JP2012003955A - Method of manufacturing dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光増感色素を担持した半導体層を備えた色素増感太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a dye-sensitized solar cell including a semiconductor layer carrying a photosensitizing dye.
近年、光電変換素子のひとつである色素増感太陽電池の開発が進められている。色素増感太陽電池は、光増感性の色素を担持する半導体層と、半導体層と接触する負極と、電解質と、電解質を挟んで半導体層と対向する正極とを有する。光増感色素は半導体層に入射した光によって電子を放出し、放出された電子は半導体層を介して負極へ輸送される。負極と正極は外部回路に接続されており、外部回路を通って正極へ到達した電子は、電解質によって色素へ戻される。このようなサイクルが繰り返されることで、外部回路において電気エネルギーが取り出される。 In recent years, development of a dye-sensitized solar cell which is one of photoelectric conversion elements has been promoted. The dye-sensitized solar cell includes a semiconductor layer carrying a photosensitizing dye, a negative electrode in contact with the semiconductor layer, an electrolyte, and a positive electrode facing the semiconductor layer with the electrolyte interposed therebetween. The photosensitizing dye emits electrons by light incident on the semiconductor layer, and the emitted electrons are transported to the negative electrode through the semiconductor layer. The negative electrode and the positive electrode are connected to an external circuit, and electrons that have reached the positive electrode through the external circuit are returned to the dye by the electrolyte. By repeating such a cycle, electric energy is extracted in the external circuit.
色素増感太陽電池の光電変換効率は、半導体層に担持される色素の量が多いほど高い。半導体層へ色素を担持させる方法としては、半導体層が形成された基板を色素溶液に浸漬する、いわゆる浸漬法が広く知られている。しかしながら、浸漬法では、実用的な光電変換効率を実現するため、色素溶液中に半導体層を長時間(例えば12時間以上)浸漬する必要があった。また、色素溶液に複数種の溶質が含まれている場合、この色素溶液を繰り返し使用する際には、半導体層に担持された分の溶質の減少を補うようにこれらの溶質を補充する必要があった。この場合、半導体層表面への吸着力の差に基づいて各溶質が異なる割合で減少していくことや、無色透明の共吸着物質の濃度を簡易に測定する手法がないことなどを理由として、溶液中の各溶質の濃度を管理することが難しかった。 The photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is higher as the amount of the dye carried on the semiconductor layer is larger. As a method for supporting a dye on the semiconductor layer, a so-called dipping method in which a substrate on which a semiconductor layer is formed is immersed in a dye solution is widely known. However, in the immersion method, in order to realize practical photoelectric conversion efficiency, it is necessary to immerse the semiconductor layer in the dye solution for a long time (for example, 12 hours or more). In addition, when multiple types of solutes are contained in the dye solution, when the dye solution is used repeatedly, it is necessary to replenish these solutes so as to compensate for the decrease in the amount of solute supported on the semiconductor layer. there were. In this case, because each solute decreases at a different rate based on the difference in adsorption force to the semiconductor layer surface, or because there is no method for easily measuring the concentration of the colorless and transparent coadsorbent, It was difficult to control the concentration of each solute in the solution.
そこで、浸漬法に代わる色素担持方法が提案されている。例えば下記特許文献1には、真空中で色素を半導体層へ吸着させる方法が記載されている。この方法によれば、半導体層の脱気が促進されるため、十分な量の色素を吸着させることができるとしている。また、下記特許文献2には、インクジェット法を用いて色素溶液を半導体層へ担持させる方法が記載されている。 In view of this, a dye-carrying method that replaces the dipping method has been proposed. For example, Patent Document 1 below describes a method of adsorbing a dye to a semiconductor layer in a vacuum. According to this method, since deaeration of the semiconductor layer is promoted, a sufficient amount of dye can be adsorbed. Patent Document 2 below describes a method of supporting a dye solution on a semiconductor layer using an inkjet method.
近年、色素増感太陽電池の生産性の向上が望まれている。しかしながら、特許文献1に記載の方法では、真空チャンバ内の排気および大気へのベントに要する時間が余計に必要となるため、生産性の大きな向上が望めない。また、特許文献2に記載の方法では、インクジェットノズルからの1回当りの吐出量が少ないため、十分な量の色素を吸着させるには色素担持工程を複数回繰り返す必要がある。 In recent years, improvement in productivity of dye-sensitized solar cells has been desired. However, the method described in Patent Document 1 requires an extra time for exhausting into the vacuum chamber and venting to the atmosphere, and thus a great improvement in productivity cannot be expected. Further, in the method described in Patent Document 2, since the discharge amount per one time from the ink jet nozzle is small, it is necessary to repeat the dye holding step a plurality of times in order to adsorb a sufficient amount of the dye.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、色素担持工程の時間を短縮し生産性の向上を図ることができる色素増感太陽電池の製造方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a method for producing a dye-sensitized solar cell capable of shortening the time of the dye carrying step and improving the productivity.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る色素増感太陽電池の製造方法は、基材上に半導体層を形成する工程を含む。
上記半導体層の表面との接触角が6°以下であり、沸点が80℃以上である第1の溶媒に光増感性の色素を5mM以上溶解させた色素溶液が、上記半導体層の表面に塗布される。
上記色素は、上記半導体層に担持される。
In order to achieve the above object, a method for producing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a semiconductor layer on a substrate.
A dye solution obtained by dissolving 5 mM or more of a photosensitizing dye in a first solvent having a contact angle with the surface of the semiconductor layer of 6 ° or less and a boiling point of 80 ° C. or more is applied to the surface of the semiconductor layer. Is done.
The dye is supported on the semiconductor layer.
上記製造方法においては、第1の溶媒に光増感性の色素を溶解させることで色素溶液が調製される。この色素溶液は、多孔質の半導体層に塗布され、毛細管現象を駆動力として半導体層に浸透する。浸透した色素溶液に含まれている色素は、半導体層を構成する材料と共有結合あるいは配位結合して担持される。 In the above production method, a dye solution is prepared by dissolving a photosensitizing dye in a first solvent. This dye solution is applied to the porous semiconductor layer, and penetrates into the semiconductor layer using capillary action as a driving force. The dye contained in the permeated dye solution is carried by covalent bonding or coordinate bonding with the material constituting the semiconductor layer.
第1の溶媒として、半導体層の表面との接触角が6°以下である溶媒を用いることで、色素溶液を多孔質の半導体層へ速やかに浸透させることができる。また、色素溶液が5mM以上の色素を含有することで、半導体層への色素の担持効率を高めることができる。さらに、第1の溶媒として、80℃以上の沸点を有する溶媒を用いることで、色素溶液を蒸発させることなく、色素溶液を半導体層の最深部まで到達させることができる。これにより、半導体層による色素の担持量が高まり、光電変換効率の高い色素増感太陽電池を得ることが可能となる。 By using a solvent having a contact angle with the surface of the semiconductor layer of 6 ° or less as the first solvent, the dye solution can be rapidly permeated into the porous semiconductor layer. Moreover, the pigment | dye solution contains the pigment | dye of 5 mM or more, and the carrying | support efficiency of the pigment | dye to a semiconductor layer can be improved. Furthermore, by using a solvent having a boiling point of 80 ° C. or higher as the first solvent, the dye solution can reach the deepest portion of the semiconductor layer without evaporating the dye solution. As a result, the amount of dye supported by the semiconductor layer is increased, and a dye-sensitized solar cell with high photoelectric conversion efficiency can be obtained.
