JP2011076935A - Dye-sensitized solar cell, liquid for electrolyte layer formation, and solar cell module - Google Patents

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    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized solar cell which has no deterioration due to volatilization of an electrolyte and has a superior battery performance. <P>SOLUTION: The dye-sensitized solar cell is constructed of a conductive substrate, a porous semiconductor layer which is formed on the conductive substrate and carries sensitized dye on the hole surface, a counter electrode which is arranged opposed to the porous semiconductor layer, and an electrolyte layer which is formed between the conductive substrate and the counter electrode and is composed of a redox pair and an ionic liquid of which anion is a carboxylic acid ion with bivalence or more. <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られる液、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 liquid used to form 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、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 high photoelectric conversion efficiency and low 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。   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.

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、常温で比較的安定しているイオン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.

しかし、電解質にイオン液体を用いた場合には、イオン液体の電解質の粘度が有機溶媒系の電解質の粘度よりも一般的に高いので、酸化還元対の拡散速度が低下して、逆電子移動が起こりやすくなる。逆電子移動とは、半導体層や導電層に一旦注入された電子又はホールが電解質層に逆移動する現象であり、逆電子移動が起こると、開放電圧や光電変換効率などの電池性能が低下する問題が発生する。   However, when an ionic liquid is used as the electrolyte, the viscosity of the electrolyte of the ionic liquid is generally higher than the viscosity of the organic solvent-based electrolyte. It tends to happen. Reverse electron transfer is a phenomenon in which electrons or holes once injected into a semiconductor layer or conductive layer move back to an electrolyte layer. When reverse electron transfer occurs, battery performance such as open-circuit voltage and photoelectric conversion efficiency decreases. A problem occurs.

そのため、特許文献1には、色素を担持させた半導体層を酢酸等のカルボン酸化合物溶液に浸漬し、半導体層の色素が担持されなかった部位に酢酸等を担持させることで、逆電子移動を防止しようとする方法が開示されている。しかし、特許文献1に開示された方法では、半導体層に担持された酢酸等が電解質に離脱して、電池性能が経時的に低下する問題がある。   Therefore, in Patent Document 1, reverse electron transfer is performed by immersing a semiconductor layer carrying a dye in a carboxylic acid compound solution such as acetic acid and carrying acetic acid or the like on a portion of the semiconductor layer where the dye is not carried. A method to prevent is disclosed. However, the method disclosed in Patent Document 1 has a problem that acetic acid or the like carried on the semiconductor layer is detached from the electrolyte, and the battery performance deteriorates with time.

また、特許文献2には、ヨウ素分子、ヨウ化物のイオン液体、酢酸や安息香酸等のカルボン酸化合物、及びゲル化剤からなる電解質層が開示されている。しかし、イオン伝導に寄与しない酢酸や安息香酸等の含有量が電解質層で増加すると、酸化還元対の拡散が阻害され、電池性能が低下する問題がある。また、酢酸や安息香酸等に対する溶解性が高いイオン液体を用いることが必要になり、イオン液体の選択の幅が狭くなる問題がある。   Patent Document 2 discloses an electrolyte layer composed of iodine molecules, an ionic liquid of iodide, a carboxylic acid compound such as acetic acid and benzoic acid, and a gelling agent. However, when the content of acetic acid, benzoic acid or the like that does not contribute to ion conduction increases in the electrolyte layer, there is a problem that the diffusion of the redox couple is inhibited and the battery performance is lowered. In addition, it is necessary to use an ionic liquid having high solubility in acetic acid, benzoic acid, etc., and there is a problem that the selection range of the ionic liquid is narrowed.

特開2004−227920JP-A-2004-227920 特開2005−93370JP-A-2005-93370

本発明は、上記の状況を鑑みて、電解質の揮発による劣化がなく、優れた電池性能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に用いられる液を提供することを課題とする。   In view of the above situation, it is an object of the present invention to provide a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell module that have no deterioration due to volatilization of an electrolyte and have excellent battery performance. Another object of the present invention is to provide a liquid used for forming such an electrolyte layer.

