JP2011253741A - Semiconductor electrode layer, method of manufacturing the same, and electrochemical device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor electrode layer composed of a metal oxide semiconductor porous layer, which can be manufactured by low temperature calcination and which has all of the performance as an electrode, the hardness and the adhesion to a support member and achieves a higher photoelectric conversion performance when it is used to form a dye-sensitized-type solar cell, and to provide a method of manufacturing the semiconductor electrode layer, and an electrochemical device having the semiconductor electrode layer.SOLUTION: The method of manufacturing a semiconductor electrode layer includes: preparing a coating liquid by adding, to metal oxide semiconductor fine particles 2, a first compound yielding titanium oxide on hydrolysis, and a second compound consisting of a niobium (V) compound yielding oxide or hydroxide on hydrolysis, or phosphoric acid or phosphoric ester; and putting a layer of the coating liquid on a support member 5 followed by low temperature calcination. The semiconductor electrode layer 1 formed by the method has a first oxide layer 3 made of titanium oxide and binding between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and between the fine particle 2 and support member 5, and is improved in its conductivity by niobium (V) oxide or a phosphorous (V) compound.

Description

本発明は、金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層及びその製造方法、並びに、その半導体電極層を有し、色素増感型太陽電池などとして有用な電気化学装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor electrode layer comprising a porous metal oxide semiconductor layer, a method for producing the same, and an electrochemical device having the semiconductor electrode layer and useful as a dye-sensitized solar cell.

エネルギー源として石炭や石油などの化石燃料を用いると、二酸化炭素が発生する。二酸化炭素は地球温暖化を引き起こす原因物質の1つである。原子力エネルギーの利用では放射性元素が生成し、放射能汚染などの危険性が伴う。また、これらのエネルギー資源は有限であり、いずれ枯渇する。従って、これらのエネルギー源に過度に依存していくことには問題がある。近年、これらに代わる、クリーンで、無尽蔵なエネルギー源として、太陽光が注目されている。太陽電池は、太陽光のもつエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置であり、太陽光をエネルギー源としているため、地球環境に与える影響が極めて小さい。このため、太陽電池のより一層の普及が期待されている。太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。   Carbon dioxide is generated when fossil fuels such as coal and oil are used as energy sources. Carbon dioxide is one of the causative substances that cause global warming. In the use of nuclear energy, radioactive elements are generated and there is a risk of radioactive contamination. Moreover, these energy resources are limited and will eventually be exhausted. Therefore, reliance on these energy sources is problematic. In recent years, sunlight has attracted attention as an alternative and clean and inexhaustible energy source. A solar cell is a photoelectric conversion device that converts the energy of sunlight into electrical energy, and uses sunlight as an energy source, and therefore has a very small influence on the global environment. For this reason, further spread of solar cells is expected. A solar cell is a device that converts light energy into electrical energy.

太陽電池の原理や構成材料として、様々なものが提案されている。そのうち、半導体のpn接合を利用する太陽電池は、現在最も普及しており、シリコンを半導体材料とした太陽電池が多数市販されている。しかし、pn接合を用いる太陽電池の製造には、高純度の半導体材料を製造する工程や、pn接合を形成する工程が必要である。このため、高温プロセスなどの製造工程におけるエネルギー消費が大きいという問題がある。また、製造工程数が多く、クリーンルームや真空装置などの大がかりな装置が必要であるので、製造コストが高くなるという問題もある。   Various things are proposed as a principle and constituent material of a solar cell. Among them, solar cells using a semiconductor pn junction are currently most popular, and many solar cells using silicon as a semiconductor material are commercially available. However, manufacturing a solar cell using a pn junction requires a process for manufacturing a high-purity semiconductor material and a process for forming a pn junction. For this reason, there exists a problem that energy consumption in manufacturing processes, such as a high temperature process, is large. In addition, since the number of manufacturing processes is large and a large-scale apparatus such as a clean room or a vacuum apparatus is necessary, there is a problem that the manufacturing cost increases.

一方、色素によって光増感された光誘起電子移動を応用した色素増感型太陽電池が、グレッツェルらによって提案されている(特許公報第2664194号(第2および3頁、図1)、およびB.O'Regan and M.Graetzel,Nature,353,p.737-740(1991)など参照。)。   On the other hand, a dye-sensitized solar cell using photoinduced electron transfer photosensitized by a dye has been proposed by Gretzel et al. (Patent Publication No. 2664194 (2nd and 3rd pages, FIG. 1)) and B (See O'Regan and M. Graetzel, Nature, 353, p. 737-740 (1991).)

図5は、一般的な色素増感型太陽電池100の構造を示す要部断面図である。色素増感型太陽電池100は、主として、ガラスなどの透明基板101、透明導電層(負極集電体)102、光増感色素を保持した半導体電極層103(負極)、電解質層104、対向電極(正極)105、対向基板106、および(図示省略した)封止材などで構成されている。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part showing the structure of a general dye-sensitized solar cell 100. The dye-sensitized solar cell 100 mainly includes a transparent substrate 101 such as glass, a transparent conductive layer (negative electrode current collector) 102, a semiconductor electrode layer 103 (negative electrode) holding a photosensitizing dye, an electrolyte layer 104, a counter electrode. (Positive electrode) 105, counter substrate 106, and sealing material (not shown).

透明導電層102は、ITO(Indium Tin Oxide;インジウム・スズ複合酸化物)やFTO(フッ素がドープされた酸化スズ)などからなり、透明基板101の上に設けられており、負極集電体として機能する。負極である半導体電極層103は、透明導電層102に接して設けられている。半導体電極層103としては、酸化チタンTiO2などの金属酸化物半導体の微粒子を焼結させた多孔質層が用いられることが多い。光増感色素は、半導体電極層103を構成する金属酸化物の表面に吸着されている。電解質層104としては、酸化還元種(レドックス対)を含む電解液などが用いられる。対向電極105は白金層などで構成され、対向基板106上に設けられている。 The transparent conductive layer 102 is made of ITO (Indium Tin Oxide) or FTO (fluorine-doped tin oxide), and is provided on the transparent substrate 101 as a negative electrode current collector. Function. The semiconductor electrode layer 103 that is a negative electrode is provided in contact with the transparent conductive layer 102. As the semiconductor electrode layer 103, a porous layer obtained by sintering fine particles of a metal oxide semiconductor such as titanium oxide TiO 2 is often used. The photosensitizing dye is adsorbed on the surface of the metal oxide constituting the semiconductor electrode layer 103. As the electrolyte layer 104, an electrolytic solution containing a redox species (redox pair) or the like is used. The counter electrode 105 is composed of a platinum layer or the like, and is provided on the counter substrate 106.

色素増感型太陽電池100は、光が透明基板101側から入射するように構成されている。入射した光の一部は光増感色素によって吸収され、この光吸収によって励起された電子の一部が半導体電極層103に取り出される。一方、電子を失った光増感色素は、電解質層104中の還元剤によって還元される。この反応によって電解質層104中に生じた酸化剤は、対向電極(正極)105から電子を受け取り還元される。この結果、色素増感型太陽電池100は、透明導電層102および半導体電極層103を負極、対向電極105を正極とする光電池として動作する。色素増感型太陽電池は、半導体電極層を有する電気化学装置の一例である。   The dye-sensitized solar cell 100 is configured such that light enters from the transparent substrate 101 side. A part of the incident light is absorbed by the photosensitizing dye, and a part of the electrons excited by the light absorption is extracted to the semiconductor electrode layer 103. On the other hand, the photosensitizing dye that has lost electrons is reduced by the reducing agent in the electrolyte layer 104. The oxidizing agent generated in the electrolyte layer 104 by this reaction receives electrons from the counter electrode (positive electrode) 105 and is reduced. As a result, the dye-sensitized solar cell 100 operates as a photovoltaic cell having the transparent conductive layer 102 and the semiconductor electrode layer 103 as a negative electrode and the counter electrode 105 as a positive electrode. A dye-sensitized solar cell is an example of an electrochemical device having a semiconductor electrode layer.

色素増感型太陽電池には、製造に真空処理工程が必要ないので、大がかりな装置を必要とせず、また、酸化チタンなどの安価な酸化物半導体を用いて、少ない工程で、生産性よく製造できる長所がある。また、可視光領域を中心として広い波長領域に、各波長領域の光を吸収できる光増感色素が種々存在するので、用いる色素を変えることによって、吸収する光の波長を選択したり、あるいは複数の色素を組み合わせることによって、広い波長領域の光を利用したりできる長所がある。加えて、プラスチックなどの、軽量でフレキシブルな基材を用いて、ロール・ツー・ロール・プロセスによって、さらに生産性よく安価に製造できる可能性を秘めている。このため、新世代の太陽電池として、近年非常に注目されている。   Dye-sensitized solar cells do not require a vacuum treatment process for manufacturing, so large-scale equipment is not required, and inexpensive oxide semiconductors such as titanium oxide are used to manufacture with low productivity and high productivity. There are advantages. In addition, there are various photosensitizing dyes that can absorb light in each wavelength region in a wide wavelength region centered on the visible light region. Therefore, the wavelength of light to be absorbed can be selected by changing the dye used, or multiple By combining these dyes, there is an advantage that light in a wide wavelength region can be used. In addition, there is a possibility that it can be manufactured with high productivity and low cost by a roll-to-roll process using a lightweight and flexible base material such as plastic. For this reason, it has attracted much attention in recent years as a new generation solar cell.

図6は、従来の、金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層103の、一般的な作製工程を示すフロー図である。以下、酸化チタンなどを材料として半導体電極層103を作製する場合について説明する。   FIG. 6 is a flowchart showing a general manufacturing process of the conventional semiconductor electrode layer 103 made of a metal oxide semiconductor porous layer. Hereinafter, the case where the semiconductor electrode layer 103 is manufactured using titanium oxide or the like as a material will be described.

金属酸化物半導体多孔質層を作製するには、まず、粒子径が十数nmから数十nmの金属酸化物半導体微粒子を分散させた、ペースト状の分散液を調製する。次に、透明基板101上に設けられた透明導電層102に、塗布法などによって分散液を被着させた後、溶媒を蒸発させ、金属酸化物半導体微粒子層を形成する。   In order to produce the metal oxide semiconductor porous layer, first, a paste-like dispersion liquid in which metal oxide semiconductor fine particles having a particle size of several tens to several tens of nm are dispersed is prepared. Next, a dispersion liquid is deposited on the transparent conductive layer 102 provided on the transparent substrate 101 by a coating method or the like, and then the solvent is evaporated to form a metal oxide semiconductor fine particle layer.

次に、金属酸化物半導体微粒子層を空気中で450〜550℃程度の高温にて30分間ほど加熱する焼結工程を行う。この焼結工程で、微粒子同士が接点近傍で融着し、微粒子間が細い連結部を介してネットワーク状に連結され、微粒子間の空隙が空孔として残された金属酸化物半導体多孔質層が形成される(以下、接点近傍での融着によって、微粒子間が細い連結部を介して連結される現象をネッキングと言い、この様な連結を形成する処理をネッキング処理と言うことがある。)。この金属酸化物半導体多孔質層は、光増感色素を吸着させると、半導体電極層103として用いることができる。   Next, a sintering process is performed in which the metal oxide semiconductor fine particle layer is heated in air at a high temperature of about 450 to 550 ° C. for about 30 minutes. In this sintering process, the metal oxide semiconductor porous layer in which the fine particles are fused in the vicinity of the contacts, the fine particles are connected in a network via thin connecting portions, and the voids between the fine particles are left as pores. (Hereinafter, the phenomenon in which the fine particles are connected through a thin connecting portion by fusion in the vicinity of the contact is called necking, and the process of forming such a connection may be called the necking process.) . This metal oxide semiconductor porous layer can be used as the semiconductor electrode layer 103 when a photosensitizing dye is adsorbed.

焼結工程で形成される微粒子間の連結部は、微粒子間の電子の通路(パス)を形成する。従って、色素増感型太陽電池100の光電変換特性はネッキングの状態に大きく依存し、ネッキング処理が十分行われ、微粒子間の連結性が高いほど、電子の流れがスムーズになり、光電変換特性も向上する。しかし、通常、ネッキング処理は加熱をともなうため、過度に行われると、微粒子同士が必要以上に融着してしまい、空孔がつぶれて、多孔質層の実表面積が減少する。この実表面積の減少は、半導体電極層103の表面における光増感色素の保持や電極反応の進行に不利である。従って、焼結工程は、適切な処理温度および処理時間に制御して行う必要がある。   The connecting portion between the fine particles formed in the sintering process forms an electron path (path) between the fine particles. Accordingly, the photoelectric conversion characteristics of the dye-sensitized solar cell 100 greatly depend on the state of necking, and the more the necking process is performed, the higher the connectivity between the fine particles, the smoother the electron flow and the photoelectric conversion characteristics are. improves. However, since the necking treatment usually involves heating, if it is performed excessively, the fine particles are fused more than necessary, the pores are crushed, and the actual surface area of the porous layer is reduced. This reduction in the actual surface area is disadvantageous for the retention of the photosensitizing dye on the surface of the semiconductor electrode layer 103 and the progress of the electrode reaction. Therefore, it is necessary to control the sintering process at an appropriate processing temperature and processing time.

なお、多孔質層では、外側表面の面積(投影面積)に比べて、多孔質層内部の空孔に面する構成微粒子の表面の面積が数倍〜数千倍の大きさに達する。従って、多孔質層における光増感色素の保持や電極反応の進行は、主として、多孔質層内部の空孔に面する表面において行われる。そこで、本明細書では、以下、多孔質層内部の空孔に面する表面も含めて、多孔質層を構成する微粒子の全表面積を実表面積と呼んで、多孔質層の投影面積と区別する。また、本明細書でいう多孔質層の表面処理とは、多孔質層内部の空孔に面する表面を主とする全表面に対して行う処理を言うものとする。   In the porous layer, the area of the surface of the constituent fine particles facing the pores inside the porous layer reaches several times to several thousand times the area of the outer surface (projected area). Therefore, the retention of the photosensitizing dye in the porous layer and the progress of the electrode reaction are mainly performed on the surface facing the pores inside the porous layer. Therefore, in the present specification, hereinafter, the total surface area of the fine particles constituting the porous layer including the surface facing the pores inside the porous layer is referred to as an actual surface area, and is distinguished from the projected area of the porous layer. . Moreover, the surface treatment of the porous layer as used in this specification shall mean the process performed with respect to the whole surface mainly having the surface which faces the void | hole inside a porous layer.

焼結後、多孔質層の実表面積を増加させたり、微粒子間のネッキングを高めたりする目的で、多孔質層の表面処理、例えば、四塩化チタン水溶液処理や、直径10nm以下の酸化チタン超微粒子ゾルによるディップ処理などを行うのが一般的である。四塩化チタン水溶液処理では、例えば、0.05M程度の濃度の四塩化チタン水溶液中に酸化チタン多孔質層を70℃で30分間保持する。続いて蒸留水で洗浄した後、450〜550℃の高温にて30分間ほど加熱処理する(後述の非特許文献1および2参照。)。   After sintering, for the purpose of increasing the actual surface area of the porous layer or increasing the necking between the fine particles, the surface treatment of the porous layer, for example, titanium tetrachloride aqueous solution treatment, titanium oxide ultrafine particles having a diameter of 10 nm or less In general, dip treatment with sol is performed. In the titanium tetrachloride aqueous solution treatment, for example, the titanium oxide porous layer is held at 70 ° C. for 30 minutes in a titanium tetrachloride aqueous solution having a concentration of about 0.05M. Subsequently, after washing with distilled water, heat treatment is performed at a high temperature of 450 to 550 ° C. for about 30 minutes (see Non-Patent Documents 1 and 2 described later).

この四塩化チタン水溶液処理では、下記の反応式で示される四塩化チタンTiCl4の加水分解によって、ナノサイズの高純度の酸化チタン微粒子が、多孔質層を構成する酸化チタン微粒子の表面に形成される。
TiCl4 + 4H2O → Ti(OH)4 + 4HCl
Ti(OH)4 → TiO2 + 2H2
この新たに形成された酸化チタン微粒子の表面は、光電変換活性の高い領域として機能するとされている(後述の非特許文献2参照。)。また、微粒子間の連結性を向上させることによって、微粒子間の導電性を向上させる効果などがあると言われている(後述の非特許文献3参照。)。
In this titanium tetrachloride aqueous solution treatment, nanosized high-purity titanium oxide fine particles are formed on the surface of the titanium oxide fine particles constituting the porous layer by hydrolysis of titanium tetrachloride TiCl 4 represented by the following reaction formula. The
TiCl 4 + 4H 2 O → Ti (OH) 4 + 4HCl
Ti (OH) 4 → TiO 2 + 2H 2 O
The surface of the newly formed titanium oxide fine particles is supposed to function as a region having high photoelectric conversion activity (see Non-Patent Document 2 described later). Further, it is said that there is an effect of improving the conductivity between the fine particles by improving the connectivity between the fine particles (see Non-Patent Document 3 described later).

さて、高温における焼結工程は、製造工程におけるエネルギー消費を低減する上で障害となる。また、400〜500℃の高温に耐え得るプラスチック材料はないので、高温焼結を行う場合、透明基板101としてプラスチックを用いることは不可能になる。   Now, the sintering process at high temperature becomes an obstacle to reducing energy consumption in the manufacturing process. Moreover, since there is no plastic material that can withstand high temperatures of 400 to 500 ° C., it is impossible to use plastic as the transparent substrate 101 when performing high-temperature sintering.

一方、色素増感型太陽電池を低コスト化したり、曲面等に設置できるように可暁性をもたせたりするために、透明基板101としてプラスチックフィルムを用いる場合には、プラスチック基板の耐熱温度(ガラス転移温度)との関係で、加熱処理温度を150℃程度とする低温焼成を行うことになる。しかしながら、低温焼成で得られる金属酸化物半導体多孔質層では、結晶性が悪いので、光電変換効率が低い。また、微粒子間の結合状態が悪いので、ロール・ツー・ロール・プロセスなどによる太陽電池の製造工程において、酸化チタン多孔質層の傷つきや剥離が生じるおそれがある。   On the other hand, in the case where a plastic film is used as the transparent substrate 101 in order to reduce the cost of the dye-sensitized solar cell or to provide flexibility so that it can be installed on a curved surface or the like, the heat resistance temperature of the plastic substrate (glass In relation to the transition temperature, low-temperature baking is performed at a heat treatment temperature of about 150 ° C. However, since the metal oxide semiconductor porous layer obtained by low-temperature firing has poor crystallinity, the photoelectric conversion efficiency is low. Further, since the bonding state between the fine particles is poor, the titanium oxide porous layer may be damaged or peeled off in the manufacturing process of the solar cell by a roll-to-roll process or the like.

そこで、後述の特許文献1には、金属酸化物微粒子と、該金属酸化物微粒子を接着するための金属アルコキシドとを混練してペーストとなし、該ペーストを導電性基板に塗布し、上記金属アルコキシドを加水分解することにより、上記導電性基板の表面に上記金属酸化物微粒子の多孔質膜を形成し、次いで、酸素雰囲気中において紫外線照射を行い、オゾンを発生させる、いわゆるUVオゾン処理を行い、次いで、該多孔質膜に増感色素を吸着させることを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法が提案されている。   Therefore, in Patent Document 1 described later, a metal oxide fine particle and a metal alkoxide for adhering the metal oxide fine particle are kneaded to form a paste, and the paste is applied to a conductive substrate. To form a porous film of the metal oxide fine particles on the surface of the conductive substrate, then perform ultraviolet irradiation in an oxygen atmosphere to generate ozone, so-called UV ozone treatment, Next, a method for producing a dye-sensitized solar cell is proposed in which a sensitizing dye is adsorbed on the porous film.

図7は、特許文献1に示されている、金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層の作製工程を示すフロー図である。特許文献1には下記のように説明されている。   FIG. 7 is a flowchart showing a manufacturing process of a semiconductor electrode layer made of a metal oxide semiconductor porous layer, as disclosed in Patent Document 1. Patent Document 1 explains as follows.

金属酸化物半導体多孔質層を作製するには、まず、粒子径が5〜100nmの金属酸化物半導体微粒子を300〜500℃で加熱処理して、金属酸化物半導体微粒子に吸着されている水分や有機物を除去する。この前処理によって、得られる色素増感型太陽電池の光電変換効率が向上する。また、紫外線照射によって金属酸化物半導体微粒子から有機物を除去する前処理でも、色素増感型太陽電池の光電変換効率が向上する。   In order to produce the metal oxide semiconductor porous layer, first, metal oxide semiconductor fine particles having a particle diameter of 5 to 100 nm are heat-treated at 300 to 500 ° C. Remove organics. This pretreatment improves the photoelectric conversion efficiency of the obtained dye-sensitized solar cell. In addition, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is also improved by pretreatment for removing organic substances from the metal oxide semiconductor fine particles by ultraviolet irradiation.

次に、金属酸化物半導体微粒子と金属アルコキシドとを溶媒とともに混練して、ペースト状の塗液を調製する。   Next, metal oxide semiconductor fine particles and metal alkoxide are kneaded together with a solvent to prepare a paste-like coating liquid.

次に、導電層などが設けられた導電性基板に、塗布法などによって上記塗液を被着させた後、溶媒を蒸発させる。このとき、金属アルコキシドが空気中の水分と反応し、下記の反応式で示すように、金属アルコキシドの加水分解によって金属酸化物が生成する。なお、反応式は金属アルコキシドがチタンアルコキシドである例を示し、式中、ORはアルコキシ基を表すものとする。
Ti(OR)4 + 4H2O → Ti(OH)4 + 4ROH
Ti(OH)4 → TiO2 + 2H2
Next, the coating liquid is deposited on a conductive substrate provided with a conductive layer or the like by a coating method or the like, and then the solvent is evaporated. At this time, the metal alkoxide reacts with moisture in the air, and a metal oxide is generated by hydrolysis of the metal alkoxide, as shown by the following reaction formula. The reaction formula shows an example in which the metal alkoxide is a titanium alkoxide, in which OR represents an alkoxy group.
Ti (OR) 4 + 4H 2 O → Ti (OH) 4 + 4ROH
Ti (OH) 4 → TiO 2 + 2H 2 O

生成する金属酸化物はアモルファスで、金属酸化物半導体微粒子の表面に付着し、金属酸化物半導体微粒子間、および金属酸化物半導体微粒子と導電性基板との間を接着する役割を果たす。この結果、導電性基板上に金属酸化物半導体多孔質層が形成される。なお、金属酸化物半導体微粒子が酸化チタン微粒子である場合、新たに生成させる金属酸化物も酸化チタンであるときに、色素増感型太陽電池の光電変換効率が高くなる。しかし、ジルコニウムやニオブなど、異種金属元素の酸化物を付着させることも可能である。   The generated metal oxide is amorphous and adheres to the surface of the metal oxide semiconductor fine particles, and serves to bond between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the conductive substrate. As a result, a metal oxide semiconductor porous layer is formed on the conductive substrate. When the metal oxide semiconductor fine particles are titanium oxide fine particles, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is increased when the newly generated metal oxide is also titanium oxide. However, it is also possible to deposit oxides of different metal elements such as zirconium and niobium.

