JP2012043724A - Semiconductor electrode layer and manufacturing method thereof and electrochemical device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor electrode layer, composed of metal oxide semiconductor porous layers, which can be manufactured by low temperature firing and can meet the requirements for both the performance as an electrode and the hardness and adhesion to a supporting body, and a manufacturing method thereof, and an electrochemical device which includes the semiconductor electrode layer and is useful as a dye-sensitized solar cell.SOLUTION: A coating liquid containing granular and needle-like metal oxide semiconductor particulates 2 and 3 and a first chemical compound and a second chemical compound is prepared. The first chemical compound hydrolyzes to generate a first oxide, and the second chemical compound is less liable to hydrolyze than the first chemical compound and, when it does hydrolyze, generates a second oxide which is higher in hardness than the first oxide. A layer of the coating liquid is deposited on a support medium 6, which, after organic solvent has been evaporated, is burned at low temperature. In this way, a semiconductor electrode layer 1 which has gaps between the metal oxide semiconductor particulates 2 and between the particulates 2 and the support medium 6 bound by a first oxide layer 4, with the binding reinforced by a second oxide layer 5, is formed.

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。   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.

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6は、従来の、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. 6 is a cross-sectional view of the main part showing the structure of a conventional 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).

透明基板101上に設けられた透明導電層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、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105b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 provided on the transparent substrate 101 is made of ITO (Indium Tin Oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), or the like, and functions as a negative electrode current collector. 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 105 b 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中の還元種(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中に生じた酸化種(酸化剤)は、対向電極(正極)105から電子を受け取り、還元種にもどる。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 the electrons is reduced by the reducing species (reducing agent) in the electrolyte layer 104. The oxidized species (oxidant) generated in the electrolyte layer 104 by this reaction receives electrons from the counter electrode (positive electrode) 105 and returns to the reduced species. 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7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. 7 is a flowchart showing a general manufacturing process of a 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に接して、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, after contacting the transparent conductive layer 102 provided on the transparent substrate 101 and depositing the dispersion by a coating method or the like, 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(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). 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フィルム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. In addition, since there is no plastic material that can withstand high temperatures of 400 to 500 ° C., it is impossible to use a plastic film 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、プラスチックフィルムの耐熱温度(ガラス転移温度)との関係で、加熱処理温度を150℃程度に抑えた低温焼成を行うことが必要になる。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, when 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 film (glass In relation to the transition temperature, it is necessary to perform low-temperature firing 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8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. 8 is a flow chart 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.

また、色素増感型太陽電池の光電変換効率は、シリコン系太陽電池の光電変換効率に比べると低いのが現状であり、光電変換効率の向上のために、様々な取り組みが報告されている。その1つとして、後述の特許文献2には、径30〜200nm、長さ0.5〜20μmの針状酸化チタン微粒子(ルチル型結晶)と、径5〜400nmの粒状酸化チタン微粒子(アナターゼ型結晶)とが含まれる酸化チタン多孔質膜、および、この酸化チタン多孔質膜を半導体電極層として備えた色素増感型太陽電池が提案されている。特許文献2には下記のように説明されている。   Moreover, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is currently lower than that of the silicon-based solar cell, and various efforts have been reported for improving the photoelectric conversion efficiency. As one of them, in Patent Document 2 described later, acicular titanium oxide fine particles (rutile crystal) having a diameter of 30 to 200 nm and a length of 0.5 to 20 μm and granular titanium oxide fine particles (anatase type) having a diameter of 5 to 400 nm are disclosed. And a dye-sensitized solar cell provided with the titanium oxide porous film as a semiconductor electrode layer have been proposed. Patent Document 2 explains as follows.

上記針状酸化チタン微粒子の平均長さを平均径で割った値(アスペクト比)は5以上であり、比表面積は5〜30m2/gである。また、上記粒状酸化チタン微粒子は、主としてアナターゼ型結晶の微粒子であるが、部分的にルチル型結晶構造が混在していてもよく、場合によってはルチル型結晶構造の微粒子が含まれていてもよい。針状酸化チタン微粒子と粒状酸化チタン微粒子との質量比は、1:10〜2:1であるのがよい。 A value (aspect ratio) obtained by dividing the average length of the acicular titanium oxide fine particles by the average diameter is 5 or more, and the specific surface area is 5 to 30 m 2 / g. The granular titanium oxide fine particles are mainly anatase-type crystal fine particles, but may partially contain a rutile-type crystal structure, and may contain a rutile-type crystal structure in some cases. . The mass ratio between the acicular titanium oxide fine particles and the granular titanium oxide fine particles is preferably 1:10 to 2: 1.

耐熱性の不十分な有機系材料からなる透明基板に上記酸化チタン多孔質膜を作製する方法としては、粒状酸化チタン微粒子と針状酸化チタン微粒子とに、さらにチタンアルコキシド、例えばテトラエトキシチタンTi(C25O)4を添加して、スラリー状またはペースト状の塗液を形成し、この塗液を塗布し、チタンアルコキシドの加水分解反応により架橋させ、粒状酸化チタンからなる多孔質体に針状酸化チタン微粒子を固定する。あるいは、チタンアルコキシドの代わりに酸化チタンのゾル液を添加して塗液を形成してもよい。また、チタンアルコキシドや酸化チタンゾル液を用いない方法としては、透明基板の裏側を冷却しながら、酸化チタン微粒子層が形成された基板表面を高周波プラズマに曝し、表面だけを高温に加熱して、酸化チタン微粒子層を焼成する方法がある。 As a method for producing the porous titanium oxide film on a transparent substrate made of an organic material having insufficient heat resistance, granular titanium oxide fine particles and acicular titanium oxide fine particles are further added to titanium alkoxide, for example, tetraethoxy titanium Ti ( C 2 H 5 O) 4 is added to form a slurry-like or paste-like coating liquid, and this coating liquid is applied and crosslinked by a hydrolysis reaction of titanium alkoxide to form a porous body made of granular titanium oxide. Fix acicular titanium oxide fine particles. Alternatively, a coating solution may be formed by adding a sol solution of titanium oxide instead of titanium alkoxide. As a method not using titanium alkoxide or titanium oxide sol solution, the surface of the substrate on which the titanium oxide fine particle layer is formed is exposed to high frequency plasma while cooling the back side of the transparent substrate, and only the surface is heated to a high temperature to oxidize. There is a method of firing the titanium fine particle layer.

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の粒状微粒子との、少なくとも2種類の大きさの微粒子を含む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 the first fine particles having an average primary particle diameter of 100 nm or less as the metal oxide semiconductor fine particles and the second granular particles having an average primary particle diameter of greater than 100 nm and 10000 nm or less. Invented a second method for producing a semiconductor electrode layer, wherein a metal oxide semiconductor porous layer is produced using metal oxide semiconductor fine particles containing fine particles of at least two kinds of fine particles, and patented 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。   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.

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。特許文献2の実施例には、針状酸化チタン微粒子(ルチル型結晶)と粒状酸化チタン微粒子(アナターゼ型結晶)とが混在する酸化チタン多孔質膜を用いることによって光電変換効率が向上する例が示されているが、これらはいずれも高温焼成を行う例である。低温焼成に関しては、特許文献1などで公知になっていることが記載されているにすぎない。   However, considering practical application, further improvement in the photoelectric conversion performance of the dye-sensitized solar cell is desired. In the example of Patent Document 2, there is an example in which photoelectric conversion efficiency is improved by using a porous titanium oxide film in which acicular titanium oxide fine particles (rutile type crystals) and granular titanium oxide fine particles (anatase type crystals) are mixed. Although shown, these are examples of performing high-temperature firing. Regarding low-temperature firing, it is only described that is known in Patent Document 1 and the like.

