JP2011150874A - 光電変換素子及び太陽電池 - Google Patents
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Abstract
Description
2.前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることを特徴とする前記1に記載の光電変換素子。
3.前記一般式(2)で表される化合物のYが硫黄原子であることを特徴とする前記2に記載の光電変換素子。
6.前記Zで表される部分構造が、下記一般式(4)で表されることを特徴とする前記1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。
7.前記1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子に含まれる色素から選ばれる色素を複数含有することを特徴とする光電変換素子。
一般式(1)において、Arは置換または未置換のアリーレン基または複素環基を表すが、アリーレン基としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、アズレン環、アセナフチレン環、フルオレン環、フェナンスレン環、インデン環、ピレン環、等が、挙げられる。これらの基は置換基により更に置換されていても良い。好ましくはベンゼン環、ナフタレン環等である。
前記一般式(1)で表される化合物の中で、前記一般式(2)で表される化合物は、光電変換効率が高く好ましい。
一般式(3)において、R8、R9で表される置換もしくは未置換の、アルキル基、アルケニル基、アシル基、アリール基または複素環基は、一般式(1)もしくは一般式(2)における置換もしくは未置換の、アルキル基、アルケニル基、アシル基、アリール基または複素環基と同義である。
一般式(4)において、R9は、一般式(3)におけるR9と同義である。
合成例1(例示化合物1の合成)
本発明の光電変換素子は、導電性支持体上の半導体に色素を含ませてなる光電極と対向電極を、電荷輸送層を介して対向配置してなる。以下、半導体、光電極、電荷輸送層、対向電極について順次説明する。
光電極に用いられる半導体としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体、周期表(元素周期表ともいう)の第3族〜第5族、第13族〜第15族系の元素を有する化合物、金属のカルコゲニド(例えば、酸化物、硫化物、セレン化物等)、金属窒化物等を使用することができる。
本発明の光電変換素子や本発明の太陽電池に用いられる導電性支持体には、金属板のような導電性材料や、ガラス板やプラスチックフイルムのような非導電性材料に導電性物質を設けた構造のものを用いることができる。導電性支持体に用いられる材料の例としては金属(例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム)あるいは導電性金属酸化物(例えばインジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの)や炭素を挙げることができる。導電性支持体の厚さは特に制約されないが、0.3〜5mmが好ましい。
本発明に係る光電極の作製方法について説明する。
まず、半導体の微粉末を含む塗布液を調製する。この半導体微粉末はその1次粒子径が微細な程好ましく、その1次粒子径は1〜5000nmが好ましく、さらに好ましくは2〜50nmである。半導体微粉末を含む塗布液は、半導体微粉末を溶媒中に分散させることによって調製することができる。溶媒中に分散された半導体微粉末は、その1次粒子状で分散する。溶媒としては半導体微粉末を分散し得るものであればよく、特に制約されない。
上記のようにして得られた半導体微粉末含有塗布液を、導電性支持体上に塗布または吹きつけ、乾燥等を行った後、空気中または不活性ガス中で焼成して、導電性支持体上に半導体層(半導体膜とも言う)が形成される。
半導体の増感処理は、前述のように本発明の色素を適切な溶媒に溶解し、その溶液に前記半導体を焼成した基板を浸漬することによって行われる。その際には半導体層(半導体膜ともいう)を焼成により形成させた基板を、予め減圧処理したり加熱処理したりして膜中の気泡を除去しおくことが好ましい。このような処理により、本発明の色素が半導体層(半導体膜)内部深くに進入できるようになり、半導体層(半導体膜)が多孔質構造膜である場合には特に好ましい。
半導体を焼成した基板を本発明の色素を含む溶液に浸漬する時間は、半導体層(半導体膜)に深く進入して吸着等を充分に進行させ、半導体を十分に増感させることが好ましい。また、溶液中での色素の分解等により生成して分解物が色素の吸着を妨害することを抑制する観点から、25℃条件下では3〜48時間が好ましく、さらに好ましくは4〜24時間である。この効果は、特に半導体膜が多孔質構造膜である場合において顕著である。ただし、浸漬時間については25℃条件での値であり、温度条件を変化させた場合には、上記の限りではない。
電荷輸送層は色素の酸化体を迅速に還元し、色素との界面で注入された正孔を対極に輸送する機能を担う層である。