上記半導体層に上記色素を担持させる工程は、上記半導体層に上記色素溶液を浸透させる工程と、上記第1の溶媒を乾燥させる工程とを含んでもよい。
これにより、半導体層の最深部にまで色素溶液を到達させることができるとともに、半導体層に色素を定着させることができる。
The step of supporting the dye on the semiconductor layer may include a step of allowing the dye solution to penetrate into the semiconductor layer and a step of drying the first solvent.
Thus, the dye solution can reach the deepest part of the semiconductor layer, and the dye can be fixed to the semiconductor layer.
上記色素増感太陽電池の製造方法は、上記色素を担持した上記半導体層を上記色素の良溶媒である第2の溶媒で洗浄する工程をさらに有してもよい。
これにより、半導体層の表面に残留する未担持の色素を除去できるとともに、半導体層内に残留する未担持の色素をさらに半導体層の内部へ浸透させることができる。第2の溶媒は、第1の溶媒と同一の溶媒であってもよいし、半導体層との親和性が第1の溶媒よりも高い溶媒であってもよい。
The method for producing the dye-sensitized solar cell may further include a step of washing the semiconductor layer supporting the dye with a second solvent that is a good solvent for the dye.
Thereby, the unsupported dye remaining on the surface of the semiconductor layer can be removed, and the unsupported dye remaining in the semiconductor layer can be further permeated into the semiconductor layer. The second solvent may be the same solvent as the first solvent, or may be a solvent having higher affinity with the semiconductor layer than the first solvent.
本発明によれば、半導体層に対する色素の担持効率を高めることができるため、色素担持工程の時間を短縮して生産性の向上を図ることができる。 According to the present invention, since the efficiency of dye support on the semiconductor layer can be increased, the time of the dye support process can be shortened to improve productivity.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[色素増感太陽電池の構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る色素増感太陽電池の概略構成を示す断面図である。色素増感太陽電池1は、第1の基材11と、透明電極層12と、半導体層13と、電解質層14と、対極層15と、第2の基材16とを有する。本実施形態に係る色素増感太陽電池1は、第1の基材11側から照射される光によって半導体層13で電荷を発生させる電極構造を有する。透明電極層12と対極層15との間には、図示しない外部回路が接続されている。
[Configuration of dye-sensitized solar cell]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention. The dye-sensitized solar cell 1 includes a
第1の基材11は、半導体層13と透明電極層12とを支持する機能を有している。第1の基材11は透光性を有しており、例えば300〜1500nmの波長の光に対して50%以上の透過率を有する材料で形成されている。具体的な材料としては、ガラス、あるいは、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)、TAC(トリアセチルセルロース)、PC(ポリカーボネート)、シクロオレフィンポリマー等の樹脂フィルムが挙げられる。
The
透明電極層12は、透光性を有し、半導体層13で発生した電荷を上記外部回路へ供給する。典型的には、透明電極層12は、ITO(酸化インジウムスズ)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、ZnO、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、SnO2などのTCO(transparent conducting oxide)で形成される。透明電極層12のシート抵抗は、1kΩ以下である。
The
半導体層13は、光増感性の色素を担持する半導体材料で形成される。半導体層13は、光を吸収し電荷を発生させる機能と、色素より注入された電荷を透明電極層12へ輸送する機能とを有する。半導体層13は、色素の担持量を高めるため、多孔質材料で形成される。半導体層13を形成する半導体の具体的な材料としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化タングステン等の各種金属酸化物半導体、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等の各種複合金属酸化物半導体、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化アルミニウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化マンガン等の遷移金属酸化物、酸化セリウム、酸化ガドリニウム、酸化サマリウム、酸化イッテルビウム等のランタノイド酸化物、シリカに代表される天然または合成の珪酸化合物等を挙げることができる。これらの材料は単独で用いられてもよく、複数組み合わせて使用されてもよい。
The
半導体層13に保持させる光増感色素(以下単に「色素」ともいう。)としては、増感作用を示すものであれば特に制限はない。例えば、光増感色素としては、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 (hereinafter also simply referred to as “dye”) held in the
電解質層14は、半導体層13と対極層15との間に設けられる。電解質層14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。
The
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.
本実施形態において、電解質層14は、酸化還元種を含む電解液などで構成される。酸化還元種としては、例えば、I−/I3 −が挙げられる。ここで、三ヨウ化物イオンI3 −は、I2がヨウ化物イオンI−と結び付いてイオンとして存在する化学種である。
In the present embodiment, the
対極層15は、第2の基材16に積層され、例えば白金層やカーボン層で形成される。第2の基材16は、対極層15を支持するためのもので、例えば、第1の基材11と同様な材料で形成される。なお、第2の基材16は、非透光性の材料で形成されてもよい。
The
[色素増感太陽電池の動作]
以上のように構成される色素増感太陽電池1は、第1の基材11側から光が入射すると、対極層15を正極、透明電極層12を負極とする電池として動作する。
[Operation of dye-sensitized solar cell]
The dye-sensitized solar cell 1 configured as described above operates as a battery having the
すなわち、第1の基材11および透明電極層12を透過してきた光子を光増感色素が吸収すると、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、色素と半導体層13との間の電気的結合を介して、半導体層13の伝導帯に取り出され、半導体層13を通って透明電極層12へ到達する。
That is, when the photosensitizing dye absorbs photons that have passed through the
一方、電子を失った色素は、電解質層14中の還元剤、例えばI−から下記の反応によって電子を受け取り、電解質層14中に酸化剤、例えばI3 −を生成させる。
2I−→I2+2e−
I2+I−→I3 −
生じた酸化剤は、拡散によって対極層15に到達し、上記の反応とは逆の下記の反応によって対極層15から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