本発明者は、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体を電解質として用いることで、上記の課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。   The present inventor has found that the above problems can be solved by using an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion as an electrolyte, and has completed the present invention.

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、酸化還元対と、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン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.
1st invention is arrange | positioned facing the said porous semiconductor layer with the electroconductive base material, the porous semiconductor layer which was formed on the said electroconductive base material, and carried | supported the sensitizing dye on the hole surface. Dye enhancement comprising a counter electrode, an electrolyte layer formed between the conductive substrate and the counter electrode and comprising an oxidation-reduction pair and an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion. It is a sensitive solar cell.

第2の発明は、第1の発明において、アニオンがジカルボン酸イオンである色素増感型太陽電池である。   A second invention is the dye-sensitized solar cell according to the first invention, wherein the anion is a dicarboxylic acid ion.

第3の発明は、第2の発明において、アニオンがマレイン酸イオン又はマレイン酸置換体イオンである色素増感型太陽電池である。   A third invention is the dye-sensitized solar cell according to the second invention, wherein the anion is a maleic acid ion or a maleic acid substituted ion.

第4の発明は、色素増感型太陽電池の電解質層形成用液であって、酸化還元対と、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体とを含む電解質層形成用液である。   A fourth invention is a liquid for forming an electrolyte layer of a dye-sensitized solar cell, which is a liquid for forming an electrolyte layer including a redox pair and an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion. .

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、電解質の揮発による劣化がなく、優れた電池性能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得ることができる。また、そのような電解質層を形成するために用いられる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 dye-sensitized solar cell module that have no deterioration due to volatilization of the electrolyte and have excellent battery performance. Moreover, the liquid used in order to form such an electrolyte layer 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、酸化還元対、及びアニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン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 the electrolyte layer 30 is formed between the conductive substrate 10 and the counter electrode 40. The electrolyte layer 30 includes at least a redox pair and an ionic liquid in which an anion is a divalent or higher carboxylic acid ion.

(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 ketone film, a polyetherimide 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。多孔質半導体層の焼結処理により、多孔質半導体層における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 treatment of the porous semiconductor layer improves the retention function of the redox couple in 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多孔質半導体層の焼結処理をおこなうことで、多孔質半導体層における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 pressed and / or the porous semiconductor layer is sintered at a temperature that can withstand the plastic film. In addition, the retention function of the redox couple in the porous semiconductor layer can be improved. 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。   Since the sensitizing dye is supported on the pore surface of the metal oxide fine particles, the metal oxide fine particles are preferably porous having communication holes. 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。樹脂の具体例としては、セルロース又はその誘導体等を挙げることができる。   A resin can be added to the porous semiconductor layer as a binder for the metal oxide fine particles. Specific examples of the resin include cellulose or a derivative thereof.

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%〜99.9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 99.9% 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、多孔質半導体層の表面積が小さくなり、多孔質半導体層に担持される増感色素が減少して、光電変換効率が低下する可能性があ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 surface area of the porous semiconductor layer is reduced, and the sensitizing dye carried on the porous semiconductor layer is decreased, which may lower the photoelectric conversion efficiency. Therefore, it 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 supporting 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。   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.

(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。
(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、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、酸化還元対、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン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 contains at least an ionic liquid in which the redox pair and the anion are divalent or higher carboxylic acid ions. .

酸化還元対としては、一般的に電解質層において用いられているものから適宜選択することができる。具体的には、ヨウ素の酸化還元対、もしくは臭素の酸化還元対が好ましく用いられる。ヨウ素の酸化還元対としては、ヨウ素とヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化カルシウム、TPAI(テトラプロピルアンモニウムヨージド)等のヨウ化物との組み合わせを挙げることができる。また、臭素の酸化還元対としては、臭素と臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化カルシウム等の臭化物との組み合わせを挙げることができる。   The redox couple can be appropriately selected from those generally used in the electrolyte layer. Specifically, a redox couple of iodine or a redox couple of bromine is preferably used. Examples of the redox pair of iodine include combinations of iodine and iodides such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, calcium iodide, and TPAI (tetrapropylammonium iodide). Examples of the redox pair of bromine include combinations of bromine and bromides such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, and calcium bromide.