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 made of a metal oxide semiconductor porous layer, a method for producing the same, and a semiconductor electrode layer having a higher photoelectric conversion performance when a dye-sensitized solar cell is configured. And providing an electrochemical device useful as a dye-sensitized solar cell.

即ち、本発明は、
粒状微粒子と針状微粒子との、少なくとも2種類の形状の微粒子を含み、支持体上に 配置された金属酸化物半導体微粒子と、
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酸化物層を形成している第1の酸化物よりも硬度の高い第2の酸化物からな り、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 に結着している第2酸化物層と
を含有し、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 including fine particles having at least two shapes, granular fine particles and acicular fine particles, and disposed on a support;
A first oxide layer that is mainly directly bonded to the metal oxide semiconductor fine particles and the support;
The second oxide is harder than the first oxide forming the first oxide layer, and the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer. A second oxide layer bound to the body, and the first oxide layer and the second oxide layer, and between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the The present invention relates to a semiconductor electrode layer formed by binding with a support.

また、
粒状微粒子と針状微粒子との、少なくとも2種類の形状の微粒子を含む金属酸化物 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、半導体電極層の製造方法に係わるものである。
Also,
Metal oxide semiconductor fine particles including fine particles of at least two types of granular fine particles and acicular fine particles;
A first compound that yields a first oxide upon hydrolysis;
A coating liquid obtained by dispersing or dissolving in a organic solvent a second compound that produces a second oxide that is harder to hydrolyze than the first compound and that has a higher hardness than the first oxide when hydrolyzed. A step of preparing;
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;
Metal oxide semiconductor porous material 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 The present invention relates to a method for producing a semiconductor electrode layer for producing a 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、粒状微粒子と針状微粒子との、少なくとも2種類の形状の微粒子を含む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。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、生成した前記第1の酸化物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第1の酸化物は、前記金属酸化物半導体微粒子に結着する。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、次の焼成工程に入る前に大部分が前記第1の酸化物に変化する。そして、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、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。   According to the method for producing a semiconductor electrode layer of the present invention, metal oxide semiconductor fine particles including fine particles of at least two types of granular fine particles and acicular fine particles, and a first oxide that generates a first oxide when hydrolyzed. And a second compound that is harder to hydrolyze than the first compound and generates a second oxide having a higher hardness than the first oxide when hydrolyzed, is dispersed or dissolved in an organic solvent. Prepare a coating solution. 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 first oxide is bonded to the surface of the metal oxide semiconductor fine particles, and the metal oxide semiconductor fine particles are connected. Thus, 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 first oxide contained in the coating liquid becomes the metal oxide. It binds to semiconductor fine particles. 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 first 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 by the first oxide layer between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support.

この後、前記焼成工程を行う。前記焼成工程までに加水分解される前記第2の化合物は少量で、大部分の前記第2の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、前記第2の化合物の加水分解によって生成する、硬度の高い前記第2の酸化物は、主として前記第1酸化物層の上に結着して前記第2酸化物層を形成し、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に結着している前記第1酸化物層を強固に補強する。この結果、機械的強度に優れ、前記支持体との密着性の高い、本発明の半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)が得られる。   Thereafter, the firing step is performed. A small amount of the second compound is hydrolyzed until the baking step, and most of the second compound is hydrolyzed by moisture supplied from the air in the baking step. In this case, the second oxide having a high hardness generated by hydrolysis of the second compound is mainly bound on the first oxide layer to form the second oxide layer, The first oxide layer bonded between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the support is strongly reinforced. As a result, the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) of the present invention having excellent mechanical strength and high adhesion to the support can be obtained.

この半導体電極層は、前記金属酸化物半導体微粒子として前記粒状微粒子ばかりでなく前記針状微粒子をも含有しているので、後述の実施例で示すように、前記針状微粒子を含有していない半導体電極層に比べて導電性が向上する。この理由として、前記針状微粒子が含まれていると、電子が、この微粒子の長さ方向の長い微粒子内導電路を利用することによって、抵抗の大きい、微粒子間の接合部を通過すること少なく、前記半導体電極層内を移動できるようになることが考えられる。   Since this semiconductor electrode layer contains not only the granular fine particles but also the acicular fine particles as the metal oxide semiconductor fine particles, as shown in the examples described later, the semiconductor not containing the acicular fine particles The conductivity is improved as compared with the electrode layer. The reason for this is that when the needle-shaped fine particles are included, the electrons are less likely to pass through the joint between the fine particles, which has a large resistance, by using the conductive paths in the fine particles that are long in the length direction of the fine particles. It is conceivable that the semiconductor electrode layer can be moved.

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。しかも、前記半導体電極層は、前記針状微粒子を含有していない半導体電極層に比べて導電性が向上しているので、電気化学装置の性能、例えば、色素増感型太陽電池を構成した場合の光電変換性能が向上する。   Since the electrochemical device of the present invention has the semiconductor electrode layer as an electrode, it is an electrochemical device that can be manufactured lightly, inexpensively and with high productivity using a flexible plastic film or the like as the support. . Moreover, since the semiconductor electrode layer has improved conductivity compared to the semiconductor electrode layer not containing the acicular fine particles, the performance of the electrochemical device, for example, when a dye-sensitized solar cell is configured The photoelectric conversion performance is improved.

本発明の実施の形態1に基づく半導体電極層の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor electrode layer based on Embodiment 1 of this invention. 同、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 manufacturing process of a semiconductor electrode layer similarly. 本発明の実施の形態2に基づく半導体電極層の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor electrode 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. 本発明の実施例による色素増感型太陽電池の交流インピーダンスを測定した結果を示すコール−コール・プロット図である。It is a Cole-Cole plot figure which shows the result of having measured the alternating current impedance of the dye-sensitized solar cell by the Example 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、前記針状の金属酸化物半導体微粒子の一次粒子の平均直径が0.1〜1μmであり、平均長さが1〜10μmであるのがよい。   In the semiconductor electrode layer of the present invention, it is preferable that an average diameter of primary particles of the acicular metal oxide semiconductor fine particles is 0.1 to 1 μm and an average length is 1 to 10 μm.

また、前記針状の金属酸化物半導体微粒子の配合質量の、前記粒状の金属酸化物半導体微粒子の配合質量に対する比が、0.05〜0.25であるのがよい。   The ratio of the blended mass of the acicular metal oxide semiconductor particles to the blended mass of the granular metal oxide semiconductor particles is preferably 0.05 to 0.25.

また、前記粒状の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の粒状微粒子と、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の粒状微粒子との、少なくとも2種類の大きさの粒状微粒子を含むのがよい。   Further, the granular metal oxide semiconductor fine particles include first granular fine particles having an average primary particle size of 100 nm or less, and second granular fine particles having an average primary particle size of greater than 100 nm and 10,000 nm or less. It is preferable to include granular fine particles having at least two kinds of sizes.

また、前記第2の粒状微粒子の配合質量の、前記第1の粒状微粒子の配合質量に対する比が、0.06〜6であるのがよい。   The ratio of the blending mass of the second particulate fine particles to the blending mass of the first particulate particulates is preferably 0.06 to 6.

