JP2011216199A - Dye-sensitized solar cell - Google Patents

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    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new kind of dye-sensitized solar cell of high photoelectric conversion rate, in which component amount that contributes to power generation is not decreased, contact resistance is low, necking formation between metal oxide particulates such as titanium oxide or the like is not hindered, and an ink in order to form a semiconductor layer in the solar cell, and the dye-sensitized solar cell module.SOLUTION: The dye-sensitized solar cell 1 includes: an conductive base material 10; the semiconductor layer 20 that is arranged on the conductive base material 10 and contains a partially nitrided titanium oxide of needle shape which is made to carry the sensitized dye; a counter-electrode 40 arranged opposing to the semiconductor layer 20; and an electrolyte layer 30 that is arranged between the conductive base material 10 and the counter-electrode 40 and that contains a redox pair.

Description

本発明は、色素増感型の太陽電池、その色素増感型太陽電池における半導体層を形成するためのインキ、及び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, an ink for forming a semiconductor layer in the dye-sensitized solar cell, and a solar cell module.

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、色素が担持された金属酸化物半導体層、酸化還元対を有する電解質層、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の金属酸化物半導体層を用いることを特徴とし、金属酸化物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。   A dye-sensitized solar cell includes, for example, a transparent substrate, a transparent conductive layer formed on the transparent substrate, a metal oxide semiconductor layer on which the dye is supported, and an electrolyte layer having a redox pair from the light incident side. In addition, the substrate on which the counter electrode is formed is sequentially stacked to form a cell. In particular, the Gretcher cell is characterized by using a porous metal oxide semiconductor layer obtained by firing titanium oxide, which is a nanoparticulate, and the adsorption amount of the sensitizing dye by making the metal oxide semiconductor layer porous. To increase the light absorption ability.

上記の色素増感型太陽電池の作製方法は、例えば、まず透明基板の表面に形成された透明導電層上に、酸化チタン微粒子からなる多孔性の半導体層を形成し、その半導体層に増感色素を担持させる。次に対向電極に白金膜などの触媒をコーティングし、半導体層と白金膜とが対面するように重ね合わせた後、その間に電解質を注入して電解質層を形成し、側面をエポキシ樹脂等で封止する。このようにして色素増感型太陽電池が作製される。   For example, the dye-sensitized solar cell may be manufactured by first forming a porous semiconductor layer made of titanium oxide fine particles on a transparent conductive layer formed on the surface of a transparent substrate, and sensitizing the semiconductor layer. The dye is supported. Next, a catalyst such as a platinum film is coated on the counter electrode, and the semiconductor layer and the platinum film are overlapped so that they face each other. Then, an electrolyte is injected between them to form an electrolyte layer, and the side surface is sealed with an epoxy resin or the like. Stop. In this way, a dye-sensitized solar cell is produced.

このようなグレッチェルセルでは、酸化チタン微粒子間が点接触で結合することになり、接触抵抗が増加する問題がある。また、酸化チタン微粒子と透明導電層との界面における接触抵抗により、電子エネルギーが失われて性能が低下するという問題もあった。さらに、電流値を得るために半導体層の膜厚を厚くすると、金属より導電率の低い酸化チタン微粒子中での電子の移動距離が長くなり、その結果、抵抗による損失あるいは再結合による損失が大きくなる問題が生じる。すなわち、酸化チタンの微粒子を使用した半導体層では、微粒子同士の界面もしくは微粒子と導電層との界面における接触抵抗のため、また酸化チタン自体の電気伝導性が小さいために、光電変換率等の電池特性を向上させることは困難であった。   In such a Gretchel cell, the titanium oxide fine particles are bonded by point contact, and there is a problem that contact resistance increases. In addition, the contact resistance at the interface between the titanium oxide fine particles and the transparent conductive layer has a problem that the electronic energy is lost and the performance is deteriorated. Furthermore, if the thickness of the semiconductor layer is increased in order to obtain a current value, the distance of electron movement in the titanium oxide fine particles having a lower conductivity than that of the metal becomes longer, resulting in a greater loss due to resistance or recombination. Problem arises. That is, in a semiconductor layer using fine particles of titanium oxide, a battery such as a photoelectric conversion rate is low because of the contact resistance at the interface between fine particles or the interface between the fine particles and the conductive layer and because the electrical conductivity of the titanium oxide itself is small. It was difficult to improve the characteristics.

これに対し、(特許文献1)には、半導体層を構成する色素増感半導体粒子(金属酸化物微粒子)の間に球形の導電性粒子を混合させることにより半導体層の導電性を保持する方法が開示されている。また、(特許文献2)には、少なくとも、一方の面上に半導体層が被着された電極と、この電極の前記半導体層と対峙する対電極と、前記半導体層及び対電極の間に配置された電解質層とを有する光電変換素子の製造方法において、前記半導体層を、増感色素担持半導体粒子と細長い形状の導電性粒子との混合ペースト又はスラリーを電極の表面に塗布すると共にこれを加熱焼結して形成することにより、導電性粒子同士及び導電性粒子と電極とを接触させた状態にすることを特徴とする光電変換素子の製造方法が開示されている。しかし、この技術では、増感色素を担持できない導電性粒子が添加される結果、発電に寄与しない成分の相対量が増え、発生する電荷が減少するという問題がある。また、細長い形状の導電性粒子と半導体粒子との間は単に接触しているだけなので、接触抵抗は依然として高いという欠点がある。すなわち、一般に半導体層を形成する際には、電極上に塗布した半導体粒子に対し300〜700℃の焼成処理を行うことによって、半導体粒子間の接触界面が溶融し、界面部分の分子が互いの半導体粒子中へと熱拡散するいわゆるネッキングを生じ、その結果、増感色素から注入された電子がスムーズに伝導して電池特性が向上するが、上述の従来技術の場合には、ネッキングの形成が導電性粒子の存在によって阻害され、所期の電池特性が得られないという問題があった。   On the other hand, (Patent Document 1) discloses a method for maintaining the conductivity of a semiconductor layer by mixing spherical conductive particles between dye-sensitized semiconductor particles (metal oxide fine particles) constituting the semiconductor layer. Is disclosed. Further, in Patent Document 2, at least an electrode having a semiconductor layer deposited on one surface thereof, a counter electrode facing the semiconductor layer of the electrode, and a gap between the semiconductor layer and the counter electrode are arranged. In the method of manufacturing a photoelectric conversion element having a formed electrolyte layer, the semiconductor layer is coated with a mixed paste or slurry of sensitizing dye-supporting semiconductor particles and elongated conductive particles on the surface of the electrode and heated. A method for producing a photoelectric conversion element is disclosed, wherein the conductive particles are brought into contact with each other and the conductive particles and the electrodes are brought into contact with each other by sintering. However, in this technique, as a result of the addition of conductive particles that cannot carry a sensitizing dye, there is a problem in that the relative amount of components that do not contribute to power generation increases and the generated charge decreases. Further, since the elongated conductive particles and the semiconductor particles are merely in contact, there is a drawback that the contact resistance is still high. That is, in general, when forming a semiconductor layer, by performing a baking process at 300 to 700 ° C. on the semiconductor particles applied on the electrodes, the contact interface between the semiconductor particles is melted, and the molecules at the interface part are mutually connected. So-called necking that thermally diffuses into the semiconductor particles occurs, and as a result, the electrons injected from the sensitizing dye are smoothly conducted to improve the battery characteristics. There is a problem that the desired battery characteristics cannot be obtained due to inhibition by the presence of conductive particles.