次に、この金属酸化物半導体多孔質層に酸素雰囲気中にて紫外線を照射してオゾンを発生させ、残留する有機物を酸化して除去する。さらに、この後、80〜200℃で加熱処理するのが好ましい。これらの後処理で、色素増感型太陽電池の光電変換効率が向上する。この後、金属酸化物半導体多孔質層に光増感色素を吸着させる。   Next, this metal oxide semiconductor porous layer is irradiated with ultraviolet rays in an oxygen atmosphere to generate ozone, and the remaining organic matter is oxidized and removed. Furthermore, it is preferable to heat-process after this at 80-200 degreeC. These post-treatments improve the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell. Thereafter, the photosensitizing dye is adsorbed on the metal oxide semiconductor porous layer.

金属酸化物半導体微粒子の前処理や金属酸化物半導体多孔質層の後処理によって、色素増感型太陽電池の光電変換効率が向上する原因としては、水分や有機物の除去によって、金属酸化物半導体多孔質層に吸着される光増感色素の量が増加することが挙げられている。また、金属酸化物半導体多孔質層中の有機物は電子の再結合中心として働くので、有機物の除去は、電子の再結合を抑制し、電子寿命を増大させ、量子効率を向上させる効果もあると説明されている。   The reason why the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is improved by the pre-treatment of the metal oxide semiconductor fine particles and the post-treatment of the metal oxide semiconductor porous layer is that the removal of moisture and organic substances causes the metal oxide semiconductor porous It is mentioned that the amount of the photosensitizing dye adsorbed on the quality layer increases. In addition, since the organic substance in the metal oxide semiconductor porous layer acts as an electron recombination center, the removal of the organic substance has the effect of suppressing the electron recombination, increasing the electron lifetime, and improving the quantum efficiency. Explained.

特許文献1に示されている製造方法によれば、低温焼成で金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層を作製することができる。この結果、製造工程におけるエネルギー消費を抑えることができ、また、軽量、安価で、フレキシブルなプラスチックフィルムなどの耐熱性の乏しい材料を基板として用いることができるので、好ましい。   According to the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, a semiconductor electrode layer composed of a metal oxide semiconductor porous layer can be produced by low-temperature firing. As a result, energy consumption in the manufacturing process can be suppressed, and a material having low heat resistance such as a lightweight, inexpensive, and flexible plastic film can be used as the substrate, which is preferable.

しかしながら、特許文献1に示されている製造方法によれば、金属酸化物半導体微粒子と金属アルコキシドとの混合比に関連して、二律背反の関係が存在する。すなわち、金属酸化物半導体微粒子の量に比して金属アルコキシドの量が少なすぎる場合、金属アルコキシドの分解によって生じる金属酸化物が不足し、金属酸化物半導体微粒子間、および金属酸化物半導体微粒子と導電性基板との間の接着が不十分となって、金属酸化物半導体多孔質層の機械的強度が不足したり、金属酸化物半導体多孔質層が導電性基板から剥離したりしやすくなる。一方、金属酸化物半導体微粒子の量に比して金属アルコキシドの量が多すぎる場合、金属酸化物半導体微粒子表面がアモルファス金属酸化物層によって厚く被覆されてしまったり、金属酸化物半導体微粒子の実表面積が減少したりして、電極としての性能が低下する。従って、電極としての性能を重視すると、金属酸化物半導体多孔質層の硬度が不足したり、導電性基板への密着性が不十分になったりする。   However, according to the manufacturing method shown in Patent Document 1, there is a trade-off relationship in relation to the mixing ratio between the metal oxide semiconductor fine particles and the metal alkoxide. That is, when the amount of the metal alkoxide is too small compared to the amount of the metal oxide semiconductor fine particles, the metal oxide generated by the decomposition of the metal alkoxide is insufficient, and between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the conductive material. Adhesion with the conductive substrate becomes insufficient, and the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer is insufficient, or the metal oxide semiconductor porous layer is easily peeled off from the conductive substrate. On the other hand, if the amount of the metal alkoxide is too large compared to the amount of the metal oxide semiconductor fine particles, the surface of the metal oxide semiconductor fine particles may be thickly covered with an amorphous metal oxide layer, or the actual surface area of the metal oxide semiconductor fine particles Or the performance as an electrode is reduced. Therefore, if importance is attached to the performance as an electrode, the hardness of the metal oxide semiconductor porous layer may be insufficient, or the adhesion to the conductive substrate may be insufficient.

そこで、本出願人は、最近、
金属酸化物半導体微粒子と、加水分解すると第1の酸化物を生じる第1の化合物と、 前記第1の化合物より加水分解しにくく、かつ加水分解すると前記第1の酸化物より硬 度の高い第2の酸化物を生じる第2の化合物とを、有機溶媒に分散又は溶解させた塗液 を調製する工程と、
前記塗液の層を支持体に被着させる工程と、
前記塗液の層から前記有機溶媒を蒸発させる蒸発工程と、
前記蒸発工程後、温度を上昇させ、加熱処理する焼成工程と
を有し、
前記第1の酸化物の層が、主として直接、前記金属酸化物半導体微粒子及び前記支持 体に結着し、
前記第2の酸化物の層が、主として前記第1の酸化物の層を介して、前記金属酸化物 半導体微粒子及び前記支持体に結着し、
前記第1酸化物層と前記第2酸化物層とによって、前記金属酸化物半導体微粒子間、 及び前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間が結着されている金属酸化物半導 体多孔質層
を作製する、半導体電極層の第1の製造方法を発明し、これを特許出願した(特願2009−298384)。
Therefore, the applicant has recently
A metal oxide semiconductor fine particle, a first compound that generates a first oxide when hydrolyzed, and is harder to hydrolyze than the first compound and is harder than the first oxide when hydrolyzed A step of preparing a coating liquid in which a second compound that produces an oxide of 2 is dispersed or dissolved in an organic solvent;
Applying a layer of the coating liquid to a support;
An evaporation step of evaporating the organic solvent from the coating liquid layer;
After the evaporation step, the temperature is increased, and a baking step for heat treatment is included.
The first oxide layer is mainly bonded directly to the metal oxide semiconductor fine particles and the support;
The second oxide layer is bound to the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer;
A metal oxide semiconductor in which the metal oxide semiconductor fine particles and the metal oxide semiconductor fine particles and the support are bound by the first oxide layer and the second oxide layer. A first manufacturing method of a semiconductor electrode layer for producing a porous layer was invented and a patent application was filed (Japanese Patent Application No. 2009-298384).

さらに、本出願人は、上記金属酸化物半導体微粒子として、一次粒子の平均粒子径が100nm以下の第1の微粒子と、一次粒子の平均粒子径が100nmより大きく、10000nm以下である第2の微粒子との、少なくとも2種類の大きさの微粒子を含有する金属酸化物半導体微粒子を用いて上記金属酸化物半導体多孔質層を作製する、半導体電極層の第2の製造方法を発明し、これを特許出願した(特願2010−26483)。   Further, the applicant of the present invention provides a first fine particle having an average primary particle size of 100 nm or less and a second fine particle having an average primary particle size of more than 100 nm and 10000 nm or less as the metal oxide semiconductor fine particles. And inventing a second method for producing a semiconductor electrode layer, wherein the metal oxide semiconductor porous layer is produced using metal oxide semiconductor fine particles containing at least two kinds of fine particles. An application was filed (Japanese Patent Application No. 2010-26483).

上記半導体電極層の第1の製造方法では、蒸発工程及び/又は焼成工程において、第1の酸化物および第2の酸化物を生じる脱水縮合反応による体積収縮が起こり、金属酸化物半導体多孔質層にクラックが発生することがある。このクラックは、金属酸化物半導体多孔質層の硬度および支持体への密着性には大きな悪影響を及ぼさない。しかし、クラックが発生するような場合、金属酸化物半導体微粒子間のネッキングの形成が不十分であり、金属酸化物半導体微粒子間の導電性が低下し、この金属酸化物半導体微粒子層を用いた色素増感型太陽電池の光電変換性能が低下する。上記半導体電極層の第2の製造方法では、この不都合が解消される。しかしながら、実用化を考えれば、色素増感型太陽電池の光電変換性能のさらなる向上が望まれる。   In the first method for producing a semiconductor electrode layer, volume contraction occurs due to a dehydration condensation reaction that generates a first oxide and a second oxide in the evaporation step and / or the firing step, and the metal oxide semiconductor porous layer Cracks may occur. This crack does not have a great adverse effect on the hardness of the metal oxide semiconductor porous layer and the adhesion to the support. However, when cracks occur, the formation of necking between the metal oxide semiconductor fine particles is insufficient, the conductivity between the metal oxide semiconductor fine particles decreases, and the dye using the metal oxide semiconductor fine particle layer The photoelectric conversion performance of the sensitized solar cell is lowered. In the second manufacturing method of the semiconductor electrode layer, this inconvenience is solved. However, considering practical application, further improvement in the photoelectric conversion performance of the dye-sensitized solar cell is desired.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、低温焼成によって作製することができ、電極としての性能と、硬度および支持体への密着性とを両立させることができ、かつ、色素増感型太陽電池を構成した場合により高い光電変換性能が得られる、金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層及びその製造方法、並びに、その半導体電極層を有し、色素増感型太陽電池などとして有用な電気化学装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and the object thereof can be produced by low-temperature firing, and achieves both performance as an electrode, hardness, and adhesion to a support. A semiconductor electrode layer comprising a metal oxide semiconductor porous layer, a method for producing the same, and a semiconductor electrode layer capable of obtaining higher photoelectric conversion performance when a dye-sensitized solar cell is configured An object of the present invention is to provide an electrochemical device useful as a dye-sensitized solar cell.

即ち、本発明は、
支持体上に配置された金属酸化物半導体微粒子と、
酸化チタンTiO2からなり、主として直接、前記金属酸化物半導体微粒子及び前記支 持体に結着している第1酸化物層と、
前記第1酸化物層に含有されるか、又は主として前記第1酸化物層を介して前記金属 酸化物半導体微粒子及び前記支持体に結着する第2酸化物層を形成しているニオブNb( V)酸化物或いは水酸化物、若しくは、前記第1酸化物層の表面の少なくとも一部を被 覆するリン酸或いはリン酸エステルのいずれかと
を少なくとも含有し、前記第1酸化物層、又は前記第1酸化物層と前記第2酸化物層によって、前記金属酸化物半導体微粒子間、及び前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間が結着されてなる、半導体電極層に係わるものである。
That is, the present invention
Metal oxide semiconductor fine particles disposed on a support;
A first oxide layer made of titanium oxide TiO 2 and bound directly to the metal oxide semiconductor fine particles and the support;
Niobium Nb that is contained in the first oxide layer or that forms a second oxide layer that binds to the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer. V) an oxide or hydroxide, or at least one of phosphoric acid or phosphate covering at least part of the surface of the first oxide layer, the first oxide layer, or the The first oxide layer and the second oxide layer relate to a semiconductor electrode layer formed by binding between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support. is there.

また、
少なくとも、
金属酸化物半導体微粒子と、
加水分解すると酸化チタンTiO2を生じる第1の化合物と、
前記第1の化合物より加水分解しにくいか、又は同程度に加水分解しやすく、かつ 加水分解するとニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物を生じるニオブ(V)化合物、若 しくはリン酸或いはリン酸エステルのいずれかである第2の化合物と
を有機溶媒に分散又は溶解させた塗液を調製する工程と、
前記塗液の層を支持体に被着させる工程と、
前記塗液の層から前記有機溶媒を蒸発させる蒸発工程と、
前記蒸発工程後、温度を上昇させ、加熱処理する焼成工程と
を有し、
前記酸化チタンからなる第1酸化物層が、主として直接、前記金属酸化物半導体微粒 子及び前記支持体に結着し、
少なくとも前記ニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物、若しくは前記リン酸或いはリ ン酸エステルのいずれかを含有し、前記ニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物は、前記 第1酸化物層に含有されているか、又は主として前記第1酸化物層を介して前記金属酸 化物半導体微粒子及び前記支持体に結着する第2酸化物層を形成しているかであり、前 記リン酸或いはリン酸エステルは前記第1酸化物層の表面の少なくとも一部を被覆して おり、
前記第1酸化物層、又は前記第1酸化物層と前記第2酸化物層によって、前記金属酸 化物半導体微粒子間、及び前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間が結着され ている
金属酸化物半導体多孔質層を作製する、半導体電極層の製造方法に係わるものである。
Also,
at least,
Metal oxide semiconductor fine particles,
A first compound that yields titanium oxide TiO 2 upon hydrolysis;
Niobium (V) compound, phosphoric acid or niobium (V) compound that is less likely to hydrolyze than the first compound, or is easily hydrolyzed to the same extent, and generates niobium Nb (V) oxide or hydroxide upon hydrolysis. A step of preparing a coating liquid in which a second compound that is one of phosphate esters is dispersed or dissolved in an organic solvent;
Applying a layer of the coating liquid to a support;
An evaporation step of evaporating the organic solvent from the coating liquid layer;
After the evaporation step, the temperature is increased, and a baking step for heat treatment is included.
The first oxide layer made of titanium oxide is mainly directly bonded to the metal oxide semiconductor particles and the support;
The niobium Nb (V) oxide or hydroxide contains at least one of the niobium Nb (V) oxide or hydroxide, and the phosphoric acid or phosphate ester, and the niobium Nb (V) oxide or hydroxide contains the first oxide layer. Or the second oxide layer bound to the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer. The phosphoric acid or phosphorous The acid ester covers at least part of the surface of the first oxide layer,
The first oxide layer or the first oxide layer and the second oxide layer bind the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support. The present invention relates to a method for producing a semiconductor electrode layer for producing a porous metal oxide semiconductor layer.

また、少なくとも、前記の本発明の半導体電極層と、対向電極と、これらの間に挟持された電解質層とを有する、電気化学装置に係わるものである。   The present invention also relates to an electrochemical device having at least the semiconductor electrode layer of the present invention, a counter electrode, and an electrolyte layer sandwiched therebetween.

本発明の半導体電極層の製造方法によれば、少なくとも、金属酸化物半導体微粒子と、加水分解すると酸化チタンを生じる第1の化合物と、前記第1の化合物より加水分解しにくいか、又は同程度に加水分解しやすく、かつ加水分解するとニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物を生じるニオブ(V)化合物、若しくはリン酸或いはリン酸エステルのいずれかである第2の化合物とを、有機溶媒に分散又は溶解させた塗液を調製する。未精製の前記金属酸化物半導体微粒子や前記有機溶媒には、通常、多かれ少なかれ吸着または吸蔵された水分が含まれている。この結果、前記塗液中で前記第1の化合物の加水分解が進行し、生成した前記酸化チタンが前記金属酸化物半導体微粒子の表面に結合し、前記金属酸化物半導体微粒子間を連結して、前記塗液中で前記金属酸化物半導体微粒子間のネットワークが形成されることがある。次に、前記塗液の層を支持体に被着させ、前記塗液の層から前記有機溶媒を蒸発させると、前記塗液に含まれていた前記酸化チタンは、前記金属酸化物半導体微粒子又は前記支持体に結着する。また、空気中の水分との反応によって前記第1の化合物の加水分解がさらに進む。この結果、前記第1の化合物は、次の前記焼成工程に入る前に大部分が前記酸化チタンに変化する。そして、前記金属酸化物半導体微粒子間、および前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間が、前記第1酸化物層によって結着された金属酸化物半導体多孔質層が形成される。この後、前記焼成工程を行う。   According to the method for producing a semiconductor electrode layer of the present invention, at least the metal oxide semiconductor fine particles, the first compound that generates titanium oxide when hydrolyzed, and the hydrolyzate is less difficult or comparable to the first compound. A niobium (V) compound that is easily hydrolyzed and generates a niobium Nb (V) oxide or hydroxide upon hydrolysis, or a second compound that is either phosphoric acid or a phosphate ester, and an organic solvent A coating solution dispersed or dissolved in is prepared. The unpurified metal oxide semiconductor fine particles and the organic solvent usually contain more or less adsorbed or occluded moisture. As a result, the hydrolysis of the first compound proceeds in the coating liquid, the generated titanium oxide is bonded to the surface of the metal oxide semiconductor fine particles, the metal oxide semiconductor fine particles are connected, A network between the metal oxide semiconductor fine particles may be formed in the coating liquid. Next, when the layer of the coating liquid is deposited on a support and the organic solvent is evaporated from the layer of the coating liquid, the titanium oxide contained in the coating liquid is converted into the metal oxide semiconductor fine particles or Bonded to the support. In addition, hydrolysis of the first compound further proceeds by reaction with moisture in the air. As a result, the first compound largely changes to the titanium oxide before entering the next baking step. Then, a metal oxide semiconductor porous layer is formed in which the metal oxide semiconductor fine particles are bound to each other and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support by the first oxide layer. Thereafter, the firing step is performed.

前記第2の化合物が前記ニオブ(V)化合物である場合、大きく分けて2つの場合が考えられる。前記ニオブ(V)化合物が前記第1の化合物と同程度に加水分解しやすい場合には、前記ニオブ(V)化合物は前記第1の化合物と同様に加水分解し、その結果生じた前記ニオブ(V)酸化物或いは水酸化物は前記第1酸化物層に含有され、前記金属酸化物半導体微粒子間、及び前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間の結着を補強する。前記ニオブ(V)化合物が前記第1の化合物より加水分解しにくい場合には、前記焼成工程までに加水分解される前記ニオブ(V)化合物は少量で、大部分の前記ニオブ(V)化合物が前記焼成工程において、空気中から供給される水分によって加水分解される。この場合、前記ニオブ(V)化合物の加水分解によって生成する前記ニオブ(V)酸化物或いは水酸化物は、主として前記第1酸化物層の上に結着して前記第2酸化物層を形成する。前記第2酸化物層は前記第1酸化物層を補強して、前記金属酸化物半導体微粒子間、および前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間の結着を強化する。   When the second compound is the niobium (V) compound, it can be roughly divided into two cases. When the niobium (V) compound is easily hydrolyzed to the same extent as the first compound, the niobium (V) compound is hydrolyzed in the same manner as the first compound, and the resulting niobium (V) V) Oxide or hydroxide is contained in the first oxide layer, and reinforces the binding between the metal oxide semiconductor particles and between the metal oxide semiconductor particles and the support. When the niobium (V) compound is more difficult to hydrolyze than the first compound, the amount of the niobium (V) compound to be hydrolyzed before the firing step is small, and most of the niobium (V) compound is In the firing step, hydrolysis is performed by moisture supplied from the air. In this case, the niobium (V) oxide or hydroxide produced by hydrolysis of the niobium (V) compound is mainly bound on the first oxide layer to form the second oxide layer. To do. The second oxide layer reinforces the first oxide layer and strengthens the binding between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support.

しかも、後述の実施例で示すように、上記の特異な構造を有する半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)は、光増感色素を吸着させ、色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いた場合に、前記第1酸化物層および前記第2酸化物層に前記ニオブ(V)酸化物或いは水酸化物が含まれていない金属酸化物半導体多孔質層に比べ、大きな光電変換性能を達成できることが判明した。また、前記第2の化合物が前記リン酸或いはリン酸エステルである場合にも、後述の実施例で示すように、光増感色素を吸着させ、色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いた場合に、大きな光電変換性能を達成できることが判明した。   In addition, as shown in the examples described later, the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) having the above specific structure adsorbs the photosensitizing dye, and the semiconductor electrode layer of the dye-sensitized solar cell. When used as a metal oxide semiconductor porous layer in which the first oxide layer and the second oxide layer do not contain the niobium (V) oxide or hydroxide, the photoelectric conversion performance is large. It was found that can be achieved. Further, when the second compound is the phosphoric acid or the phosphoric acid ester, as shown in the examples described later, the photosensitizing dye is adsorbed and used as a semiconductor electrode layer of the dye-sensitized solar cell. It was found that large photoelectric conversion performance could be achieved.

本発明の製造方法によれば、低温焼成で金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層を作製することができる。この結果、製造工程におけるエネルギー消費を抑えることができ、また、軽量、安価で、フレキシブルなプラスチックフィルムなどの、耐熱性の乏しい材料を前記支持体として用いることができる。また、ロール・ツー・ロール・プロセスによって、さらに生産性よく安価に製造することが可能である。   According to the production method of the present invention, a semiconductor electrode layer composed of a metal oxide semiconductor porous layer can be produced by low-temperature firing. As a result, energy consumption in the manufacturing process can be suppressed, and a material having low heat resistance such as a lightweight, inexpensive and flexible plastic film can be used as the support. In addition, the roll-to-roll process can be manufactured at a lower cost with higher productivity.

本発明の電気化学装置は、前記の本発明の半導体電極層を電極として有しているので、フレキシブルなプラスチックフィルムなどを前記支持体として用いて、軽量、安価に、生産性よく製造可能な電気化学装置である。   Since the electrochemical device of the present invention has the semiconductor electrode layer of the present invention as an electrode, it can be manufactured using a flexible plastic film or the like as the support, which is lightweight, inexpensive, and can be manufactured with high productivity. It is a chemical device.

本発明の実施の形態1に基づく金属酸化物半導体多孔質層の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the metal oxide semiconductor porous layer based on Embodiment 1 of this invention. 同、金属酸化物半導体多孔質層の作製工程を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the preparation processes of a metal oxide semiconductor porous layer equally. 本発明の実施の形態2に基づく金属酸化物半導体多孔質層の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the metal oxide semiconductor porous layer based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に基づく色素増感型太陽電池の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the dye-sensitized solar cell based on Embodiment 3 of this invention. 一般的な色素増感型太陽電池の構造を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the structure of a general dye-sensitized solar cell. 従来の、金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層の一般的な作製工程を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the general manufacturing process of the conventional semiconductor electrode layer which consists of a metal oxide semiconductor porous layer. 特許文献1に示されている、金属酸化物半導体多孔質層からなる半導体電極層の作製工程を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the preparation process of the semiconductor electrode layer which is shown by patent document 1 and consists of a metal oxide semiconductor porous layer.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to these examples.