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1酸化物層を構成している元素が、前記金属酸化物半導体微粒子を構成している金属元素と同一の元素であるのがよい。   The element constituting the first oxide layer may be the same element as the metal element constituting the metal oxide semiconductor fine particles.

また、前記の硬度の高い第2酸化物層を構成している酸化物が、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。 In addition, the oxide constituting the second oxide layer having high hardness is 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. The at least one oxide selected is preferred.

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。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 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の化合物として塩又はアルコキシドを用いるのがよい。この前記第1の化合物は、チタンTi、アルミニウムAl、ケイ素Si、バナジウムV、ジルコニウムZr、ニオブNb、及びタンタルTaからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素の化合物であるのがよい。また、前記第1の化合物として、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 may be used as the first compound. The first compound may be a compound of at least one element selected from the group consisting of titanium Ti, aluminum Al, silicon Si, vanadium V, zirconium Zr, niobium Nb, and tantalum Ta. In addition, as the first compound, 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 liquid. It is good to use.

また、前記第2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。   As the second 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.

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種(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種(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 species (reducing agent) in the electrolyte layer. As a result, the oxidizing species (oxidizing agent) generated in the electrolyte layer are It is good to be configured as a dye-sensitized solar cell that receives and reduces electrons from the counter electrode.

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。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 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、および6〜9に記載した半導体電極層、および請求項13〜17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 layers described in claims 1 to 3 and 6 to 9 and the manufacturing method thereof described in claims 13 to 17 will be described.

図1(a)は、支持体6の上に形成された半導体電極層1の断面図および部分拡大図である。半導体電極層1は、支持体6の上に配置された金属酸化物半導体微粒子2および3間、並びに金属酸化物半導体微粒子2および3と支持体6との間が、第1酸化物層4と第2酸化物層5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。本発明の特徴の1つとして、半導体電極層1は、粒状の金属酸化物半導体微粒子2と針状の金属酸化物半導体微粒子3との、少なくとも2種類の形状の金属酸化物半導体微粒子を含有する。   FIG. 1A is a cross-sectional view and a partially enlarged view of the semiconductor electrode layer 1 formed on the support 6. The semiconductor electrode layer 1 includes the first oxide layer 4 between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 disposed on the support 6 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the support 6. It is a metal oxide semiconductor porous layer bound by the second oxide layer 5. As one of the characteristics of the present invention, the semiconductor electrode layer 1 contains metal oxide semiconductor fine particles having at least two types of shapes, ie, granular metal oxide semiconductor fine particles 2 and needle-like metal oxide semiconductor fine particles 3. .

金属酸化物半導体微粒子2および3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。 Depending on the characteristics of the semiconductor electrode layer, the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 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. It is preferable to comprise at least one oxide selected from the group consisting of 2 .

多くの場合、第1酸化物層4を構成する金属元素が、金属酸化物半導体微粒子2および3を構成している金属元素と同一の金属元素であるのがよい。このようであると金属酸化物半導体微粒子2および3と第1酸化物層4の密着性が最良になることが期待される。第1酸化物層4は、主として直接、金属酸化物半導体微粒子2および3、並びに支持体6に結着している。   In many cases, the metal element constituting the first oxide layer 4 is preferably the same metal element as the metal element constituting the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3. In such a case, the adhesion between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the first oxide layer 4 is expected to be the best. The first oxide layer 4 is mainly bound directly to the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the support 6.

第2酸化物層5は、第1酸化物層4を形成している第1の酸化物よりも硬度の高い第2の酸化物を含有し、主として第1酸化物層4を介して金属酸化物半導体微粒子2および3、並びに支持体6に結着している。第2酸化物層5は、第1酸化物層4を補強して、金属酸化物半導体微粒子2および3間、並びに金属酸化物半導体微粒子2および3と支持体6との間の結着を強化する働きをする。第2酸化物層5を構成する高硬度酸化物は、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 5 contains a second oxide having a hardness higher than that of the first oxide forming the first oxide layer 4, and the metal oxide mainly passes through the first oxide layer 4. The solid semiconductor particles 2 and 3 and the support 6 are bound. The second oxide layer 5 reinforces the first oxide layer 4 and strengthens the bond between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the support 6. To work. The high-hardness oxide constituting the second oxide layer 5 is at least one 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 . It may be an oxide.

半導体電極層1は、金属酸化物半導体微粒子として粒状微粒子2ばかりでなく、針状微粒子3をも含有している。このため、後述の実施例で示すように、針状微粒子3を含有していない半導体電極層に比べて導電性が向上する。この理由として、針状微粒子3が含まれていると、電子が、針状微粒子3の長さ方向の長い微粒子内導電路を利用することによって、抵抗の大きい、微粒子間の接合部を通過すること少なく、半導体電極層1内を移動できるようになることが考えられる。   The semiconductor electrode layer 1 contains not only particulate fine particles 2 but also needle-like fine particles 3 as metal oxide semiconductor fine particles. For this reason, as shown in the below-mentioned Example, electroconductivity improves compared with the semiconductor electrode layer which does not contain the acicular fine particle 3. FIG. For this reason, when the acicular fine particles 3 are included, the electrons pass through the junction between the fine particles having a large resistance by using the long intra-fine particle conductive path in the longitudinal direction of the acicular fine particles 3. It is conceivable that the semiconductor electrode layer 1 can be moved less frequently.

粒状微粒子2の一次粒子の平均粒子径は特に限定されるものではないが、1〜100nmであると、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ので好ましい。   The average particle diameter of the primary particles of the granular fine particles 2 is not particularly limited, but it is preferably 1 to 100 nm because visible light permeability can be increased and the specific surface area can be increased.

一方、針状微粒子3の一次粒子の平均直径は、0.1〜1μmであることが好ましく、平均長さは、1〜10μmであることが好ましい。平均長さが1μmよりも短い場合、針状微粒子3が半導体電極層1において効果的な導電路を形成することができず、その結果、半導体電極層1を用いた電気化学装置の性能を向上させる効果が不十分になる傾向がある。例えば、色素増感型太陽電池を構成した場合、集電効率を高め、光電変換効率を向上させる効果が不十分になる傾向がある。また、平均長さが10μmよりも長い場合、塗料のポットライフが劣化する傾向にある。   On the other hand, the average diameter of the primary particles of the needle-shaped fine particles 3 is preferably 0.1 to 1 μm, and the average length is preferably 1 to 10 μm. When the average length is shorter than 1 μm, the acicular fine particles 3 cannot form an effective conductive path in the semiconductor electrode layer 1, and as a result, the performance of the electrochemical device using the semiconductor electrode layer 1 is improved. Tend to be insufficient. For example, when a dye-sensitized solar cell is configured, the effect of increasing current collection efficiency and improving photoelectric conversion efficiency tends to be insufficient. Moreover, when the average length is longer than 10 μm, the pot life of the paint tends to deteriorate.