特開平10−290018号公報JP-A-10-290018 特許第4135323号公報Japanese Patent No. 4135323

そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、発電に寄与する成分量を減少させることなく、また接触抵抗が低く、酸化チタン等の金属酸化物微粒子同士のネッキング形成が阻害されない、光電変換率の高い新規な色素増感型太陽電池、及びその太陽電池における半導体層を形成するためのインキ、並びに色素増感型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above-described conventional situation, the present invention has a photoelectric conversion rate that does not reduce the amount of components that contribute to power generation, has low contact resistance, and does not inhibit the formation of necking between metal oxide fine particles such as titanium oxide. An object is to provide a high novel dye-sensitized solar cell, an ink for forming a semiconductor layer in the solar cell, and a dye-sensitized solar cell module.

本発明者は、半導体層を構成する成分として針状の部分窒化酸化チタンを用いることにより、上記課題が解決することを見い出し、本発明を完成した。   The present inventor has found that the above problems can be solved by using acicular partial titanium nitride oxide as a component constituting the semiconductor layer, and has completed the present invention.

すなわち、本発明は、導電性基材と、導電性基材上に配置され、増感色素を担持させた針状の部分窒化酸化チタンを含む半導体層と、半導体層に対向して配置された対向電極と、導電性基材及び対向電極の間に配置された、酸化還元対を含む電解質層と、から構成される色素増感型太陽電池である。   That is, the present invention includes a conductive substrate, a semiconductor layer that is disposed on the conductive substrate and includes acicular partial titanium nitride oxide supporting a sensitizing dye, and is disposed to face the semiconductor layer. A dye-sensitized solar cell including a counter electrode and an electrolyte layer including a redox couple disposed between the conductive substrate and the counter electrode.

また本発明は、上記半導体層が、増感色素を担持させた金属酸化物微粒子をさらに含む色素増感型太陽電池である。   Moreover, this invention is a dye-sensitized solar cell in which the said semiconductor layer further contains the metal oxide fine particle which carry | supported the sensitizing dye.

また本発明は、上記針状の部分窒化酸化チタンにおける長軸と短軸との平均軸比が5以上50以下である色素増感型太陽電池である。   In addition, the present invention is a dye-sensitized solar cell in which the average axis ratio between the major axis and the minor axis in the acicular partially titanium nitride oxide is 5 or more and 50 or less.

また本発明は、上記針状の部分窒化酸化チタンが、化学式TiO2−xで表され、xが0.18以上0.95以下である色素増感型太陽電池である。 The present invention, the needle-like portions titanium oxynitride is represented by the chemical formula TiO 2-x N x, x is a dye-sensitized solar cell is 0.18 to 0.95.

また本発明は、上記色素増感型太陽電池における前記半導体層を形成するためのインキであって、針状の部分窒化酸化チタンを含むことを特徴とする。   Further, the present invention is an ink for forming the semiconductor layer in the dye-sensitized solar cell, and includes an acicular partial titanium nitride oxide.

さらに本発明は、上記色素増感型太陽電池の複数を、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。   Furthermore, the present invention is a dye-sensitized solar cell module formed by connecting a plurality of the dye-sensitized solar cells in series or in parallel.

本発明によれば、針状の部分窒化酸化チタンは増感色素を担持可能であるため、発電に寄与することができる。また、針状の部分窒化酸化チタンは、それ自体導電性を有し、また金属酸化物微粒子との間でネッキングを形成し得るため、界面における抵抗損失を低減でき、高い光電変換効率を持つ色素増感型太陽電池を得ることができる。   According to the present invention, acicular partial titanium nitride oxide can support a sensitizing dye, and thus can contribute to power generation. In addition, the needle-like partially oxidized titanium oxide itself has conductivity and can form necking with the metal oxide fine particles, so that the resistance loss at the interface can be reduced, and the dye has high photoelectric conversion efficiency. A sensitized solar cell 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上に配置された半導体層20と、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の間に配置された、酸化還元対を含む電解質層30とから概略構成されている。
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 semiconductor layer 20 disposed on the conductive substrate 10, a counter electrode 40 disposed to face the semiconductor layer 20, and a conductive group. An electrolyte layer 30 including an oxidation-reduction pair disposed between the material 10 and the counter electrode 40 is schematically configured.

次に、色素増感型太陽電池1を構成する各部材について説明する。   Next, each member constituting the dye-sensitized solar cell 1 will be described.