本発明の半導体電極層において、前記金属酸化物半導体微粒子が、一次粒子の平均粒子径が100nm以下の第1の微粒子と、一次粒子の平均粒子径が100nmより大きく、10000nm以下である第2の微粒子との、少なくとも2種類の大きさの微粒子を含有するのがよい。   In the semiconductor electrode layer according to the present invention, the metal oxide semiconductor fine particles include a first fine particle having an average primary particle size of 100 nm or less, and a second primary particle having an average primary particle size of greater than 100 nm and 10,000 nm or less. It is preferable to contain at least two kinds of fine particles together with the fine particles.

また、前記金属酸化物半導体微粒子が、酸化チタンTiO2、酸化亜鉛ZnO、酸化タングステンWO3、酸化ニオブNb25、チタン酸ストロンチウムSrTiO3、及び酸化スズSnO2からなる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物からなるのがよい。 The metal oxide semiconductor fine particles are at least selected from the group consisting of titanium oxide TiO 2 , zinc oxide ZnO, tungsten oxide WO 3 , niobium oxide Nb 2 O 5 , strontium titanate SrTiO 3 , and tin oxide SnO 2. It is good to consist of one kind of oxide.

また、前記第2酸化物層に、前記第1酸化物層を形成している酸化チタンよりも硬度の高い高硬度酸化物が含まれているのがよい。この際、前記高硬度酸化物が、酸化ケイ素SiO2、酸化ホウ素B23、酸化アルミニウムAl23、及び酸化ジルコニウムZrO2からなる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物であるのがよい。 The second oxide layer preferably contains a high-hardness oxide having a hardness higher than that of the titanium oxide forming the first oxide layer. At this time, the high-hardness oxide is at least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide SiO 2 , boron oxide B 2 O 3 , aluminum oxide Al 2 O 3 , and zirconium oxide ZrO 2 . Is good.

また、前記支持体の材料がプラスチック材料であるのがよい。   The material of the support is preferably a plastic material.

また、表面に光増感色素を保持し、色素増感型太陽電池の半導体電極層として構成されているのがよい。この際、前記支持体が、一方の表面に光透過性導電層が設けられている光透過性支持体であり、この光透過性導電層に接して設けられているのがよい。または、前記支持体が、一方の表面に光透過性導電層と密着補助層とが積層して設けられている光透過性支持体であり、この密着補助層に接して設けられているのもよい。あるいは、前記支持体が絶縁性の光透過性支持体であり、前記半導体電極層の、前記支持体と接している面とは反対側の面に、多孔性導電層が設けられているのがよい。   Moreover, it is good to hold | maintain a photosensitizing dye on the surface and to comprise as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell. In this case, the support is a light-transmitting support having a light-transmitting conductive layer on one surface, and is preferably provided in contact with the light-transmitting conductive layer. Alternatively, the support is a light-transmitting support in which a light-transmitting conductive layer and a close-contact auxiliary layer are laminated on one surface, and the support is provided in contact with the close-contact support layer. Good. Alternatively, the support is an insulating light-transmitting support, and a porous conductive layer is provided on the surface of the semiconductor electrode layer opposite to the surface in contact with the support. Good.

本発明の半導体電極層の製造方法において、前記第1の化合物としてチタンTi(IV)の塩又はアルコキシドを用いるのがよい。このチタンの塩又はアルコキシドとして、前記金属酸化物半導体微粒子及び/又は前記有機溶媒に通常含まれる少量の水分と室温において反応し、一部又は全部が前記塗液中で加水分解される化合物を用いるのがよい。   In the method for producing a semiconductor electrode layer of the present invention, a salt or alkoxide of titanium Ti (IV) is preferably used as the first compound. As the titanium salt or alkoxide, a compound that reacts with a small amount of water usually contained in the metal oxide semiconductor fine particles and / or the organic solvent at room temperature and is partially or fully hydrolyzed in the coating solution is used. It is good.

また、前記第2の化合物としてニオブ(V)の塩又はアルコキシドを用いるのがよい。   In addition, a niobium (V) salt or alkoxide may be used as the second compound.

また、前記塗液に、前記第1の化合物より加水分解しにくく、かつ加水分解すると酸化チタンより硬度の高い高硬度酸化物を生じる第3の化合物を添加するのがよい。この際、前記第3の化合物として、ケイ素Si、ホウ素B、アルミニウムAl、及びジルコニウムZrからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素のアルコキシドを用いるのがよい。   Moreover, it is good to add to the said coating liquid the 3rd compound which produces a high-hardness oxide which is harder to hydrolyze than the said 1st compound and is harder than titanium oxide when hydrolyzed. At this time, as the third compound, an alkoxide of at least one element selected from the group consisting of silicon Si, boron B, aluminum Al, and zirconium Zr is preferably used.

また、前記焼成工程中の温度を40〜200℃に保つのがよい。   Moreover, it is good to keep the temperature in the said baking process at 40-200 degreeC.

本発明の電気化学装置において、前記半導体電極層が光増感色素を保持しており、光が入射すると、この光を吸収して励起された前記光増感色素の電子が前記半導体電極層へ取り出されるとともに、前記電子を失った前記光増感色素は、前記電解質層中の還元剤によって還元され、この結果、前記電解質層中に生じた酸化剤は、前記対向電極から電子を受け取り還元される色素増感型太陽電池として構成されているのがよい。   In the electrochemical device of the present invention, the semiconductor electrode layer holds a photosensitizing dye, and when light is incident, the electrons of the photosensitizing dye excited by absorbing the light enter the semiconductor electrode layer. The photosensitizing dye that has been removed and has lost the electrons is reduced by the reducing agent in the electrolyte layer. As a result, the oxidizing agent generated in the electrolyte layer is reduced by receiving electrons from the counter electrode. It is preferable to be configured as a dye-sensitized solar cell.

前記色素増感型太陽電池において、前記支持体が、一方の表面に光透過性導電層が設けられている光透過性支持体であり、前記半導体電極層がこの光透過性導電層に接して設けられているのがよい。または、前記支持体が、一方の表面に光透過性導電層と密着補助層とが積層して設けられている光透過性支持体であり、この密着補助層に接して設けられているのもよい。あるいは、前記支持体が絶縁性の光透過性支持体であり、前記半導体電極層の、前記支持体と接している面とは反対側の面に、多孔性導電層が設けられているのがよい。   In the dye-sensitized solar cell, the support is a light-transmitting support having a light-transmitting conductive layer provided on one surface, and the semiconductor electrode layer is in contact with the light-transmitting conductive layer. It is good to be provided. Alternatively, the support is a light-transmitting support in which a light-transmitting conductive layer and a close-contact auxiliary layer are laminated on one surface, and the support is provided in contact with the close-contact support layer. Good. Alternatively, the support is an insulating light-transmitting support, and a porous conductive layer is provided on the surface of the semiconductor electrode layer opposite to the surface in contact with the support. Good.

以下、本発明の実施の形態に基づき、詳細を図面参照下に具体的に説明する。   Hereinafter, based on the embodiment of the present invention, details will be specifically described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
実施の形態1では、請求項1、3〜6に記載した半導体電極層、および請求項11〜17に記載したその製造方法の例について説明する。
[Embodiment 1]
In the first embodiment, examples of the semiconductor electrode layer described in claims 1 and 3 to 6 and the manufacturing method thereof described in claims 11 to 17 will be described.

図1(a)は、支持体5の上に形成された半導体電極層1の断面図である。このような構造は、後述するように、前記第2の化合物として、前記第1の化合物より加水分解しにくいニオブ(V)化合物を用いて半導体電極層1を作製する場合に形成される。半導体電極層1は、支持体5の上に配置された金属酸化物半導体微粒子2間、および金属酸化物半導体微粒子2と支持体5との間が、第1酸化物層3と第2酸化物層4とによって結着された金属酸化物半導体多孔質層である。   FIG. 1A is a cross-sectional view of the semiconductor electrode layer 1 formed on the support 5. As will be described later, such a structure is formed when the semiconductor electrode layer 1 is formed using a niobium (V) compound that is more difficult to hydrolyze than the first compound as the second compound. The semiconductor electrode layer 1 includes a first oxide layer 3 and a second oxide between the metal oxide semiconductor fine particles 2 disposed on the support 5 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and the support 5. It is a metal oxide semiconductor porous layer bound by the layer 4.

金属酸化物半導体微粒子2は、半導体電極層の特性に応じて、酸化チタンTiO2、酸化亜鉛ZnO、酸化タングステンWO3、酸化ニオブNb25、チタン酸ストロンチウムSrTiO3、及び酸化スズSnO2からなる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物からなるのがよい。 The metal oxide semiconductor fine particles 2 are composed of titanium oxide TiO 2 , zinc oxide ZnO, tungsten oxide WO 3 , niobium oxide Nb 2 O 5 , strontium titanate SrTiO 3 , and tin oxide SnO 2 according to the characteristics of the semiconductor electrode layer. It is preferable to consist of at least one oxide selected from the group consisting of:

第1酸化物層3は、酸化チタンからなり、主として直接、金属酸化物半導体微粒子2および支持体5に結着している。第2酸化物層4は、少なくともニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物を含有し、主として第1酸化物層3を介して、金属酸化物半導体微粒子1および支持体5に結着している。   The first oxide layer 3 is made of titanium oxide, and is mainly bound directly to the metal oxide semiconductor fine particles 2 and the support 5. The second oxide layer 4 contains at least niobium (V) oxide or hydroxide, and is mainly bound to the metal oxide semiconductor fine particles 1 and the support 5 via the first oxide layer 3. .

また、第2酸化物層4に、第1酸化物層3を形成している酸化チタンよりも硬度の高い高硬度酸化物が含まれているのがよい。この高硬度酸化物は、酸化ケイ素SiO2、酸化ホウ素B23、酸化アルミニウムAl23、及び酸化ジルコニウムZrO2からなる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物であるのがよい。 The second oxide layer 4 preferably contains a high-hardness oxide having a hardness higher than that of titanium oxide forming the first oxide layer 3. This high-hardness oxide may be at least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide SiO 2 , boron oxide B 2 O 3 , aluminum oxide Al 2 O 3 , and zirconium oxide ZrO 2 .

この特異な構造を有する半導体電極層1において、第2酸化物層4は第1酸化物層3を補強して、金属酸化物半導体微粒子1間、および金属酸化物半導体微粒子1と支持体5との間の結着を強化する働きをする。   In the semiconductor electrode layer 1 having this unique structure, the second oxide layer 4 reinforces the first oxide layer 3, and between the metal oxide semiconductor fine particles 1 and between the metal oxide semiconductor fine particles 1 and the support 5. It works to strengthen the bond between the two.

第2の化合物として、第1の化合物と同程度に加水分解しやすいニオブ(V)化合物を用いて半導体電極層1を作製する場合には、ニオブ(V)化合物は第1の化合物と同様に加水分解され、その結果生じたニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物は第1酸化物層3に含有され、金属酸化物半導体微粒子間、および前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間の結着を補強する。   When the semiconductor electrode layer 1 is formed using a niobium (V) compound that is easily hydrolyzed to the same extent as the first compound as the second compound, the niobium (V) compound is the same as the first compound. The niobium (V) oxide or hydroxide produced as a result of hydrolysis is contained in the first oxide layer 3 and is between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support. Reinforce the binding.

後述の実施例で示すように、これらの特異な構造を有する半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1は、光増感色素を吸着させ、色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いた場合に、第1酸化物層3および第2酸化物層4にニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物が含まれていない金属酸化物半導体多孔質層に比べ、大きな光電変換性能を達成できることが判明した。   As will be described later in the Examples, the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 having such a unique structure adsorbs a photosensitizing dye and serves as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell. When used, the first oxide layer 3 and the second oxide layer 4 achieve greater photoelectric conversion performance than a metal oxide semiconductor porous layer that does not contain niobium (V) oxide or hydroxide. It turns out that you can.

現在、光電変換性能が向上する理由は不明である。文献(Adv.Funct.Mater.,(2010),20,509)には、色素増感型太陽電池においてニオブ(V)を水熱合成で酸化チタン微粒子にドープし、導電性を高めた例が報告されている。本発明におけるニオブ(V)の働きがこの例の場合と同じであれば、ニオブ(V)は、アモルファス酸化チタンからなる第1酸化物層3に電子キャリアを供給するドーパントとして働いていると考えられる。一般的に、半導体中のキャリアが増えると導電性が向上し、電流が流れやすくなる。従って、ニオブ(V)が導入された第1酸化物層3および第2酸化物層4を有する半導体電極層を、色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いる場合には、ニオブ(V)が導入されていない金属酸化物半導体多孔質層を用いる場合に比べ、励起された光増感色素から酸化チタンへと移動した電子が、より多く負極集電体にまで到達できると考えられ、その結果、光電変換効率が向上すると考えられる。   At present, the reason why the photoelectric conversion performance is improved is unknown. In the literature (Adv. Funct. Mater., (2010), 20, 509), there is an example in which niobium (V) is doped into titanium oxide fine particles by hydrothermal synthesis in a dye-sensitized solar cell to increase conductivity. It has been reported. If the action of niobium (V) in the present invention is the same as in this example, it is considered that niobium (V) acts as a dopant for supplying electron carriers to the first oxide layer 3 made of amorphous titanium oxide. It is done. In general, when the number of carriers in a semiconductor increases, the conductivity is improved and current flows easily. Therefore, when the semiconductor electrode layer having the first oxide layer 3 and the second oxide layer 4 into which niobium (V) is introduced is used as the semiconductor electrode layer of the dye-sensitized solar cell, niobium (V) Compared to the case of using a metal oxide semiconductor porous layer into which no oxygen is introduced, it is considered that more electrons transferred from the excited photosensitizing dye to titanium oxide can reach the negative electrode current collector. As a result, it is considered that the photoelectric conversion efficiency is improved.

一方、別の文献(Coord.Chem.Rev.,(2004),248,1271)には、色素増感型太陽電池において、表面に酸化ニオブ(V)Nb25層をコア−シェル構造で形成した酸化チタン微粒子を用いて、半導体電極層を作製した例が報告されている。本発明におけるニオブ(V)の働きがこの例の場合と同じであれば、酸化ニオブ(V)層は、酸化チタン層を被覆し、色素から酸化チタンへの電子の移動は許すが、酸化ニオブ(V)のバンド構造による障壁によって、酸化チタンから電解質層への電子の移動を抑制するバリアとして機能していると考えられる。 On the other hand, in another document (Coord. Chem. Rev., (2004), 248, 1271), in a dye-sensitized solar cell, a niobium (V) Nb 2 O 5 layer is formed on the surface with a core-shell structure. An example in which a semiconductor electrode layer is produced using the formed titanium oxide fine particles has been reported. If the action of niobium (V) in the present invention is the same as in this example, the niobium (V) oxide layer covers the titanium oxide layer and allows the transfer of electrons from the dye to the titanium oxide. It is considered that the barrier due to the band structure (V) functions as a barrier that suppresses the movement of electrons from the titanium oxide to the electrolyte layer.

第2の化合物として、リン酸あるいはリン酸エステルを用いて半導体電極層1を作製する場合には、リン酸あるいはリン酸エステルは、第1酸化物層3の表面の少なくとも一部を被覆していると考えられる。この場合にも、後述の実施例で示すように、光増感色素を吸着させ、色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いた場合に、大きな光電変換性能を達成できることが判明した。その理由は不明であるが、リン酸あるいはリン酸エステルは、酸化チタン層を被覆することによって、色素から酸化チタンへの電子の移動は許すが、酸化チタンから電解質層への電子の移動を抑制するバリアとして機能している可能性が考えられる。   When the semiconductor electrode layer 1 is produced using phosphoric acid or phosphoric acid ester as the second compound, phosphoric acid or phosphoric acid ester covers at least a part of the surface of the first oxide layer 3. It is thought that there is. Also in this case, as shown in Examples described later, it was found that a large photoelectric conversion performance can be achieved when a photosensitizing dye is adsorbed and used as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell. The reason is unknown, but phosphoric acid or phosphate ester allows the transfer of electrons from the dye to the titanium oxide by coating the titanium oxide layer, but suppresses the transfer of electrons from the titanium oxide to the electrolyte layer. The possibility of functioning as a barrier is considered.

図1(b)は、支持体5に密着補助層6が設けられ、その上に半導体電極層1が形成されている例を示す断面図である。密着補助層6は、半導体電極層1と支持体5との密着性が十分でない場合に、密着性を向上させるために設けられる層である。密着性が不十分になりやすい例としては、支持体5が、表面にITO層が設けられている基材である例を挙げることができる。密着補助層6の材料としては、ポリアクリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、および金属元素の塩化物(四塩化チタンなど)や過酸化物(過酸化チタンなど)やアルコキシドなどの加水分解・脱水縮合生成物などを用いることができる。半導体電極層1を色素増感型太陽電池の半導体層として用いる場合には、密着補助層6の厚さは、太陽電池の光電変換効率を著しく低下させない厚さとすることが望ましい。   FIG. 1B is a cross-sectional view showing an example in which the adhesion auxiliary layer 6 is provided on the support 5 and the semiconductor electrode layer 1 is formed thereon. The adhesion auxiliary layer 6 is a layer provided to improve adhesion when the adhesion between the semiconductor electrode layer 1 and the support 5 is not sufficient. As an example in which the adhesiveness tends to be insufficient, an example in which the support 5 is a base material on which an ITO layer is provided can be given. Examples of the material of the adhesion auxiliary layer 6 include polyacrylic resins, polyamide resins, polyamideimide resins, polyester resins, metal element chlorides (such as titanium tetrachloride), peroxides (such as titanium peroxide), Hydrolysis / dehydration condensation products such as alkoxides can be used. When the semiconductor electrode layer 1 is used as a semiconductor layer of a dye-sensitized solar cell, it is desirable that the adhesion auxiliary layer 6 has a thickness that does not significantly reduce the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.

図2は、半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1を作製する工程を示すフロー図である。図2は、主として、第2の化合物として、第1の化合物より加水分解しにくいニオブ(V)化合物を用いて半導体電極層1を作製する場合に対応する。以下、図1(a)に示した特異な構造を有する半導体電極層1が、どのようにして形成されるのか、という点に重点をおいて説明する。   FIG. 2 is a flow diagram showing a process for producing the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1. FIG. 2 mainly corresponds to the case where the semiconductor electrode layer 1 is manufactured using a niobium (V) compound that is less hydrolyzed than the first compound as the second compound. Hereinafter, an explanation will be given with an emphasis on how the semiconductor electrode layer 1 having the unique structure shown in FIG. 1A is formed.

半導体電極層1を作製するには、まず、金属酸化物半導体微粒子2を適当な有機溶媒に分散させ、ペースト状の分散液を調製する。分散方法としては、公知の方法、例えば、攪拌処理、超音波分散処理、ビーズ分散処理、混錬処理、およびホモジナイザー処理などを好ましく用いることができる。金属酸化物半導体微粒子2の配合量は、後述する第1の化合物〜第3の化合物を添加して形成される塗液の質量の、1〜50質量%、例えば20質量%程度とする。1質量%未満である場合には、塗布法によって、十分な厚さを有する金属酸化物半導体微粒子層を形成することができない不都合がある。一方、50質量%よりも大きい場合には、塗液の粘度が高くなりすぎて、塗布法などによって金属酸化物半導体微粒子層を形成する際の、取り扱いが困難になる不都合がある。   In order to produce the semiconductor electrode layer 1, first, the metal oxide semiconductor fine particles 2 are dispersed in an appropriate organic solvent to prepare a paste-like dispersion. As the dispersion method, known methods such as stirring treatment, ultrasonic dispersion treatment, bead dispersion treatment, kneading treatment, and homogenizer treatment can be preferably used. The compounding amount of the metal oxide semiconductor fine particles 2 is 1 to 50% by mass, for example, about 20% by mass, based on the mass of the coating liquid formed by adding first to third compounds described later. When the amount is less than 1% by mass, there is a disadvantage that a metal oxide semiconductor fine particle layer having a sufficient thickness cannot be formed by a coating method. On the other hand, when it is larger than 50% by mass, the viscosity of the coating liquid becomes too high, which makes it difficult to handle the metal oxide semiconductor fine particle layer by a coating method or the like.

溶媒としては、金属酸化物半導体微粒子2を分散させることができ、かつ、第1の化合物および第2の化合物を溶解させることができるものを適宜選択して用いる。具体的には、例えば、アルコール類、ケトン類、炭化水素類、アミド類、およびスルフィド類などから選択して用いる。   As the solvent, a solvent that can disperse the metal oxide semiconductor fine particles 2 and can dissolve the first compound and the second compound is appropriately selected and used. Specifically, for example, it is selected from alcohols, ketones, hydrocarbons, amides, sulfides and the like.

次に、上記分散液に第1の化合物および第2の化合物を添加し、攪拌して溶解させ、均一な塗液とする。さらに第3の化合物を添加してもよい。第1の化合物〜第3の化合物を添加する順序はどれが先でもよい。   Next, a 1st compound and a 2nd compound are added to the said dispersion liquid, are stirred and dissolved, and it is set as a uniform coating liquid. Further, a third compound may be added. Any order of adding the first compound to the third compound may be first.

第1の化合物は、加水分解して酸化チタンを生じる化合物である。具体的には、第1の化合物として、チタンTi(IV)の塩またはアルコキシド(以下、チタン化合物と略記する。)を用いるのがよい。未精製の金属酸化物半導体微粒子や有機溶媒には、通常、多かれ少なかれ吸着または吸蔵された水分が含まれているが、チタン化合物として、これらの水分と室温において反応し、一部又は全部が塗液中で加水分解される化合物を用いるのが好ましい。この場合、塗液の調製中に粘度が増加するのが観察される。これは、チタン化合物と金属酸化物半導体微粒子および有機溶媒との混合が進むと、チタン化合物が水分と反応し、チタン化合物の加水分解によって生成した酸化チタンが金属酸化物半導体微粒子2の表面に結合し、金属酸化物半導体微粒子2間を連結していくためであると考えられる。   A 1st compound is a compound which hydrolyzes and produces a titanium oxide. Specifically, a salt or alkoxide of titanium Ti (IV) (hereinafter abbreviated as titanium compound) may be used as the first compound. Unpurified metal oxide semiconductor fine particles and organic solvents usually contain more or less adsorbed or occluded water, but as titanium compounds react with these water at room temperature, and part or all of them are coated. It is preferable to use a compound that is hydrolyzed in the liquid. In this case, it is observed that the viscosity increases during the preparation of the coating liquid. This is because, as the mixing of the titanium compound with the metal oxide semiconductor fine particles and the organic solvent proceeds, the titanium compound reacts with moisture, and the titanium oxide produced by hydrolysis of the titanium compound binds to the surface of the metal oxide semiconductor fine particles 2. This is considered to be because the metal oxide semiconductor fine particles 2 are connected.