針状微粒子3の配合質量の、粒状微粒子2の配合質量に対する比(=(針状微粒子3の配合質量)/(粒状微粒子2の配合質量))は、0.05〜0.25であることが望ましい。0.05未満の場合、針状微粒子3が少な過ぎて、半導体電極層1の導電性を向上させる効果が不十分である。一方、0.25を超える場合、半導体電極層1の導電性を向上させる効果は大きいが、金属酸化物半導体多孔質層1の実表面積が減少し、電極としての性能が低下する。この結果、例えば、半導体電極層1を有する色素増感型太陽電池を構成した場合、高い光電変換効率を実現できない。   The ratio of the blending mass of the needle-shaped fine particles 3 to the blending mass of the granular microparticles 2 (= (the blending mass of the acicular microparticles 3) / (the blending mass of the granular microparticles 2)) is 0.05 to 0.25. Is desirable. If it is less than 0.05, the amount of acicular fine particles 3 is too small, and the effect of improving the conductivity of the semiconductor electrode layer 1 is insufficient. On the other hand, when exceeding 0.25, although the effect of improving the electroconductivity of the semiconductor electrode layer 1 is large, the real surface area of the metal oxide semiconductor porous layer 1 reduces and the performance as an electrode falls. As a result, for example, when a dye-sensitized solar cell having the semiconductor electrode layer 1 is configured, high photoelectric conversion efficiency cannot be realized.

針状微粒子3を含有する塗料を調製する場合、針状微粒子3の分散の度合いは、分散が進んでいるほど好ましい。具体的には、例えば、ビーズ分散などの分散処理時間を長くするとよい。分散が進んでいると、半導体電極層1内に針状微粒子3による多数の導電路が均一に形成され、かつ、針状微粒子3の実表面積が増大する。この結果、針状微粒子3を含有する半導体電極層1の導電性が向上し、かつ、それを用いた電気化学装置の性能が向上する。例えば、色素増感型太陽電池として構成された電気化学装置において、集電効率が向上し、光電変換効率が向上する。   When preparing a paint containing the acicular fine particles 3, the degree of dispersion of the acicular fine particles 3 is more preferable as the dispersion progresses. Specifically, for example, the dispersion processing time such as bead dispersion may be increased. As the dispersion progresses, a large number of conductive paths are formed uniformly by the acicular fine particles 3 in the semiconductor electrode layer 1 and the actual surface area of the acicular fine particles 3 increases. As a result, the conductivity of the semiconductor electrode layer 1 containing the acicular fine particles 3 is improved, and the performance of an electrochemical device using the same is improved. For example, in an electrochemical device configured as a dye-sensitized solar cell, current collection efficiency is improved and photoelectric conversion efficiency is improved.

図1(b)は、支持体6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6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6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、ポリアクリレート系樹脂、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、色素増感型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 6 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 6 is not sufficient. As an example in which the adhesiveness tends to be insufficient, an example in which the support 6 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 polyacrylate 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 dye-sensitized solar cell.

図2は、半導体電極層1を作製する工程を示すフロー図である。以下、上述した特異な構造を有する金属酸化物半導体多孔質層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 1. Hereinafter, an explanation will be given with an emphasis on how the metal oxide semiconductor porous layer 1 having the unique structure described above is formed.

<塗液の調製>
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および3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。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。
<Preparation of coating liquid>
In order to produce the semiconductor electrode layer 1, first, the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 are each dispersed in an appropriate organic solvent to prepare two paste-like dispersions. 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.

溶媒としては、金属酸化物半導体微粒子2および3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 3 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.

金属酸化物半導体微粒子2および3の配合量は、後述する第1の化合物および第2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。   The compounding amount of the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 is 1 to 50% by mass, for example, about 20% by mass of the mass of the coating liquid formed by adding the first compound and the second compound 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.

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。濃度調整のため、溶媒をさらに追加してもよい。第1の化合物と第2の化合物とを添加する順序はどちらが先でもよい。第1の化合物は、加水分解して第1の酸化物を生じる化合物である。第2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上記第1の酸化物より硬度の高い第2の酸化物を生じる化合物である。   Next, the above-mentioned two dispersions are mixed at a predetermined ratio, and the first compound and the second compound are added to this, and stirred to dissolve to obtain a uniform coating solution. A solvent may be further added to adjust the concentration. Either order may be sufficient as the order which adds a 1st compound and a 2nd compound. A 1st compound is a compound which hydrolyzes and produces | generates a 1st oxide. The second compound is a compound that is harder to hydrolyze than the first compound and that produces a second oxide having a higher hardness than the first oxide when hydrolyzed.

具体的には、第1の化合物として、金属元素の塩又はアルコキシドを用いるのがよい。この金属元素は、例えば、チタンTi、アルミニウムAl、ケイ素Si、バナジウムV、ジルコニウムZr、ニオブNb、およびタンタルTaからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素であるのがよい。また、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、第1の化合物として、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、第1の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、第1の化合物が水分と反応し、第1の化合物の加水分解によって生成した第1の酸化物が金属酸化物半導体微粒子2および3の表面に結合し、金属酸化物半導体微粒子2および3間を連結していくためであると考えられる。   Specifically, a metal element salt or alkoxide is preferably used as the first compound. This metal element may be at least one element selected from the group consisting of titanium Ti, aluminum Al, silicon Si, vanadium V, zirconium Zr, niobium Nb, and tantalum Ta, for example. In addition, unpurified metal oxide semiconductor fine particles and organic solvents usually contain more or less adsorbed or occluded water, but as a first compound, they react with these water at room temperature, and partly Alternatively, it is preferable to use a compound that is fully hydrolyzed in the coating solution. 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 first compound, the metal oxide semiconductor fine particles, and the organic solvent proceeds, the first compound reacts with moisture, and the first oxide generated by hydrolysis of the first compound is a metal. This is considered to be due to bonding to the surfaces of the oxide semiconductor fine particles 2 and 3 to connect the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 together.

一方、第2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。   On the other hand, as the second 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の化合物の配合量は、塗液の質量の0.01〜20質量%とする。また、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1の化合物および第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および3の材料や分散性、第1の化合物および第2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6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2の化合物の材料種によっては、光増感色素の吸着が阻害されて、光電変換効率が低下することもある。   The compounding quantity of a 1st compound shall be 0.01-20 mass% of the mass of a coating liquid. Moreover, the compounding quantity of a 2nd compound shall be 0.01-20 mass% of the mass of a coating liquid. 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 second compound are the materials and dispersibility of the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3, Depending on the material type of the first compound and the second compound, it is appropriately selected within the above range. When the blending amounts of the first compound and the second compound are outside 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 6. Further, when the semiconductor electrode layer 1 is used as a semiconductor electrode layer of a dye-sensitized solar cell, depending on the material type of the first compound and the second compound, the adsorption of the photosensitizing dye is inhibited, and the photoelectric Conversion efficiency may decrease.