(1)導電性基材
導電性基材10としては、チタンやアルミニウム等の各種の金属箔や金属板等の一般的な導電性の材料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の表面上に導電層を形成することによっても得ることができる。導電層を形成する基板は、透明であっても不透明であっても良いが、導電性基材10側を光の受光面とする場合には、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)、合成石英ガラス等の可撓性のない透明なリジット材、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、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、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。特に、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採用する場合、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。
(1) Conductive base material As the conductive base material 10, general conductive materials such as various metal foils and metal plates such as titanium and aluminum can be used, or substrates such as glass and plastic. It can also be obtained by forming a conductive layer on the surface. The substrate on which the conductive layer is formed may be transparent or opaque, but when the conductive base material 10 side is a light receiving surface, it is a transparent substrate with excellent light transmission. Is preferred. Furthermore, it is preferable that it is excellent in heat resistance, weather resistance, and gas barrier properties against water vapor and the like. Specifically, transparent flexible materials such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), and synthetic quartz glass that are not flexible, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film, biaxially stretched polyethylene terephthalate film, polyethersulfone Examples thereof include plastic films such as a film, a polyether ether ketone film, a polyether imide film, a polyimide film, and polyethylene naphthalate (PEN). In particular, when a conductive substrate made of a flexible film having a plastic film as a substrate and a conductive layer formed thereon is employed, solar cells can be used for various purposes, and the solar cells can be reduced in weight and manufacturing cost. Can be reduced. 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.

導電性基材の基板の厚さとしては、15μm〜500μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the substrate of the conductive base material is preferably in the range of 15 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、導電性基材10側を光の受光面とする場合には、導電層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、SnO、ITO、IZO、ZnO等を挙げることができる。中でも、フッ素ドープしたSnO(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. However, when the conductive substrate 10 side is a light receiving surface, the conductive layer transmits light. It is preferable that it is excellent in property. For example, as a material having excellent light permeability, may be mentioned SnO 2, ITO, IZO, ZnO or the like. Among these, fluorine-doped SnO 2 (FTO) and ITO are particularly preferably used because they are excellent in both conductivity and permeability.

また、導電性基材の導電層は、その仕事関数を考慮して太陽電池が機能するように材料を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、SnO、フッ素をドープしたSnO、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。 Moreover, it is preferable to select a material for the conductive layer of the conductive base material so that the solar cell functions in consideration of its work function. For example, a high work function materials include Au, Ag, Co, Ni, Pt, C, ITO, and SnO 2, SnO 2, ZnO or the like fluorine-doped. 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、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。   Note that the conductive layer may be formed of a single layer or may be formed by stacking 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.

(2)半導体層
次に、半導体層20について説明する。本発明における半導体層は、針状の部分窒化酸化チタンを含むことを特徴とする。針状の部分窒化酸化チタンは、それ単独で用いることができるが、通常は、これに加えて金属酸化物の微粒子をさらに含み、針状部分窒化酸化チタンと金属酸化物微粒子とを組み合わせて半導体層を構成することが好ましい。これらの針状部分窒化酸化チタン及び金属酸化物微粒子は、増感色素を担持することで、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する。
(2) Semiconductor Layer Next, the semiconductor layer 20 will be described. The semiconductor layer in the present invention is characterized by containing acicular partial titanium nitride oxide. The acicular partial titanium nitride oxide can be used alone, but usually further contains metal oxide fine particles in addition to this, and the acicular partial titanium nitride oxide and metal oxide fine particles are combined to form a semiconductor. It is preferable to constitute the layer. These acicular partial titanium nitride oxide and metal oxide fine particles carry a sensitizing dye, thereby having a function of conducting charges generated from the sensitizing dye by light irradiation.

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、半導体層の膜抵抗を小さくすることができ、また、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 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 semiconductor layer can be reduced within the above range, and light absorption by the semiconductor layer is sufficiently performed.

「針状」とは、一方向の長さが他の方向に比べて十分に長い形状をいい、いわゆるヒゲ状、ファイバー状又は棒状を含む概念である。この針状の部分窒化酸化チタンが、半導体層中でネットワークを形成し、半導体層の厚み方向における電荷移動を容易にする。針状の部分窒化酸化チタンの大きさは、一般的には、長軸方向が0.1〜200μm、それに直交する短軸方向が0.01〜20μm程度であるが、これに限定されるものではない。また、長軸と短軸との平均軸比(アスペクト比)は、一般的には大きい方(より細長い方)が、半導体層中でネットワークを形成し易く、また焼成処理によって金属酸化物微粒子との間にネッキングを形成する場合に、そのネッキングサイトが増加して全体の接触抵抗が小さくなるため好ましい。具体的には、平均軸比は5以上50以下、特に10以上20以下であることが好ましい。   “Needle shape” refers to a shape in which the length in one direction is sufficiently longer than the other direction, and is a concept including a so-called beard shape, fiber shape, or rod shape. This acicular partial titanium nitride oxide forms a network in the semiconductor layer and facilitates charge transfer in the thickness direction of the semiconductor layer. The size of the acicular partial titanium nitride oxide is generally about 0.1 to 200 μm in the major axis direction and about 0.01 to 20 μm in the minor axis direction orthogonal thereto, but is limited to this. is not. In addition, the average axis ratio (aspect ratio) between the major axis and the minor axis is generally larger (more elongated) so that a network can be easily formed in the semiconductor layer. When necking is formed between the two, the number of the necking sites is increased and the overall contact resistance is reduced, which is preferable. Specifically, the average axial ratio is preferably 5 or more and 50 or less, and particularly preferably 10 or more and 20 or less.

針状の酸化チタンは、従来知られた方法に従って調製することができる。すなわち、通常の酸化チタン微粒子を原料として、アルカリ又は酸で処理することにより針状の酸化チタンを合成することができる。一例として、酸化チタン微粒子(石原産業社製、商品名:CR−EL)20gを、水酸化カリウム32g、及び水48gと混合し、この溶液について150℃で150時間水熱合成を行い、その後0.1Mの塩酸で洗浄することによって平均軸比10の針状酸化チタンを得ることができる。この場合、反応時間を長くすることにより平均軸比が大きくなる方向へ制御することができる。   Acicular titanium oxide can be prepared according to a conventionally known method. That is, acicular titanium oxide can be synthesized by treating normal titanium oxide fine particles as a raw material with an alkali or an acid. As an example, 20 g of titanium oxide fine particles (trade name: CR-EL, manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd.) are mixed with 32 g of potassium hydroxide and 48 g of water, and hydrothermal synthesis is performed on this solution at 150 ° C. for 150 hours. By washing with 1 M hydrochloric acid, acicular titanium oxide having an average axial ratio of 10 can be obtained. In this case, the average axial ratio can be controlled to increase by increasing the reaction time.