第2の化合物は、第1の化合物より加水分解しにくく、加水分解するとニオブNb(V)酸化物あるいは水酸化物を生じる化合物である。具体的には、第2の化合物として、ニオブ(V)の塩又はアルコキシドを用いるのがよい。   The second compound is a compound that is more difficult to hydrolyze than the first compound, and generates niobium Nb (V) oxide or hydroxide upon hydrolysis. Specifically, a niobium (V) salt or alkoxide may be used as the second compound.

第3の化合物は、第1の化合物より加水分解しにくく、かつ加水分解すると酸化チタンより硬度の高い高硬度酸化物を生じる化合物である。第3の化合物としては、ケイ素Si、ホウ素B、アルミニウムAl、およびジルコニウムZrからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素のアルコキシドを用いるのがよい。   The third compound is a compound that is harder to hydrolyze than the first compound and that produces a high-hardness oxide having a higher hardness than titanium oxide when hydrolyzed. As the third compound, an alkoxide of at least one element selected from the group consisting of silicon Si, boron B, aluminum Al, and zirconium Zr is preferably used.

第1の化合物および第3の化合物の配合量は、それぞれ、塗液の質量の0.01〜20質量%とする。第1の化合物および第3の化合物の配合量は、半導体電極層1の、所望の硬度と支持体への密着性とを得るために、金属酸化物半導体微粒子2の材料や分散性、第1の化合物および第3の化合物の材料種に応じて、上記範囲内において適宜選択する。第1の化合物および第3の化合物の配合量が上記の範囲外である場合、半導体電極層1の硬度と支持体5への密着性とを両立させることが難しくなる傾向がある。また、半導体電極層1を色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いる場合には、第1の化合物および第3の化合物の材料種によっては、光電変換効率が低下することもある。   The compounding amounts of the first compound and the third compound are 0.01 to 20% by mass of the mass of the coating liquid, respectively. In order to obtain the desired hardness and adhesion to the support of the semiconductor electrode layer 1, the compounding amounts of the first compound and the third compound are the materials and dispersibility of the metal oxide semiconductor fine particles 2, and the first compound. According to the material type of the compound and the third compound, it is appropriately selected within the above range. When the blending amounts of the first compound and the third compound are out of the above ranges, it tends to be difficult to achieve both the hardness of the semiconductor electrode layer 1 and the adhesion to the support 5. In addition, when the semiconductor electrode layer 1 is used as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell, the photoelectric conversion efficiency may be lowered depending on the material type of the first compound and the third compound.

第2の化合物の配合量は、塗液の質量の0.01〜20質量%とする。第2の化合物の配合量は、半導体電極層1の、所望の硬度と支持体への密着性とを得るために、金属酸化物半導体微粒子2の材料や分散性、第1の化合物および第3の化合物の材料種に応じて、上記範囲内において適宜選択する。第2の化合物の配合量が上記の範囲外である場合、半導体電極層1の硬度と支持体5への密着性とを両立させることが難しくなる傾向がある。   The compounding amount of the second compound is 0.01 to 20% by mass of the mass of the coating liquid. In order to obtain the desired hardness and adhesion to the support of the semiconductor electrode layer 1, the compounding amount of the second compound is such that the material and dispersibility of the metal oxide semiconductor fine particles 2, the first compound and the third compound Depending on the material type of the compound, it is appropriately selected within the above range. When the amount of the second compound is out of the above range, it tends to be difficult to achieve both the hardness of the semiconductor electrode layer 1 and the adhesion to the support 5.

次に、公知の方法、例えば、塗布法または印刷法などによって、支持体5の上に上記塗液の層を被着させる。塗布方法としては、例えば、マイクログラビアコート法、ワイヤーバーコート法、ダイレクトグラビアコート法、ダイコート法、ディップ法、スプレーコート法、リバースロールコート法、カーテンコート法、コンマコート法、ナイフコート法、スピンコート法などを用いることができる。また、印刷方法としては、例えば、凸版印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、凹版印刷法、ゴム版印刷法、およびスクリーン印刷法などを用いることができる。   Next, the layer of the coating liquid is deposited on the support 5 by a known method such as a coating method or a printing method. Examples of the coating method include a micro gravure coating method, a wire bar coating method, a direct gravure coating method, a die coating method, a dip method, a spray coating method, a reverse roll coating method, a curtain coating method, a comma coating method, a knife coating method, and a spin coating method. A coating method or the like can be used. In addition, as a printing method, for example, a relief printing method, an offset printing method, a gravure printing method, an intaglio printing method, a rubber plate printing method, a screen printing method, and the like can be used.

次に、塗液の層から溶媒を蒸発させて除去し、第1の化合物〜第3の化合物、および酸化チタンを含有する金属酸化物半導体微粒子層を形成する。溶媒を蒸発させる方法としては、室温で蒸発させてもよいし、加熱して蒸発させてもよい。ただし、蒸発むらを抑えるために、溶媒の蒸発速度を調整することが好ましい。具体的には、20℃〜100℃の温度範囲、30秒間〜20分間の時間範囲で蒸発させるのが好ましい。溶媒が蒸発して除かれると、塗液に含まれていた酸化チタンは、金属酸化物半導体微粒子2に結着する。チタン化合物は空気中の水分と反応して加水分解する。この結果、チタン化合物は、次の焼成工程に入る前に大部分が酸化チタンに変化する。そして、金属酸化物半導体微粒子2間、および金属酸化物半導体微粒子2と支持体5との間が、酸化チタンからなる第1酸化物層3によって結着された金属酸化物半導体多孔質層が形成される。この際、チタン化合物の加水分解を促進するために、蒸発工程中及び/又は蒸発工程後の温度を25〜200℃、例えば80℃程度に保ってもよい。また、蒸発工程と下記焼成工程とを同時に行うことも可能である。   Next, the solvent is removed by evaporation from the coating liquid layer to form a metal oxide semiconductor fine particle layer containing the first compound to the third compound and titanium oxide. As a method for evaporating the solvent, the solvent may be evaporated at room temperature or may be evaporated by heating. However, in order to suppress uneven evaporation, it is preferable to adjust the evaporation rate of the solvent. Specifically, it is preferable to evaporate in a temperature range of 20 ° C. to 100 ° C. and a time range of 30 seconds to 20 minutes. When the solvent is removed by evaporation, the titanium oxide contained in the coating liquid binds to the metal oxide semiconductor fine particles 2. The titanium compound is hydrolyzed by reacting with moisture in the air. As a result, most of the titanium compound is converted to titanium oxide before entering the next firing step. A metal oxide semiconductor porous layer is formed in which the metal oxide semiconductor fine particles 2 and the metal oxide semiconductor fine particles 2 and the support 5 are bound by the first oxide layer 3 made of titanium oxide. Is done. At this time, in order to promote the hydrolysis of the titanium compound, the temperature during and / or after the evaporation step may be maintained at 25 to 200 ° C., for example, about 80 ° C. Moreover, it is also possible to perform an evaporation process and the following baking process simultaneously.

次に、金属酸化物半導体多孔質層を焼成して、金属酸化物半導体微粒子2間の電子的な接続を向上させ、また、金属酸化物半導体多孔質層の機械的強度と、支持体5との密着性とを向上させる。焼成温度に特に制限はないが、温度が高すぎると支持体5が熱で劣化することもあるので、焼成温度は40〜1000℃であり、通常、300〜600℃程度であるのが好ましい。支持体5の材料としてプラスチック材料を用いる場合には、そのガラス転移点以下、通常、40〜200℃であるのが好ましい。また、焼成時間に特に制限はないが、通常、30秒間〜10時間程度である。   Next, the metal oxide semiconductor porous layer is baked to improve electronic connection between the metal oxide semiconductor fine particles 2, and the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer and the support 5 To improve the adhesion. Although there is no restriction | limiting in particular in a calcination temperature, since the support body 5 may deteriorate with a heat | fever when temperature is too high, a calcination temperature is 40-1000 degreeC, and it is preferable that it is about 300-600 degreeC normally. When a plastic material is used as the material of the support 5, it is preferably below the glass transition point, usually 40 to 200 ° C. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular in baking time, Usually, it is about 30 seconds-about 10 hours.

この際、焼成工程までに加水分解される第2の化合物および第3の化合物の割合は少なく、大部分の第2の化合物および第3の化合物が、焼成工程において空気中から供給される水分によって加水分解されることが好ましい。このようであると、第2の化合物および第3の化合物の加水分解によって生成するニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物および高硬度酸化物は、主として第1酸化物層3の上に結着して、第2酸化物層4を形成する。   At this time, the ratio of the second compound and the third compound that are hydrolyzed until the firing step is small, and most of the second compound and the third compound are caused by moisture supplied from the air in the firing step. It is preferably hydrolyzed. In this case, the niobium (V) oxide or hydroxide and the high-hardness oxide generated by hydrolysis of the second compound and the third compound are mainly bound on the first oxide layer 3. Then, the second oxide layer 4 is formed.

既述したように、ニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物を含有する第1酸化物層3および第2酸化物層4が形成されると、この特異な構造を有する半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)は、光増感色素を吸着させ、色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いた場合には、第1酸化物層3および第2酸化物層4にニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物が含まれていない金属酸化物半導体多孔質層に比べ、大きな光電変換性能を達成できる。一方、高硬度酸化物は、金属酸化物半導体微粒子2間、および金属酸化物半導体微粒子2と支持体5との間に結着している第1酸化物層3を強固に補強する。この結果、機械的強度に優れ、支持体5との密着性の高い半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1が得られる。後述の実施例で示すように、ニオブ(V)酸化物には高硬度酸化物としての働きもあると考えられる。   As described above, when the first oxide layer 3 and the second oxide layer 4 containing niobium (V) oxide or hydroxide are formed, the semiconductor electrode layer (metal oxide layer) having this unique structure is formed. The porous semiconductor layer) adsorbs a photosensitizing dye, and when used as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell, the first oxide layer 3 and the second oxide layer 4 have niobium (V ) Greater photoelectric conversion performance can be achieved as compared with a metal oxide semiconductor porous layer containing no oxide or hydroxide. On the other hand, the high-hardness oxide strongly reinforces the first oxide layer 3 bonded between the metal oxide semiconductor particles 2 and between the metal oxide semiconductor particles 2 and the support 5. As a result, a semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 having excellent mechanical strength and high adhesion to the support 5 is obtained. As shown in the examples described later, it is considered that niobium (V) oxide also functions as a high-hardness oxide.

なお、第1の化合物のみでは、半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1と支持体5との密着性が不十分になることがある。なぜなら、加水分解が起こりやすい第1の化合物は、塗液を支持体5に被着させる前にかなりの部分が加水分解する。この、塗液を支持体5に被着させる以前に生成した酸化チタンは、金属酸化物半導体微粒子2間を連結し、金属酸化物半導体多孔質層1の機械的強度を高める上では寄与するが、支持体5との密着性を高める上では寄与しないからである。これに対し、第2の化合物または第3の化合物の加水分解は大部分が塗液を支持体5に被着させた後に起こるので、ニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物、または高硬度酸化物は、金属酸化物半導体多孔質層1の機械的強度の向上にも、支持体5との密着性の向上にも、同様に寄与する。ただし、第2の化合物または第3の化合物だけでは、表層剥がれや傷つきが生じやすい。これは、第2の化合物または第3の化合物は、金属酸化物半導体微粒子2の表面との反応性が第1の化合物に比べて低いので、第2の化合物または第3の化合物のみでは微粒子2間のネッキング数が少なくなり、強度不足になりやすいからである。すなわち、半導体電極層1の機械的強度と支持体5への密着性とを両立させるには、第1の化合物と、第2の化合物または第3の化合物との両方が必要である。   Note that the adhesion between the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 and the support 5 may be insufficient only with the first compound. This is because a considerable portion of the first compound that is prone to hydrolysis is hydrolyzed before the coating liquid is applied to the support 5. The titanium oxide generated before the coating liquid is applied to the support 5 connects the metal oxide semiconductor fine particles 2 and contributes to increase the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer 1. This is because it does not contribute to improving the adhesion to the support 5. On the other hand, most of the hydrolysis of the second compound or the third compound occurs after the coating liquid is applied to the support 5, so that niobium (V) oxide or hydroxide, or high-hardness oxidation. The thing contributes to the improvement of the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer 1 and the improvement of the adhesion to the support 5 as well. However, only the second compound or the third compound tends to cause surface layer peeling or damage. This is because the second compound or the third compound has a lower reactivity with the surface of the metal oxide semiconductor fine particle 2 than the first compound, so that the fine particle 2 can be obtained only with the second compound or the third compound. This is because the number of neckings in between decreases and the strength tends to be insufficient. That is, in order to achieve both the mechanical strength of the semiconductor electrode layer 1 and the adhesion to the support 5, both the first compound and the second compound or the third compound are required.

第2の化合物として、第1の化合物と同程度に加水分解しやすいニオブ(V)化合物を用いて半導体電極層1を作製する場合には、ニオブ(V)化合物は第1の化合物と同様に加水分解され、その結果生じたニオブ(V)酸化物あるいは水酸化物は第1酸化物層3に含有され、金属酸化物半導体微粒子間、および前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間の結着を補強する。   When the semiconductor electrode layer 1 is formed using a niobium (V) compound that is easily hydrolyzed to the same extent as the first compound as the second compound, the niobium (V) compound is the same as the first compound. The niobium (V) oxide or hydroxide produced as a result of hydrolysis is contained in the first oxide layer 3 and is between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support. Reinforce the binding.

第2の化合物として、リン酸あるいはリン酸エステルを用いて半導体電極層1を作製する場合には、リン酸あるいはリン酸エステルは、第1酸化物層3の表面の少なくとも一部を被覆していると考えられる。   When the semiconductor electrode layer 1 is produced using phosphoric acid or phosphoric acid ester as the second compound, phosphoric acid or phosphoric acid ester covers at least a part of the surface of the first oxide layer 3. It is thought that there is.

焼成後、金属酸化物半導体多孔質層の実表面積を増大させたり、金属酸化物半導体微粒子2間のネッキングを高めたりする目的で、例えば四塩化チタン水溶液やチタンアルコキシドを用いたネッキング処理を行ってもよい。また、金属酸化物半導体多孔質層内に残留する有機物や未反応物を溶媒等で洗浄除去してもよい。   After firing, for the purpose of increasing the actual surface area of the metal oxide semiconductor porous layer or increasing the necking between the metal oxide semiconductor fine particles 2, for example, a necking treatment using a titanium tetrachloride aqueous solution or titanium alkoxide is performed. Also good. Further, organic substances and unreacted substances remaining in the metal oxide semiconductor porous layer may be removed by washing with a solvent or the like.

支持体5の材料としてプラスチック材料を用いる場合、加熱加圧処理、例えばカレンダー処理によって半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1を支持体5に圧着する処理を行うことも可能である。   When a plastic material is used as the material of the support 5, it is possible to perform a process of pressure-bonding the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 to the support 5 by a heat and pressure process, for example, a calendar process.

以下、半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1およびその製造方法について、さらに詳述する。   Hereinafter, the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 and the manufacturing method thereof will be described in more detail.

半導体電極層1を色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いる場合には、下記の通りである。   When the semiconductor electrode layer 1 is used as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell, it is as follows.

金属酸化物半導体微粒子2の材料として、各種の金属酸化物半導体や、ペロブスカイト構造を有する化合物などを用いることができる。この際、金属酸化物半導体微粒子2の材料が、光励起下で伝導帯電子がキャリアとなり、アノード電流を生じるn型半導体材料であることが好ましい。このような半導体材料は、具体的に例示すると、TiO2、ZnO、WO3、Nb25、SrTiO3、およびSnO2などであり、これらの中でTiO2がとくに好ましい。ただし、金属酸化物半導体微粒子2の材料はこれらに限定されるものではない。金属酸化物半導体微粒子2は、市販品を用いてもよいし、また、塩化物やアルコキシドなどをゾル−ゲル法などの公知の方法で加水分解処理するなどして、所定の粒径のものを作製してもよい。また、これらの材料を2種類以上混合して用いることもできる。 As the material of the metal oxide semiconductor fine particles 2, various metal oxide semiconductors, compounds having a perovskite structure, and the like can be used. At this time, the material of the metal oxide semiconductor fine particles 2 is preferably an n-type semiconductor material in which conduction band electrons become carriers under photoexcitation to generate an anode current. Specific examples of such semiconductor materials include TiO 2 , ZnO, WO 3 , Nb 2 O 5 , SrTiO 3 , and SnO 2 , and among these, TiO 2 is particularly preferable. However, the material of the metal oxide semiconductor fine particles 2 is not limited to these. As the metal oxide semiconductor fine particles 2, commercially available products may be used, or those having a predetermined particle diameter may be obtained by hydrolyzing a chloride or an alkoxide by a known method such as a sol-gel method. It may be produced. Also, two or more of these materials can be mixed and used.

金属酸化物半導体多孔質層1の厚さは1〜30μmであるのがよい。厚さが1μm未満である場合、十分な光電変換効率が得られない。厚さが厚いほど光電変換効率は向上するが、厚さが30μmをこえると、膜厚の増加による光電変換効率向上の効果が乏しくなる。従って、厚さは30μm以下が好ましい。金属酸化物半導体微粒子2の形状は、特に限定されるものではなく、一般的な形状であってよい。   The thickness of the metal oxide semiconductor porous layer 1 is preferably 1 to 30 μm. When the thickness is less than 1 μm, sufficient photoelectric conversion efficiency cannot be obtained. As the thickness is increased, the photoelectric conversion efficiency is improved. However, when the thickness exceeds 30 μm, the effect of improving the photoelectric conversion efficiency due to the increase in the film thickness becomes poor. Therefore, the thickness is preferably 30 μm or less. The shape of the metal oxide semiconductor fine particles 2 is not particularly limited, and may be a general shape.

金属酸化物半導体微粒子2の粒子径は、可視光を透過させ、比表面積を大きくするためには、一次粒子の平均粒子径が1〜100nmであるのが好ましい(ただし、この場合、金属酸化物半導体多孔質層にクラックが発生し、金属酸化物半導体微粒子間の導電性が低下し、この金属酸化物半導体微粒子層を用いた色素増感型太陽電池の光電変換性能が低下することがある。このような場合については、後述の実施の形態2参照。)。一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである金属酸化物半導体微粒子2としては、下記の市販品を用いることができる。   In order to transmit visible light and increase the specific surface area, the average particle diameter of the primary particles is preferably 1 to 100 nm (however, in this case, the metal oxide semiconductor fine particles 2 have a metal oxide). Cracks are generated in the semiconductor porous layer, the conductivity between the metal oxide semiconductor fine particles is lowered, and the photoelectric conversion performance of the dye-sensitized solar cell using the metal oxide semiconductor fine particle layer may be lowered. (For such a case, refer to Embodiment 2 described later.) As the metal oxide semiconductor fine particles 2 having an average primary particle diameter of 1 to 100 nm, the following commercially available products can be used.

金属酸化物半導体微粒子2の材料として酸化チタンを用いる場合、その結晶型はルチル型、アナターゼ型、およびブルッカイト型の中から選択される1種類でよく、2種類以上の混合物でもよく、例えば、デグサ社製のP25およびP90(以上、商品名)、石原産業(株)製のST01およびST21(以上、商品名)、昭和電工(株)製のスーパータイタニアF−1〜F−6(以上、商品名)、堺化学工業(株)製のSSP−25、SSP−20、SSP−M、およびSTRシリーズ(以上、商品名)、テイカ(株)製のMT−150A、MT−500B、MT−600B、MT−700B、AMT−100、AMT−600、TKP−101、およびTKP−102(以上、商品名)、シーアイ化成(株)製のNanoTek Powderシリーズ(商品名)などを用いることができる。   When titanium oxide is used as the material of the metal oxide semiconductor fine particles 2, the crystal form thereof may be one type selected from rutile type, anatase type, and brookite type, and may be a mixture of two or more types. P25 and P90 (trade name) manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., ST01 and ST21 (trade name) manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., Super Titania F-1 to F-6 (manufactured by Showa Denko KK) Name), SSP-25, SSP-20, SSP-M, and STR series (trade name) manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., MT-150A, MT-500B, MT-600B manufactured by Teika Co., Ltd. , MT-700B, AMT-100, AMT-600, TKP-101, TKP-102 (above, trade name), NanoTek Powder series (trade name) manufactured by CI Kasei Co., Ltd., etc. Rukoto can.

金属酸化物半導体微粒子2の材料として酸化亜鉛を用いる場合、例えば、テイカ(株)製のMZ−300およびMZ−500(以上、商品名)、石原産業(株)製のFZO−50(商品名)、シーアイ化成(株)製のNanoTek Powderシリーズ(商品名)、堺化学工業(株)製のFINEXシリーズ(商品名)、ハクスイテック(株)製のF−1、F−2、F−3、Pazet CK、およびPazet GK-40(以上、商品名)などを用いることができる。   When zinc oxide is used as the material for the metal oxide semiconductor fine particles 2, for example, MZ-300 and MZ-500 (trade name) manufactured by Teika Co., Ltd., and FZO-50 (trade name) manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. ), NanoTek Powder series (trade name) manufactured by CI Kasei Co., Ltd., FINEX series (trade name) manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., F-1, F-2, F-3 manufactured by Hakusui Tech Co., Ltd. Pazet CK and Pazet GK-40 (above, trade name) can be used.

金属酸化物半導体微粒子2の材料として酸化スズを用いる場合、第1の微粒子2Aとして、例えば、Johnson Matthey(株)製の平均粒子径15nmのものや、シーアイ化成(株)製のNanoTek Powderシリーズ(商品名)などを用いることができる。   When tin oxide is used as the material of the metal oxide semiconductor fine particles 2, examples of the first fine particles 2A include those having an average particle diameter of 15 nm manufactured by Johnson Matthey, and NanoTek Powder series (manufactured by CI Kasei Co., Ltd.). Product name) can be used.