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、ヨウ素あるいは臭素の酸化還元対を用いる場合、ヨウ素もしくは臭素が0.001〜0.5mol/l、ヨウ化物もしくは臭化物が0.1〜5mol/lとすることが好ましく、一般的にはヨウ素もしくは臭素とヨウ化物もしくは臭化物とのモル比が1:10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. However, when using the redox couple of iodine or bromine, iodine or bromine is 0.001 to 0.001. 5 mol / l and iodide or bromide are preferably 0.1 to 5 mol / l. In general, the molar ratio of iodine or bromine to iodide or bromide is set to about 1:10.

イオン液体は、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。イオン液体は蒸気圧が極めて低く、常温では実質的にほとんど蒸発せず、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、電解質の揮発による劣化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. Since the ionic liquid has an extremely low vapor pressure, it hardly evaporates at room temperature, and there is no fear of volatilization or ignition like a general organic solvent, so that deterioration due to volatilization of the electrolyte can be prevented.

本発明では、アニオン(陰イオン)が、二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体を少なくとも用いる。ここで、二価以上のカルボン酸イオンとは、二以上のアニオン性基を有する化合物のイオンであって、かつ二以上のアニオン性基のうち少なくとも一つはカルボキシル基であるものである。アニオン性基としては、カルボキシル基、ヒドロキシ基、スルホ基、リン酸基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などを挙げることができる。   In the present invention, at least an ionic liquid in which the anion (anion) is a divalent or higher carboxylic acid ion is used. Here, the divalent or higher carboxylic acid ion is an ion of a compound having two or more anionic groups, and at least one of the two or more anionic groups is a carboxyl group. Examples of the anionic group include a carboxyl group, a hydroxy group, a sulfo group, a phosphoric acid group, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.

色素増感型太陽電池の電解質層にアニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体を用いることによって、電解質の揮発による劣化を防止できるとともに、高い開放電圧を得ることができる。アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体は、少なくとも一つのカルボキシル基を有するので、半導体層の色素が担持されなかった部位に担持され、逆電子移動を防止することができるためと考えられる。また、本発明によれば、イオン液体自体がカルボン酸なので、カルボン酸のイオン液体に対する被溶解性は不問であり、電解質層にカルボン酸を容易に含有させることができる。また、後述するヨウ化物系イオン液体等の他のイオン液体を併用する場合であっても、イオン液体どうしを混合するので、相溶性は良好である。さらに、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体は、電解質としてイオン伝導に寄与し、酸化還元対の拡散速度を向上させることができる。   By using an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion for the electrolyte layer of the dye-sensitized solar cell, deterioration due to volatilization of the electrolyte can be prevented and a high open-circuit voltage can be obtained. The ionic liquid in which the anion is a divalent or higher carboxylic acid ion has at least one carboxyl group, and is thought to be supported on the portion of the semiconductor layer where the dye is not supported, thereby preventing reverse electron transfer. It is done. Further, according to the present invention, since the ionic liquid itself is a carboxylic acid, the solubility of the carboxylic acid in the ionic liquid is not questioned, and the electrolyte layer can easily contain the carboxylic acid. Further, even when other ionic liquids such as an iodide ionic liquid described later are used in combination, the ionic liquids are mixed together, so that the compatibility is good. Furthermore, an ionic liquid in which the anion is a divalent or higher carboxylic acid ion contributes to ion conduction as an electrolyte, and can improve the diffusion rate of the redox couple.