そして、針状の酸化チタンを、アンモニア雰囲気中で焼成する等して適宜窒化することにより、針状の部分窒化酸化チタンを得ることができる。部分的に窒化してTiNを合成することで、粒子に導電性が付与される。また、酸化チタンが一部に残存しているため、半導体層中に金属酸化物微粒子をさらに含有する場合に、その金属酸化物微粒子との間に焼成によってネッキングが形成され、界面の接触抵抗を低減することができる。部分窒化の程度は、焼成温度や時間等の窒化条件を変えることによって制御することができ、作製する太陽電池の性能のバランスを考慮して適宜設定される。具体的には、部分窒化酸化チタンを化学式TiO2−xと表した場合に、xが0.18以上0.95以下(N/O比(モル比)が0.1以上0.9以下相当)、特に0.33以上0.75以下(N/O比(モル比)が0.2以上0.6以下相当)となるように窒化することが好ましい。 Then, acicular partial titanium nitride oxide can be obtained by appropriately nitriding the acicular titanium oxide by firing in an ammonia atmosphere or the like. By nitriding partially and synthesizing TiN, conductivity is imparted to the particles. In addition, since titanium oxide remains in part, when the semiconductor layer further contains metal oxide fine particles, necking is formed between the metal oxide fine particles by firing, and the contact resistance of the interface is reduced. Can be reduced. The degree of partial nitriding can be controlled by changing the nitriding conditions such as the firing temperature and time, and is appropriately set in consideration of the balance of the performance of the solar cell to be manufactured. Specifically, when the partially nitrided titanium oxide is represented by the chemical formula TiO 2-x N x , x is 0.18 or more and 0.95 or less (N / O ratio (molar ratio) is 0.1 or more and 0.9 or less). It is preferable to perform nitriding so that the N / O ratio (molar ratio) corresponds to 0.2 or more and 0.6 or less.

上記のような針状部分窒化酸化チタンに加えて、金属酸化物微粒子をさらに含む場合、その金属酸化物微粒子は、細孔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、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。   When the metal oxide fine particles are further included in addition to the acicular partial titanium nitride oxide as described above, the metal oxide fine particles are porous having communication holes because the sensitizing dye is supported in the pores. Preferably there is. By using such a porous material, the surface area of the semiconductor layer is increased, and a sufficient amount of a sensitizing dye can be carried. Moreover, a contact area with the electrolyte layer mentioned later becomes large, and energy conversion efficiency can be improved.

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の導電層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、TiO、ZnO、SnO、ITO、ZrO、SiO、MgO、Al,CeO、Bi、Mn、Y、WO、Ta、Nb、La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、TiO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 are not particularly limited as long as the charges generated from the sensitizing dye can be conducted to the conductive layer of 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.

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。この範囲内であれば、粒子を効率的に製造することができ、また粒子の分散性に優れるため好ましい。   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. Within this range, it is preferable because the particles can be produced efficiently and the dispersibility of the particles is excellent.

粒径の異なる同種または異種の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、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。   Mixtures of the same or different metal oxide fine particles having different particle diameters may be used. As a result, the light scattering effect can be enhanced and more light can be confined in the 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.

半導体層中における、上述の針状部分窒化酸化チタンの含有量(増感色素は含まず)としては、10重量%〜100重量%の範囲内、中でも50重量%〜100重量%の範囲内とすることが好ましい。また、金属酸化物微粒子をさらに含有させる場合には、針状部分窒化酸化チタンと金属酸化物微粒子の合計量が、半導体層の10重量%〜100重量%、特に50重量%〜100重量%を占めるように設計することが好ましい。   The content of the above-mentioned acicular partial titanium nitride oxide (not including the sensitizing dye) in the semiconductor layer is in the range of 10% by weight to 100% by weight, particularly in the range of 50% by weight to 100% by weight. It is preferable to do. When the metal oxide fine particles are further contained, the total amount of the acicular partial titanium nitride oxide and the metal oxide fine particles is 10% by weight to 100% by weight, particularly 50% by weight to 100% by weight of the semiconductor layer. It is preferable to design to occupy.

針状部分窒化酸化チタン及び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 acicular partial titanium nitride oxide and 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針状部分窒化酸化チタン及び金属酸化物微粒子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 acicular partial titanium nitride oxide and metal oxide fine particles, it is possible to efficiently take in the visible light range and cause photoelectric conversion.

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、針状の酸化チタンと、必要に応じさらに金属酸化物微粒子とを溶媒に分散させたインキを調製し、このインキを導電性基材10の導電層上に塗布し、乾燥させ、必要に応じてさらに焼成する。その後、針状酸化チタン及び金属酸化物微粒子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半導体層を形成することができる。   A method for forming the semiconductor layer is not particularly limited, but it is preferably formed by a coating method. That is, by using a known disperser such as a homogenizer, ball mill, sand mill, roll mill, planetary mixer, etc., an ink in which acicular titanium oxide and, if necessary, metal oxide fine particles are dispersed in a solvent is prepared, This ink is applied onto the conductive layer of the conductive substrate 10, dried, and further baked as necessary. Thereafter, the sensitizing dye is adsorbed on the acicular titanium oxide and the metal oxide fine particles, whereby a semiconductor layer carrying the sensitizing dye can be formed.

半導体形成用のインキ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 for the ink for forming the semiconductor 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、半導体層の形成に使用するインキ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, if necessary, various additives may be used in order to improve the coating suitability of the ink used for forming the 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.