第1の化合物として、Ti(IV)の塩またはアルコキシド(以下、チタン化合物と略記する。)のうち、有機溶媒に溶解させることができるものを用いることができる。上記チタン化合物として、金属酸化物半導体微粒子2及び/又は有機溶媒に通常含まれる水分によって室温で加水分解される化合物を用いるのがよい。この場合、前述したように、塗液中でチタン化合物の加水分解が始まり、生成した酸化チタンによって金属酸化物半導体微粒子2間が連結されていくので、微粒子2間の強固なネットワークが形成されやすい。   As the first compound, a Ti (IV) salt or alkoxide (hereinafter abbreviated as a titanium compound) that can be dissolved in an organic solvent can be used. As the titanium compound, it is preferable to use a compound that is hydrolyzed at room temperature with moisture usually contained in the metal oxide semiconductor fine particles 2 and / or an organic solvent. In this case, as described above, hydrolysis of the titanium compound starts in the coating liquid, and the metal oxide semiconductor fine particles 2 are connected by the generated titanium oxide, so that a strong network between the fine particles 2 is easily formed. .

Ti(IV)の塩としては、四塩化チタンTiCl4、硫酸チタニアTiOSO4、およびシュウ酸チタンTi(C24)2などを用いることができる。また、用いることのできるアルコキシドは、下記の一般式のように表すことができる。
アルコキシドの一般式:

Figure 2011253741
As the salt of Ti (IV), titanium tetrachloride TiCl 4 , titania sulfate TiOSO 4 , titanium oxalate Ti (C 2 O 4 ) 2 and the like can be used. Moreover, the alkoxide which can be used can be represented like the following general formula.
General formula of alkoxide:
Figure 2011253741

上記一般式で、アルコキシドは、モノマー(m=0)、オリゴマー(m=1〜10)、およびポリマー(m>10)のいずれでもよく、2種類以上を混合して用いることもできる。アルコキシ基としては、メトキシ基(n=1)、エトキシ基(n=2)、n−プロポキシ基、i−プロポキシ基(以上、n=3)、n−ブトキシ基、i−ブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基(以上、n=4)や、2−エチルヘキソキシ基、その他の低級および高級アルコール由来のアルコキシ基を用いることができる。また、アルコキシドがアセチルアセトンなどのβ−ジケトン類で修飾されていてもよい。アルコキシ基の一部がヒドロキシ基で置換されていてもよい。   In the above general formula, the alkoxide may be any of a monomer (m = 0), an oligomer (m = 1 to 10), and a polymer (m> 10), and two or more kinds may be mixed and used. Examples of the alkoxy group include a methoxy group (n = 1), an ethoxy group (n = 2), an n-propoxy group, an i-propoxy group (n = 3), an n-butoxy group, an i-butoxy group, sec- A butoxy group, a tert-butoxy group (above, n = 4), a 2-ethylhexoxy group, and other alkoxy groups derived from lower and higher alcohols can be used. Moreover, the alkoxide may be modified with β-diketones such as acetylacetone. A part of the alkoxy group may be substituted with a hydroxy group.

具体的には、テトラメトキシチタンTi(OCH3)4、テトラプロポキシチタンTi(OCH2CH2CH3)4、テトラブトキシチタンTi(OCH2CH2CH2CH3)4、テトラペントキシチタンTi(OCH2CH2CH2CH2CH3)4、ブトキシチタンダイマー、ブトキシチタンオリゴマー、およびブトキシチタンポリマーなどを用いることができる。 Specifically, tetramethoxy titanium Ti (OCH 3 ) 4 , tetrapropoxy titanium Ti (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , tetrabutoxy titanium Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , tetrapentoxy titanium Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , butoxy titanium dimer, butoxy titanium oligomer, butoxy titanium polymer, and the like can be used.

第1の化合物より加水分解しにくいか、または同程度に加水分解しやすく、かつ加水分解するとニオブNb(V)酸化物あるいは水酸化物を生じる第2の化合物としては、無機塩として、例えば塩化ニオブ(V)NbCl5などを用いることができ、アルコキシド化合物として、例えば、ペンタメトキシニオブNb(OCH3)5、ペンタエトキシニオブNb(OCH2CH3)5、ペンタプロポキシニオブNb(OCH2CH2CH3)5、ペンタブトキシニオブNb(OCH2CH2CH2CH3)5、およびペンタペントキシニオブNb(OCH2CH2CH2CH2CH3)5など、およびそれらの一部または全部が加水分解されたものを用いることができる。 As the second compound, which is less easily hydrolyzed than the first compound or is easily hydrolyzed to the same extent and which generates niobium Nb (V) oxide or hydroxide upon hydrolysis, an inorganic salt, for example, chloride can be used as the niobium (V) NbCl 5, as alkoxide compounds, for example, pentamethoxy niobium Nb (OCH 3) 5, pentaethoxyniobium Nb (OCH 2 CH 3) 5 , penta-propoxy niobium Nb (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 5 , pentabutoxy niobium Nb (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 5 , and pentapentoxy niobium Nb (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 5 , and some or all of them Hydrolyzed ones can be used.

無機リン酸系化合物としては、例えば、リン酸H3PO4およびポリリン酸(HPO3)などを用いることができる。また、リン酸エステルとしては、例えば、リン酸トリメチルPO(OCH3)3、リン酸トリエチルPO(OCH2CH3)3、リン酸トリプロピルPO(OCH2CH2CH3)3、およびリン酸トリブチルPO(OCH2CH2CH2CH3)3などを好ましく用いることができる。 As the inorganic phosphoric acid compound, for example, phosphoric acid H 3 PO 4 and polyphosphoric acid (HPO 3 ) n can be used. Examples of phosphate esters include trimethyl phosphate PO (OCH 3 ) 3 , triethyl phosphate PO (OCH 2 CH 3 ) 3 , tripropyl PO phosphate (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 3 , and phosphoric acid Tributyl PO (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 3 or the like can be preferably used.

第3の化合物としては、Si、B、Al、およびZrなどのアルコキシドを用い、第2酸化物層4を形成する酸化物が、SiO2、B23、Al23、およびZrO2などの硬度の高い酸化物であるのがよい。 As the third compound, an alkoxide such as Si, B, Al, and Zr is used. The oxide forming the second oxide layer 4 is SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , and ZrO 2. It is preferable that the oxide has high hardness.

例えば、ジメチルジメトキシシランSi(CH3)2(OCH3)2、ジメチルジエトキシシランSi(CH3)2(OCH2CH3)2、メチルトリメトキシシランSi(CH3)(OCH3)3、メチルトリエトキシシランSi(CH3)(OCH2CH3)3、テトラメトキシシランSi(OCH3)4、テトラエトキシシランSi(OCH2CH3)4、テトラプロポキシシランSi(OCH2CH2CH3)4、テトラブトキシシランSi(OCH2CH2CH2CH3)4、エトキシシランダイマー、エトキシシランオリゴマー、エトキシシランポリマー、トリメトキシボランB(OCH3)3、トリエトキシボランB(OCH2CH3)3、トリイソプロポキシボランB(OCH(CH3)CH3)3などを好ましく用いることができる。 For example, dimethyldimethoxysilane Si (CH 3 ) 2 (OCH 3 ) 2 , dimethyldiethoxysilane Si (CH 3 ) 2 (OCH 2 CH 3 ) 2 , methyltrimethoxysilane Si (CH 3 ) (OCH 3 ) 3 , Methyltriethoxysilane Si (CH 3 ) (OCH 2 CH 3 ) 3 , tetramethoxysilane Si (OCH 3 ) 4 , tetraethoxysilane Si (OCH 2 CH 3 ) 4 , tetrapropoxysilane Si (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , tetrabutoxysilane Si (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) 4 , ethoxysilane dimer, ethoxysilane oligomer, ethoxysilane polymer, trimethoxyborane B (OCH 3 ) 3 , triethoxyborane B (OCH 2 CH 3 ) 3 , triisopropoxyborane B (OCH (CH 3 ) CH 3 ) 3 and the like can be preferably used.

溶媒としては、第1の化合物〜第3の化合物を溶解させ、金属酸化物半導体微粒子2を分散させることができるものを用いる。例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、1−ブタノール、2−ブタノール(イソブチルアルコール)、3−メチル−2−プロパノール(sec−ブチルアルコール)、および2−メチル−2−プロパノール(tert−ブチルアルコール)などのアルコール、シクロヘキサノンおよびシクロペンタノンなどのケトン、ヘキサンなどの炭化水素溶媒、ジメチルホルムアミド(DMF)などのアミド、ジメチルスルホキシド(DMSO)などのスルホキシドなどから選択される少なくとも1種類以上を用いることができる。   As the solvent, a solvent capable of dissolving the first compound to the third compound and dispersing the metal oxide semiconductor fine particles 2 is used. For example, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropyl alcohol), 1-butanol, 2-butanol (isobutyl alcohol), 3-methyl-2-propanol (sec-butyl alcohol), and 2-methyl-2 -Selected from alcohols such as propanol (tert-butyl alcohol), ketones such as cyclohexanone and cyclopentanone, hydrocarbon solvents such as hexane, amides such as dimethylformamide (DMF), sulfoxides such as dimethyl sulfoxide (DMSO), etc. At least one or more types can be used.

塗液層の表面における乾燥むらを抑えるため、高沸点溶媒を添加して、溶媒の蒸発速度を制御することもできる。そのような高沸点溶媒として、例えば、ブチルセロソルブ、ジアセトンアルコール、ブチルトリグリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテルジエチレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールイソプロピルエーテル、ジプロピレングリコールイソプロピルエーテル、トリプロピレングリコールイソプロピルエーテル、メチルグリコールなどを用いることができる。また、支持体への塗布性や組成物のポットライフを向上させる目的で、必要に応じて界面活性剤、粘度調整剤、および分散剤などの添加剤を加えることができる。   In order to suppress drying unevenness on the surface of the coating liquid layer, a high boiling point solvent can be added to control the evaporation rate of the solvent. Examples of such high-boiling solvents include butyl cellosolve, diacetone alcohol, butyl triglycol, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monoisopropyl ether, diethylene glycol Monobutyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monobutyl ether, propylene glycol isopropyl ether, dipropylene glycol isopropyl ether Tripropylene glycol isopropyl ether, or the like can be used methyl glycol. Further, additives such as a surfactant, a viscosity modifier, and a dispersant can be added as necessary for the purpose of improving the coating property to the support and the pot life of the composition.

支持体5は用いられる環境において安定であればよく、それ以外に特に制限されない。支持体5の材料は、無機材料であっても、有機材料であってもよい。また、支持体5の形状も特に制限されることはなく、例えば、フィルム状、シート状、および板状などである。ただし、支持体5の材料がプラスチック材料である場合、低温焼成で半導体電極層を作製可能であるという、本発明の特徴が最もよく生かされるので、とくに好ましい。また、支持体5の材料が、電気化学装置に外部から侵入しようとする水分やガスを阻止する遮断性能が高く、また、耐溶剤性や耐候性に優れている材料であるのが好ましい。支持体5の厚さは特に制限されず、光の透過率や、水蒸気の透過を遮断する遮断性能や、機械的強度などを勘案して、適宜選択することができる。   The support 5 is not particularly limited as long as it is stable in the environment in which it is used. The material of the support 5 may be an inorganic material or an organic material. Further, the shape of the support 5 is not particularly limited, and is, for example, a film shape, a sheet shape, and a plate shape. However, when the material of the support 5 is a plastic material, it is particularly preferable because the feature of the present invention that the semiconductor electrode layer can be produced by low-temperature firing is best utilized. Moreover, it is preferable that the material of the support 5 is a material that has a high blocking performance to block moisture and gas from entering the electrochemical device from the outside and is excellent in solvent resistance and weather resistance. The thickness of the support 5 is not particularly limited, and can be selected as appropriate in consideration of light transmittance, blocking performance for blocking water vapor transmission, mechanical strength, and the like.

半導体電極層1を色素増感型太陽電池の半導体電極層として用いる場合のように、支持体5が光透過性であることが求められる場合には、支持体5として、光が透過しやすい材質と形状のものを用いる。例えば、石英、サファイア、ガラスなどの透明無機基板、および、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエチレンナフタラート(PEN)、ポリエステル(TPEE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、アラミド、ポリエチレン(PE)、ポリアクリレート、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリプロピレン(PP)、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂、尿素樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、およびシクロオレフィンポリマー樹脂(COP)などからなる透明プラスチック基板が挙げられる。これらの中でも、特に可視光の透過率が高い基板材料を用いるのが好ましい。プラスチック製支持体の厚さは、特に限定されるものではないが、生産性の観点から38〜350μmであることが好ましい。   When the semiconductor electrode layer 1 is used as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell, when the support 5 is required to be light transmissive, the support 5 is a material that easily transmits light. And shape. For example, transparent inorganic substrates such as quartz, sapphire, and glass, and triacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyester (TPEE), polyimide (PI), polyamide (PA) , Aramid, polyethylene (PE), polyacrylate, polyethersulfone, polysulfone, polypropylene (PP), diacetylcellulose, polyvinyl chloride, acrylic resin (PMMA), polycarbonate (PC), epoxy resin, urea resin, urethane resin, melamine Examples thereof include a transparent plastic substrate made of a resin and a cycloolefin polymer resin (COP). Among these, it is preferable to use a substrate material having a particularly high visible light transmittance. The thickness of the plastic support is not particularly limited, but is preferably 38 to 350 μm from the viewpoint of productivity.

また、光透過性基材上に透明導電層が形成されている支持体を用いてもよい。この透明導電層の材料としては公知のものを使用可能であり、具体的にはITO、FTO、アンチモンがドープされた酸化スズ(ATO)、酸化スズ、酸化亜鉛、インジウム・亜鉛複合酸化物(IZO)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。透明導電層は、これらの材料の単層膜でも、積層膜でもよく、2種類以上の材料を組み合わせて用いることもできる。   Moreover, you may use the support body in which the transparent conductive layer is formed on the transparent base material. Known materials can be used for the transparent conductive layer. Specifically, ITO, FTO, antimony-doped tin oxide (ATO), tin oxide, zinc oxide, indium / zinc composite oxide (IZO) ) And the like, but is not limited thereto. The transparent conductive layer may be a single layer film or a laminated film of these materials, and two or more kinds of materials may be used in combination.

[実施の形態2]
実施の形態2では、請求項2に記載した半導体電極層の例について説明する。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, an example of the semiconductor electrode layer described in claim 2 will be described.

図3は、支持体5の上に形成された半導体電極層21の断面図および部分拡大図である。半導体電極層21は、支持体5の上に配置された金属酸化物半導体微粒子2間、および金属酸化物半導体微粒子2と支持体5との間が、第1酸化物層3と第2酸化物層4とによって結着された金属酸化物半導体多孔質層である。実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、半導体電極層21を形成している金属酸化物半導体微粒子2が、一次粒子の平均粒子径が100nm以下の第1の微粒子2Aと、一次粒子の平均粒子径が100nmより大きく、10000nm以下である第2の微粒子2Bとの、大きさが異なる2種類の微粒子からなることである。これ以外は実施の形態1と同様であるので、重複を避け、相違点に重点をおいて説明する。   FIG. 3 is a cross-sectional view and a partially enlarged view of the semiconductor electrode layer 21 formed on the support 5. The semiconductor electrode layer 21 includes a first oxide layer 3 and a second oxide between the metal oxide semiconductor fine particles 2 disposed on the support 5 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and the support 5. It is a metal oxide semiconductor porous layer bound by the layer 4. The second embodiment is different from the first embodiment in that the metal oxide semiconductor fine particles 2 forming the semiconductor electrode layer 21 are different from the first fine particles 2A in which the average particle diameter of the primary particles is 100 nm or less, and the primary particles. That is, the second fine particles 2B having an average particle diameter of larger than 100 nm and 10000 nm or less are composed of two types of fine particles having different sizes. Other than this, the second embodiment is the same as the first embodiment, and therefore, description will be made with emphasis on the differences while avoiding duplication.

金属酸化物半導体微粒子2のうち、第1の微粒子2Aは、一次粒子の平均粒子径が1〜100nmであるので、可視光の透過性を高め、比表面積を大きくすることができる。一方、第2の微粒子2Bの一次粒子平均粒子径は、100nmよりも大きく、10000nm以下である。第2の微粒子2Bの平均粒子径が大きいほど、また、第2の微粒子2Bの配合質量の、第1の微粒子2Aの配合質量に対する比(=(第2の微粒子2Bの配合質量)/(第1の微粒子2Aの配合質量))が大きいほど、特願2010−26483に示されているように、金属酸化物半導体多孔質層21に発生するクラックは減少する。   Among the metal oxide semiconductor fine particles 2, the first fine particles 2 </ b> A have an average primary particle diameter of 1 to 100 nm, so that the visible light transmittance can be increased and the specific surface area can be increased. On the other hand, the primary particle average particle diameter of the second fine particles 2B is larger than 100 nm and not larger than 10,000 nm. As the average particle diameter of the second fine particles 2B is larger, the ratio of the blending mass of the second microparticles 2B to the blending mass of the first microparticles 2A (= (the blending mass of the second microparticles 2B) / (first As the blending mass of 1 fine particle 2A)) increases, the cracks generated in the metal oxide semiconductor porous layer 21 decrease as shown in Japanese Patent Application No. 2010-26483.

この理由が完全に解明されたとは言えないが、下記のようなことが考えられる。比較的小さい第1の微粒子2Aのみで金属酸化物半導体多孔質層を形成した場合には、第1の微粒子2Aの表面積は比較的小さいので、第1の微粒子2A間を第1酸化物層3と第2酸化物層4とで確実に結着することは難しく、結着強度が不十分な微粒子間の連結部が生じやすい。さらに、ある長さの導電路を形成する上で、比較的多数の第1の微粒子2A間を連結する必要がある。以上の結果、金属酸化物半導体多孔質層にクラッキングが生じやすくなり、導電性も低くなりやすい。これに対し、比較的大きな第2の微粒子2Bが共在する場合には、図3の拡大図に示すように、第2の微粒子2Bの表面積は比較的大きいので、第2の微粒子2Bとその周囲の第1の微粒子2Aとの連結は、微粒子2Bの表面上で確実に十分な結着強度で形成される。また、同じ長さの導電路を形成するために連結する必要のある粒子数が比較的少数になるので、結着強度が不十分になりやすい第1の微粒子2A間の連結部は著しく少なくなる。以上の結果、第1の微粒子2Aと第2の微粒子2Bが共存する金属酸化物半導体多孔質層では、クラッキングが生じにくく、導電性も高く保たれる。なお、図3では一次粒子の平均粒子径が異なる2種類の微粒子を含有する例を示したが、上記の理由から、平均粒子径が異なる3種類以上の微粒子を含有する構成であってもよいのは、明らかである。   Although the reason for this is not completely understood, the following can be considered. When the metal oxide semiconductor porous layer is formed only with the relatively small first particles 2A, the surface area of the first particles 2A is relatively small, and therefore the first oxide layer 3 is between the first particles 2A. And the second oxide layer 4 are difficult to reliably bond, and a connecting portion between fine particles having insufficient binding strength is likely to occur. Furthermore, in order to form a conductive path having a certain length, it is necessary to connect a relatively large number of first fine particles 2A. As a result, cracking is likely to occur in the metal oxide semiconductor porous layer, and the conductivity tends to be low. On the other hand, when the relatively large second fine particles 2B coexist, as shown in the enlarged view of FIG. 3, the surface area of the second fine particles 2B is relatively large. The connection with the surrounding first fine particles 2A is surely formed with sufficient binding strength on the surface of the fine particles 2B. In addition, since the number of particles that need to be connected to form a conductive path of the same length is relatively small, the number of connecting portions between the first fine particles 2A where the binding strength tends to be insufficient is significantly reduced. . As a result, in the metal oxide semiconductor porous layer in which the first fine particles 2A and the second fine particles 2B coexist, cracking hardly occurs and the conductivity is kept high. In addition, although the example which contains two types of microparticles | fine-particles from which the average particle diameter of a primary particle differs was shown in FIG. It is clear.

また、第2の微粒子2Bが共存すると、入射光が散乱されやすくなり、金属酸化物半導体多孔質層21の内部HAZEが上昇し、全光線透過率が低下する。特願2010−26483に示されているように、この金属酸化物半導体多孔質層21を半導体電極として用いた色素増感型太陽電池では、入射光の散乱によって光利用効率が高まり、光電変換性能が向上する。   Further, when the second fine particles 2B coexist, incident light is easily scattered, the internal HAZE of the metal oxide semiconductor porous layer 21 is increased, and the total light transmittance is decreased. As shown in Japanese Patent Application No. 2010-26483, in a dye-sensitized solar cell using the metal oxide semiconductor porous layer 21 as a semiconductor electrode, light utilization efficiency is increased by scattering of incident light, and photoelectric conversion performance is increased. Will improve.

第2の微粒子2Bの一次粒子平均粒子径は、200nm〜5000nmであるのがより好ましい。一次粒子の平均粒子径が200nmよりも小さい場合、金属酸化物半導体多孔質層1におけるクラックの発生を抑える効果が不十分となり、また、入射光を散乱する性能も十分でない傾向がある。一方、一次粒子の平均粒子径が5000nmよりも大きい場合、第2の微粒子2Bが塗液中で沈殿しやすくなり、塗液のポットライフが低化する傾向がある。   The primary particle average particle diameter of the second fine particles 2B is more preferably 200 nm to 5000 nm. When the average particle diameter of the primary particles is smaller than 200 nm, the effect of suppressing the occurrence of cracks in the metal oxide semiconductor porous layer 1 is insufficient, and the performance of scattering incident light tends to be insufficient. On the other hand, when the average particle diameter of the primary particles is larger than 5000 nm, the second fine particles 2B tend to precipitate in the coating liquid, and the pot life of the coating liquid tends to be reduced.

特願2010−26483に示されているように、第2の微粒子2Bの配合質量の、第1の微粒子2Aの配合質量に対する比は、0.06〜6であるのが好ましい。0.06未満である場合、金属酸化物半導体多孔質層1におけるクラックの発生を抑える効果が不十分となり、また、入射光を散乱する性能も十分でない傾向がある。一方、6よりも大きい場合、金属酸化物半導体多孔質層1におけるクラックの発生を抑える効果が十分であり、入射光を散乱する性能も十分であるが、金属酸化物半導体多孔質層21の比表面積の低下を招き、この半導体電極層1を用いた色素増感型太陽電池の性能の低下を招く。   As shown in Japanese Patent Application No. 2010-26483, the ratio of the blending mass of the second fine particles 2B to the blending mass of the first microparticles 2A is preferably 0.06 to 6. When it is less than 0.06, the effect of suppressing the occurrence of cracks in the metal oxide semiconductor porous layer 1 is insufficient, and the performance of scattering incident light tends to be insufficient. On the other hand, when larger than 6, the effect of suppressing the occurrence of cracks in the metal oxide semiconductor porous layer 1 is sufficient, and the performance of scattering incident light is sufficient, but the ratio of the metal oxide semiconductor porous layer 21 The surface area is reduced, and the performance of the dye-sensitized solar cell using the semiconductor electrode layer 1 is reduced.

