 1000 hours in an oven set at a temperature of 60 ° C. and without humidity control. We asked for efficiency. On the other hand, in the thermal stability test, the solar cell was stored for 15 minutes in an oven set at a temperature of 120 ° C. or 150 ° C. and humidity not controlled, and then visually checked for the presence of liquid leakage. Photoelectric conversion efficiency was determined by the same method as the method for evaluating power generation performance.

(評価結果)
表1、表2に上記の実施例及び比較例で作製した色素増感型太陽電池の評価結果を示す。
(Evaluation results)
Tables 1 and 2 show the evaluation results of the dye-sensitized solar cells prepared in the above examples and comparative examples.

Figure 2011040223
Figure 2011040223

Figure 2011040223
Figure 2011040223

表1にて、実施例1と比較例1を対比することにより、電解質層にヨウ化リチウムを含むことで、短絡電流密度と光電変換効率が高い、電池特性が良好な色素増感型太陽電池が得られたことがわかる。   In Table 1, by comparing Example 1 and Comparative Example 1, a dye-sensitized solar cell having high short-circuit current density and high photoelectric conversion efficiency and good battery characteristics by including lithium iodide in the electrolyte layer. It turns out that was obtained.

また、比較例2にて、電解質層にヨウ化リチウムを含み、かつEMIm−TFSIを用いた場合には、加速劣化試験後に、光電変換効率が大幅に低下した(0.74倍)。他方、比較例3にて、電解質層にヨウ化リチウムを含まないときは、同様に光電変換効率の大幅な低下が見られた(0.86倍)が、その低下の幅は比較例2よりも少なかった。このことは、比較例2では、加速劣化試験によりヨウ化リチウムの経時劣化が起こったことを示している。これに対して、実施例1では、電解質層にEMIm−TCBを用いることで、電解質層にヨウ化リチウムを含んでいても、加速劣化試験後の光電変換効率の低下を少なくすることができた(0.95倍)。このため、電解質層にEMIm−TCBを用いることで、ヨウ化リチウムの経時劣化を防ぎ、光電変換効率を比較的維持でき、耐久性に優れた色素増感型太陽電池が得られたことがわかる。   In Comparative Example 2, when the electrolyte layer contained lithium iodide and EMIm-TFSI was used, the photoelectric conversion efficiency significantly decreased (0.74 times) after the accelerated deterioration test. On the other hand, in Comparative Example 3, when lithium iodide was not included in the electrolyte layer, a significant decrease in photoelectric conversion efficiency was similarly observed (0.86 times). There were few. This indicates that in Comparative Example 2, deterioration with time of lithium iodide occurred in the accelerated deterioration test. On the other hand, in Example 1, by using EMIm-TCB for the electrolyte layer, even if lithium iodide was included in the electrolyte layer, the decrease in photoelectric conversion efficiency after the accelerated deterioration test could be reduced. (0.95 times). Therefore, it can be seen that by using EMIm-TCB for the electrolyte layer, a dye-sensitized solar cell excellent in durability can be obtained, in which deterioration of lithium iodide over time can be prevented, photoelectric conversion efficiency can be relatively maintained. .

なお、比較例1にて、電解質層にEMIm−TCBを用いた場合、電解質層にヨウ化リチウムを含まないときは、加速劣化試験をおこなっても光電変換効率が低下することはなかった(1.02倍)。他方で、比較例3にて、EMIm−TFSIを用いた場合には、電解質層にヨウ化リチウムを含まなくても加速劣化試験A後に光電変換効率が低下している(0.86倍)。このことは、EMIm−TFSIを用いた場合には、ヨウ化リチウムの経時劣化以外の要因でも性能低下が発生していることを示している。比較例1と比較例3を対比することで、電解質層にEMIm−TCBを用いることで、ヨウ化リチウムの経時劣化以外の要因による光電変換効率の低下も防ぐことができることがわかる。   In Comparative Example 1, when EMIm-TCB was used in the electrolyte layer, when lithium iodide was not included in the electrolyte layer, the photoelectric conversion efficiency did not decrease even when an accelerated deterioration test was performed (1 .02 times). On the other hand, when EMIm-TFSI was used in Comparative Example 3, the photoelectric conversion efficiency decreased after the accelerated deterioration test A (0.86 times) even if lithium iodide was not included in the electrolyte layer. This indicates that when EMIm-TFSI is used, the performance is deteriorated due to factors other than the deterioration with time of lithium iodide. By comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 3, it can be seen that the use of EMIm-TCB for the electrolyte layer can prevent a decrease in photoelectric conversion efficiency due to factors other than the deterioration of lithium iodide over time.