上記の二価以上のカルボン酸イオンとしては、ジカルボン酸イオンであることが好ましい。ジカルボン酸は、二価以上のカルボン酸のなかで比較的容易に入手することができるからである。ジカルボン酸の具体例としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、マレイン酸、フマル酸、フタル酸、テレフタル酸、イソフタル酸、及びこれらの置換体などを挙げることができる。なお、置換体とは、有機化合物の炭化水素の水素原子を他の原子又は他の原子団に置き換えた化合物である。   The divalent or higher carboxylic acid ion is preferably a dicarboxylic acid ion. This is because dicarboxylic acids can be obtained relatively easily among divalent or higher carboxylic acids. Specific examples of the dicarboxylic acid include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, maleic acid, fumaric acid, phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, and substituted products thereof. In addition, a substituted body is a compound which replaced the hydrogen atom of the hydrocarbon of an organic compound with another atom or another atomic group.

特に、アニオンがマレイン酸イオン又はマレイン酸置換体イオンであるイオン液体を電解質層に用いることによって、高い変換効率の色素増感型太陽電池を得ることができる。アニオンがマレイン酸イオン又はマレイン酸置換体イオンであるイオン液体は、低粘度であるため、酸化還元対の拡散速度が向上するためと考えられる。   In particular, a dye-sensitized solar cell with high conversion efficiency can be obtained by using, for the electrolyte layer, an ionic liquid whose anion is maleate ion or maleate substituted ion. The ionic liquid in which the anion is a maleate ion or a maleate-substituted substance ion has a low viscosity, which is considered to improve the diffusion rate of the redox couple.

上記のイオン液体のカチオン(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、テトラブチルホスホニウム等のホスホニウム系、トリエチルスルホニウム等のスルホニウム系、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。   Examples of the cation (cation) of the ionic liquid include 1-methyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-propyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methyl. Imidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, 1-octyl-3-methylimidazolium, 1-octadecyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-butyl-2 1,3-dimethylimidazolium, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-octyl-2,3-dimethylimidazolium, and 1-octadecyl-2,3-dimethylimidazolium series, 1 -Pyridi such as methyl-pyridinium, 1-butyl-pyridinium, and 1-hexyl-pyridinium Beam system, phosphonium such as tetrabutylphosphonium, sulfonium system such as triethyl sulfonium, alicyclic amine-based, and may include those aliphatic amine.

イオン液体としては、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体を用いることを条件として、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体以外の他のイオン液体を併用してもよい。他のイオン液体のアニオンとしては、フッ素イオン、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロボレート、及びトリフルオロメタンスルホネート、トリフルオロアセテート等のフッ素系、ヨウ素イオン、臭素イオン、塩素イオン、シアネート系、チオシアネート系であるものを挙げることができ、また、他のイオン液体のカチオンとしては、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、テトラブチルホスホニウム等のホスホニウム系、トリエチルスルホニウム等のスルホニウム系、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。これらの他のイオン液体は、いずれか一種を単独でアニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体と併用してもよいし、複数を混合して併用してもよい。   As the ionic liquid, an ionic liquid other than the ionic liquid in which the anion is a divalent or higher carboxylic acid ion may be used in combination, on the condition that the anion is a divalent or higher carboxylic acid ion. . Examples of other ionic liquid anions include fluorine ions, tetrafluoroborate, hexafluoroborate, trifluoromethanesulfonate, trifluoroacetate and other fluorine-based, iodine ion, bromine ion, chlorine ion, cyanate-based, and thiocyanate-based materials. Examples of other ionic liquid cations include 1-methyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-propyl-3-methylimidazolium, and 1-butyl. -3-methylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, 1-octyl-3-methylimidazolium, 1-octadecyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-2,3-dimethylimidazolium, 1 -Butyl-2,3-dimethylimidazoli Imidazoliums such as 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-octyl-2,3-dimethylimidazolium, and 1-octadecyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-methyl-pyridium, Mention may be made of pyridiums such as 1-butyl-pyridinium and 1-hexyl-pyridium, phosphoniums such as tetrabutylphosphonium, sulfoniums such as triethylsulfonium, alicyclic amines, and aliphatic amines. it can. These other ionic liquids may be used alone or in combination with an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion, or may be used in combination.