I3 −→I2+I−
I2+2e−→2I−
On the other hand, the dye that has lost electrons receives electrons from the reducing agent in the
2I − → I 2 + 2e −
I 2 + I − → I 3 −
The generated oxidizing agent reaches the
I 3 − → I 2 + I −
I 2 + 2e − → 2I −
透明電極層12から外部回路へ供給された電子は、外部回路で電気的仕事に変換された後、対極層15へ戻される。以上のような動作が繰り返されることで、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
The electrons supplied from the
[色素増感太陽電池の製造方法]
次に、色素増感太陽電池の製造方法、特に、半導体層13を形成する半導体材料への色素の担持方法について説明する。
[Method for producing dye-sensitized solar cell]
Next, a method for producing a dye-sensitized solar cell, particularly a method for supporting a dye on a semiconductor material forming the
まず、図2に示すように、第1の基材11上に、透明電極層12と、半導体材料層13aとを順に積層した電極基板10を準備する。半導体材料層13aの形成に際しては、酸化チタン微粒子等の半導体微粒子を溶媒中に分散させた塗液を調整し、塗布法または印刷法によって、上記塗液の被膜を所定の厚みで透明電極層12の上に形成する。その後、塗液の層から溶媒成分を蒸発させた後、焼成する。
First, as shown in FIG. 2, an
半導体材料層13aは、透明電極層12の上に積層される。透明電極層12は、基材11の全領域に形成されてもよいし、基材11の一部の領域に形成されてもよい。例えば、透明電極層12は、基材11の表面にストライプ状等の所定の形状に形成されてもよい。この場合、半導体材料層13aは、透明電極層12の形状に合わせて、ストライプ状等の所定の形状に形成される。
The
次に、半導体材料層13aに光増感色素を吸着させる。図3は、色素吸着工程の処理手順を示すフローである。半導体材料層13aへの色素吸着工程は、色素溶液の塗布工程(ステップ101)と、色素の担持工程(ステップ102)と、洗浄工程(ステップ103)と、乾燥工程(ステップ104)とを有する。
Next, a photosensitizing dye is adsorbed on the
(色素溶液の塗布工程)
色素溶液は、光増感色素を溶媒に溶解させることで調製される。色素溶液を半導体材料層13aの奥まで浸透させ、速やかでムラのない色素塗布を実現するために色素溶液と半導体材料層13aは高い親和性をもつことが望ましい。本実施形態では、色素の溶媒として、半導体材料層13aの表面との接触角が6°以下、より好ましくは5°以下である溶媒が使用される。
(Dye solution application process)
The dye solution is prepared by dissolving a photosensitizing dye in a solvent. It is desirable that the dye solution and the
浸透する色素の量を増やして担持速度を向上させるため、また、塗布プロセスにおける塗布厚みの制限から、色素溶液の色素濃度は5mM以上とされる。色素濃度の上限は特に限定されないが、濃度が過剰に高いと溶液に含まれる色素の量が半導体材料層13aに担持可能な色素の量を大幅に上回ることで、残留色素が大量に発生してしまう可能性がある。色素の無駄な使用を防ぐために色素溶液の濃度は、例えば100mM以下とされる。
In order to improve the carrying speed by increasing the amount of the dye to penetrate, the dye concentration of the dye solution is 5 mM or more due to the limitation of the coating thickness in the coating process. The upper limit of the dye concentration is not particularly limited, but if the concentration is excessively high, the amount of the dye contained in the solution greatly exceeds the amount of the dye that can be carried on the
色素溶液は、毛細管現象によって半導体材料層13aへ浸透する。また同時に、色素溶液は半導体材料層13aの表面から蒸発する。溶媒の揮発性が高いと色素溶液が半導体材料層13aに十分に浸透する前に溶媒が揮発し、半導体材料層13aの奥まで色素が到達しない。そこで本実施形態では、色素溶液が半導体材料層13aの最深部まで到達しないうちに溶媒が蒸発してしまうことを回避するため、80℃以上の沸点を有する溶媒が使用される。また、色素溶液の粘度は低いほど半導体材料層13aへの浸透が速いため、色素溶液作製後の粘度が室温で100mPa・s以下となるような溶媒が使用される。
The dye solution penetrates into the
このような溶媒の具体例としては、3-メトキシプロピオニトリル(MPN)、3,3-ジメトキシプロピオニトリルエトキシプロピオニトリル、3-エトキシプロピオニトリル、3,3'-オキシジプロピオニトリル、3-アミノプロピオニトリル、プロピオニトリル、シアノ酢酸プロピル、イソチオシアン酸3-メトキシプロピル、3-フェノキシプロピオニトリル、p-アニシジン 3-(フェニルメトキシ)プロパンニトリル、n-プロパノール、2-プロパノール、n-ブタノール、2-ブタノール、イソブタノール、t-ブタノール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、1-メトキシ-エタノール、1,1-ジメチル-2-メトキシエタノール、3-メトキシ-1-プロパノール、ジメチルホルムアミド(DMF)、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、酢酸ブチル、酢酸エチル、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、ジメチルアセトアミド、炭酸ジメチル、ブチルセロソルブ、ジアセトンアルコール等が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いられてもよく、また複数を組み合わせて所望の接触角、沸点、溶解度、粘度が得られるようにしてもよい。本実施形態では、アミド系溶媒が用いられ、より具体的には、ジメチルホルムアミド(DMF)が用いられる。 Specific examples of such a solvent include 3-methoxypropionitrile (MPN), 3,3-dimethoxypropionitrile ethoxypropionitrile, 3-ethoxypropionitrile, 3,3′-oxydipropionitrile, 3-aminopropionitrile, propionitrile, propyl cyanoacetate, 3-methoxypropyl isothiocyanate, 3-phenoxypropionitrile, p-anisidine 3- (phenylmethoxy) propanenitrile, n-propanol, 2-propanol, n -Butanol, 2-butanol, isobutanol, t-butanol, ethylene glycol, triethylene glycol, 1-methoxy-ethanol, 1,1-dimethyl-2-methoxyethanol, 3-methoxy-1-propanol, dimethylformamide (DMF) ), Benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, chlorobenze , Dichlorobenzene, butyl acetate, ethyl acetate, cyclohexanone, cyclopentanone, dimethylacetamide, dimethyl carbonate, butyl cellosolve, diacetone alcohol and the like. These solvents may be used alone, or a plurality of these solvents may be combined to obtain a desired contact angle, boiling point, solubility, and viscosity. In this embodiment, an amide solvent is used, and more specifically, dimethylformamide (DMF) is used.