<半導体電極層の形成>
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6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。
<Formation of semiconductor electrode layer>
Next, the layer of the coating liquid is deposited on the support 6 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2の化合物、および第1の酸化物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第1の酸化物は、金属酸化物半導体微粒子2および3に結着する。第1の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、第1の化合物は、次の焼成工程に入る前に大部分が第1の酸化物に変化する。そして、金属酸化物半導体微粒子2および3間、並びに金属酸化物半導体微粒子2および3と支持体6との間が、第1酸化物層4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、第1の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, the second compound, and the first 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 first oxide contained in the coating liquid is bound to the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3. The first compound reacts with moisture in the air and is hydrolyzed. As a result, most of the first compound is converted to the first oxide before entering the next baking step. Then, a metal oxide semiconductor porous layer in which the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the support 6 are bound by the first oxide layer 4 is formed. Is done. At this time, in order to promote hydrolysis of the first 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および3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6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6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6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 fired to improve the electronic connection between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3, and the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer and the support 6 is improved. Although there is no restriction | limiting in particular in a calcination temperature, since the support body 6 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 6, 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の化合物の割合は少なく、大部分の第2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の化合物の加水分解によって生成する第2の酸化物は、主として第1酸化物層4の上に結着して第2酸化物層5を形成し、金属酸化物半導体微粒子2および3間、並びに金属酸化物半導体微粒子2および3と支持体6との間に結着している第1酸化物層4を強固に補強する。この結果、機械的強度に優れ、支持体6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。   At this time, the proportion of the second compound that is hydrolyzed until the firing step is small, and most of the second compound is preferably hydrolyzed by moisture supplied from the air in the firing step. In this case, the second oxide generated by hydrolysis of the second compound is mainly bound on the first oxide layer 4 to form the second oxide layer 5, and the metal oxide The first oxide layer 4 bonded between the semiconductor fine particles 2 and 3 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the support 6 is strongly reinforced. As a result, a semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 having excellent mechanical strength and high adhesion to the support 6 is obtained.

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6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6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6に被着させる以前に生成した第1の酸化物は、金属酸化物半導体微粒子2および3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6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の化合物の加水分解は大部分が塗液を支持体6に被着させた後に起こるので、第2の酸化物は、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6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の化合物は金属酸化物半導体微粒子2および3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の化合物のみでは微粒子2および3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6への密着性とを両立させるには、第1の化合物と第2の化合物との両方が必要である。   In addition, the adhesion between the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 and the support 6 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 6. The first oxide generated before the coating liquid is applied to the support 6 connects the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and increases the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer 1. This is because it contributes above, but does not contribute to improving the adhesion to the support 6. On the other hand, most of the hydrolysis of the second compound occurs after the coating liquid is applied to the support 6, so that the second oxide has the mechanical strength of the metal oxide semiconductor porous layer 1. The improvement contributes to the improvement of the adhesion to the support 6 as well. However, only the second compound tends to cause surface peeling or damage. This is because the second compound is less reactive with the surface of the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 than the first compound, so that the number of necking between the fine particles 2 and 3 is reduced only with the second compound. This is because the strength tends to be insufficient. That is, both the first compound and the second compound are required to achieve both the mechanical strength of the semiconductor electrode layer 1 and the adhesion to the support 6.

焼成後、金属酸化物半導体多孔質層1の実表面積を増大させたり、金属酸化物半導体微粒子2および3間のネッキングを高めたりする目的で、四塩化チタンやチタンアルコキシドなどの金属塩や金属アルコキシドを用いて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1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 1 or increasing the necking between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3, metal salts such as titanium tetrachloride and titanium alkoxide and metal alkoxides Necking processing may be performed using. Further, organic substances and unreacted substances remaining in the metal oxide semiconductor porous layer 1 may be removed by washing with a solvent or the like.

支持体6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1を支持体6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 6, it is possible to perform a process of pressing the semiconductor electrode layer 1 to the support 6 by a heat and pressure process, for example, a calendar process.

以下、半導体電極層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 1 and the manufacturing method thereof will be further described in 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.

半導体電極層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。   The thickness of the semiconductor electrode 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.

金属酸化物半導体微粒子2および3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および3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および3の材料はこれらに限定されるものではない。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 and 3, 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 and 3 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 and 3 is not limited to these. Also, two or more of these materials can be mixed and used.

粒状の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1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多孔質層1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。)。金属酸化物半導体微粒子2および3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または水熱処理するなどして、所定の粒径のものを作製してもよい。   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 in the granular metal oxide semiconductor fine particles 2 (in this case, however, metal Cracks are generated in the oxide semiconductor porous layer 1, 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 porous layer 1 is lowered. (For such a case, see Embodiment 2 described later.) As the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3, commercially available products may be used, or a predetermined value may be obtained by subjecting chloride or alkoxide to hydrolysis treatment or hydrothermal treatment by a known method such as a sol-gel method. You may produce the thing of a particle size.

金属酸化物半導体微粒子2および3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い。市販品としては、一次粒子の平均粒子径が1〜100nmである粒状の金属酸化物半導体微粒子2として、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ST−01およびST−21(以上、商品名)、昭和電工(株)製のスーパータイタニアF−1、F−2、F−3、F−4、F−5、および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 and 3, the crystal form thereof may be one type selected from rutile type, anatase type, and brookite type, or a mixture of two or more types. Examples of commercially available products include granular metal oxide semiconductor fine particles 2 having an average primary particle diameter of 1 to 100 nm, such as P25 and P90 (trade name) manufactured by Degussa, manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. ST-01 and ST-21 (above, trade names), Super Titania F-1, F-2, F-3, F-4, F-5, and F-6 (above, manufactured by Showa Denko KK) (Trade name), SSP-25, SSP-20, SSP-M, and STR series (trade name) manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., MT-150A, MT-500B, MT- manufactured by Teika Co., Ltd. 600B, MT-700B, AMT-100, AMT-600, TKP-101, and TKP-102 (above, trade names), NanoTek Powder series (trade names) manufactured by CI Kasei Co., Ltd., and the like can be used.

また、針状の金属酸化物半導体微粒子3として、石原産業(株)製のFTL−100、FTL−110、FTL−200、FTL−300、FT−1000、FT−2000、FT−3000、FS―10P、およびFS−10D(以上、商品名)などを用いることができる。   Further, as the needle-like metal oxide semiconductor fine particles 3, FTL-100, FTL-110, FTL-200, FTL-300, FT-1000, FT-2000, FT-3000, FS- manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. 10P and FS-10D (above, trade names) can be used.

金属酸化物半導体微粒子2および3の材料として酸化亜鉛を用いる場合、市販品としては、粒状の金属酸化物半導体微粒子2として、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。また、針状の金属酸化物半導体微粒子3として、(株)アムテックのパナテトラ(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 and 3, commercially available products include, for example, granular metal oxide semiconductor fine particles 2 such as MZ-300 and MZ-500 (above Product name), FZO-50 (product name) manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., NanoTek Powder series (product name) manufactured by CI Kasei Co., Ltd., FINEX series (product name) manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd. F-1, F-2, F-3, Pazet CK, Pazet GK-40 (above, trade name) manufactured by Co., Ltd. can be used. As the needle-shaped metal oxide semiconductor fine particles 3, Panatetra (trade name) manufactured by Amtec Co., Ltd. can be used.

金属酸化物半導体微粒子2および3の材料として酸化スズを用いる場合、市販品としては、粒状の金属酸化物半導体微粒子2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 and 3, commercially available products include, for example, granular metal oxide semiconductor fine particles 2 having an average particle diameter of 15 nm manufactured by Johnson Matthey Co., Ltd. The NanoTek Powder series (trade name) manufactured by Kasei Co., Ltd. can be used.

なお、上記の金属酸化物半導体微粒子2および3の材料は、適宜混合して用いることも可能である。   Note that the materials of the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 may be used in appropriate mixture.