表2にて、実施例1と実施例2を対比することで、カチオン性ヒドロキシエチルセルロースを用いて電解質層を固体化することで、熱安定性試験後に液漏れが生じない、熱安定性の優れた電解質層が形成されたことがわかる。さらに、実施例2と比較例4を対比することで、この熱安定性に優れた電解質層においても、EMIm−TCBを用いることで、ヨウ化リチウムの経時劣化等による光電変換効率の低下を少なくし、耐久性により優れた色素増感型太陽電池が得られたことがわかる。   In Table 2, by comparing Example 1 and Example 2, by solidifying the electrolyte layer using cationic hydroxyethyl cellulose, liquid leakage does not occur after the thermal stability test, and excellent thermal stability It can be seen that an electrolyte layer was formed. Further, by comparing Example 2 and Comparative Example 4, even in the electrolyte layer having excellent thermal stability, by using EMIm-TCB, the decrease in photoelectric conversion efficiency due to deterioration with time of lithium iodide and the like is reduced. It can be seen that a dye-sensitized solar cell superior in durability was obtained.

1 色素増感型太陽電池
10 導電性基材
20 多孔質半導体層
30 電解質層
40 対向電極
1 Dye-sensitized solar cell 10 Conductive substrate 20 Porous semiconductor layer 30 Electrolyte layer 40 Counter electrode

Claims (5)

導電性基材と、
前記導電性基材上に形成され、増感色素を細孔表面に担持させた多孔質半導体層と、
前記多孔質半導体層に対向して配置された対向電極と、
前記導電性基材と前記対向電極の間に形成され、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩と、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体とを含む電解質層と、
から構成されることを特徴とする色素増感型太陽電池。
A conductive substrate;
A porous semiconductor layer formed on the conductive substrate and having a sensitizing dye supported on the pore surface;
A counter electrode disposed to face the porous semiconductor layer;
Formed between the conductive substrate and the counter electrode, an alkali metal salt or alkaline earth metal salt and anions B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si An electrolyte layer comprising an ionic liquid that is (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN ;
A dye-sensitized solar cell comprising:
アニオンがB(CN)4 -であることを特徴とする請求項1に記載の色素増感型太陽電池。 Anion B (CN) 4 - dye-sensitized solar cell according to claim 1, characterized in that a. 電解質層に熱可塑性のセルロース系樹脂を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の色素増感型太陽電池。   The dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte layer contains a thermoplastic cellulose resin. 色素増感型太陽電池の電解質層形成用の塗工液であって、
アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩と、アニオンがB(CN)4 -、Al(CN)4 -、C(CN)3 -、Si(CN)3 -、P(CN)2 -、OCN-、又はSCN-であるイオン性液体とを含むことを特徴とする塗工液。
A coating solution for forming an electrolyte layer of a dye-sensitized solar cell,
Alkali metal salt or alkaline earth metal salt and anions of B (CN) 4 , Al (CN) 4 , C (CN) 3 , Si (CN) 3 , P (CN) 2 , OCN , or SCN - coating liquid comprising an ionic liquid is.
二以上の請求項1から請求項3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池を、直列又は並列に接続してなる色素増感型太陽電池モジュール。
A dye-sensitized solar cell module comprising two or more dye-sensitized solar cells according to any one of claims 1 to 3 connected in series or in parallel.
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