金属酸化物半導体微粒子2Aとして市販品を用いる場合、実施の形態1に示した、一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである市販品を用いることができる。金属酸化物半導体微粒子2Bとして市販品を用いる場合、酸化チタン微粒子であれば、例えば、石原産業(株)製のPT−301、CR−EL、ET−500W、ET−600W、およびST−41(以上、商品名)、昭和電工(株)製のG−1、G−2、およびF−10(以上、商品名)、テイカ(株)製JR(商品名)、富士チタン工業(株)製TA−100、TA−200、TA−300、TA−500(以上、商品名)などを用いることができる。また、酸化亜鉛微粒子であれば、例えば、堺化学工業(株)製のLPZINC−2およびLPZINC−5(以上、商品名)などを用いることができる。   When a commercially available product is used as the metal oxide semiconductor fine particles 2A, a commercially available product having an average primary particle diameter of 1 to 100 nm shown in Embodiment 1 can be used. When a commercially available product is used as the metal oxide semiconductor fine particle 2B, if it is a titanium oxide fine particle, for example, PT-301, CR-EL, ET-500W, ET-600W, and ST-41 (manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd.) As mentioned above, Showa Denko Co., Ltd. G-1, G-2, and F-10 (above, trade name), Teika Co., Ltd. JR (trade name), Fuji Titanium Industry Co., Ltd. TA-100, TA-200, TA-300, TA-500 (above, trade name) and the like can be used. Moreover, if it is a zinc oxide microparticles | fine-particles, Sakai Chemical Industry Co., Ltd. LPZINC-2 and LPZINC-5 (above, brand name) etc. can be used.

半導体電極層21を作製するには、まず、金属酸化物半導体微粒子2を構成する第1の微粒子2Aおよび第2の微粒子2Bを、それぞれ、適当な有機溶媒に分散させ、ペースト状の分散液を2つ調製する。次に、上記2つの分散液を所定の比率で混合し、これに第1の化合物〜第3の化合物を添加し、攪拌して溶解させ、均一な塗液とする。他は、実施の形態1と同様である。   In order to produce the semiconductor electrode layer 21, first, the first fine particles 2A and the second fine particles 2B constituting the metal oxide semiconductor fine particles 2 are respectively dispersed in an appropriate organic solvent, and a paste-like dispersion liquid is prepared. Prepare two. Next, the above-mentioned two dispersions are mixed at a predetermined ratio, and the first compound to the third compound are added to this, and stirred to dissolve to obtain a uniform coating solution. Others are the same as in the first embodiment.

[実施の形態3]
実施の形態3では、請求項7〜10に記載した半導体電極層、および請求項18〜20に記載した電気化学装置の例として、色素増感型太陽電池として構成された電気化学装置について説明する。
[Embodiment 3]
In Embodiment 3, an electrochemical device configured as a dye-sensitized solar cell will be described as an example of the semiconductor electrode layer described in claims 7 to 10 and the electrochemical device described in claims 18 to 20. .

図4(a)は、実施の形態3に基づく色素増感型太陽電池30の構造を示す断面図である。色素増感型太陽電池30は、主として、透明基板31、透明導電層(負極集電体)32、光増感色素を保持した半導体電極層(負極)33、電解質層34、対向電極(正極)35、対向基板36、および封止材37などで構成されている。   FIG. 4A is a cross-sectional view showing the structure of the dye-sensitized solar cell 30 based on the third embodiment. The dye-sensitized solar cell 30 mainly includes a transparent substrate 31, a transparent conductive layer (negative electrode current collector) 32, a semiconductor electrode layer (negative electrode) 33 holding a photosensitizing dye, an electrolyte layer 34, and a counter electrode (positive electrode). 35, a counter substrate 36, a sealing material 37, and the like.

本実施の形態の特徴として、半導体電極層33は、実施の形態1または2で説明した、酸化チタンTiO2などの金属酸化物半導体多孔質層1または21であり、金属酸化物半導体微粒子2などの表面に光増感色素が保持されている。その他は、従来の色素増感型太陽電池と同様である。すなわち、透明基板31はガラス板や、PENやPETなどのプラスチックフィルムなどからなる。透明導電層(負極集電体)32はITOやFTOなどからなり、透明基板31の上に設けられている。電解質層34は半導体電極層33と対向電極35との間に配置され、I-/I3 -(三ヨウ化物イオンI3 -は、I2がヨウ化物イオンI-と結びついてイオンとして存在している化学種である。)などの酸化還元種(レドックス対)を含む電解液などで構成されている。対向電極35は、下地層に積層された白金層や、カーボン層などからなり、対向基板36の上に設けられている。対向基板36はガラス板やプラスチックフィルムなどからなる。 As a feature of the present embodiment, the semiconductor electrode layer 33 is the metal oxide semiconductor porous layer 1 or 21 such as titanium oxide TiO 2 described in the first or second embodiment, and the metal oxide semiconductor fine particles 2 or the like. A photosensitizing dye is held on the surface of the film. Others are the same as the conventional dye-sensitized solar cell. That is, the transparent substrate 31 is made of a glass plate or a plastic film such as PEN or PET. The transparent conductive layer (negative electrode current collector) 32 is made of ITO, FTO, or the like, and is provided on the transparent substrate 31. The electrolyte layer 34 is disposed between the semiconductor electrode layer 33 and the counter electrode 35, and I / I 3 (triiodide ion I 3 is present as ions by combining I 2 with iodide ion I −. It is composed of an electrolytic solution containing a redox species (redox pair). The counter electrode 35 is made of a platinum layer, a carbon layer, or the like laminated on the base layer, and is provided on the counter substrate 36. The counter substrate 36 is made of a glass plate or a plastic film.

色素増感型太陽電池30は、光が入射すると、対向電極35を正極、半導体電極層33を負極とする電池として動作する。   When light is incident, the dye-sensitized solar cell 30 operates as a battery having the counter electrode 35 as a positive electrode and the semiconductor electrode layer 33 as a negative electrode.

すなわち、透明基板31および透明導電層32を透過してきた光子を光増感色素が吸収すると、光増感色素中の電子が基底状態から励起状態へ励起される。励起状態の電子は、光増感色素と半導体電極層33との間の電気的結合を介して、半導体電極層33の伝導帯に取り出され、半導体電極層33を通って透明導電層32に到達する。   That is, when the photosensitizing dye absorbs photons transmitted through the transparent substrate 31 and the transparent conductive layer 32, electrons in the photosensitizing dye are excited from the ground state to the excited state. Excited electrons are extracted to the conduction band of the semiconductor electrode layer 33 through electrical coupling between the photosensitizing dye and the semiconductor electrode layer 33, and reach the transparent conductive layer 32 through the semiconductor electrode layer 33. To do.

一方、電子を失った光増感色素は、電解質層34中の還元剤、例えばI-から下記の反応
2I- → I2 + 2e-
2 + I- → I3 -
によって電子を受け取り、電解質層34中に酸化剤、例えばI3 -を生成させる。生じた酸化剤は拡散によって対向電極35に到達し、上記の反応の逆反応
3 - → I2 + I-
2 + 2e- → 2I-
によって対向電極35から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
On the other hand, the photosensitizing dye that has lost the electrons is converted from the reducing agent in the electrolyte layer 34, for example, I to the following reaction 2I → I 2 + 2e −.
I 2 + I - → I 3 -
To receive electrons and produce an oxidant, for example I 3 , in the electrolyte layer 34. The generated oxidant reaches the counter electrode 35 by diffusion, and the reverse reaction of the above reaction I 3 → I 2 + I
I 2 + 2e - → 2I -
Thus, electrons are received from the counter electrode 35 and reduced to the original reducing agent.

透明導電層32から外部回路へ流れ出した電子は、外部回路で電気的仕事をした後、対向電極35に戻る。このようにして、光増感色素にも電解質層34にも何の変化も残さず、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。   The electrons that have flowed from the transparent conductive layer 32 to the external circuit return to the counter electrode 35 after performing electrical work in the external circuit. In this way, light energy is converted into electrical energy without leaving any change in the photosensitizing dye or the electrolyte layer 34.

色素増感型太陽電池30を作製するには、透明基板31に設けられた透明導電層32上に、実施の形態1で説明したようにして、半導体電極層33として金属酸化物半導体多孔質層1または21を形成する。次に、金属酸化物半導体多孔質層33に光増感色素を吸着させる。色素を吸着させる方法に特に制限はないが、例えば、色素分子を溶解させた溶液を調製し、金属酸化物半導体多孔質層33が形成された透明基板31を色素溶液に浸漬するか、または、金属酸化物半導体多孔質層33に色素溶液を塗布、噴霧、または滴下するかなどして、金属酸化物半導体多孔質層33に色素溶液をしみこませた後、溶媒を蒸発させる。次に、半導体電極層33と対向電極35とが対向するように透明基板31と対向基板36とを配置して、封止剤37を介して貼り合わせる。最後に、電解液を注入して電解質層34を形成する。   In order to fabricate the dye-sensitized solar cell 30, the metal oxide semiconductor porous layer as the semiconductor electrode layer 33 is formed on the transparent conductive layer 32 provided on the transparent substrate 31 as described in the first embodiment. 1 or 21 is formed. Next, the photosensitizing dye is adsorbed on the metal oxide semiconductor porous layer 33. The method for adsorbing the dye is not particularly limited. For example, a solution in which a dye molecule is dissolved is prepared, and the transparent substrate 31 on which the metal oxide semiconductor porous layer 33 is formed is immersed in the dye solution, or After the dye solution is soaked into the metal oxide semiconductor porous layer 33 by applying, spraying, or dropping the dye solution onto the metal oxide semiconductor porous layer 33, the solvent is evaporated. Next, the transparent substrate 31 and the counter substrate 36 are disposed so that the semiconductor electrode layer 33 and the counter electrode 35 face each other, and are bonded together with a sealant 37. Finally, an electrolyte solution is injected to form the electrolyte layer 34.

金属酸化物半導体多孔質層33は、多くの光増感色素を吸着することができるように、多孔質層内部の空孔に面する微粒子表面も含めた実表面積の大きいものが好ましく、金属酸化物半導体多孔質層33の実表面積は、その外側表面の面積(投影面積)に対して10倍以上であることが好ましく、さらに100倍以上であることが好ましい。   The metal oxide semiconductor porous layer 33 preferably has a large actual surface area including the surface of fine particles facing pores inside the porous layer so that a large amount of photosensitizing dye can be adsorbed. The actual surface area of the physical semiconductor porous layer 33 is preferably 10 times or more, more preferably 100 times or more the area (projected area) of the outer surface.

一般に、半導体電極層33の厚さが増し、単位投影面積当たりに含まれる金属酸化物半導体微粒子2の数が増加するほど、実表面積が増加し、単位投影面積あたりに保持できる色素量が増加するので、入射光に対する光吸収率が高くなる。一方、半導体電極層33の厚さが増加すると、光増感色素から半導体電極層33に移行した電子が透明導電層32に達するまでに拡散する距離が増加するため、半導体電極層33内での電荷再結合による電子のロスも大きくなる。従って、半導体電極層33には好ましい厚さが存在するが、一般的には0.1〜100μmであり、1〜30μmであるのがより好ましい。   Generally, as the thickness of the semiconductor electrode layer 33 increases and the number of metal oxide semiconductor fine particles 2 contained per unit projected area increases, the actual surface area increases and the amount of dye that can be held per unit projected area increases. Therefore, the light absorption rate with respect to incident light becomes high. On the other hand, when the thickness of the semiconductor electrode layer 33 increases, the distance that electrons transferred from the photosensitizing dye to the semiconductor electrode layer 33 diffuse until reaching the transparent conductive layer 32 increases. Electron loss due to charge recombination also increases. Accordingly, the semiconductor electrode layer 33 has a preferable thickness, but is generally 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 30 μm.

図4(b)は、実施の形態3に基づく別の色素増感型太陽電池40の構造を示す断面図である。色素増感型太陽電池40は、バックコンタクト型のセルで、請求項20に記載した色素増感型太陽電池の例である。色素増感型太陽電池40では、光入射側から順に、少なくとも、透明基板41、光増感色素を保持した半導体電極層(負極)43、光反射性の多孔性導電層(負極集電体)42、電解質層44、対向電極(正極)45、および対向基板46が配置されている。   FIG. 4B is a cross-sectional view showing the structure of another dye-sensitized solar cell 40 based on the third embodiment. The dye-sensitized solar cell 40 is a back contact type cell and is an example of the dye-sensitized solar cell according to claim 20. In the dye-sensitized solar cell 40, in order from the light incident side, at least the transparent substrate 41, the semiconductor electrode layer (negative electrode) 43 holding the photosensitizing dye, the light-reflective porous conductive layer (negative electrode current collector). 42, an electrolyte layer 44, a counter electrode (positive electrode) 45, and a counter substrate 46 are disposed.

半導体電極層43は、請求項10に記載した、支持体が絶縁性の光透過性支持体(透明基板41)であり、支持体と接している面とは反対側の面に多孔性の導電層42が設けられている半導体電極層の例である。半導体電極層43は、色素増感型太陽電池30と同様、実施の形態1または2で説明した、酸化チタンTiO2などの金属酸化物半導体多孔質層1または21であり、金属酸化物半導体微粒子2などの表面に光増感色素が保持されている。電解質層44は、導電層42に設けられた多数の貫通孔を通じて電解液が半導体電極層43に浸潤するように配置されている。   The semiconductor electrode layer 43 is an insulating light-transmitting support (transparent substrate 41) according to claim 10, and has a porous conductive surface on the opposite side to the surface in contact with the support. It is an example of the semiconductor electrode layer provided with the layer. Similar to the dye-sensitized solar cell 30, the semiconductor electrode layer 43 is the metal oxide semiconductor porous layer 1 or 21 such as titanium oxide TiO 2 described in the first or second embodiment, and the metal oxide semiconductor fine particles 2 are used. A photosensitizing dye is held on the surface. The electrolyte layer 44 is disposed such that the electrolyte solution infiltrates into the semiconductor electrode layer 43 through a large number of through holes provided in the conductive layer 42.

太陽電池40では、光の入射側に透明導電層32がないので、透明導電層32による光の損失をなくすことができ、また、コストの高い透明導電層32を用いないので、低コスト化できる利点がある。さらに、多孔性導電層(負極集電体)42が光反射性であるので、光増感色素によって吸収されず、半導体電極層43を透過してしまった光を反射して、再び半導体電極層43へ戻すことができる。この結果、光の利用率が向上する。他は色素増感型太陽電池30と同様であるので、重複を避け、記述を省略する。   In the solar cell 40, since there is no transparent conductive layer 32 on the light incident side, the loss of light due to the transparent conductive layer 32 can be eliminated, and the high cost of the transparent conductive layer 32 is not used, so that the cost can be reduced. There are advantages. Further, since the porous conductive layer (negative electrode current collector) 42 is light-reflective, the light that has not been absorbed by the photosensitizing dye and has been transmitted through the semiconductor electrode layer 43 is reflected, and again the semiconductor electrode layer. 43. As a result, the light utilization rate is improved. Since others are the same as that of the dye-sensitized solar cell 30, the description is omitted to avoid duplication.

色素増感型太陽電池40を作製するには、透明基板41上に、実施の形態1で説明したようにして、半導体電極層43として金属酸化物半導体多孔質層を形成する。次に、色素増感型太陽電池30と同様にして、金属酸化物半導体多孔質層43に光増感色素を保持させる。次に、金属酸化物半導体多孔質層43上に、スパッタリング法や蒸着法によってチタンなどの金属層を形成することで、多孔性の導電層42を形成する。次に、半導体電極層43と対向電極45とが対向するように透明基板41と対向基板46とを配置して、封止材47を介して貼り合わせる。最後に、電解液を注入して電解質層44を形成する。   In order to manufacture the dye-sensitized solar cell 40, a metal oxide semiconductor porous layer is formed on the transparent substrate 41 as the semiconductor electrode layer 43 as described in the first embodiment. Next, in the same manner as the dye-sensitized solar cell 30, the photosensitizing dye is held in the metal oxide semiconductor porous layer 43. Next, a porous conductive layer 42 is formed by forming a metal layer such as titanium on the metal oxide semiconductor porous layer 43 by sputtering or vapor deposition. Next, the transparent substrate 41 and the counter substrate 46 are arranged so that the semiconductor electrode layer 43 and the counter electrode 45 face each other, and are bonded together with a sealing material 47. Finally, an electrolyte solution is injected to form the electrolyte layer 44.

色素増感型太陽電池30は、半導体電極層33以外の部材については、従来の色素増感型太陽電池と同様である。また、色素増感型太陽電池40は、多孔性の導電層42および半導体電極層43以外の部材については、従来の色素増感型太陽電池と同様である。以下、要点を説明する。   The dye-sensitized solar cell 30 is the same as the conventional dye-sensitized solar cell with respect to members other than the semiconductor electrode layer 33. The dye-sensitized solar cell 40 is the same as the conventional dye-sensitized solar cell with respect to members other than the porous conductive layer 42 and the semiconductor electrode layer 43. The main points will be described below.

半導体電極層に保持させる光増感色素としては、増感作用を示すものであれば特に制限はないが、例えば、ローダミンBやローズベンガルやエオシンやエリスロシンなどのキサンテン系色素、メロシアニンやキノシアニンやクリプトシアニンなどのシアニン系色素、フェノサフラニンやカブリブルーやチオシンやメチレンブルーなどの塩基性染料、その他のアゾ色素、クロロフィルや亜鉛ポルフィリンやマグネシウムポルフィリンなどのポルフィリン系化合物、フタロシアニン系化合物、クマリン系化合物、ルテニウムRuのビピリジン錯体やテルピリジン錯体、アントラキノン系色素、多環キノン系色素、スクアリリウム系色素などが挙げられる。中でも、配位子がピリジン環を有するルテニウムRuのビピリジン錯体は、量子収率が高く、光増感色素として好ましい。ただし、光増感色素はこれに限定されるものではなく、単独で、もしくは2種類以上を混合して用いることができる。   The photosensitizing dye to be held in the semiconductor electrode layer is not particularly limited as long as it exhibits a sensitizing action. Cyanine dyes such as cyanine, basic dyes such as phenosafranine, fog blue, thiocin and methylene blue, other azo dyes, porphyrin compounds such as chlorophyll, zinc porphyrin and magnesium porphyrin, phthalocyanine compounds, coumarin compounds, ruthenium Ru And bipyridine complexes, terpyridine complexes, anthraquinone dyes, polycyclic quinone dyes, squarylium dyes, and the like. Among them, a ruthenium Ru bipyridine complex whose ligand has a pyridine ring has a high quantum yield and is preferable as a photosensitizing dye. However, the photosensitizing dye is not limited to this, and can be used alone or in combination of two or more.

電解質層としては、電解液、またはゲル状あるいは固体状の電解質が使用可能である。電解質としては、酸化還元系(レドックス対)を含む溶液が挙げられ、具体的には、ヨウ素I2と金属ヨウ化物塩または有機ヨウ化物塩との組み合わせや、臭素Br2と金属臭化物塩または有機臭化物塩との組み合わせを用いる。金属ハロゲン化物塩を構成するカチオンは、リチウムLi+、ナトリウムNa+、カリウムK+、セシウムCs+、マグネシウムMg2+、およびカルシウムCa2+などであり、有機ハロゲン化物塩を構成するカチオンは、テトラアルキルアンモニウムイオン類、ピリジニウムイオン類、イミダゾリウムイオン類などの第4級アンモニウムイオンが好適であるが、これらに限定されるものではなく、単独もしくは2種類以上を混合して用いることができる。 As the electrolyte layer, an electrolytic solution or a gel or solid electrolyte can be used. Examples of the electrolyte include a solution containing a redox system (redox couple ). Specifically, a combination of iodine I 2 and a metal iodide salt or an organic iodide salt, bromine Br 2 and a metal bromide salt or an organic salt. A combination with a bromide salt is used. The cations constituting the metal halide salt are lithium Li + , sodium Na + , potassium K + , cesium Cs + , magnesium Mg 2+ , calcium Ca 2+ , and the cation constituting the organic halide salt is Quaternary ammonium ions such as tetraalkylammonium ions, pyridinium ions, and imidazolium ions are suitable, but are not limited to these, and can be used alone or in admixture of two or more.

上記の中でも特に、ヨウ素I2と、ヨウ化リチウムLiI、ヨウ化ナトリウムNaI、またはイミダゾリウムヨーダイドなどの第4級アンモニウム化合物とを組み合わせた電解質が好適である。電解液における電解質塩の濃度は0.05M〜5Mが好ましく、さらに好ましくは0.1M〜3Mである。ヨウ素I2または臭素Br2の濃度は0.0005M〜1Mが好ましく、さらに好ましくは0.005〜0.5Mである。また、開放電圧や短絡電流を向上させる目的で4−tert−ブチルピリジンやカルボン酸など各種添加剤を加えることもできる。 Among these, an electrolyte combining iodine I 2 and a quaternary ammonium compound such as lithium iodide LiI, sodium iodide NaI, or imidazolium iodide is particularly preferable. The concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is preferably 0.05M to 5M, more preferably 0.1M to 3M. The concentration of iodine I 2 or bromine Br 2 is preferably 0.0005M to 1M, and more preferably 0.005 to 0.5M. Various additives such as 4-tert-butylpyridine and carboxylic acid can be added for the purpose of improving the open circuit voltage and the short circuit current.

電解液を構成する溶媒として、水、アルコール類、エーテル類、エステル類、炭酸エステル類、ラクトン類、カルボン酸エステル類、リン酸トリエステル類、複素環化合物類、ニトリル類、ケトン類、アミド類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、ジメチルスルホキシド、スルフォラン、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、および炭化水素などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、単独で、もしくは2種類以上を混合して用いることができる。また、溶媒としてテトラアルキル系、ピリジニウム系、イミダゾリウム系第4級アンモニウム塩の室温イオン性液体を用いることも可能である。   Solvents that make up the electrolyte include water, alcohols, ethers, esters, carbonates, lactones, carboxylic esters, phosphate triesters, heterocyclic compounds, nitriles, ketones, amides , Nitromethane, halogenated hydrocarbons, dimethyl sulfoxide, sulfolane, N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, and hydrocarbons, but are not limited thereto, It can be used alone or in admixture of two or more. Moreover, it is also possible to use a room temperature ionic liquid of a tetraalkyl, pyridinium, or imidazolium quaternary ammonium salt as a solvent.