第1の化合物として塩またはアルコキシドのうち、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。上記第1の化合物は、Ti、Al、Si、V、Zr、Nb、およびTaなどの、少なくとも一種の元素の化合物であるのがよい。また、多くの場合、上記元素が金属酸化物半導体微粒子2を構成している金属元素と同一の元素であり、第1の化合物から生成する第1の酸化物と、金属酸化物半導体微粒子2を構成している金属酸化物とが同種の酸化物であるのがよい。このようであると金属酸化物半導体微粒子2と第1酸化物層3との密着性が最良になると期待できる。   As the first compound, a salt or alkoxide that can be dissolved in an organic solvent can be used. The first compound may be a compound of at least one element such as Ti, Al, Si, V, Zr, Nb, and Ta. In many cases, the element is the same element as the metal element constituting the metal oxide semiconductor fine particle 2, and the first oxide generated from the first compound and the metal oxide semiconductor fine particle 2 are formed. The constituent metal oxide is preferably the same kind of oxide. It can be expected that the adhesion between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and the first oxide layer 3 is the best.

また、第1の化合物として、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第1の化合物を用いるのがよい。この場合、前述したように、塗液中で第1の化合物の加水分解が始まり、生成した第1の酸化物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。   Moreover, it is good to use the 1st compound hydrolyzed at room temperature with the water | moisture content normally contained in the metal oxide semiconductor fine particle 2 and / or the organic solvent as a 1st compound. In this case, as described above, the hydrolysis of the first compound starts in the coating liquid, and the metal oxide semiconductor fine particles 2 are connected by the generated first oxide. A network is easily formed.

塩としては、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、ハロゲン化物などのうち、溶媒に溶解するものを用いることができる。具体的には、TiOSO4、Zr(CH3COO)2O、Zr(CH3COO)4、Al(NO3)3、Al(CH3COO)3、Al2(SO4)3、TiCl4、AlCl3、Ti(C24)2、Zr(C24)2、およびAl2(C24)3などを用いることができる。 As the salt, any of nitrates, sulfates, acetates, oxalates, halides and the like that can be dissolved in a solvent can be used. Specifically, TiOSO 4 , Zr (CH 3 COO) 2 O, Zr (CH 3 COO) 4 , Al (NO 3 ) 3 , Al (CH 3 COO) 3 , Al 2 (SO 4 ) 3 , TiCl 4 AlCl 3 , Ti (C 2 O 4 ) 2 , Zr (C 2 O 4 ) 2 , and Al 2 (C 2 O 4 ) 3 can be used.

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 2012043724
Moreover, the alkoxide which can be used can be represented like the following general formula.
General formula of alkoxide:
Figure 2012043724

上記一般式で、金属アルコキシドは、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 metal 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.

市販品としては、例えば、下記のものを用いることができる。すなわち、日本曹達株式会社製のA−1、B−1、TOT、TOG、T−50、T−60、A−10、B−2、B−4、B−7、B−10、TBSTA、DPSTA−25、S−151、S−152、S−181、TAT、およびTLA−A−50(以上、商品名)、三菱ガス化学株式会社製のTPT、TBT、DBT、TST、TEAT、TAA、TEAA、TLA、およびOGT(以上、商品名)、味の素ファインテクノ株式会社製のKR TTS、KR 46B、KR 55、KR 41B、KR 38S、KR 138S、KR 238S、338X、KR 44、KR 9SA、KR ET、およびAL−M(以上、商品名)、マツモトファインケミカル株式会社製のTA−10、TA−25、TA−22、TA−30、TC−100、TC−401、TC−200、TC−750、TC−400、TC−300、TC−310、TC−315、TPHS、ZA−40、ZA−65、ZC−150、ZC−540、ZC−570、ZC−580、ZC−700、ZB−320、およびZB−126(以上、商品名)、コルコート株式会社製のエチルシリケート28、エチルシリケート28P、N−プロピルシリケート、N−ブチルシリケート、MCS−18、メチルシリケート51、メチルシリケート53A、エチルシリケート40、エチルシリケート48、EMS−485、SS−101、HAS−6、HAS−1、HAS−10、SS−C1、コルコートP、コルコートN−103X、およびマグネシウムエチラート(以上、商品名)を用いることができる。   As a commercial item, the following can be used, for example. That is, Nippon Soda Co., Ltd. A-1, B-1, TOT, TOG, T-50, T-60, A-10, B-2, B-4, B-7, B-10, TBSTA, DPSTA-25, S-151, S-152, S-181, TAT, and TLA-A-50 (above, trade names), TPT, TBT, DBT, TST, TEAT, TAA, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd. TEAA, TLA, and OGT (trade name), KR TTS, KR 46B, KR 55, KR 41B, KR 38S, KR 138S, KR 238S, 338X, KR 44, KR 9SA, KR manufactured by Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd. ET, and AL-M (above, trade name), TA-10, TA-25, TA-22, TA-30, TC-100, manufactured by Matsumoto Fine Chemical Co., Ltd. C-401, TC-200, TC-750, TC-400, TC-300, TC-310, TC-315, TPHS, ZA-40, ZA-65, ZC-150, ZC-540, ZC-570, ZC-580, ZC-700, ZB-320, and ZB-126 (above, trade name), Colcoat Co., Ltd. ethyl silicate 28, ethyl silicate 28P, N-propyl silicate, N-butyl silicate, MCS-18, Methyl silicate 51, methyl silicate 53A, ethyl silicate 40, ethyl silicate 48, EMS-485, SS-101, HAS-6, HAS-1, HAS-10, SS-C1, Colcoat P, Colcoat N-103X, and magnesium Ethylate (above, trade name) can be used.

金属酸化物半導体微粒子2および3の材料として酸化チタンを用いる場合、第1の化合物としては、例えば、四塩化チタンTiCl4、硫酸チタニアTiOSO4、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、ブトキシチタンポリマー、テトラメトキシジルコニウムZr(OCH3)4、テトラエトキシジルコニウムZr(OCH2CH3)4、テトラプロポキシジルコニウムZr(OCH2CH2CH3)4、テトラブトキシジルコニウムZr(OCH2CH2CH2CH3)4、トリメトキシアルミニウムAl(OCH3)3、トリエトキシアルミニウムAl(OCH2CH3)3、トリプロポキシアルミニウムAl(OCH2CH2CH3)3、トリブトキシアルミニウムAl(OCH2CH2CH2CH2CH3)3などを好ましく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 and 3, examples of the first compound include titanium tetrachloride TiCl 4 , titania sulfate TiOSO 4 , tetramethoxy titanium Ti (OCH 3 ) 4 , and tetrapropoxy titanium. Ti (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4, titanium tetrabutoxide Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4, tetra-pentoxy titanium Ti (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4, butoxy titanium dimer, butoxy titanium oligomer, butoxy titanium polymer, tetramethoxy zirconium Zr (OCH 3) 4, tetraethoxy zirconium Zr (OCH 2 CH 3) 4 , tetra propoxy zirconium Zr (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4, tetrabutoxyzirconium Zr (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 3) 4, trimethoxy aluminum Al (OCH 3) 3, Li ethoxy aluminum Al (OCH 2 CH 3) 3 , tripropoxy aluminum Al (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 3, tributoxy aluminum Al (OCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3) can be preferably used 3 .

一方、第2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。 On the other hand, as the second compound, alkoxides such as Si, B, Al, and Zr are used, and the oxide forming the second oxide layer 4 is SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , and An oxide having high hardness such as ZrO 2 is preferable.

金属酸化物半導体微粒子2および3の材料として酸化チタンを用いる場合、第2の化合物としては、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。 When titanium oxide is used as the material of the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3, examples of the second compound include 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, trimethoxy borane B (OCH 3) 3, triethoxy borane B (OCH 2 CH 3) 3 , triisopropoxyborane B (OCH ( H 3) CH 3) 3 or the like can be used preferably.