色素としてはRu錯体のN3、N621、N712、N719、N749、N773、N790、N820、N823、N845、N886、N945、K9、K19、K23、K27、K29、K51、K60、K66、K69、K73、K77、Z235、Z316、Z907、Z907Na、Z910、Z991、CYC-B1、HRS-1、有機色素系としてAnthocyanine、WMC234、WMC236、WMC239、WMC273、PPDCA、PTCA、BBAPDC、NKX-2311、NKX-2510、NKX-2553(林原生物化学製)、NKX-2554(林原生物化学製)、NKX-2569、NKX-2586、NKX-2587(林原生物化学製)、NKX-2677(林原生物化学製)、NKX-2697、NKX-2753、NKX-2883、NK‐5958(林原生物化学製)、NK‐2684(林原生物化学製)、Eosin Y、Mercurochrome、MK-2(総研化学製)、D77、D102(三菱製紙化学製)、D120、D131(三菱製紙化学製)、D149(三菱製紙化学製)、D150、D190、D205(三菱製紙化学製)、D358(三菱製紙化学製) 、JK-1、JK-2、5、ZnTPP、H2TC1PP、H2TC4PP、Phthalocyanine Dye(Zinc phtalocyanine-2,9,16,23-tetra-carboxylic acid、2-[2’-(zinc9’,16’,23’-tri-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanyl)] succinic acid、Polythiohene Dye(TT-1)、Pendant type polymer、Cyanine Dye(P3TTA、C1-D、SQ-3、B1)等が挙げられる。 As the dye, Ru complex N3, N621, N712, N719, N749, N773, N790, N820, N823, N845, N886, N945, K9, K19, K23, K27, K29, K51, K60, K66, K69, K73, K77, Z235, Z316, Z907, Z907Na, Z910, Z991, CYC-B1, HRS-1, As an organic dye system, Anthocyanine, WMC234, WMC236, WMC239, WMC273, PPDCA, PTCA, BBAPDC, NKX-2311, NKX-2510, NKX-2553 (manufactured by Hayashibara Biochemical), NKX-2554 (manufactured by Hayashibara Biochemical), NKX-2569, NKX-2586, NKX-2587 (manufactured by Hayashibara Biochemical), NKX-2677 (manufactured by Hayashibara Biochemical), NKX- 2697, NKX-2753, NKX-2883, NK-5958 (manufactured by Hayashibara Biochemical), NK-2684 (manufactured by Hayashibara Biochemical), Eosin Y, Mercurochrome, MK-2 (manufactured by Soken Chemical), D77, D102 (Mitsubishi Paper) Chemical), D120, D131 (Mitsubishi Paper Chemical), D149 (Mitsubishi Paper Chemical), D150, D190, D205 (Mitsubishi Paper Chemical), D358 (Mitsubishi Paper Chemical), JK-1, JK-2, 5, ZnTPP, H 2 TC 1 PP, H 2 TC 4 PP, Phthhalocyanine Dye (Zinc phtalocyanine-2,9,16,23-tetra-carboxylic acid, 2- [2 '-(zinc9', 16 ', 23' -tri-t ert-butyl-29H, 31H-phthalocyanyl)] succinic acid, Polythiohene Dye (TT-1), Pendant type polymer, Cyanine Dye (P3TTA, C1-D, SQ-3, B1) and the like.
色素の担持工程は、半導体材料層13a上への色素溶液の塗布により行う。塗布方法は特に限定されるものではなく、公知の塗布方法を用いることができる。公知の塗布方法としては、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、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が挙げられる。
The dye supporting step is performed by applying a dye solution onto the
図4に、基材11上にストライプ状に形成された半導体材料層13aへ、色素溶液をストライプ状にダイコートする様子を模式的に示す。図中矢印Aは、電極基板10の搬送方向を示しており、電極基板10は半導体材料層13aの延在方向に沿って搬送される。電極基板10は、ロールツーロール方式で搬送可能なように帯状(ウェブ状)に形成されてもよい。この場合、電極基板10は、後工程において所定のサイズに裁断される。ダイヘッド100は、色素溶液を吐出する複数のスリット100aを先端部に有する。各々のスリット100aは、各列の半導体材料層13aに対向し、かつ、各列の半導体材料層13aの幅に対応する長さを有する。以上のようにして、電極基板10の各列の半導体材料層13aには、各列ごとに所定厚みの色素溶液の塗膜13bが形成される。
FIG. 4 schematically shows a state in which the dye solution is die-coated in a stripe shape on the
塗膜13bの厚みは、色素溶液の粘度にもより調整される。色素溶液の粘度が室温で100mPa・s以下の場合、色素溶液が塗工領域の外側に流出するおそれがあるため、塗膜13bの厚みは150μm以下であることが好ましい。なお、DMF等の有機溶媒は、PET等のプラスチックに対する親和性が低い。このため、色素溶液の溶媒にDMFを使用した場合、色素溶液がPET製の基材11に付着しにくくなり、半導体材料層13aの上に塗膜13bを高精度に形成することができる。
The thickness of the
(色素の担持工程)
半導体材料層13aへ塗布された色素溶液は、毛細管現象を駆動力として多孔質の半導体材料層13aへ浸透し、色素溶液に含まれる色素は、半導体材料表面に共有結合あるいは配位結合して担持される。
(Dye loading process)
The dye solution applied to the
本実施形態によれば、色素溶液の溶媒として、半導体材料層13aの表面との接触角が6°以下である溶媒を用いているため、色素溶液を多孔質の半導体材料層13aへ速やかに浸透させることができる。また、色素溶液が5mM以上の色素を含有することで、半導体材料層13aへの色素の担持効率を高めることができる。さらに、上記溶媒として、80℃以上の沸点を有する溶媒を用いているため、色素溶液を蒸発させることなく、色素溶液を半導体材料層13aの最深部まで到達させることができる。
According to this embodiment, since the solvent having a contact angle with the surface of the
次に、電極基板10は、乾燥処理される。これにより、半導体材料層13aによる色素の担持が促されるとともに、半導体材料層13a上の余分な溶媒が除去される。乾燥処理は、色素溶液が半導体材料層13aへ十分に浸透した後に実施されてもよいし、十分に浸透する前に実施されてもよい。
Next, the
上記乾燥処理は、大気圧下あるいは減圧雰囲気下において実施される。乾燥温度は常温でもよいし、加熱雰囲気であってもよい。また、溶媒の粘度を必要以上に上昇させない範囲で冷却雰囲気下において乾燥処理が実施されてもよい。冷却雰囲気下で乾燥処理を実施することにより、溶媒の蒸発を抑制しつつ、色素溶液を半導体材料層13aに十分に浸透させることができる。また、上記作用を得る目的で、当該乾燥処理の雰囲気温度を可変に制御してもよい。
The drying process is performed under an atmospheric pressure or a reduced pressure atmosphere. The drying temperature may be room temperature or a heated atmosphere. In addition, the drying process may be performed in a cooling atmosphere as long as the viscosity of the solvent is not increased more than necessary. By performing the drying process in a cooling atmosphere, the dye solution can be sufficiently permeated into the
図5は、電極基板10の乾燥工程を説明する乾燥炉101の概略斜視図である。乾燥炉101は、電極基板10を搬送ローラ102によって矢印A方向へ搬送する。乾燥炉101は、電極基板10の搬送方向に沿って配列された複数のヒータ103を有する。電極基板10は、ヒータ103による加熱処理を受けながら乾燥炉101内を搬送され、これにより半導体材料層13aから色素溶液の溶媒成分が除去される。
FIG. 5 is a schematic perspective view of the drying
上記乾燥処理において、色素溶液の溶媒は、半導体材料層13aから完全に乾燥された状態であってもよいし、半導体材料層13aに多少残留する不完全な乾燥状態であってもよい。
In the drying treatment, the solvent of the dye solution may be in a completely dried state from the
(洗浄工程)
続いて、電極基板10の洗浄工程が実施される。この工程は、電極基板10を色素の良溶媒で洗浄し、未担持の色素を半導体材料層13aから除去することを目的とする。図6は、電極基板10の洗浄工程を説明する洗浄装置104の概略斜視図である。
(Washing process)
Subsequently, a cleaning process of the