アニオンがヨウ素であるイオン液体(以下「ヨウ化物系イオン液体」という。)を用いた場合には、ヨウ化物系イオン液体は、ヨウ素イオンの供給源となるため、上記の酸化還元対としても機能させることができる。ヨウ化物系イオン液体の具体例としては、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。   When an ionic liquid whose anion is iodine (hereinafter referred to as “iodide-based ionic liquid”) is used, the iodide-based ionic liquid functions as a redox pair because it serves as a source of iodine ions. Can be made. Specific examples of the iodide ionic liquid include 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, 1-methyl-3-n-propylimidazolium iodide, 1-propyl-3-methylimidazolium. Examples thereof include iodide, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium iodide, 1-hexyl-3-methylimidazolium iodide, and the like.

電解質層30中のイオン液体の濃度は、イオン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液体のうち、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体は、少なくとも5重量%以上を占めることが好ましい。なお、ヨウ化物系イオン液体のように、酸化還元対としても機能するイオン液体については、上記の電解質層30中のイオン液体の濃度を決するにあたってイオン液体ではなく酸化還元対として含有させることとし、電解質層30中に、0.1mol/l〜60mol/lを含有させることが好ましい。このとき、ヨウ素の濃度は0.001mol/l〜6mol/lとすることが好ましく、ヨウ化物系イオン液体以外のヨウ化物は含んでも含んでいなくてもよい。   The concentration of the ionic liquid in the electrolyte layer 30 varies depending on the type 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 ionic liquid in which the anion is a divalent or higher carboxylic acid ion preferably occupies at least 5% by weight or more. Note that an ionic liquid that also functions as a redox pair, such as an iodide ionic liquid, is included as a redox pair instead of an ionic liquid in determining the concentration of the ionic liquid in the electrolyte layer 30 described above. It is preferable to contain 0.1 mol / l to 60 mol / l in the electrolyte layer 30. At this time, the iodine concentration is preferably 0.001 mol / l to 6 mol / l, and it may or may not contain iodides other than the iodide ionic liquid.

その他、電解質層30には、色素増感型太陽電池の電池性能や耐久性の向上等を目的として、種々の添加剤や樹脂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。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。また、樹脂の具体例としては、セルロース又はその誘導体等を挙げることができる。電解質層に樹脂を含有させて、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。樹脂の電解質層30中の濃度は、電解質層の5重量%〜60重量%とすることが好ましい。   In addition, the electrolyte layer 30 can contain various additives and resins for the purpose of improving the battery performance and durability of the dye-sensitized solar cell. Specific examples of the additive include guanidinium thiocyanate, tertiary butyl pyridine, N-methylbenzimidazole and the like. The concentration of the additive in the electrolyte layer 30 is preferably 1 mol / l or less in total of various additives. Specific examples of the resin include cellulose or a derivative thereof. By causing the electrolyte layer to contain a resin and solidifying the electrolyte, it is possible to prevent liquid leakage due to deterioration or breakage of the sealing material. The concentration of the resin in the electrolyte layer 30 is preferably 5% to 60% by weight of the electrolyte layer.

電解質層30の形成方法としては、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、その間隙に電解質層形成用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上に電解質層形成用液を塗布し、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 of forming the electrolyte layer 30, a method of forming the electrolyte layer by disposing the porous semiconductor layer 20 and the counter electrode 40 so as to have a predetermined gap and injecting an electrolyte layer forming liquid into the gap ( Hereinafter, it may be referred to as an injection method), or a method of forming an electrolyte layer forming solution by applying it on the porous semiconductor layer 20 and drying it (hereinafter referred to as a coating method).