溶媒としては、第1の化合物および第2の化合物を溶解させ、金属酸化物半導体微粒子2および3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 and the second compound and dispersing the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 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6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6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6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6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6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6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 6 is not particularly limited as long as it is stable in the environment in which it is used. The material of the support 6 may be an inorganic material or an organic material. Further, the shape of the support 6 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 6 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 6 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 6 is not particularly limited, and can be appropriately selected 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6が光透過性であることが求められる場合には、支持体6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)などの高分子材料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。プラスチック基板の厚さは、特に限定されるものではないが、生産性の観点から38〜500μm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 6 is required to be light transmissive, a material that easily transmits light as the support 6. 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 polymer and a polymer material such as a cycloolefin polymer resin (COP). Among these, it is preferable to use a substrate material having a particularly high visible light transmittance. Although the thickness of a plastic substrate is not specifically limited, It is preferable that it is 38-500 micrometers from a 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4および5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 claims 4 and 5 will be described.

図3は、支持体6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6の上に配置された金属酸化物半導体微粒子2および3間、並びに金属酸化物半導体微粒子2および3と支持体6との間が、第1酸化物層4と第2酸化物層5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を形成している粒状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の粒状微粒子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の粒状微粒子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 6. The semiconductor electrode layer 21 includes the first oxide layer 4 between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 disposed on the support 6 and between the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 and the support 6. It is a metal oxide semiconductor porous layer bound by the second oxide layer 5. The second embodiment is different from the first embodiment in that the granular metal oxide semiconductor fine particles 2 forming the semiconductor electrode layer 21 are the first granular fine particles 2A having an average primary particle diameter of 100 nm or less, That is, the primary particles are composed of two types of fine particles having different sizes from the second granular fine particles 2B having an average particle diameter of more than 100 nm and 10000 nm or less. 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.

粒状の金属酸化物半導体微粒子2のうち、第1の粒状微粒子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の粒状微粒子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の粒状微粒子2Bの平均粒子径が大きいほど、また、第2の粒状微粒子2Bの配合質量の、第1の粒状微粒子2Aの配合質量に対する比(=(第2の粒状微粒子2Bの配合質量)/(第1の粒状微粒子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、半導体電極層(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 granular metal oxide semiconductor fine particles 2, the first granular 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 granular fine particles 2B is larger than 100 nm and not larger than 10,000 nm. The larger the average particle diameter of the second granular fine particles 2B, the more the ratio of the blending mass of the second granular fine particles 2B to the blending mass of the first granular fine particles 2A (= (the blending mass of the second granular fine particles 2B). ) / (Mixed mass of first particulate fine particles 2A)), the cracks generated in the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 21 decrease as shown in Japanese Patent Application No. 2010-26483. To do.

この理由が完全に解明されたとは言えないが、比較的大きな第2の粒状微粒子2Bが共在する場合には、第2の粒状微粒子2Bとその周囲の第1の粒状微粒子2Aとの連結は、粒状微粒子2Bの表面上で確実に十分な結着強度で形成されることや、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の粒状微粒子2A間の連結部が著しく少なくなることが考えられる。従って、図3では一次粒子の平均粒子径が異なる2種類の粒状微粒子を含む例を示したが、平均粒子径が異なる3種類以上の粒状微粒子を含む構成であってもよいのは、明らかである。   The reason for this is not completely understood, but when relatively large second granular fine particles 2B coexist, the connection between the second granular fine particles 2B and the surrounding first granular fine particles 2A is as follows. Since the number of particles that need to be connected to form the conductive path of the same length is relatively small, it is surely formed on the surface of the granular fine particles 2B. It is conceivable that the number of connecting portions between the first granular fine particles 2A that tends to have insufficient strength is remarkably reduced. Therefore, FIG. 3 shows an example including two types of granular fine particles having different average particle diameters of primary particles, but it is obvious that a configuration including three or more types of granular fine particles having different average particle diameters may be used. is there.

また、第2の粒状微粒子2Bが共存すると、入射光が散乱されやすくなり、半導体電極層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、この半導体電極層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率が高まり、光電変換性能が向上する。   Further, when the second particulate fine particles 2B coexist, incident light is easily scattered, the internal HAZE of the semiconductor electrode 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 semiconductor electrode layer 21 as a semiconductor electrode, the light utilization rate is increased by scattering of incident light, and the photoelectric conversion performance is improved.

第2の粒状微粒子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、半導体電極層21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の粒状微粒子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下する傾向がある。   The primary particle average particle size of the second granular 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 semiconductor electrode layer 21 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 granular fine particles 2B tend to precipitate in the coating liquid, and the pot life of the coating liquid tends to decrease.

また、特願2010−26483に示されているように、第2の粒状微粒子2Bの配合質量の、第1の粒状微粒子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、半導体電極層21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、半導体電極層21におけるクラックの発生を抑える効果は十分であり、入射光を散乱する性能も十分であるが、半導体電極層21における金属酸化物半導体微粒子の実表面積が減少し、この半導体電極層21を用いた電気化学装置、例えば色素増感型太陽電池の性能の低下を招くことがある。   Moreover, as shown in Japanese Patent Application No. 2010-26483, the ratio of the blending mass of the second granular fine particles 2B to the blending mass of the first granular fine particles 2A is preferably 0.06 to 6. When it is less than 0.06, the effect of suppressing the occurrence of cracks in the semiconductor electrode layer 21 becomes insufficient, and the performance of scattering incident light tends to be insufficient. On the other hand, when it is larger than 6, the effect of suppressing the occurrence of cracks in the semiconductor electrode layer 21 is sufficient and the performance of scattering incident light is sufficient, but the actual surface area of the metal oxide semiconductor particles in the semiconductor electrode layer 21 is sufficient. This may decrease the performance of an electrochemical device using the semiconductor electrode layer 21, for example, a dye-sensitized solar cell.

針状微粒子3の配合質量の、粒状微粒子2の配合質量に対する比(=(針状微粒子3の配合質量)/(粒状微粒子2の配合質量))が大きいほど、また、第2の粒状微粒子2Bの配合質量の、第1の粒状微粒子2Aの配合質量に対する比(=(第2の粒状微粒子2Bの配合質量)/(第1の粒状微粒子2Aの配合質量))が大きいほど、半導体電極層1に光散乱機能が付与されて、半導体電極層21の内部HAZEが上昇し、全光線透過率は低下する。また、半導体電極層21に光増感色素を吸着させることにより、全光線透過率はさらに低下する。粒状微粒子2Aおよび2B、並びに針状微粒子3の配合質量を、内部HAZE値が85%以上であり、全光線透過率が50%以下となるように、既述した範囲内にて選択するのがよい。このようにすることにより、半導体電極層21を用いた色素増感型太陽電池において、光利用率が向上し、光電変換性能が向上する。   The larger the ratio of the blending mass of the needle-shaped fine particles 3 to the blending mass of the granular microparticles 2 (= (the blending mass of the needle-shaped microparticles 3) / (the blending mass of the granular microparticles 2)), the more the second granular microparticle 2B The larger the ratio of the blending mass to the blending mass of the first particulate fine particles 2A (= (the blending mass of the second particulate fine particles 2B) / (the blending mass of the first particulate fine particles 2A)), the larger the semiconductor electrode layer 1 becomes. A light scattering function is imparted to the semiconductor electrode layer 21 so that the internal HAZE of the semiconductor electrode layer 21 increases and the total light transmittance decreases. Further, by adsorbing the photosensitizing dye to the semiconductor electrode layer 21, the total light transmittance is further lowered. The blending mass of the granular fine particles 2A and 2B and the acicular fine particles 3 is selected within the above-described range so that the internal HAZE value is 85% or more and the total light transmittance is 50% or less. Good. By doing in this way, in the dye-sensitized solar cell using the semiconductor electrode layer 21, the light utilization rate is improved and the photoelectric conversion performance is improved.