洗浄装置104は、洗浄用の溶媒105を収容する容器106と、容器106内へ電極基板10を導く複数のガイドローラ107とを有する。電極基板10の洗浄工程では、電極基板10を容器106内の溶媒105に浸漬させることで、半導体材料層13aに残留する余剰色素を除去する。洗浄効果を高めるため、溶媒105に超音波振動を付与してもよい。この場合、図示するように容器106の底部に超音波発生器108が設置されるが、設置場所はこれに限定されない。また、電極基板10を連続的に搬送しながら洗浄処理を行ってもよいし、電極基板10を間欠的に搬送しながら洗浄処理を行ってもよい。
The
上述の色素担持工程において、半導体材料層13aの深さ(厚み)方向の途中で溶媒が蒸発してしまうと、その部分より深い領域にて色素が担持されない領域ができる。本実施形態では、色素の良溶媒で半導体材料層13aの洗浄処理を行っているため、半導体材料層13aに表面に残留する未担持の色素を除去しつつ、半導体材料層13aの内部に残留する当該未担持の色素を半導体材料層13aの更に奥深くの領域に再浸透させることができる。また、溶媒に超音波を印加することで、溶媒の浸透効果が高まり、これにより半導体材料層13aの最深部にまで色素を到達させることができる。
If the solvent evaporates in the depth (thickness) direction of the
洗浄に用いる溶媒は、色素の良溶媒であれば特に限定されず、例えば色素溶液の調製に使用される上述の各種溶媒(例えばDMF)が用いられる。また、色素溶液に用いられる溶媒よりも半導体材料層13aに対して親和性の高い溶媒が洗浄用溶媒として用いられてもよい。これにより、洗浄工程における色素の再浸透効果を高めることができる。
The solvent used for washing is not particularly limited as long as it is a good solvent for the dye. For example, the above-mentioned various solvents (for example, DMF) used for preparing the dye solution are used. A solvent having higher affinity for the
(乾燥工程)
洗浄工程の終了後、電極基板10は乾燥処理される。この乾燥処理によって、洗浄に用いた溶媒が除去され、半導体材料層13aへの色素の担持工程が完了する。これにより、光増感色素を担持した半導体層13が作製される。この乾燥処理には、図5を参照して説明した加熱乾燥炉を用いることができる。これ以外にも、熱風乾燥方式や自然乾燥方式が採用されてもよい。
(Drying process)
After completion of the cleaning process, the
本実施形態によれば、色素溶液を半導体材料層13aの奥まで浸透させ、速やかでムラのない色素塗布を実現することができる。これにより、色素担持量の高い半導体層13を備えた、光電変換効率の高い色素増感太陽電池を製造することができる。
According to this embodiment, the dye solution can be penetrated to the back of the
また、本実施形態によれば、半導体材料層13aとの親和性の非常に高く、半導体材料層13aに対する浸透性に優れた色素溶液を用いているため、色素の担持処理に必要な処理時間を短縮し、生産性の向上を図ることができる。
Further, according to the present embodiment, since the dye solution having very high affinity with the
[実験例]
以下、本発明者らの行った実験例について説明する。
[Experimental example]
Hereinafter, experimental examples performed by the present inventors will be described.
(実験例1)
半導体材料層を形成する酸化チタンの塗液を作製した。塗液の作製には、2種類の酸化チタン微粒子を用いた。第1の酸化チタン微粒子には、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20nm)を用いた。第2の酸化チタン微粒子には、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200nm)を用いた。これらの酸化チタン微粒子と、ブトキシチタンダイマー(DBT;三菱ガス化学(株)製)と、テトラメトキシシラン(TMOS;純正化学(株)製)とを混合し、溶媒に分散させることで、酸化チタン塗液を作製した。塗液における配合量は、DBTが2.5質量%、TMOSが0.1質量%とした。溶媒にはエタノールを用いた。
(Experimental example 1)
A titanium oxide coating solution for forming a semiconductor material layer was prepared. Two types of titanium oxide fine particles were used for preparing the coating liquid. As the first titanium oxide fine particles, P25 (trade name; manufactured by Degussa, a mixture of anatase type crystals (80%) and rutile type crystals (20%), average particle size of primary particles of about 20 nm) was used. TA-300 (trade name; manufactured by Fuji Titanium Industry Co., Ltd., anatase crystal, average particle diameter of primary particles of about 200 nm) was used as the second titanium oxide fine particles. These titanium oxide fine particles, butoxy titanium dimer (DBT; manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Inc.), and tetramethoxysilane (TMOS; manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) are mixed and dispersed in a solvent, thereby obtaining titanium oxide. A coating solution was prepared. The blending amounts in the coating solution were 2.5% by mass for DBT and 0.1% by mass for TMOS. Ethanol was used as the solvent.
上記のように調製した酸化チタン塗液を厚さ125μmのPETフィルム(商品名 0300E;三菱樹脂(株)製)上に番手30のバーコーターで塗布し、自然乾燥させた後、150℃で30分間焼成して、酸化チタン半導体層を形成した。作製した酸化チタン半導体層の一部をガラス板のエッジで削り取り、半導体微粒子層表面から基材表面までの段差を測定し、この値を酸化チタン半導体層の膜厚とした。測定結果は5μmであった。段差の測定には、(株)小阪研究所製触針式表面粗さ測定器「サーフコーダET4000」(商品名)を用いた。 The titanium oxide coating solution prepared as described above was applied on a PET film (trade name: 0300E; manufactured by Mitsubishi Plastics Co., Ltd.) with a thickness of 125 μm with a No. 30 bar coater, allowed to dry naturally, and then at 150 ° C. for 30 The titanium oxide semiconductor layer was formed by baking for a minute. A part of the produced titanium oxide semiconductor layer was scraped off by the edge of the glass plate, and the level difference from the surface of the semiconductor fine particle layer to the surface of the base material was measured. The measurement result was 5 μm. For measuring the level difference, a stylus type surface roughness measuring device “Surf Corder ET4000” (trade name) manufactured by Kosaka Laboratory Ltd. was used.
溶媒としてDMF(ジメチルホルムアミド)に、Z907色素を3、5、8、15、50mM、ドデシルホスホン酸を0.045mMの割合で溶解した色素溶液を作製した。酸化チタン半導体層と溶媒との接触角を固体表面エナジー解析装置「FACE CA−EX」(商品名)で測定した。測定の結果、接触角は5°以下であった。 A dye solution was prepared by dissolving Z907 dye in a ratio of 3, 5, 8, 15, 50 mM and dodecylphosphonic acid in a ratio of 0.045 mM in DMF (dimethylformamide) as a solvent. The contact angle between the titanium oxide semiconductor layer and the solvent was measured with a solid surface energy analyzer “FACE CA-EX” (trade name). As a result of the measurement, the contact angle was 5 ° or less.