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 the conductive layer is formed is prepared, and the porous semiconductor layer 20 and the counter electrode 40 are arranged so as 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、酸化還元対と、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体とを少なくとも含む電解質層形成用液を作成し、その電解質層形成用液を、毛細管現象を利用する等して間隙に注入して、電解質層30を形成させ、電解質層の側部周囲を硬化性樹脂等で封止する。これにより、色素増感型太陽電池を得ることができる。   Next, an electrolyte layer forming solution containing at least an oxidation-reduction pair and an ionic liquid in which an anion is a divalent or higher carboxylic acid ion is prepared, and the electrolyte layer forming solution is obtained by utilizing a capillary phenomenon or the like. The electrolyte layer 30 is formed by injecting into the gap, and the periphery of the side portion of the electrolyte layer is sealed with a curable resin or the like. 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、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体とを少なくとも含む電解質層形成用液を作成する。次に、公知の塗布手段により、電解質層形成用液を多孔質半導体層20上に塗布して、電解質層30を形成する。塗布手段としては、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。 When the electrolyte layer 30 is formed by a coating method, first, an electrolyte layer forming solution including at least an oxidation-reduction pair and an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion is prepared. Next, the electrolyte layer forming solution is applied onto the porous semiconductor layer 20 by a known application means to form the electrolyte layer 30. Specific application methods include die coating, gravure coating, gravure reverse coating, roll coating, reverse roll coating, bar coating, blade coating, knife coating, air knife coating, slot die coating, slide die coating, dip coating, and micro bar coating. , Microbar reverse coating, screen printing, and the like.

なお、添加剤や樹脂等を含有させたり、電解質層形成用液の塗布適性を調整するために、必要に応じて電解質層形成用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、及びアニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン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、電解質層形成用液の安定性、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、電解質層形成用液を塗布した後、適宜乾燥させて溶媒を除去することにより電解質層30を形成することができる。   In addition, in order to contain an additive, resin, etc., or to adjust the coating suitability of the electrolyte layer forming solution, a solvent can be used in the electrolyte layer forming solution as necessary. Examples of the solvent include an alcohol-based solvent such as ethanol, an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion and an anion whose solubility is soluble, a ketone solvent such as methyl ethyl ketone, N-methylpyrrolidone (NMP), and the like. Volatile organic solvents such as amide solvents, pure water, and the like are 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 electrolyte layer forming solution and the film forming property of the electrolyte. When a solvent is used, the electrolyte layer 30 can be formed by applying the electrolyte layer forming solution and then drying it 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、電解質層の側部周囲を硬化性樹脂等で封止することにより、本発明の色素増感型太陽電池を得ることができる。   The conductive layer side of the counter electrode 40 is bonded to the electrolyte layer 30 thus formed, and the periphery of the side portion of the electrolyte layer is sealed with a curable resin or the like, whereby the dye-sensitized solar cell of the present invention. Can be obtained.

(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。
(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.

(電解質層形成用液の調製)
(実施例1)
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムマレイン酸塩(EMIm−M)5ml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)及びヨウ素(I2)をそれぞれ12mol/l及び1.2mol/lの濃度になるように加えて、攪拌して溶解させた。これにより、電解質層形成用液を調整した。
(Preparation of electrolyte layer forming solution)
Example 1
To 5 ml of 1-ethyl-3-methylimidazolium maleate (EMIm-M), 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMIm-I) and iodine (I 2 ) were respectively 12 mol / l and 1. It was added to a concentration of 2 mol / l and dissolved by stirring. Thereby, the electrolyte layer forming solution was prepared.

(実施例2)
1−エチル−3−メチルイミダゾリウムマレイン酸塩(EMIm−M)2.5mlと1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロスルフォニル)イミド(EMIm−TFSI)2.5mlとを混合したものに、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド(PMIm−I)及びヨウ素(I2)をそれぞれ12mol/l及び1.2mol/lの濃度になるように加えて、攪拌して溶解させた。これにより、電解質層形成用液を調整した。
(Example 2)
A mixture of 2.5 ml of 1-ethyl-3-methylimidazolium maleate (EMIm-M) and 2.5 ml of 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide (EMIm-TFSI) 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMIm-I) and iodine (I 2 ) were added to a concentration of 12 mol / l and 1.2 mol / l, respectively, and dissolved by stirring. . Thereby, the electrolyte layer forming solution was prepared.

(実施例3)
実施例1にて、EMIm−Mに代えて、テトラブチルホスホニウムマレイン酸塩(TBP−M)を用いた以外は、実施例1と同様にして電解質層形成用液を調整した。
(Example 3)
In Example 1, an electrolyte layer forming solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylphosphonium maleate (TBP-M) was used instead of EMIm-M.