半導体形成用のインキ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 ink for forming the semiconductor is not particularly limited as long as it is a known application method, but specifically, die coating, gravure coating, gravure reverse coating, roll coating, reverse roll coating, bar coating, blade Examples include coat, knife coat, air knife coat, slot die coat, slide die coat, dip coat, micro bar coat, micro bar reverse coat, and screen printing. Using such a coating method, the 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、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、あるいは金属酸化物微粒子と針状部分窒化酸化チタンとの間にネッキングを生じ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、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、導電性基材が可撓性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. As a result, the semiconductor layer can be homogenized and densified, and since the necking between the metal oxide fine particles or between the metal oxide fine particles and the needle-like partial titanium nitride oxide is increased, Charge conductivity can be improved. In addition, the adhesion between the conductive substrate and the semiconductor layer can be improved. The firing temperature and time differ depending on the film thickness of the 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 flexible 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・焼成した針状部分窒化酸化チタン及び金属酸化物微粒子を浸漬させ、その後、乾燥させる方法や、増感色素の溶液を針状部分窒化酸化チタン及び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。   Examples of the method for supporting the sensitizing dye include, for example, a method in which the dried and fired acicular partially oxidized titanium oxide and metal oxide fine particles are immersed in a sensitizing dye solution and then dried, or a sensitizing dye solution is used. Examples of the method include coating on needle-like partial titanium nitride oxide and metal oxide fine particles, infiltrating, and drying. 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.

(3)対向電極
次に、対向電極40について説明する。対向電極40としては、チタンやアルミニウム等の各種の金属箔や金属板等の一般的な導電性の材料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の表面上に導電層を形成することによっても得ることができる。基板は、透明であっても不透明であっても良いが、対向電極40側を光の受光面とする場合には、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)、合成石英ガラス等の可撓性のない透明なリジット材、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、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、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。特に、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採用する場合には、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。
(3) Counter Electrode Next, the counter electrode 40 will be described. As the counter electrode 40, general conductive materials such as various metal foils such as titanium and aluminum and metal plates can be used, or a conductive layer is formed on the surface of a substrate such as glass or plastic. Can also be obtained. The substrate may be transparent or opaque, but when the counter electrode 40 side is a light receiving surface, 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, transparent flexible materials such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), and synthetic quartz glass that are not flexible, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film, biaxially stretched polyethylene terephthalate film, polyethersulfone Examples thereof include plastic films such as a film, a polyether ether ketone film, a polyether imide film, a polyimide film, and polyethylene naphthalate (PEN). In particular, when a counter electrode made of a flexible film having a conductive layer formed on a plastic film as a substrate is employed, solar cells can be used for various applications, and the solar cells can be reduced in weight and manufacturing cost. Can be reduced. 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.

対向電極の基板の厚さとしては、15μm〜500μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the counter electrode substrate is preferably in the range of 15 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、対向電極40側を光の受光面とする場合には、導電層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、SnO、ITO、IZO、ZnO等を挙げることができる。中でも、フッ素ドープしたSnO(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 has excellent conductivity. However, when the counter electrode 40 side is a light receiving surface, the conductive layer is light transmissive. It is preferable that it is excellent. For example, as a material having excellent light permeability, may be mentioned SnO 2, ITO, IZO, ZnO or the like. Among these, fluorine-doped SnO 2 (FTO) and ITO are particularly preferably used because they are excellent in both conductivity and permeability.

また、対向電極の導電層は、その仕事関数を考慮して太陽電池として機能するように材料を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、SnO、フッ素をドープしたSnO、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。 Moreover, it is preferable to select a material for the conductive layer of the counter electrode so as to function as a solar cell in consideration of the work function. For example, a high work function materials include Au, Ag, Co, Ni, Pt, C, ITO, and SnO 2, SnO 2, ZnO or the like fluorine-doped. 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、対向電極の導電層は、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。   Note that the conductive layer of the counter electrode may be formed of a single layer or may be formed by stacking materials having different work functions.

対向電極の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 of the counter electrode 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.

また、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。   Moreover, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell can be further improved by forming a catalyst layer on the conductive layer of the counter electrode. 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.

(4)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、導電性基材10及び対向電極40の間に配置され、酸化還元対を含む電解液と、溶媒とを少なくとも含む塗工液から、溶媒を除去することによって作製される。
(4) Electrolyte Layer Next, the electrolyte layer 30 will be described. The electrolyte layer 30 is disposed between the conductive substrate 10 and the counter electrode 40, and is produced by removing the solvent from the coating solution containing at least the electrolytic solution containing the redox couple and the solvent.

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、一般に、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電解質層中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い。   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. In general, when an iodine or bromine redox couple is used, iodine or bromine is 0% in the electrolyte layer. 0.001 to 0.5 mol / l, and iodide or bromide is preferably 0.1 to 5 mol / l.

電解質層30には、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ことを目的として、イオン液体(常温溶融塩)を含有させてもよい。イオン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 electrolyte layer 30 may contain an ionic liquid (room temperature molten salt) for the purpose of reducing the viscosity of the electrolyte and improving the conductivity of ions to improve the photoelectric conversion efficiency. Since the ionic liquid has an extremely low vapor pressure, it hardly evaporates substantially at room temperature, and there is no fear of volatilization or ignition like a general organic solvent, so that deterioration of cell characteristics due to volatilization can be prevented.

上記イオン液体としては、例えば、カチオンが、1−メチル−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、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、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、脂肪族アミン系、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であるもの、アニオンが、ヨウ素イオン、臭素イオン、塩素イオン、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロボレート、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、シアネート系、チオシアネート系であるもの等を挙げることができる。これらの物質は、いずれか一種を単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   Examples of the ionic liquid include cations such as 1-methyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-hexyl-3-methylimidazolium, and 1-octyl-3-methylimidazolium. 1-octadecyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-octyl -Imidazoles such as -2,3-dimethylimidazolium and 1-octadecyl-2,3-dimethylimidazolium, pyridiums such as 1-methylpyridium, 1-butylpyridium and 1-hexylpyridium, alicyclic rings Formula amines, aliphatic amines, phosphoniums such as tetrabutylphosphonium, triethyls Sulfonium-based compounds such as phonium, and anion ions such as iodine ion, bromine ion, chlorine ion, tetrafluoroborate, hexafluoroborate, trifluoromethanesulfonate, trifluoroacetate, etc., fluorine-based, cyanate-based, thiocyanate-based, etc. Can be mentioned. Any one of these substances may be used alone, or a plurality of these substances may be mixed and used.