色素増感型太陽電池からの電解液の漏液や、電解液を構成する溶媒の揮発を減少させる目的で、電解質構成物にゲル化剤、ポリマー、架橋モノマー、または各種形状の金属酸化物半導体微粒子(繊維)などを溶解または分散させて混合し、ゲル状電解質として用いることも可能である。ゲル化材料と電解質構成物の比率は、電解質構成物が多ければイオン導電率は高くなるが、機械的強度は低下する。逆に、電解質構成物が少なすぎると、機械的強度は大きいが、イオン導電率は低下する。   In order to reduce the leakage of the electrolyte from the dye-sensitized solar cell and the volatilization of the solvent constituting the electrolyte, a gelling agent, a polymer, a crosslinking monomer, or various shapes of metal oxide semiconductors are added to the electrolyte composition. Fine particles (fibers) or the like can be dissolved or dispersed and mixed to be used as a gel electrolyte. As for the ratio of the gel material and the electrolyte composition, the more the electrolyte composition, the higher the ionic conductivity, but the lower the mechanical strength. On the contrary, when there are too few electrolyte components, although mechanical strength is large, ionic conductivity falls.

電解液の注入方法に特に制限はないが、注入口に溶液を数滴垂らし、毛細管現象によって導入する方法が簡便である。また、必要に応じて、減圧もしくは加熱下で注入操作を行うこともできる。完全に溶液が注入された後、注入口に残った溶液を除去し、注入口を封止する。この封止方法にも特に制限はないが、必要であればガラス板やプラスチック基板を封止材で貼り付けて封止することもできる。   There is no particular limitation on the method of injecting the electrolytic solution, but a method of dropping several drops of the solution into the injection port and introducing it by capillary action is simple. Further, if necessary, the injection operation can be performed under reduced pressure or under heating. After the solution is completely injected, the solution remaining at the inlet is removed and the inlet is sealed. Although there is no restriction | limiting in particular also in this sealing method, If necessary, it can also seal by sticking a glass plate or a plastic substrate with a sealing material.

また、電解質が、ポリマーなどを用いてゲル化された電解質や、全固体型の電解質である場合、電解質と可塑剤とを含むポリマー溶液を、半導体電極層の上にキャスト法などによって塗布する。その後、可塑剤を揮発させ、完全に除去した後、上記と同様に封止材によって封止する。この封止は、真空シーラーなどを用いて、不活性ガス雰囲気下、もしくは減圧中で行うことが好ましい。封止を行った後、電解質層の電解液が半導体電極層に十分に浸透するように、必要に応じて加熱、加圧の操作を行うことも可能である。   Further, when the electrolyte is an electrolyte gelled using a polymer or the like, or an all solid electrolyte, a polymer solution containing an electrolyte and a plasticizer is applied on the semiconductor electrode layer by a casting method or the like. Thereafter, the plasticizer is volatilized and completely removed, and then sealed with a sealing material in the same manner as described above. This sealing is preferably performed using a vacuum sealer or the like in an inert gas atmosphere or in a reduced pressure. After sealing, it is possible to perform heating and pressurizing operations as necessary so that the electrolyte solution of the electrolyte layer sufficiently penetrates into the semiconductor electrode layer.

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

実施例1では、まず、実施の形態1および2で説明した半導体電極層1および21を作製し、その特性を調べた。   In Example 1, first, the semiconductor electrode layers 1 and 21 described in the first and second embodiments were produced, and their characteristics were examined.

<塗液の調製>
金属酸化物半導体微粒子2として酸化チタンTiO2微粒子を用いた。実施例1−1〜1−4および比較例1−1、1−2では、酸化チタン微粒子としてP25(商品名;デグサ社製、アナターゼ型結晶(80%)とルチル型結晶(20%)の混合物、一次粒子の平均粒径 約21nm)を用いた。一方、実施例1−5、1−6および比較例1−3では、大きさが異なる2種類の粒子を用い、第1の微粒子2AとしてP25(商品名)を用い、第2の微粒子2BとしてTA−300(商品名;富士チタン工業(株)製、アナターゼ型結晶、一次粒子の平均粒径 約390nm)を用いた。
<Preparation of coating liquid>
Titanium oxide TiO 2 fine particles were used as the metal oxide semiconductor fine particles 2. In Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Examples 1-1 and 1-2, P25 (trade name; manufactured by Degussa, anatase type crystal (80%) and rutile type crystal (20%) were used as titanium oxide fine particles. The mixture, the average particle size of primary particles was about 21 nm). On the other hand, in Examples 1-5 and 1-6 and Comparative Example 1-3, two types of particles having different sizes are used, P25 (trade name) is used as the first fine particles 2A, and the second fine particles 2B are used. TA-300 (trade name; manufactured by Fuji Titanium Industry Co., Ltd., anatase type crystal, average particle diameter of primary particles of about 390 nm) was used.

上記酸化チタン微粒子の粉末を、酸化チタン含有率が20質量%になるようにエタノールと混合した。P25は、エタノールを加えた後、ペイントシェイカーと直径0.65mmのジルコニアビーズとを用いて24時間ビーズ分散処理を行い、酸化チタン微粒子分散液を調製した。TA−300は、アジターと直径0.65mmのジルコニアビーズとを用いて24時間ビーズ分散処理を行い、酸化チタン微粒子分散液を調製した。大きさが異なる2種類の粒子を用いる場合には、まず、各微粒子の分散液をそれぞれ調製し、この後、2つの分散液を所定の比率で混合した。   The titanium oxide fine particle powder was mixed with ethanol so that the titanium oxide content was 20% by mass. After adding ethanol, P25 was subjected to bead dispersion treatment for 24 hours using a paint shaker and zirconia beads having a diameter of 0.65 mm to prepare a titanium oxide fine particle dispersion. TA-300 was subjected to a bead dispersion treatment using an agitator and zirconia beads having a diameter of 0.65 mm for 24 hours to prepare a titanium oxide fine particle dispersion. When two types of particles having different sizes are used, first, a dispersion of each fine particle is prepared, and then the two dispersions are mixed at a predetermined ratio.

ビーズ分散処理の処理時間を長くするほど、酸化チタン微粒子の分散性は向上する。この場合、酸化チタン多孔質層を形成したときに酸化チタン微粒子がより密にパッキングし、酸化チタン多孔質層の硬度および支持体との密着性が向上する傾向がある。一方、分散処理の処理時間を短くするほど、酸化チタン多孔質層を形成したときに多孔質度合いの大きい層(すき間の多い層)が形成される。この結果、この酸化チタン多孔質層を半導体電極層33として用いると、色素増感型太陽電池30の光電変換効率が向上する傾向がある。   The longer the processing time of the bead dispersion treatment, the better the dispersibility of the titanium oxide fine particles. In this case, when the titanium oxide porous layer is formed, the titanium oxide fine particles are packed more densely, and the hardness of the titanium oxide porous layer and the adhesion to the support tend to be improved. On the other hand, as the treatment time of the dispersion treatment is shortened, a layer having a high degree of porosity (a layer having many gaps) is formed when the titanium oxide porous layer is formed. As a result, when this titanium oxide porous layer is used as the semiconductor electrode layer 33, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell 30 tends to be improved.

次に、この分散液に所定量の第1の化合物〜第3の化合物を加え、攪拌して均一に混合し、濃度調整のためエタノールを追加し、酸化チタン微粒子および第1の化合物〜第3の化合物を含有する塗液を調製した。このとき、第1の化合物の添加によって分散液の粘度が増加することが観察された。   Next, a predetermined amount of the first compound to the third compound is added to the dispersion, and the mixture is stirred and mixed uniformly. Ethanol is added to adjust the concentration, and the titanium oxide fine particles and the first compound to the third compound are added. A coating solution containing the compound was prepared. At this time, it was observed that the viscosity of the dispersion increased by the addition of the first compound.

この際、第1の化合物として、すべての実施例および比較例でブトキシチタンダイマー(三菱ガス化学(株)製)を用い、塗液における配合量を2.5質量%で一定とした。第2の化合物として、実施例1−1〜1−5ではペンタブトキシニオブ(Gelest社製)を用い、実施例1−6ではトリエチルリン酸(関東化学(株)製)を用いた。第3の化合物として、実施例1−1、1−2および比較例1−1ではテトラメトキシシラン(純正化学(株)製)を用い、比較例1−2、1−3ではトリイソプロポキシボラン(東京化成工業(株)製)を用いた。実施例1−3〜1−6では、第3の化合物を添加しなかった。第2の化合物および第3の化合物の塗液における配合量は、表2に示した通りである。溶媒は、いずれの例でもエタノールを用いた。   At this time, as the first compound, butoxy titanium dimer (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) was used in all Examples and Comparative Examples, and the blending amount in the coating liquid was kept constant at 2.5% by mass. As the second compound, Pentaboxyniobium (manufactured by Gelest) was used in Examples 1-1 to 1-5, and triethyl phosphate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was used in Example 1-6. As the third compound, tetramethoxysilane (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) was used in Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Example 1-1, and triisopropoxyborane was used in Comparative Examples 1-2 and 1-3. (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used. In Examples 1-3 to 1-6, the third compound was not added. The blending amounts of the second compound and the third compound in the coating liquid are as shown in Table 2. As a solvent, ethanol was used in all examples.

<半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)の作製>
上記塗液を支持体上にコイルバーを用いてバーコート法によって塗布した後、80℃で2分間溶媒を蒸発させた。その後、150℃で30分間焼成した。支持体5として、厚さ125μmのPETフィルム(商品名 0300E;三菱樹脂(株)製)を用いた。
<Preparation of semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer)>
The coating solution was applied onto the support by a bar coating method using a coil bar, and then the solvent was evaporated at 80 ° C. for 2 minutes. Then, it baked at 150 degreeC for 30 minutes. As the support 5, a 125 μm-thick PET film (trade name: 0300E; manufactured by Mitsubishi Resin Co., Ltd.) was used.

<半導体電極層に残留有機物がないことの確認>
半導体電極層には、有機物が残留していないことが好ましい。有機物が残留している場合、その半導体電極層を用いた色素増感型太陽電池の性能が低下するおそれがある。そこで、Nicolet Magna 550(商品名;サーモフィッシャーサイエンティフィック(株)製)を用い、DuraSampl II ATRアタッチメント上に、半導体電極層が形成された支持体を固定して、半導体電極層のFT−IRスペクトルを測定し、炭素−水素結合の伸縮振動(2800〜3000cm−1)に基づく吸収の有無を調べた。実施例1および比較例1のいずれにおいても、炭素−水素結合の伸縮振動は測定されず、半導体電極層に残留有機物がないことが確認された。
<Confirmation that there is no residual organic matter in the semiconductor electrode layer>
It is preferable that no organic matter remains in the semiconductor electrode layer. When the organic matter remains, the performance of the dye-sensitized solar cell using the semiconductor electrode layer may be deteriorated. Therefore, using Nicolet Magna 550 (trade name; manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd.), the support on which the semiconductor electrode layer is formed is fixed on the DuraSampl II ATR attachment, and the FT-IR of the semiconductor electrode layer is fixed. The spectrum was measured, and the presence or absence of absorption based on stretching vibration (2800 to 3000 cm −1 ) of the carbon-hydrogen bond was examined. In both Example 1 and Comparative Example 1, the stretching vibration of the carbon-hydrogen bond was not measured, and it was confirmed that there was no residual organic substance in the semiconductor electrode layer.

<評価方法>
(半導体電極層の厚さ)
半導体電極層1または21の厚さは、層の一部を支持体5から削りとり、層表面から支持体5表面までの段差を触針式表面粗さ測定器サーフコーダET4000(商品名;(株)小阪研究所製)を用いて測定することにより求めた。
<Evaluation method>
(Thickness of semiconductor electrode layer)
The thickness of the semiconductor electrode layer 1 or 21 is obtained by scraping a part of the layer from the support 5 and measuring a step from the layer surface to the surface of the support 5 with a stylus type surface roughness measuring instrument Surfcoder ET4000 (trade name; ( It was determined by measuring using Kosaka Laboratory).

(硬度)
硬度は、マルテンス硬度および擦り試験により評価した。マルテンス硬度は、PICODENTOR HM500(商品名;(株)フィッシャー・インストルメンツ製)を用いて評価した。荷重は3mNとした。擦り試験は、ベンコットM−3IIを用い、5cm程度の長さで、1方向に1回、表面を力強く擦り、以下の基準で評価した。
○:傷なし
△:傷10本以下
×:傷11本以上
(hardness)
The hardness was evaluated by Martens hardness and a rubbing test. Martens hardness was evaluated using PICODETOR HM500 (trade name; manufactured by Fisher Instruments Co., Ltd.). The load was 3 mN. In the rubbing test, Bencot M-3II was used, and the surface was vigorously rubbed once in one direction with a length of about 5 cm, and evaluation was performed according to the following criteria.
○: No scratch △: 10 or less scratches ×: 11 or more scratches

(密着特性)
密着特性は、PETまたはガラス基板上に作製した半導体電極層を試験片とし、JIS K5400の碁盤目(1mm間隔×100マス)セロハンテープCT24(商品名;ニチバン(株)製)剥離試験により評価した。
(Adhesion characteristics)
The adhesion property was evaluated by a peel test of a cell pattern (1 mm interval × 100 mass) cellophane tape CT24 (trade name; manufactured by Nichiban Co., Ltd.) of JIS K5400 using a semiconductor electrode layer produced on PET or a glass substrate as a test piece. .

表1は、実施例1−1〜1−6および比較例1−1〜1−3による塗液中の、酸化チタン微粒子の配合量を示す表である。表中、配合量の比は、第2の微粒子2Bの配合質量の、第1の微粒子2Aの配合質量に対する比(=(第2の微粒子2Bの配合質量)/(第1の微粒子2Aの配合質量))である。   Table 1 is a table | surface which shows the compounding quantity of the titanium oxide microparticles | fine-particles in the coating liquid by Examples 1-1 to 1-6 and Comparative Examples 1-1 to 1-3. In the table, the ratio of the blending amounts is the ratio of the blending mass of the second fine particles 2B to the blending mass of the first microparticles 2A (= (the blending mass of the second microparticles 2B) / (the blending of the first microparticles 2A). Mass)).

Figure 2011253741
Figure 2011253741

表2は、実施例1−1〜1−6および比較例1−1〜1−3による塗液中の、第1の化合物〜第3の化合物の配合量、およびそれらの塗液を用いて作製された半導体電極層の評価を示す表である。表中、ペンタブトキシニオブはNPB、トリエチルリン酸はPTE、テトラメトキシシランはTMOS、トリプロポキシボランはBTPと、それぞれ略記した。   Table 2 shows the blending amounts of the first compound to the third compound in the coating liquids according to Examples 1-1 to 1-6 and Comparative Examples 1-1 to 1-3, and their coating liquids. It is a table | surface which shows evaluation of the produced semiconductor electrode layer. In the table, pentaboxyniobium is abbreviated as NPB, triethylphosphoric acid as PTE, tetramethoxysilane as TMOS, and tripropoxyborane as BTP.

Figure 2011253741
Figure 2011253741

次に、実施の形態3で説明した色素増感型太陽電池30を作製し、その性能を評価した(Adv.Mater.(2003),15,2101 参照。)。   Next, the dye-sensitized solar cell 30 described in the third embodiment was fabricated and its performance was evaluated (see Adv. Mater. (2003), 15, 2101).

<色素増感型太陽電池30の作製>
(1)上述した塗液をFTO層付き導電性ガラス基板(日本板硝子(株)製、表面抵抗 13Ω/□)上にバーコート法によって塗布した後、80℃で2分間溶媒を蒸発させた。次に、ガラス板のエッジを用いて、得られた半導体電極層から不要部分を削り落とし、5mm×5mmの大きさの正方形に成形した後、150℃で30分間焼成し、半導体電極層を作製した。
(2)次に、室温にて10時間半導体電極層をZ907色素溶液に浸漬し、半導体電極層に色素を吸着させた。Z907は、シス−ビス(イソチオシアナト)(H2dcbpy)(dnbpy)ルテニウム錯体(ここで、H2dcbpyは4,4'-ジカルボキシ-2,2'-ビピリジンであり、dnbpyは4,4'-ジノニル-2,2'-ビピリジンである。)である。次に、アセトニトリルを用いてこの半導体電極を洗浄した後、アセトニトリルを自然蒸発させ、半導体電極を乾燥させた。
(3)対向電極として、ガラス基板に予めスパッタリング法によって厚さ50nmのクロムCr層と厚さ100nmの白金Pt層とを順次積層して形成したものを用いた。
(4)次に、半導体電極層と対向電極とが向かい合うように、上記2枚の基板を配置し、厚さ30μmのシリコンゴムシートを介して貼り合わせた。次に、毛管通入試現象を利用して電極間に電解液を導入し、色素増感型太陽電池30を作製した。電解液として、3-メトキシプロピオニトリルに0.6Mのヨウ化(1-プロピル-3-メチルイミダゾリウム)と0.1Mのヨウ素とを溶解させた溶液を用いた。
<Preparation of dye-sensitized solar cell 30>
(1) The above-mentioned coating solution was applied on a conductive glass substrate with an FTO layer (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance 13Ω / □) by a bar coating method, and then the solvent was evaporated at 80 ° C. for 2 minutes. Next, an unnecessary part is scraped off from the obtained semiconductor electrode layer by using the edge of the glass plate, formed into a square of 5 mm × 5 mm, and then baked at 150 ° C. for 30 minutes to produce a semiconductor electrode layer. did.
(2) Next, the semiconductor electrode layer was immersed in the Z907 dye solution at room temperature for 10 hours to adsorb the dye to the semiconductor electrode layer. Z907 is cis-bis (isothiocyanato) (H 2 dcbpy) (dnbpy) ruthenium complex (where H 2 dcbpy is 4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine and dnbpy is 4,4 ′ -Dinonyl-2,2'-bipyridine). Next, the semiconductor electrode was washed with acetonitrile, and then the acetonitrile was spontaneously evaporated to dry the semiconductor electrode.
(3) A counter electrode formed by sequentially laminating a chromium Cr layer with a thickness of 50 nm and a platinum Pt layer with a thickness of 100 nm on a glass substrate in advance by a sputtering method was used.
(4) Next, the two substrates were placed so that the semiconductor electrode layer and the counter electrode face each other, and bonded together via a silicon rubber sheet having a thickness of 30 μm. Next, an electrolyte solution was introduced between the electrodes using a capillary passage test phenomenon, and a dye-sensitized solar cell 30 was produced. As an electrolytic solution, a solution in which 0.6 M iodide (1-propyl-3-methylimidazolium) and 0.1 M iodine were dissolved in 3-methoxypropionitrile was used.

<色素増感型太陽電池の評価>
4.5mm×4.5mmの角孔のあいた正方形マスクを用いて擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射しながら、作製した色素増感太陽電池の短絡電流、開放電圧、フィルファクタ、および光電変換効率を24℃にて評価した。
<Evaluation of dye-sensitized solar cell>
The short-circuit current, open-circuit voltage, and fill of the dye-sensitized solar cell produced while irradiating simulated sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) using a square mask with a square hole of 4.5 mm × 4.5 mm. Factors and photoelectric conversion efficiency were evaluated at 24 ° C.

表3は、実施例1−1〜1−6および比較例1−1〜1−3で作製した色素増感型太陽電池の性能の測定結果を示す表である。表3には、N=3の評価結果の平均値を記載した。

Figure 2011253741
Table 3 is a table | surface which shows the measurement result of the performance of the dye-sensitized solar cell produced in Examples 1-1 to 1-6 and Comparative Examples 1-1 to 1-3. Table 3 shows the average value of the evaluation results of N = 3.
Figure 2011253741

表3で実施例1−1と比較例1−1とを比べると、第2の化合物としてNPBを添加することによって、実施例1−1では光電変換効率が20%向上したことがわかる。同じく表3で実施例1−1と実施例1−2とを比べると、NPBの配合量を0.25%から1.0%に増やしても、光電変換効率の向上は3%で、比較的小さいことがわかる。一方、表2からNPBの配合量の増加によって、マルテンス硬度が向上しており、NPBが第3の化合物としての作用も示すことがわかる。   When Example 1-1 and Comparative Example 1-1 are compared in Table 3, it can be seen that by adding NPB as the second compound, photoelectric conversion efficiency was improved by 20% in Example 1-1. Similarly, when Example 1-1 and Example 1-2 are compared in Table 3, even if the blending amount of NPB is increased from 0.25% to 1.0%, the improvement in photoelectric conversion efficiency is 3%. You can see that it is small. On the other hand, it can be seen from Table 2 that the Martens hardness is improved by increasing the blending amount of NPB, and that NPB also exhibits the action as the third compound.

表2で実施例1−2と実施例1−3とを比べると、実施例1−3では第3の化合物であるTMOSを省略したためマルテンス硬度が少し低下するが、第2の化合物であるNPBが第3の化合物としての作用ももつので、必要な硬度および密着性は維持されていることがわかる。一方、表3からTMOSを省略することで実施例1−3では光電変換効率が2%向上している。これは、TMOSが光電変換をわずかに阻害しているためと考えられる。   Comparing Example 1-2 and Example 1-3 in Table 2, in Example 1-3, the third compound TMOS was omitted, so the Martens hardness decreased slightly, but the second compound NPB Has an action as a third compound, so that it is understood that necessary hardness and adhesion are maintained. On the other hand, by omitting TMOS from Table 3, the photoelectric conversion efficiency is improved by 2% in Example 1-3. This is presumably because TMOS slightly inhibits photoelectric conversion.

実施例1−3と実施例1−4とを比べると、NPBの配合量を1.0%から2.5%に増やしても、表2からマルテンス硬度の向上はそれほど大きくなく、一方、表3から光電変換効率は逆に低下することがわかり、NPBの配合量を増やすことで硬度と密着性を改善しようとする方針は望ましくないことがわかる。   When Example 1-3 is compared with Example 1-4, even if the blending amount of NPB is increased from 1.0% to 2.5%, the Martens hardness improvement is not so great from Table 2, while From FIG. 3, it can be seen that the photoelectric conversion efficiency decreases, and it is found that the policy of improving the hardness and adhesion by increasing the blending amount of NPB is not desirable.