(実施例4)
実施例1にて、EMIm−Mに代えて、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムコハク酸塩(EMIm−S)を用いた以外は、実施例1と同様にして電解質層形成用液を調整した。
Example 4
In Example 1, a liquid for forming an electrolyte layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1-ethyl-3-methylimidazolium succinate (EMIm-S) was used instead of EMIm-M. did.

(実施例5)
実施例1にて、EMIm−Mに代えて、テトラブチルホスホニウムコハク酸塩(TBP−S)を用いた以外は、実施例1と同様にして電解質層形成用液を調整した。
(Example 5)
In Example 1, an electrolyte layer forming solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylphosphonium succinate (TBP-S) was used instead of EMIm-M.

(比較例1)
実施例1にて、EMIm−Mに代えて、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(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液を調整した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, an electrolyte layer was formed in the same manner as in Example 1 except that 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluorosulfonyl) imide (EMIm-TFSI) was used instead of EMIm-M. The working solution was adjusted.

(比較例2)
実施例1にて、EMIm−Mに代えて、テトラブチルホスホニウムビス(トリフルオロスルフォニル)イミド(TBP−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液の調整を試みたが、液が凝固して作成できなかった。
(Comparative Example 2)
In Example 1, in place of EMIm-M, adjustment of the electrolyte layer forming solution was attempted in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylphosphonium bis (trifluorosulfonyl) imide (TBP-TFSI) was used. However, the liquid was solidified and could not be prepared.

(導電性基材及び多孔質半導体層の形成)
平均一次粒径が約10nm〜20nmのアナターゼ型酸化チタンを含む酸化チタンインキ(Solaronix社製)と、ガラス板上にフッ素ドープ酸化スズ(FTO)膜が形成された表面抵抗率が6オーム/スクエアの透明導電ガラス(日本板硝子社製)を用意した。その導電ガラス上に、上記の酸化チタンインキをスクリーン印刷法で塗布し、450℃で焼成し、膜厚2μmの多孔質の酸化チタン層を形成した。さらに、その酸化チタン層上に、上記の酸化チタンインキの塗布及び焼成を繰り返すことで、最終的に、導電ガラス上に膜厚8μm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;シス−ビス(チオシアナト)−N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(II)二水和物)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、上記の酸化チタン層を室温下で12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無水エタノールで洗浄し、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。
(Formation of conductive substrate and porous semiconductor layer)
Titanium oxide ink (manufactured by Solaronix) containing anatase-type titanium oxide having an average primary particle size of about 10 nm to 20 nm, and a fluorine-doped tin oxide (FTO) film formed on a glass plate have a surface resistivity of 6 ohm / square Transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) was prepared. On the conductive glass, the above-described titanium oxide ink was applied by screen printing and baked at 450 ° C. to form a porous titanium oxide layer having a thickness of 2 μm. Furthermore, the titanium oxide layer having a thickness of 8 μm was finally formed on the conductive glass by repeating the application and firing of the titanium oxide ink on the titanium oxide layer.
Next, ruthenium complex (manufactured by Solaronix; cis-bis (thiocyanato) -N, N-bis (2,2′-dipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) -ruthenium (II) dihydrate) was dissolved in absolute ethanol The above-mentioned titanium oxide layer was immersed in a dye solution dissolved in a concentration of 3.0 × 10 −4 mol / l for 12 hours at room temperature. After soaking, the dye solution was pulled up and the dye solution adhering to the titanium oxide layer was washed with absolute ethanol and air-dried. Thereby, the porous semiconductor layer was formed on the conductive substrate.

(対向電極の作製)
ガラス板上にフッ素ドープ酸化スズ(FTO)膜が形成された表面抵抗率が6オーム/スクエアの透明導電ガラス(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。
(Preparation of counter electrode)
A counter electrode is produced by laminating platinum with a thickness of 150 mm on transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) having a surface resistivity of 6 ohms / square with a fluorine-doped tin oxide (FTO) film formed on a glass plate. did.