本発明に用いられる対向電極について説明する。
本発明の太陽電池について説明する。
〔光電変換素子1の作製〕
酸化チタンペースト(アナターゼ型、1次平均粒径(顕微鏡観察平均)18nm、ポリエチレングリコール分散)を、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板へスクリーン印刷法(塗布面積5×5mm2)により塗布した。塗布及び乾燥(120℃で3分間)を3回繰り返し、200℃で10分間及び500℃で15分間焼成を行い、厚さ15μmの酸化チタン薄膜を得た。この薄膜上に、さらに酸化チタンペースト(アナターゼ型、1次平均粒径(顕微鏡観察平均)400nm、ポリエチレングリコール分散)を同様の方法で塗布及び焼成し、厚さ5μmの酸化チタン薄膜を形成した。
光電変換素子1の作製において、化合物1を表1に記載の色素に変更した以外は同様にして、光電変換素子2〜28を作製した。
光電変換素子1の作製において、化合物1をアセトニトリル:t−ブチルアルコール=1:1の混合溶媒に溶解した5×10−4mol/lの溶液の代わりに、化合物1をアセトニトリル:t−ブチルアルコール=1:1の混合溶媒に溶解した5×10−4mol/lの溶液及び化合物15をアセトニトリル:t−ブチルアルコール=1:1の混合溶媒に溶解した5×10−4mol/lの溶液を1:1の比で混合した色素溶液に変更した以外は同様にして、光電変換素子29を作製した。
光電変換素子1の作製において、化合物1をアセトニトリル:t−ブチルアルコール=1:1の混合溶媒に溶解した5×10−4mol/lの溶液の代わりに、化合物1をアセトニトリル:t−ブチルアルコール=1:1の混合溶媒に溶解した5×10−4mol/lの溶液及び化合物201をアセトニトリル:t−ブチルアルコール=1:1の混合溶媒に溶解した5×10−4mol/lの溶液を1:1の比で混合した色素溶液に変更した以外は同様にして、光電変換素子30を作製した。
光電変換素子1の作製において、化合物1を化合物301に変更し、電荷移動層(電解液)にはヨウ化1−メチル−3−ブチルイミダゾリウム0.6mol/l、ヨウ化リチウム0.1mol/l、ヨウ素0.05mol/l、4−(t−ブチル)ピリジン0.5mol/lを含む3−メトキシプロピオニトリルの溶液を用いた以外は同様にして、光電変換素子31を作製した。
光電変換素子31の作製において、化合物301を化合物302に変更した以外は同様にして、光電変換素子32を作製した。
市販の酸化チタンペースト(アナターゼ型、1次平均粒径(顕微鏡観察平均)18nm、ポリエチレングリコール分散)を、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板へスクリーン印刷法(塗布面積5×5mm2)により塗布し200℃で10分間及び450℃で15分間焼成を行い、厚さ1.5μmの酸化チタン薄膜を得た。
光電変換素子の化合物1を化合物302に変更した以外は、光電変換素子33と同様にして光電変換素子34を作製した。
評価試験は、ソーラーシミュレータ(英弘精機製)を用い、AMフィルター(AM−1.5)を通したキセノンランプから100mW/cm2の擬似太陽光を照射することにより行った。各光電変換素子について、I−Vテスターを用いて、室温にて電流−電圧特性を測定し、短絡電流(ISC)、開放電圧(VOC)を求めた。
ここで、Pは入射光強度[mW/cm−2]、Vocは開放電圧[V]、Jscは短絡電流密度[mA・cm−2]、F.F.は形状因子を示す。
2、7 透明導電膜
3 酸化物半導体
4 色素
5 電荷輸送
6 対向電極
7 透明導電膜
8 白金
Claims (9)
- 導電性支持体上に、少なくとも、色素を半導体に担持してなる半導体層と、電荷輸送層と、対向電極とを有する光電変換素子において、前記色素として、下記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする光電変換素子。
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2)で表される化合物であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記一般式(2)で表される化合物のYが硫黄原子であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。
- 前記一般式(2)で表される化合物のR4が水素原子であることを特徴とする請求項2又は3に記載の光電変換素子。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子に含まれる色素から選ばれる色素を複数含有することを特徴とする光電変換素子。
- 前記半導体層を形成する半導体が酸化チタンであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の光電変換素子を有することを特徴とする太陽電池。
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