今回の実施例で最もよい光電変換効率と、良好な硬度および密着性を実現できたのは、実施例1−5であった。実施例1−5は、NPBの配合量を1.0%とし、TMOSを配合せず、酸化チタン微粒子として大きさの異なる2種類の微粒子を用いた例である。これは、大きさの異なる2種類の微粒子を用いることによってクラックの発生が防止され、内部HAZEが向上して、光の利用率が向上したことによると考えられる。大きさの異なる2種類の微粒子を用いた比較例1−3と比べると、NPBの添加によって光電変換効率が19%向上している。   In Example 1-5, the best photoelectric conversion efficiency and good hardness and adhesion were achieved in this example. Example 1-5 is an example in which the blending amount of NPB is 1.0%, TMOS is not blended, and two types of microparticles having different sizes are used as titanium oxide microparticles. This is considered to be due to the fact that the use of two types of fine particles having different sizes prevented the occurrence of cracks, the internal HAZE was improved, and the light utilization rate was improved. Compared with Comparative Example 1-3 using two types of fine particles having different sizes, the addition of NPB improves the photoelectric conversion efficiency by 19%.

実施例1−6は、第2の化合物としてPTEを1.0%添加した例であるが、比較例1−3と比べると、光電変換効率が12.5%向上している。   Example 1-6 is an example in which 1.0% of PTE is added as the second compound, but the photoelectric conversion efficiency is improved by 12.5% compared to Comparative Example 1-3.

実施例2では、支持体5としてプラスチックフィルムを用い、このプラスチックフィルムに直接接するように半導体電極層を形成した。そして、この半導体電極層を用いて、実施の形態3で説明したバックコンタクト型の色素増感型太陽電池40を作製し、その性能を評価した。この際、実施例1−5で調製したのと同じ塗液を調製し、これを用いて半導体電極層を形成した。   In Example 2, a plastic film was used as the support 5 and a semiconductor electrode layer was formed so as to be in direct contact with the plastic film. Then, using this semiconductor electrode layer, the back contact type dye-sensitized solar cell 40 described in the third embodiment was fabricated, and its performance was evaluated. At this time, the same coating liquid as that prepared in Example 1-5 was prepared, and a semiconductor electrode layer was formed using the same coating liquid.

<色素増感型太陽電池40の作製>
(1)透明基板41(支持体5)として、厚さ125μmのPETフィルム(商品名 0300E;三菱樹脂(株)製)を用いた。前述した塗液を透明基板41上にコイルバーを用いてバーコート法によって塗布した後、80℃で2分間溶媒を蒸発させた。その後、150℃で30分間焼成し、半導体電極層43を作製した。半導体電極層43の厚さは5μmであった。
(2)次に、半導体電極層43上にスパッタリング法によって厚さ100nmのチタン層を、多孔性電極層42として形成した。
(3)次に、半導体電極層43を室温にて10時間Z907色素溶液に浸漬し、半導体電極層43に色素を吸着させた。次に、アセトニトリルを用いて半導体電極層43を洗浄した後、アセトニトリルを自然蒸発させ、半導体電極層43を乾燥させた。
(4)対向基板46としてガラス基板を用いた。この対向基板上に予めスパッタリング法によって厚さ50nmのクロム層と厚さ100nmの白金層とを順次積層して形成し、これを対向電極45として用いた。
(5)次に、半導体電極層と対向電極とが向かい合うように基板41と基板46とを配置し、間に厚さ100μmのシリコンゴムシートを封止材47として挟み、貼り合わせた。次に、毛管通入試現象を利用して電極間に電解液を導入し、色素増感型太陽電池40を作製した。電解液として、3-メトキシプロピオニトリルに0.6Mのヨウ化(1-プロピル-3-メチルイミダゾリウム)と0.1Mのヨウ素とを溶解させた溶液を用いた。
<Preparation of dye-sensitized solar cell 40>
(1) As the transparent substrate 41 (support 5), a 125 μm thick PET film (trade name: 0300E; manufactured by Mitsubishi Resin Co., Ltd.) was used. After applying the above-mentioned coating liquid on the transparent substrate 41 by a bar coating method using a coil bar, the solvent was evaporated at 80 ° C. for 2 minutes. Then, it baked for 30 minutes at 150 degreeC, and the semiconductor electrode layer 43 was produced. The thickness of the semiconductor electrode layer 43 was 5 μm.
(2) Next, a titanium layer having a thickness of 100 nm was formed as the porous electrode layer 42 on the semiconductor electrode layer 43 by sputtering.
(3) Next, the semiconductor electrode layer 43 was immersed in a Z907 dye solution at room temperature for 10 hours to adsorb the dye to the semiconductor electrode layer 43. Next, after the semiconductor electrode layer 43 was washed with acetonitrile, the acetonitrile was naturally evaporated and the semiconductor electrode layer 43 was dried.
(4) A glass substrate was used as the counter substrate 46. On this counter substrate, a chromium layer with a thickness of 50 nm and a platinum layer with a thickness of 100 nm were sequentially laminated in advance by sputtering, and this was used as the counter electrode 45.
(5) Next, the substrate 41 and the substrate 46 were disposed so that the semiconductor electrode layer and the counter electrode face each other, and a silicon rubber sheet having a thickness of 100 μm was sandwiched as the sealing material 47 and bonded together. Next, an electrolyte solution was introduced between the electrodes using a capillary passage test phenomenon, and a dye-sensitized solar cell 40 was produced. As an electrolytic solution, a solution in which 0.6 M iodide (1-propyl-3-methylimidazolium) and 0.1 M iodine were dissolved in 3-methoxypropionitrile was used.

<色素増感型太陽電池の評価>
実施例1と同様、4.5mm×4.5mmの角孔のあいた正方形マスクを用いて擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射しながら、作製した色素増感太陽電池の短絡電流、開放電圧、フィルファクタ、および光電変換効率を24℃にて評価した。
<Evaluation of dye-sensitized solar cell>
Similarly to Example 1, a short circuit of the dye-sensitized solar cell produced while irradiating simulated sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) using a square mask having a square hole of 4.5 mm × 4.5 mm. The current, open circuit voltage, fill factor, and photoelectric conversion efficiency were evaluated at 24 ° C.

表4は、実施例2で作製したバックコンタクト型の色素増感型太陽電池40の性能の測定結果を示す表である。

Figure 2011253741
Table 4 is a table showing the measurement results of the performance of the back contact type dye-sensitized solar cell 40 produced in Example 2.
Figure 2011253741

上記の結果から、本発明によれば、プラスチックフィルムからなる透明基板に直接接するように半導体電極層を形成することができること、および、この半導体電極層を用いて作製したバックコンタクト型の色素増感型太陽電池40は、実施例1で作製した、高価なFTO透明導電層を用いて作製した色素増感型太陽電池30とほぼ同等の光電変換効率を実現できることがわかった。   From the above results, according to the present invention, it is possible to form a semiconductor electrode layer so as to be in direct contact with a transparent substrate made of a plastic film, and back contact type dye sensitization produced using this semiconductor electrode layer The solar cell 40 was found to be able to achieve almost the same photoelectric conversion efficiency as the dye-sensitized solar cell 30 manufactured using the expensive FTO transparent conductive layer manufactured in Example 1.

以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。   Although the present invention has been described based on the embodiments and examples, it is needless to say that the present invention is not limited to these examples and can be appropriately changed without departing from the gist of the invention. .

本発明は、軽量、安価で、フレキシブルなプラスチックフィルムなどを用いて生産性よく製造できる色素増感型太陽電池などの電気化学装置を提供し、その普及に寄与する。   The present invention provides an electrochemical device such as a dye-sensitized solar cell that can be manufactured with high productivity using a lightweight, inexpensive, flexible plastic film, and contributes to its spread.

1…半導体電極層、2…金属酸化物半導体微粒子、2A…第1の微粒子、
2B…第2の微粒子、3…第1酸化物層、4…第2酸化物層、5…支持体、
6…密着補助層、21…半導体電極層、30…色素増感型太陽電池、31…透明基板、
32…透明導電層(負極集電体)、33…光増感色素を保持した半導体電極層(負極)、
34…電解質層、35…対向電極(正極)、36…対向基板、37…封止材、
40…色素増感型太陽電池、41…透明基板、
42…光反射性の多孔性導電層(負極集電体)、
43…光増感色素を保持した半導体電極層(負極)、44…電解質層、
45…対向電極(正極)、46…対向基板、47…封止材、
100…一般的な色素増感型太陽電池、101…透明基板、
102…透明導電層(負極集電体)、
103…光増感色素を保持した半導体電極層(負極)、104…電解質層、
105…対向電極(正極)、106…対向基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor electrode layer, 2 ... Metal oxide semiconductor fine particle, 2A ... 1st fine particle,
2B ... second fine particles, 3 ... first oxide layer, 4 ... second oxide layer, 5 ... support,
6 ... Adhesion auxiliary layer, 21 ... Semiconductor electrode layer, 30 ... Dye-sensitized solar cell, 31 ... Transparent substrate,
32 ... Transparent conductive layer (negative electrode current collector), 33 ... Semiconductor electrode layer (negative electrode) holding a photosensitizing dye,
34 ... Electrolyte layer, 35 ... Counter electrode (positive electrode), 36 ... Counter substrate, 37 ... Sealing material,
40 ... dye-sensitized solar cell, 41 ... transparent substrate,
42 ... Light-reflective porous conductive layer (negative electrode current collector),
43 ... Semiconductor electrode layer (negative electrode) holding a photosensitizing dye, 44 ... Electrolyte layer,
45 ... Counter electrode (positive electrode), 46 ... Counter substrate, 47 ... Sealing material,
100 ... General dye-sensitized solar cell, 101 ... Transparent substrate,
102 ... Transparent conductive layer (negative electrode current collector),
103 ... Semiconductor electrode layer (negative electrode) holding a photosensitizing dye, 104 ... Electrolyte layer,
105 ... Counter electrode (positive electrode), 106 ... Counter substrate

特許3671183号公報(第3−8及び10−14頁、図2)Japanese Patent No. 3671183 (pages 3-8 and 10-14, FIG. 2)

Z-S.Wang,T.Yamaguchi,H.Sugihara,H.Arakawa,Langmuir,21,p.4272-4276(2005),(第4273頁、左欄)Z-S.Wang, T.Yamaguchi, H.Sugihara, H.Arakawa, Langmuir, 21, p.4272-4276 (2005), (page 4273, left column) M.K.Nazeeruddin,A.Kay,I.Rodicio,R.Humphry-Baker,E.Mueller,P.Liska,N.Vlachopoulos,M.Graetzel,J.Am.Chem.Soc.,115(14),p.6382-6390(1993),(第6384頁、左欄)MKNazeeruddin, A.Kay, I.Rodicio, R.Humphry-Baker, E.Mueller, P.Liska, N.Vlachopoulos, M.Graetzel, J.Am.Chem.Soc., 115 (14), p.6382 -6390 (1993), (page 6384, left column)

平成15年度(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 受託研究(委託業務)成果報告書、「太陽光発電技術研究開発 革新的次世代太陽光発電システム技術研究開発 高性能色素増感太陽電池技術の研究開発」(平成16年3月)、(第67、88及び89頁、図2−3−1)2003 (Germany) New Energy and Industrial Technology Development Organization Commissioned Research (Consignment) Results Report, “Solar Power Generation Technology R & D Innovative Next Generation Solar Power Generation System Technology R & D High Performance Dye-Sensitized Solar Cell Technology Research and Development "(March 2004), (pp. 67, 88 and 89, Fig. 2-3-1)

Claims (20)

支持体上に配置された金属酸化物半導体微粒子と、
酸化チタンTiO2からなり、主として直接、前記金属酸化物半導体微粒子及び前記支 持体に結着している第1酸化物層と、
前記第1酸化物層に含有されるか、又は主として前記第1酸化物層を介して前記金属 酸化物半導体微粒子及び前記支持体に結着する第2酸化物層を形成しているニオブNb( V)酸化物或いは水酸化物、若しくは、前記第1酸化物層の表面の少なくとも一部を被 覆するリン酸或いはリン酸エステルのいずれかと
を少なくとも含有し、前記第1酸化物層、又は前記第1酸化物層と前記第2酸化物層によって、前記金属酸化物半導体微粒子間、及び前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間が結着されてなる、半導体電極層。
Metal oxide semiconductor fine particles disposed on a support;
A first oxide layer made of titanium oxide TiO 2 and bound directly to the metal oxide semiconductor fine particles and the support;
Niobium Nb that is contained in the first oxide layer or that forms a second oxide layer that binds to the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer. V) an oxide or hydroxide, or at least one of phosphoric acid or phosphate covering at least part of the surface of the first oxide layer, the first oxide layer, or the A semiconductor electrode layer formed by binding between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support by the first oxide layer and the second oxide layer.
前記金属酸化物半導体微粒子が、一次粒子の平均粒子径が100nm以下の第1の微粒子と、一次粒子の平均粒子径が100nmより大きく、10000nm以下である第2の微粒子との、少なくとも2種類の大きさの微粒子を含有する、請求項1に記載した半導体電極層。   The metal oxide semiconductor fine particles include at least two kinds of first fine particles having an average primary particle size of 100 nm or less and second fine particles having an average primary particle size of more than 100 nm and 10000 nm or less. The semiconductor electrode layer according to claim 1, comprising fine particles having a size. 前記金属酸化物半導体微粒子が、酸化チタンTiO2、酸化亜鉛ZnO、酸化タングステンWO3、酸化ニオブNb25、チタン酸ストロンチウムSrTiO3、及び酸化スズSnO2からなる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物からなる、請求項1又は2に記載した半導体電極層。 The metal oxide semiconductor fine particles are at least one selected from the group consisting of titanium oxide TiO 2 , zinc oxide ZnO, tungsten oxide WO 3 , niobium oxide Nb 2 O 5 , strontium titanate SrTiO 3 , and tin oxide SnO 2. The semiconductor electrode layer according to claim 1, comprising the oxide of 前記第2酸化物層に、前記第1酸化物層を形成している酸化チタンよりも硬度の高い高硬度酸化物が含まれている、請求項1又は2に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 1 or 2, wherein the second oxide layer includes a high-hardness oxide having a hardness higher than that of titanium oxide forming the first oxide layer. 前記高硬度酸化物が、酸化ケイ素SiO2、酸化ホウ素B23、酸化アルミニウムAl23、及び酸化ジルコニウムZrO2からなる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物である、請求項4に記載した半導体電極層。 The high hardness oxide, silicon oxide SiO 2, boron oxide B 2 O 3, at least one oxide selected from the group consisting of aluminum oxide Al 2 O 3, and zirconium oxide ZrO 2, claim 4 The semiconductor electrode layer described in 1. 前記支持体の材料がプラスチック材料である、請求項1又は2に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 1, wherein a material of the support is a plastic material. 表面に光増感色素を保持し、色素増感型太陽電池の半導体電極層として構成されている、請求項1又は2に記載した半導体電極層。   3. The semiconductor electrode layer according to claim 1, wherein the semiconductor electrode layer is configured as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell by holding a photosensitizing dye on the surface. 前記支持体が、一方の表面に光透過性導電層が設けられている光透過性支持体であり、この光透過性導電層に接して設けられている、請求項7に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 7, wherein the support is a light-transmitting support having a light-transmitting conductive layer on one surface, and is provided in contact with the light-transmitting conductive layer. . 前記支持体が、一方の表面に光透過性導電層と密着補助層とが積層して設けられている光透過性支持体であり、この密着補助層に接して設けられている、請求項7に記載した半導体電極層。   The said support body is a light-transmitting support body provided by laminating | stacking a light transmissive conductive layer and a close_contact | adherence auxiliary | assistance layer on one surface, and is provided in contact with this close_contact | adherence auxiliary | assistant layer. The semiconductor electrode layer described in 1. 前記支持体が絶縁性の光透過性支持体であり、前記支持体と接している面とは反対側の面に、多孔性導電層が設けられている、請求項7に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 7, wherein the support is an insulating light-transmitting support, and a porous conductive layer is provided on a surface opposite to a surface in contact with the support. . 少なくとも、
金属酸化物半導体微粒子と、
加水分解すると酸化チタンTiO2を生じる第1の化合物と、
前記第1の化合物より加水分解しにくいか、又は同程度に加水分解しやすく、かつ 加水分解するとニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物を生じるニオブ(V)化合物、若 しくはリン酸或いはリン酸エステルのいずれかである第2の化合物と
を有機溶媒に分散又は溶解させた塗液を調製する工程と、
前記塗液の層を支持体に被着させる工程と、
前記塗液の層から前記有機溶媒を蒸発させる蒸発工程と、
前記蒸発工程後、温度を上昇させ、加熱処理する焼成工程と
を有し、
前記酸化チタンからなる第1酸化物層が、主として直接、前記金属酸化物半導体微粒 子及び前記支持体に結着し、
少なくとも前記ニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物、若しくは前記リン酸或いはリ ン酸エステルのいずれかを含有し、前記ニオブNb(V)酸化物或いは水酸化物は、前記 第1酸化物層に含有されているか、又は主として前記第1酸化物層を介して前記金属酸 化物半導体微粒子及び前記支持体に結着する第2酸化物層を形成しているかであり、前 記リン酸或いはリン酸エステルは前記第1酸化物層の表面の少なくとも一部を被覆して おり、
前記第1酸化物層、又は前記第1酸化物層と前記第2酸化物層によって、前記金属酸 化物半導体微粒子間、及び前記金属酸化物半導体微粒子と前記支持体との間が結着され ている
金属酸化物半導体多孔質層を作製する、半導体電極層の製造方法。
at least,
Metal oxide semiconductor fine particles,
A first compound that yields titanium oxide TiO 2 upon hydrolysis;
Niobium (V) compound, phosphoric acid or niobium (V) compound that is less likely to hydrolyze than the first compound, or is easily hydrolyzed to the same extent, and generates niobium Nb (V) oxide or hydroxide upon hydrolysis. A step of preparing a coating liquid in which a second compound that is one of phosphate esters is dispersed or dissolved in an organic solvent;
Applying a layer of the coating liquid to a support;
An evaporation step of evaporating the organic solvent from the coating liquid layer;
After the evaporation step, the temperature is increased, and a baking step for heat treatment is included.
The first oxide layer made of titanium oxide is mainly directly bonded to the metal oxide semiconductor particles and the support;
The niobium Nb (V) oxide or hydroxide contains at least one of the niobium Nb (V) oxide or hydroxide, and the phosphoric acid or phosphate ester, and the niobium Nb (V) oxide or hydroxide contains the first oxide layer. Or the second oxide layer bound to the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer. The phosphoric acid or phosphorous The acid ester covers at least part of the surface of the first oxide layer,
The first oxide layer or the first oxide layer and the second oxide layer bind the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support. A method for producing a semiconductor electrode layer, comprising producing a porous metal oxide semiconductor layer.
前記第1の化合物としてチタンTi(IV)の塩又はアルコキシドを用いる、請求項11に記載した半導体電極層の製造方法。   The method for producing a semiconductor electrode layer according to claim 11, wherein a salt or alkoxide of titanium Ti (IV) is used as the first compound. 前記チタンの塩又はアルコキシドとして、前記金属酸化物半導体微粒子及び/又は前記有機溶媒に通常含まれる少量の水分と室温において反応し、一部又は全部が前記塗液中で加水分解される化合物を用いる、請求項12に記載した半導体電極層の製造方法。   As the titanium salt or alkoxide, a compound that reacts with a small amount of water usually contained in the metal oxide semiconductor fine particles and / or the organic solvent at room temperature and is partially or fully hydrolyzed in the coating solution is used. A method for producing a semiconductor electrode layer according to claim 12. 前記第2の化合物としてニオブ(V)の塩又はアルコキシドを用いる、請求項11に記載した半導体電極層の製造方法。   The method for producing a semiconductor electrode layer according to claim 11, wherein a niobium (V) salt or alkoxide is used as the second compound. 前記塗液に、前記第1の化合物より加水分解しにくく、かつ加水分解すると酸化チタンより硬度の高い高硬度酸化物を生じる第3の化合物を添加する、請求項11に記載した半導体電極層の製造方法。   12. The semiconductor electrode layer according to claim 11, wherein a third compound that is harder to hydrolyze than the first compound and generates a high-hardness oxide having a higher hardness than titanium oxide is added to the coating liquid. Production method. 前記第3の化合物として、ケイ素Si、ホウ素B、アルミニウムAl、及びジルコニウムZrからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素のアルコキシドを用いる、請求項15に記載した半導体電極層の製造方法。   The method for producing a semiconductor electrode layer according to claim 15, wherein an alkoxide of at least one element selected from the group consisting of silicon Si, boron B, aluminum Al, and zirconium Zr is used as the third compound. 前記焼成工程中の温度を40〜200℃に保つ、請求項11に記載した半導体電極層の製造方法。   The method for producing a semiconductor electrode layer according to claim 11, wherein the temperature during the firing step is maintained at 40 to 200 ° C. 少なくとも、請求項1〜10のいずれか1項に記載した半導体電極層と、対向電極と、これらの間に挟持された電解質層とを有する、電気化学装置。   An electrochemical device comprising at least the semiconductor electrode layer according to any one of claims 1 to 10, a counter electrode, and an electrolyte layer sandwiched therebetween. 前記半導体電極層が光増感色素を保持しており、光が入射すると、この光を吸収して励起された前記光増感色素の電子が前記半導体電極層へ取り出されるとともに、前記電子を失った前記光増感色素は、前記電解質層中の還元剤によって還元され、この結果、前記電解質層中に生じた酸化剤は、前記対向電極から電子を受け取り還元される色素増感型太陽電池として構成されている、請求項18に記載した電気化学装置。   When the semiconductor electrode layer holds a photosensitizing dye and light is incident, the electrons of the photosensitizing dye excited by absorbing this light are taken out to the semiconductor electrode layer, and the electrons are lost. The photosensitizing dye is reduced by the reducing agent in the electrolyte layer, and as a result, the oxidizing agent generated in the electrolyte layer serves as a dye-sensitized solar cell that receives electrons from the counter electrode and is reduced. The electrochemical device according to claim 18, which is configured. 前記半導体電極層が請求項8〜10のいずれか1項に記載した半導体電極層である、請求項19に記載した電気化学装置。   The electrochemical device according to claim 19, wherein the semiconductor electrode layer is the semiconductor electrode layer according to any one of claims 8 to 10.
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