調製した各色素溶液を酸化チタン半導体層に3、7、14、30、44、75番手のバーコーターを用いて塗布した。塗布厚みは、番手の数値に2.29を乗算して得られる値を目安とした。塗布後、色素溶液を大気下で自然乾燥させた。その後、基材とともに酸化チタン半導体層をアセトニトリルに浸漬し、超音波下で5分間洗浄することで、余分な色素を除去した。その後乾燥させ、酸化チタン半導体層中における色素の浸透度合いを評価した。 Each prepared dye solution was apply | coated to the titanium oxide semiconductor layer using the 3, 7, 14, 30, 44, 75th bar coater. The coating thickness was a value obtained by multiplying the numerical value of the count by 2.29. After coating, the dye solution was naturally dried under air. Thereafter, the titanium oxide semiconductor layer was dipped in acetonitrile together with the base material, and was washed for 5 minutes under ultrasonic waves to remove excess dye. Then, it was dried and the penetration degree of the dye in the titanium oxide semiconductor layer was evaluated.
色素の浸透評価に際しては、基材の裏面から酸化チタン半導体層を観察し、色素がムラなく浸透しているかを評価した。また、酸化チタン半導体層をミクロトームで切断し、その切断面を観察することで、層内における色素の浸透度合いを評価した。評価方法としては、色素溶液ごとに上記評価を行い、以下の3つの基準で判断した。
○:色素がムラなく半導体層の奥まで浸透している
△:色素の浸透にムラがあり、半導体層の奥まで浸透している領域があるが浸透していない領域もある
×:色素が奥まで浸透していない
In evaluating the penetration of the dye, the titanium oxide semiconductor layer was observed from the back surface of the substrate to evaluate whether the dye penetrated evenly. Moreover, the penetration degree of the pigment | dye in a layer was evaluated by cut | disconnecting a titanium oxide semiconductor layer with a microtome, and observing the cut surface. As an evaluation method, the above evaluation was performed for each dye solution, and the determination was made based on the following three criteria.
○: The dye penetrates deep into the semiconductor layer without unevenness. Δ: The dye penetrates unevenly, and there is an area that penetrates deep into the semiconductor layer, but some areas do not penetrate. ×: The dye penetrates deeply. Not penetrated
(実験例2)
色素溶液の溶媒をエタノールとしたこと以外は、上述の実験例1と同様の条件で酸化チタン半導体層を作製し、色素の浸透度合いを評価した。なお、エタノールと酸化チタン半導体層との接触角は5°以下であった。
(Experimental example 2)
A titanium oxide semiconductor layer was prepared under the same conditions as in Experimental Example 1 except that the solvent of the dye solution was ethanol, and the degree of dye penetration was evaluated. The contact angle between ethanol and the titanium oxide semiconductor layer was 5 ° or less.
(実験例3)
色素溶液の溶媒をMPN(3-メトキシプロピオニトリル)としたこと以外は、上述の実験例1と同様の条件で酸化チタン半導体層を作製し、色素の浸透度合いを評価した。なお、MPNと酸化チタン半導体層との接触角は5.9°であった。
(Experimental example 3)
A titanium oxide semiconductor layer was prepared under the same conditions as in Experimental Example 1 except that MPN (3-methoxypropionitrile) was used as the solvent of the dye solution, and the degree of penetration of the dye was evaluated. The contact angle between MPN and the titanium oxide semiconductor layer was 5.9 °.
実験例1〜3の評価結果を表1にまとめて示す。 The evaluation results of Experimental Examples 1 to 3 are summarized in Table 1.
表1に示すように、色素濃度が高いほど、色素をムラなく半導体層の奥まで浸透させることができる色素溶液の塗布厚みを小さくすることができる。すなわち、色素濃度が低いほど、半導体層に担持される色素の量が少なくなるため、担持される色素の量を増加させるには色素溶液の塗布厚みを大きくする必要がある。しかし、色素溶液の粘度との関係から、塗工領域に精度よく塗布できる厚みには限界がある。したがって、例えば150μm以下の塗布厚みで色素を効率よく半導体層に担持させることができる色素濃度は、実験例1では5mM以上、実験例2では50mM以上、そして実験例3では15mM以上となる。 As shown in Table 1, the higher the dye concentration, the smaller the coating thickness of the dye solution that can penetrate the dye to the back of the semiconductor layer without unevenness. That is, the lower the dye concentration, the smaller the amount of dye carried on the semiconductor layer. Therefore, in order to increase the amount of dye carried, it is necessary to increase the coating thickness of the dye solution. However, due to the relationship with the viscosity of the dye solution, there is a limit to the thickness that can be accurately applied to the coating region. Therefore, for example, the dye concentration at which the dye can be efficiently supported on the semiconductor layer with a coating thickness of 150 μm or less is 5 mM or more in Experimental Example 1, 50 mM or more in Experimental Example 2, and 15 mM or more in Experimental Example 3.
実験例1と実験例2とで半導体層に対する色素の浸透度合いが大きく異なるのは、色素溶液の溶媒沸点の違いに基づく。すなわち、溶媒の沸点が低いほど、色素溶液塗布後の溶媒の蒸発が速いため、半導体層の奥まで色素が到達できないためと考えられる。この場合、色素濃度を高めることで、半導体層の奥まで色素を到達させることができるが、色素の溶け残りが発生し、コスト高となる。 The reason why the penetration degree of the dye into the semiconductor layer is greatly different between Experimental Example 1 and Experimental Example 2 is based on the difference in the solvent boiling point of the dye solution. That is, it is considered that the lower the boiling point of the solvent, the faster the solvent evaporates after coating the dye solution, so that the dye cannot reach the back of the semiconductor layer. In this case, by increasing the dye concentration, the dye can reach the back of the semiconductor layer, but the dye remains undissolved and the cost increases.
一方、実験例1と実験例3とで半導体層に対する色素の浸透度合いが異なるのは、色素溶液の溶媒と酸化チタン半導体層との接触角の違いに基づく。すなわち、実験例1で使用される溶媒(DMF)によれば、実験例3で使用される溶媒(MPN)よりも半導体層との接触角が小さく、かつ親和性が高い。このように半導体層内への色素溶液の浸透性の良否が、色素の浸透度合いに違いをもたらすものと考えられる。 On the other hand, the difference in the degree of penetration of the dye into the semiconductor layer between Experimental Example 1 and Experimental Example 3 is based on the difference in the contact angle between the solvent of the dye solution and the titanium oxide semiconductor layer. That is, the solvent (DMF) used in Experimental Example 1 has a smaller contact angle with the semiconductor layer and higher affinity than the solvent (MPN) used in Experimental Example 3. Thus, the quality of the dye solution penetrating into the semiconductor layer is considered to cause a difference in the degree of dye penetration.