特に、ヨウ素をアニオンとするヨウ化物系イオン液体を用いることが好ましい。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、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液体は、ヨウ素イオンの供給源であり上述の酸化還元対としても機能させることができる。   In particular, 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.

電解質層中のイオン液体の濃度は、イオン液体の種類等によって異なる。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させるイオン液体については、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、すなわち電解質層中に0.1〜5mol/l含有させることが好ましい。その場合、その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く、結果として酸化還元対として機能するヨウ化物の合計濃度が0.1〜5mol/lであればよい。   The concentration of the ionic liquid in the electrolyte layer varies depending on the type of the ionic liquid. An ionic liquid that also functions as a redox pair, such as an iodide ionic liquid, should be contained as a redox pair, and the concentration described above for the redox pair is preferable, that is, in the electrolyte layer. It is preferable to contain 0.1-5 mol / l. In that case, iodides other than the iodide-based ionic liquid may or may not be contained. As a result, the total concentration of iodides functioning as a redox pair may be 0.1 to 5 mol / l.

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中の濃度は、各種添加剤を合計して電解質層中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 is preferably 1 mol / l or less in the electrolyte layer by adding the various additives.

電解質層30の膜厚は、半導体層20の膜厚も含めて2μm〜150μmの範囲内、その中でも、10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。膜厚が小さ過ぎると半導体層と対向電極とが接触して短絡の原因となる可能性があり、逆に膜厚が大き過ぎると内部抵抗が大きくなり性能低下につながるため好ましくない。   The thickness of the electrolyte layer 30 is preferably in the range of 2 μm to 150 μm including the thickness of the semiconductor layer 20, and preferably in the range of 10 μm to 50 μm. If the film thickness is too small, the semiconductor layer and the counter electrode may come into contact with each other and cause a short circuit. Conversely, if the film thickness is too large, the internal resistance increases, leading to performance degradation.

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、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)、あるいは半導体層20を形成した導電性基材10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)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 semiconductor layer 20 by applying a coating liquid used for forming the electrolyte layer on the semiconductor layer 20 and drying it (hereinafter referred to as a coating method), or forming the semiconductor layer 20. Examples include a method of forming an electrolyte layer (hereinafter referred to as an injection method) by disposing the conductive substrate 10 and the counter electrode 40 so as to have a predetermined gap and injecting a coating liquid into the gap. it can.

塗工液の溶媒は適宜選択することができ、具体的には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−メチルピロリドン等のアミド系溶媒、純水等を挙げることができる。特に、塗工液の安定性、電解質の成膜性の観点から、酸化還元対、及びイオン液体が溶解性を示すような溶媒を用いることが好ましく、例えば、エタノール等のアルコール系溶媒が好ましく用いられる。   The solvent of the coating solution can be selected as appropriate, and specific examples include alcohol solvents such as ethanol, ketone solvents such as methyl ethyl ketone, amide solvents such as N-methylpyrrolidone, and pure water. In particular, from the viewpoint of the stability of the coating solution and the film formability of the electrolyte, it is preferable to use a redox couple and a solvent in which the ionic liquid exhibits solubility, for example, an alcohol solvent such as ethanol is preferably used. It is done.

塗布法において、塗工液を半導体層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。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 the coating method, known means can be used as means for applying the coating liquid onto the semiconductor layer 20, and specifically, die coating, gravure coating, gravure reverse coating, roll coating, reverse roll coating, bar Examples include 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. After coating, the electrolyte layer can be formed by appropriately drying and removing 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の触媒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。   The dye-sensitized solar cell of the present invention can be obtained by bonding the catalyst layer side of the counter electrode 40 to the electrolyte layer 30 thus formed.

電解質層30を注入法により形成する場合は、まず半導体層20を形成した導電性基材10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ーを設置することができる。このようなスペーサーとしては、公知のガラススペーサー、樹脂スペーサーが挙げられる。   When the electrolyte layer 30 is formed by an injection method, first, the conductive substrate 10 on which the semiconductor layer 20 is formed 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 dispose 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、必要に応じて硬化させ、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, the coating solution used for forming the electrolyte layer can be injected into the gap by utilizing a capillary phenomenon or the like, and cured as necessary to form the electrolyte layer 30. Thereby, a dye-sensitized solar cell can be obtained.

さらに、上述のようにして得られた色素増感型太陽電池1の複数を、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。   Furthermore, a dye-sensitized solar cell module can be obtained by connecting a plurality of the 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.

(実施例1)
<針状部分窒化酸化チタンの調製>
石原産業社製の針状酸化チタン(商品名:FTL−300、平均軸比24)をアンモニア雰囲気下950℃で焼成を行い、針状の部分窒化酸化チタンを得た。この針状部分窒化酸化チタンについて、組成をX線光電子分光によって求めたところ、TiO2−x(xは0.2)の組成を有していた。
Example 1
<Preparation of acicular partial titanium nitride oxide>
Acicular titanium oxide (trade name: FTL-300, average axial ratio 24) manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. was baked at 950 ° C. in an ammonia atmosphere to obtain acicular partial titanium nitride oxide. This needle part titanium oxynitride, composition was determined by X-ray photoelectron spectroscopy, TiO 2-x N x ( x is 0.2) had a composition of.

<半導体層形成用インキの調製>
日本エアロジル社製の多孔質酸化チタン微粒子(商品名:P25)5.65gを、エタノール9.77gに投入し、さらに上記の針状部分窒化酸化チタン0.56g、アセチルアセトン1.25g、ジルコニアビーズ(φ1.2mm)20gを添加した混合液をペイントシェーカーにより攪拌し、半導体層形成用のインキを調製した。
<Preparation of semiconductor layer forming ink>
5.65 g of porous titanium oxide fine particles (trade name: P25) manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd. were added to 9.77 g of ethanol, and 0.56 g of acicular partial titanium nitride oxide, 1.25 g of acetylacetone, zirconia beads ( The mixed solution to which 20 g (φ1.2 mm) was added was stirred with a paint shaker to prepare an ink for forming a semiconductor layer.