(色素増感型太陽電池の作製)
多孔質半導体層(4mm×4mm)が形成された導電性基板上に、膜厚30μのエポキシ樹脂層を多孔質半導体層の周囲を囲うように形成した後、導電性基板の多孔質半導体層及びエポキシ樹脂層と対向電極の白金層とを向かい合わせて貼り合わせた。続いて、対極基板に開けた注入口より電解質形成用液を注入し、注入口をエポキシ樹脂及びガラス板で封止することで、所望の色素増感型太陽電池を作製した。
(Preparation of dye-sensitized solar cell)
On the conductive substrate on which the porous semiconductor layer (4 mm × 4 mm) is formed, an epoxy resin layer having a thickness of 30 μm is formed so as to surround the porous semiconductor layer, and then the porous semiconductor layer of the conductive substrate and The epoxy resin layer and the platinum layer of the counter electrode were bonded face to face. Subsequently, an electrolyte forming solution was injected from an injection port opened in the counter electrode substrate, and the injection port was sealed with an epoxy resin and a glass plate to produce a 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、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)
The evaluation of the power generation performance of the solar cell was 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. The voltage was applied using the 2400 type | mold), the current voltage characteristic of the solar cell was measured, and the photoelectric conversion efficiency was calculated | required. The area of the porous semiconductor layer used for the measurement is 0.16 cm 2 (4 mm × 4 mm).

(評価結果)
表1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)
Table 1 shows the evaluation results of the dye-sensitized solar cells prepared in the above examples and comparative examples.

Figure 2011076935
Figure 2011076935

実施例及び比較例のイオン液体を用いることで、電解質の揮発による劣化は見られない。このとき、表1にて、実施例1〜5と比較例1を対比することで、電解質層にアニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体を用いた場合は、カルボキシル基を含有しないイオン液体のみを用いた場合よりも、開放電圧が高い色素増感型太陽電池が得られたことがわかる。   By using the ionic liquids of Examples and Comparative Examples, deterioration due to volatilization of the electrolyte is not observed. At this time, by comparing Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 in Table 1, when an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion is used for the electrolyte layer, it does not contain a carboxyl group. It can be seen that a dye-sensitized solar cell having a higher open-circuit voltage than that obtained using only the ionic liquid was obtained.

さらに、実施例1〜2と実施例4と比較例1を対比することで、イオン液体のカチオンが同一である場合には、アニオンがマレイン酸イオンである場合に、高い変換効率を有する色素増感型太陽電池が得られたことがわかる。   Furthermore, by comparing Examples 1-2, Example 4, and Comparative Example 1, when the cation of the ionic liquid is the same, when the anion is a maleate ion, a dye increase having high conversion efficiency is achieved. It can be seen that a sensitive solar cell 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、酸化還元対と、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン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。
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;
An electrolyte layer formed between the conductive substrate and the counter electrode, the redox pair, and an ionic liquid in which an anion is a divalent or higher carboxylic acid ion;
A dye-sensitized solar cell comprising:
前記アニオンがジカルボン酸イオン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。   The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the anion is a dicarboxylate ion. 前記アニオンがマレイン酸イオン又はマレイン酸置換体イオンであることを特徴とする請求項2に記載の色素増感型太陽電池。   The dye-sensitized solar cell according to claim 2, wherein the anion is a maleate ion or a maleate-substituted ion. 色素増感型太陽電池の電解質層形成用液であって、
酸化還元対と、アニオンが二価以上のカルボン酸イオンであるイオン液体とを含む電解質層形成用液。
A liquid for forming an electrolyte layer of a dye-sensitized solar cell,
An electrolyte layer forming solution comprising a redox pair and an ionic liquid whose anion is a divalent or higher carboxylic acid ion.
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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CN103709176A (en) * 2013-10-28 2014-04-09 中建安装工程有限公司 Reagents and method for separation of ofloxacin racemic mixture by utilization of ionic liquid and L-dibenzoyltartaric acid together

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