(実験例4)
FTOガラス基板(日本板硝子(株)製、表面抵抗13Ω/□)上に、実験例1と同様の条件で作製した酸化チタン半導体層を膜厚5μmで形成した。DMFにZ907色素を15mM、ドデシルホスホン酸を0.045mM溶解させて色素溶液を調製した。酸化チタン半導体層に番手7のバーコーターを使用して色素溶液を塗布し、自然乾燥させた。半導体層への色素の担持処理時間は5分とした。塗布後、アセトニトリルに半導体層を浸漬し、超音波下で5分間リンスした。その後、自然乾燥させ、色素の度合いを評価したところ、実験例1の評価基準で「○」であった。
(Experimental example 4)
On a FTO glass substrate (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance 13Ω / □), a titanium oxide semiconductor layer produced under the same conditions as in Experimental Example 1 was formed with a film thickness of 5 μm. A dye solution was prepared by dissolving 15 mM of Z907 dye and 0.045 mM of dodecylphosphonic acid in DMF. The dye solution was applied to the titanium oxide semiconductor layer using a number 7 bar coater and allowed to dry naturally. The treatment time of the dye on the semiconductor layer was 5 minutes. After coating, the semiconductor layer was immersed in acetonitrile and rinsed under ultrasonic waves for 5 minutes. Thereafter, it was naturally dried and the degree of pigment was evaluated. As a result, the evaluation standard of Experimental Example 1 was “◯”.
乾燥後の酸化チタン半導体層を1cm角の正方形に整形し、50μmのシリコンスペーサを用いて酸化チタン半導体層を囲んだ。その後、半導体層上に電解液を滴下し、対極としてのプラチナ膜をスパッタ成膜したガラスで電解液を挟み、色素増感太陽電池セルを作製した。作製されたセルの光電変換効率を評価した。 The dried titanium oxide semiconductor layer was shaped into a 1 cm square, and the titanium oxide semiconductor layer was surrounded by a 50 μm silicon spacer. Thereafter, an electrolytic solution was dropped on the semiconductor layer, and the electrolytic solution was sandwiched between glasses on which a platinum film as a counter electrode was formed by sputtering to produce a dye-sensitized solar cell. The photoelectric conversion efficiency of the produced cell was evaluated.
(実験例5)
色素の担持処理以外は、実験例4と同様の条件で色素増感太陽電池セルを作製し、その光電変換効率を評価した。本実験例では、エタノールにZ907色素を15mM、ドデシルホスホン酸を0.045mMの割合で溶解させて色素溶液を調製した。酸化チタン半導体層に番手7のバーコーターを使用して色素を塗布し、自然乾燥させる工程を2回繰り返した。半導体層への色素の担持処理時間は合計10分とした。塗布後にアセトニトリルに半導体層を浸漬し、超音波下で5分間リンスした。色素の浸透度合いは、実験例1の評価基準で「○」であった。
(Experimental example 5)
Except for the dye supporting treatment, dye-sensitized solar cells were prepared under the same conditions as in Experimental Example 4, and the photoelectric conversion efficiency was evaluated. In this experimental example, a dye solution was prepared by dissolving Z907 dye in ethanol at a ratio of 15 mM and dodecylphosphonic acid at a ratio of 0.045 mM. The process of applying the pigment | dye to the titanium oxide semiconductor layer using the number 7 bar coater, and air-drying was repeated twice. The total treatment time of the dye on the semiconductor layer was 10 minutes. After coating, the semiconductor layer was immersed in acetonitrile and rinsed under ultrasonic waves for 5 minutes. The degree of penetration of the dye was “◯” according to the evaluation criteria of Experimental Example 1.
(実験例6)
色素の担持処理以外は、実験例4と同様の条件で色素増感太陽電池セルを作製し、その光電変換効率を評価した。本実験例では、Z907色素とドデシルホスホン酸とをアセトニトリル(MeCN)とt-ブタノール(t-BuOH)とを1:1の割合で混合した溶媒に、それぞれ3mMと0.045mMの輪入りで溶解させて色素溶液を調製した。酸化チタン半導体層を25℃の温度の色素溶液に浸漬し、色素担持処理として10分間超音波処理を行った。色素溶液から酸化チタン半導体層を取り出した後、速やかにアセトニトリルで1分間リンスして未担持の色素を取り除いた。色素の浸透度合いは、実験例1の評価基準で「○」であった。
(Experimental example 6)
Except for the dye supporting treatment, dye-sensitized solar cells were prepared under the same conditions as in Experimental Example 4, and the photoelectric conversion efficiency was evaluated. In this experiment example, Z907 dye and dodecylphosphonic acid were dissolved in a solvent in which acetonitrile (MeCN) and t-butanol (t-BuOH) were mixed at a ratio of 1: 1, and dissolved in 3 mM and 0.045 mM rings, respectively. To prepare a dye solution. The titanium oxide semiconductor layer was immersed in a dye solution having a temperature of 25 ° C., and subjected to ultrasonic treatment for 10 minutes as a dye supporting process. After the titanium oxide semiconductor layer was taken out from the dye solution, it was immediately rinsed with acetonitrile for 1 minute to remove unsupported dye. The degree of penetration of the dye was “◯” according to the evaluation criteria of Experimental Example 1.
(実験例7)
色素の担持処理以外は、実験例4と同様の条件で色素増感太陽電池セルを作製し、その光電変換効率を評価した。本実験例では、アセトニトリル(MeCN)とt-ブタノール(t-BuOH)とを1:1の割合で混合した溶媒に、Z907色素を0.3mM、ドデシルホスホン酸を0.045mM溶解させて色素溶液を調製した。色素溶液に酸化チタン半導体層を浸漬し、22時間、室温で静置させた。色素溶液から半導体層を引き揚げた後、速やかにアセトニトリルに1分間浸漬し、未担持の色素を洗浄し、自然乾燥させた。色素の浸透度合いは、実験例1の評価基準で「○」であった。
(Experimental example 7)
Except for the dye supporting treatment, dye-sensitized solar cells were prepared under the same conditions as in Experimental Example 4, and the photoelectric conversion efficiency was evaluated. In this experimental example, 0.3 mM of Z907 dye and 0.045 mM of dodecylphosphonic acid are dissolved in a solvent in which acetonitrile (MeCN) and t-butanol (t-BuOH) are mixed at a ratio of 1: 1 to obtain a dye solution. Was prepared. The titanium oxide semiconductor layer was immersed in the dye solution and allowed to stand at room temperature for 22 hours. After the semiconductor layer was lifted from the dye solution, it was immediately immersed in acetonitrile for 1 minute to wash the unsupported dye and let it air dry. The degree of penetration of the dye was “◯” according to the evaluation criteria of Experimental Example 1.
実験例4〜7の評価結果を表2に示す。ここでは、各実験例に係るセルの光電変化率を実験例7に係るセルの光電変換効率に対する相対値として表した。 The evaluation results of Experimental Examples 4 to 7 are shown in Table 2. Here, the photoelectric change rate of the cell according to each experimental example is expressed as a relative value with respect to the photoelectric conversion efficiency of the cell according to experimental example 7.