<半導体層の形成>
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、表面抵抗率6Ω/□)を用意し、上記インキをドクターブレード法によりFTO膜面に塗布し、その後450℃で30分焼成することで、多数の金属酸化物微粒子(酸化チタン微粒子)と針状部分窒化酸化チタンを含む膜厚10μmの層を形成した。続いて、増感色素としてルテニウム錯体(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、濃度が3×10−4mol/lとなるように無水エタノール中に溶解させて色素溶液を調製し、この溶液に上述の酸化チタン微粒子及び針状部分窒化酸化チタンを含む層を室温で12時間浸漬させた。その後、色素溶液から引き上げ、酸化チタン微粒子及び針状部分窒化酸化チタンに付着した色素溶液を無水エタノールにより洗浄後、風乾した。これにより、導電性基材上に半導体層を形成した。続いて、半導体層が4mm×4mmとなるようにトリミングし、導電性基材のサイズが10×10mmであるような、色素増感型太陽電池用の半導体層付き導電性基材を得た。
<Formation of semiconductor layer>
As a conductive substrate, transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistivity 6Ω / □) having a fluorine-doped tin oxide (FTO) film formed on a glass plate is prepared, and the above ink is FTO by a doctor blade method. It was applied to the film surface and then baked at 450 ° C. for 30 minutes to form a 10 μm thick layer containing a large number of metal oxide fine particles (titanium oxide fine particles) and acicular partial titanium nitride oxide. Subsequently, a ruthenium complex (manufactured by Solaronix, cis-bis (thiocyanato) -N, N-bis (2,2′-dipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) -ruthenium (II) dihydrate as a sensitizing dye Is dissolved in absolute ethanol to a concentration of 3 × 10 −4 mol / l to prepare a dye solution, and a layer containing the above-described titanium oxide fine particles and needle-like partially titanium nitride oxide is added to this solution. It was immersed for 12 hours at room temperature. Thereafter, the dye solution was pulled up from the dye solution, and the dye solution adhering to the titanium oxide fine particles and the acicular partial titanium nitride oxide was washed with absolute ethanol and then air-dried. Thereby, a semiconductor layer was formed on the conductive substrate. Then, it trimmed so that a semiconductor layer might be set to 4 mm x 4 mm, and the conductive base material with a semiconductor layer for dye-sensitized solar cells whose size of a conductive base material is 10 x 10 mm was obtained.

<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、表面抵抗率6Ω/□)上に、白金膜をスパッタリング法によって形成し(膜厚150Å)、サイズが10×10mmの対向電極を作製した。
<Preparation of counter electrode>
A platinum film is formed by sputtering on a transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistivity 6Ω / □) on which a fluorine-doped tin oxide (FTO) film is formed on a glass plate. Produced a 10 × 10 mm counter electrode.

<電解質層形成用の塗工液の調製>
メトキシアセトニトリル及びバレロニトリルを85:15(容量混合比)で混合した溶液に対し、ヨウ素0.03M、tert−ブチルピリジン0.5M、及びブチルメチルイミダゾリウムアイオダイド0.6Mをそれぞれ添加し、電解質層形成用の塗工液を調製した。
<Preparation of coating solution for electrolyte layer formation>
To a solution obtained by mixing methoxyacetonitrile and valeronitrile at a volume ratio of 85:15 (volume mixing ratio), 0.03M iodine, 0.5M tert-butylpyridine, and 0.6M butylmethylimidazolium iodide were added, respectively. A coating solution for layer formation was prepared.

<色素増感型太陽電池の作製>
上述の半導体層(4mm×4mm)が形成された導電性基材上に、スペーサーとして厚さ30μmのエポキシ樹脂層を半導体層の周囲を囲うように形成した後、半導体層及びエポキシ樹脂層と対向電極の白金層とを貼り合わせた。続いて、対向電極に開けた注入口より電解質層形成用の塗工液を注入し、注入口をエポキシ樹脂及びガラス板で封止することによって、目的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 semiconductor layer (4 mm × 4 mm) is formed, an epoxy resin layer having a thickness of 30 μm is formed as a spacer so as to surround the periphery of the semiconductor layer, and then opposed to the semiconductor layer and the epoxy resin layer. The platinum layer of the electrode was bonded. Subsequently, a coating liquid for forming an electrolyte layer was injected from an injection port opened in the counter electrode, and the injection port was sealed with an epoxy resin and a glass plate to produce a target dye-sensitized solar cell.

<電池性能の評価>
作製した色素増感型太陽電池について、擬似太陽光(AM1.5、入射光強度:100mW/cm)を光源として、増感色素を担持させた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、電流電圧特性を測定した。なお、測定に用いた半導体層の面積は、0.16cm(4mm×4mm)である。
<Evaluation of battery performance>
About the produced dye-sensitized solar cell, it makes it incident from the electroconductive base material side which has the semiconductor layer which carry | supported the sensitizing dye, using pseudo sunlight (AM1.5, incident light intensity: 100mW / cm < 2 >) as a light source. A voltage was applied using a source measure unit (manufactured by Keithley, Model 2400), and current-voltage characteristics were measured. In addition, the area of the semiconductor layer used for the measurement is 0.16 cm 2 (4 mm × 4 mm).

(実施例2)
針状酸化チタンFTL−300(石原産業社製、平均軸比24)に代えて、針状酸化チタンFTL−200(石原産業社製、平均軸比14)を用いた以外は、上記実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、電流電圧特性を測定した。なお、針状酸化チタンは、TiO2−x(xは0.2)の組成を有していた。
(Example 2)
Example 1 except that acicular titanium oxide FTL-200 (Ishihara Sangyo Co., Ltd., average axial ratio of 14) was used instead of acicular titanium oxide FTL-300 (Ishihara Sangyo Co., Ltd., average axial ratio of 24). A dye-sensitized solar cell was prepared in the same manner as described above, and the current-voltage characteristics were measured. In addition, the acicular titanium oxide had a composition of TiO 2-x N x (x is 0.2).