表2に示すように、実験例4〜6によれば、実験例7よりもはるかに短時間で実験例7に係るセルと同等の光電変換効率を得ることができる。また、実験例4、5によれば、色素の担持処理に塗布法が採用されているため、実験例6,7のような浸漬法と比較して、色素の溶液管理が不要となり、長期にわたって安定した色素担持処理を実施することができる。 As shown in Table 2, according to Experimental Examples 4 to 6, the photoelectric conversion efficiency equivalent to that of the cell according to Experimental Example 7 can be obtained in a much shorter time than Experimental Example 7. In addition, according to Experimental Examples 4 and 5, since the coating method is adopted for the dye-supporting treatment, compared with the immersion method as in Experimental Examples 6 and 7, it is not necessary to manage the solution of the dye. A stable dye-carrying treatment can be performed.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
例えば以上の実施形態では、基材11と、透明電極層12と、半導体層13との積層構造を有する電極基板10を例に挙げて説明したが、電極基板10の構成は上記の例に限られず、例えば図7〜図10に示す構成の電極基板10についても本発明は適用可能である。
For example, in the above embodiment, the
図7に示す電極基板は、基材11と、半導体層13と、バックコンタクト層17との積層構造を有する。バックコンタクト層17は、半導体層13からの電荷を外部回路に取り出すための電極層で、1kΩ/□以下のシート抵抗を有する。また、電解液と半導体層13を接触させるため、1nm〜1000μmの孔を有する。バックコンタクト層17の構成材料としては、金属メッシュ、導電性織布、導電性高分子塗膜、金属粒子塗膜、金属薄膜などが挙げられる。上記金属には、チタン、タングステン、モリブデン、ニッケル、クロム、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ステンレス鋼などが好適である。このような構造の電極基板においても、バックコンタクト層17の形成後に、半導体層13に対して上述した色素担持処理が施される。
The electrode substrate shown in FIG. 7 has a laminated structure of a
図8に示す電極基板は、基材11と、透明電極層12と、半導体層13と、絶縁層18との積層構造を有する。また、図9に示す電極基板は、基材11と、半導体層13と、バックコンタクト層17と、絶縁層18との積層構造を有する。絶縁層18は、対極層15(図1)と半導体層13あるいはバックコンタクト層17との短絡を防止する電気的絶縁機能を有する。これらの電極基板は、絶縁層18の形成後に、半導体層13に対して上述した色素担持処理が施される。このため、絶縁層18は、多孔質材料で形成される。また、絶縁層18を多孔質材料で構成することによって、当該電極基板でセルを構成したときに電解液成分を半導体層と対極との間で循環させる循環路が確保される。
The electrode substrate shown in FIG. 8 has a laminated structure of a
図8および図9に示す電極基板においては、絶縁層18は、光反射機能を有していてもよい。これにより、基材11側から光を照射したときに、絶縁層18によって半導体層13で吸収されなかった光を反射して再び半導体層13に戻すことができるため、光電変換効率を向上させることができる。一方、絶縁層18側から光を照射する場合は、絶縁層18は透明性を有する必要がある。絶縁層18の構成材料としては、例えば、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムなどの金属酸化物、あるいは、PET、PC、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)などの透明樹脂が挙げられる。
In the electrode substrate shown in FIGS. 8 and 9, the insulating
図10に示す電極基板は、基材11と、透明電極層12と、半導体層13と、絶縁層18と、対極層19との積層構造を有する。対極層19は、電解質を介して半導体層13で発生した電荷を外部回路に取り出す機能を有する。当該電極基板は、対極層19の形成後に、半導体層13に対して上述した色素担持処理が施される。このため、対極層19は、多孔質材料で形成される。また、対極層19を多孔質材料で構成することによって、当該電極基板でセルを構成したときに電解液成分を半導体層と対極層との間で循環させる循環路が確保される。
The electrode substrate shown in FIG. 10 has a laminated structure of a
上述の電極基板の構成例のほか、例えば、透明電極層12を非透明な金属材料で形成したり、透明電極層12の下地にメッシュ状の金属配線層を形成したりして、電極基板のシート抵抗の低減を図るようにしてもよい。
In addition to the above-described configuration example of the electrode substrate, for example, the
1…色素増感太陽電池
10…電極基板
11…基材
12…透明電極層
13…半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dye-sensitized
Claims (7)
前記半導体層の表面との接触角が6°以下であり、沸点が80℃以上である第1の溶媒に光増感性の色素を5mM以上溶解させた色素溶液を前記半導体層の表面に塗布し、
前記色素を前記半導体層に担持させる
色素増感太陽電池の製造方法。 Forming a semiconductor layer on the substrate;
A dye solution prepared by dissolving 5 mM or more of a photosensitizing dye in a first solvent having a contact angle with the surface of the semiconductor layer of 6 ° or less and a boiling point of 80 ° C. or more is applied to the surface of the semiconductor layer. ,
A method for producing a dye-sensitized solar cell, wherein the dye is supported on the semiconductor layer.
前記半導体層に前記色素を担持させる工程は、
前記半導体層に前記色素溶液を浸透させ、
前記第1の溶媒を乾燥させる色素増感太陽電池の製造方法。 A method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 1,
The step of supporting the dye on the semiconductor layer includes:
Infiltrating the dye solution into the semiconductor layer;
A method for producing a dye-sensitized solar cell, wherein the first solvent is dried.
前記色素溶液を塗布する工程は、前記色素溶液を前記半導体層の表面に150μm以下の厚みで塗布する色素増感太陽電池の製造方法。 A method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 2,
The step of applying the dye solution is a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell, in which the dye solution is applied to the surface of the semiconductor layer with a thickness of 150 μm or less.
前記溶媒は、アミド系溶媒である色素増感太陽電池の製造方法。 A method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 3,
The method for producing a dye-sensitized solar cell, wherein the solvent is an amide solvent.
前記色素を担持した前記半導体層を前記色素の良溶媒である第2の溶媒で洗浄する色素増感太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 1, further comprising:
A method for producing a dye-sensitized solar cell, wherein the semiconductor layer supporting the dye is washed with a second solvent which is a good solvent for the dye.
前記半導体層を洗浄する工程は、前記半導体層を前記第2の溶媒中に浸漬する色素増感太陽電池の製造方法。 A method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 5,
The step of cleaning the semiconductor layer is a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell in which the semiconductor layer is immersed in the second solvent.
前記半導体層を形成する工程は、樹脂フィルムで形成された前記基材の上に前記半導体層をストライプ状に形成する色素増感太陽電池の製造方法。 A method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 1,
The step of forming the semiconductor layer is a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell, in which the semiconductor layer is formed in a stripe shape on the base material formed of a resin film.
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WO2013118803A1 (en) * | 2012-02-07 | 2013-08-15 | 東京エレクトロン株式会社 | Dye adsorption device and dye adsorption method |
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