(実施例3)
針状酸化チタンFTL−300(石原産業社製、平均軸比24)に代えて、針状酸化チタンFTL−100(石原産業社製、平均軸比13)を用いた以外は、上記実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、電流電圧特性を測定した。なお、針状酸化チタンは、TiO2−x(xは0.2)の組成を有していた。
(Example 3)
Example 1 except that acicular titanium oxide FTL-100 (Ishihara Sangyo Co., Ltd., average axis ratio 13) was used instead of acicular titanium oxide FTL-300 (Ishihara Sangyo Co., Ltd., average axis ratio 24). A dye-sensitized solar cell was prepared in the same manner as described above, and the current-voltage characteristics were measured. In addition, the acicular titanium oxide had a composition of TiO 2-x N x (x is 0.2).

(比較例1)
半導体形成用インキに針状部分窒化酸化チタンを添加しないこと以外は、上記実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、電流電圧特性を測定した。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that no acicular partial titanium nitride oxide was added to the semiconductor-forming ink, and current-voltage characteristics were measured.

(比較例2)
針状酸化チタンを窒化しないこと以外は、上記実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、電流電圧特性を測定した。
(Comparative Example 2)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that acicular titanium oxide was not nitrided, and current-voltage characteristics were measured.

(比較例3)
針状部分窒化酸化チタンに代えて、ウィスカー状の硼酸アルミニウムの芯材上に酸化スズ系導電被膜を施した針状導電性粒子(三井金属鉱業社製、商品名:TYPE−V、平均軸比8.0、短軸径1μm)を用いた以外は、上記実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製し、電流電圧特性を測定した。
(Comparative Example 3)
Instead of acicular partial titanium nitride oxide, acicular conductive particles having a tin oxide-based conductive coating on a whisker-like aluminum borate core (Mitsui Metal Mining Co., Ltd., trade name: TYPE-V, average axial ratio) A dye-sensitized solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that 8.0 and a minor axis diameter of 1 μm were used, and current-voltage characteristics were measured.

<試験結果>
以下の表1に性能評価の結果を示す。なお、曲線因子(FF:fill factor)とは、太陽電池の最大出力を、短絡電流(Isc)×開放電圧(Voc)で割って得られる値をいい、短絡電流密度Jsc(A/cm)×Voc(V)×FF(%)の値を入射光強度で割ることによって、太陽電池の変換効率η(%)を求めることができる。

Figure 2011216199
<Test results>
Table 1 below shows the results of performance evaluation. The fill factor (FF) is a value obtained by dividing the maximum output of the solar cell by the short circuit current (I sc ) × the open circuit voltage (V oc ), and the short circuit current density J sc (A / The conversion efficiency η (%) of the solar cell can be obtained by dividing the value of cm 2 ) × V oc (V) × FF (%) by the incident light intensity.
Figure 2011216199

表1の結果から明らかなように、実施例1〜3の色素増感型太陽電池は、比較例1、2及び3に示す従来の色素増感型太陽電池に比べて高い出力特性が得られる。これは、半導体層中に導電性を有する針状部分窒化酸化チタンを含有させたことにより、半導体層と導電性基材との界面の接触抵抗が低減され、また、針状部分窒化酸化チタンと酸化チタン微粒子との間にネッキングが形成されたためと考えられる。さらに、本発明における針状部分窒化酸化チタンは、比較例3の場合と異なり、それ自体に増感色素が担持されるため、発電に寄与することができる。   As is clear from the results in Table 1, the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 3 have higher output characteristics than the conventional dye-sensitized solar cells shown in Comparative Examples 1, 2, and 3. . This is because the contact resistance of the interface between the semiconductor layer and the conductive base material is reduced by containing conductive acicular partial titanium nitride oxide in the semiconductor layer, and the acicular partial titanium nitride oxide and This is probably because necking was formed between the fine particles of titanium oxide. Furthermore, unlike the case of Comparative Example 3, the acicular partial titanium nitride oxide in the present invention can contribute to power generation because the sensitizing dye is carried by itself.

1 色素増感型太陽電池
10 導電性基材
20 半導体層
30 電解質層
40 対向電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dye sensitized solar cell 10 Conductive base material 20 Semiconductor layer 30 Electrolyte layer 40 Counter electrode

Claims (6)

導電性基材と、
導電性基材上に配置され、増感色素を担持させた針状の部分窒化酸化チタンを含む半導体層と、
半導体層に対向して配置された対向電極と、
導電性基材及び対向電極の間に配置された、酸化還元対を含む電解質層と、
から構成される色素増感型太陽電池。
A conductive substrate;
A semiconductor layer that is disposed on a conductive substrate and includes acicular partial titanium nitride oxide carrying a sensitizing dye;
A counter electrode disposed opposite the semiconductor layer;
An electrolyte layer comprising a redox couple disposed between the conductive substrate and the counter electrode;
A dye-sensitized solar cell comprising:
半導体層が、増感色素を担持させた金属酸化物微粒子をさらに含む請求項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 semiconductor layer further contains metal oxide fine particles carrying a sensitizing dye. 針状の部分窒化酸化チタンにおける長軸と短軸との平均軸比が5以上50以下である請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池。   3. The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein an average axial ratio between a major axis and a minor axis in the needle-like partially titanium nitride oxide is 5 or more and 50 or less. 針状の部分窒化酸化チタンが、化学式TiO2−xで表され、xが0.18以上0.95以下である請求項1〜3のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。 Acicular parts titanium oxynitride is represented by the chemical formula TiO 2-x N x, dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 3 x is 0.18 to 0.95. 請求項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池における前記半導体層を形成するためのインキであって、針状の部分窒化酸化チタンを含む前記インキ。   It is an ink for forming the said semiconductor layer in the dye-sensitized solar cell in any one of Claims 1-4, Comprising: The said ink containing acicular partial titanium nitride oxide. 請求項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の複数を、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 formed by connecting a plurality of the dye-sensitized solar cells according to claim 1 in series or in parallel.
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