後に実施例で示すように、針状微粒子3が半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)21に含まれていると、半導体電極層21の硬度と基材への密着性を維持しながら、光電変換効率を向上させることができる。しかも、針状微粒子3が含有されていることが原因で、塗液の塗布または印刷後の溶媒蒸発工程及び/又は焼成工程において、半導体電極層21にクラックが発生することはない。ただし、針状微粒子3がクラックの発生を抑える作用はないか、又は十分ではない。従って、半導体電極層21に針状微粒子3を含有させることで内部HAZEおよび全光線透過率を上記の範囲内にすることはできるが、半導体電極層21に粒状微粒子2Bを含有させないと、半導体電極層21におけるクラックの発生を抑えることができない場合がある。   As will be shown later in the examples, when the acicular fine particles 3 are contained in the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 21, the hardness of the semiconductor electrode layer 21 and the adhesion to the substrate are maintained. The photoelectric conversion efficiency can be improved. In addition, no cracks are generated in the semiconductor electrode layer 21 in the solvent evaporation step and / or the baking step after application or printing of the coating liquid due to the inclusion of the acicular fine particles 3. However, the acicular fine particles 3 do not have an effect of suppressing the occurrence of cracks or are not sufficient. Therefore, the internal HAZE and the total light transmittance can be made within the above ranges by including the needle-shaped fine particles 3 in the semiconductor electrode layer 21, but if the semiconductor electrode layer 21 does not contain the granular fine particles 2B, the semiconductor electrode In some cases, the occurrence of cracks in the layer 21 cannot be suppressed.

粒状の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。粒状の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。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または水熱処理するなどして、所定の粒径のものを作製してもよい。   When a commercially available product is used as the granular metal oxide semiconductor fine particles 2A, a commercially available product having an average primary particle size of 1 to 100 nm shown in Embodiment 1 can be used. When a commercially available product is used as the granular metal oxide semiconductor fine particles 2B, for example, PT-301, CR-EL, ET-500W, ET-600W, and ST- manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. 41 (above, trade name), G-1, G-2, and F-10 (above, trade name) manufactured by Showa Denko KK, JR (trade name) manufactured by Teika Corporation, Fuji Titanium Industry Co., Ltd. ) TA-100, TA-200, TA-300, TA-500 (above, trade name), etc. 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. Alternatively, a product having a predetermined particle diameter may be produced by subjecting chloride or alkoxide to hydrolysis or hydrothermal treatment by a known method such as a sol-gel method.

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および3を構成する第1の粒状微粒子2A、第2の粒状微粒子2B、および針状微粒子3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3つ調製する。次に、上記3つの分散液を所定の比率で混合し、これに第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。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 granular fine particles 2A, the second granular fine particles 2B, and the acicular fine particles 3 constituting the metal oxide semiconductor fine particles 2 and 3 are respectively prepared in an appropriate organic solvent. To prepare three paste dispersions. Next, the above three dispersions are mixed at a predetermined ratio, and the first compound and the second compound are added to this, and dissolved by stirring 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10〜12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, as an example of the semiconductor electrode layer described in claims 10 to 12 and the electrochemical device described in claims 18 to 20, an electrochemical device configured as a dye-sensitized solar cell will be described. .

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などの半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)1または21からなり、金属酸化物半導体微粒子2および3などの表面に光増感色素を保持している。電気化学装置30は、半導体電極層33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。しかも、半導体電極層33は、針状の金属酸化物半導体微粒子3を含有していない半導体電極層に比べて導電性が向上しているので、色素増感型太陽電池を構成した場合の光電変換性能が向上する。さらに、針状の金属酸化物半導体微粒子3は、光拡散機能を有する。このため、入射光の利用率が向上し、これによっても光電変換性能が向上する。 As a feature of the present embodiment, the semiconductor electrode layer 33 is composed of the semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) 1 or 21 such as titanium oxide TiO 2 described in the first or second embodiment, and is subjected to metal oxidation. The photosensitizing dye is held on the surface of the physical semiconductor fine particles 2 and 3. Since the electrochemical device 30 has the semiconductor electrode layer 33 as an electrode, the electrochemical device 30 is an electrochemical device that can be manufactured lightly, inexpensively and with high productivity using a flexible plastic film or the like as a support. In addition, since the semiconductor electrode layer 33 has improved conductivity compared to the semiconductor electrode layer that does not contain the acicular metal oxide semiconductor fine particles 3, photoelectric conversion when a dye-sensitized solar cell is configured. Performance is improved. Furthermore, the acicular metal oxide semiconductor fine particles 3 have a light diffusion function. For this reason, the utilization factor of incident light is improved, and this also improves the photoelectric conversion performance.

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、または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、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、電解液が半導体電極層33内に浸潤できるように、半導体電極層33と対向電極35との間に配置されている。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。 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 has a redox species (such as I / I 3 (triiodide ion I 3 is a chemical species in which I 2 is combined with iodide ion I )). The electrolyte solution includes a redox pair) and is disposed between the semiconductor electrode layer 33 and the counter electrode 35 so that the electrolyte solution can infiltrate into the semiconductor electrode layer 33. 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1または21を形成する。次に、半導体電極層1または21に光増感色素を吸着させ、半導体電極層33を形成する。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、半導体電極層1または21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、半導体電極層1または21に色素溶液を塗布、噴霧、または滴下するかなどして、半導体電極層1または21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 produce the dye-sensitized solar cell 30, the semiconductor electrode layer 1 or 21 is formed on the transparent conductive layer 32 provided on the transparent substrate 31 as described in the first embodiment. Next, the photosensitizing dye is adsorbed on the semiconductor electrode layer 1 or 21 to form the semiconductor electrode 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 semiconductor electrode layer 1 or 21 is formed is immersed in the dye solution, or the semiconductor electrode After the dye solution is soaked into the semiconductor electrode layer 1 or 21 by applying, spraying, or dropping the dye solution onto the layer 1 or 21, 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.

半導体電極層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、半導体電極層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 semiconductor electrode 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 surface area is preferably 10 times or more with respect to the area (projected area) of the outer surface, and more preferably 100 times or more.

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および3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 and 3 contained per unit projected area increases, the actual surface area increases, and the amount of dye that can be retained per unit projected area increases. Since it increases, 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.

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。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 main points will be described below.

半導体電極層33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 33 is not particularly limited as long as it exhibits a sensitizing action. For example, xanthene dyes such as rhodamine B, rose bengal, eosin and erythrosine, merocyanine and quinocyanine Cyanine dyes such as cryptocyanine, basic dyes such as phenosafranine, cabrio blue, thiocin and methylene blue, other azo dyes, porphyrin compounds such as chlorophyll, zinc porphyrin and magnesium porphyrin, phthalocyanine compounds, coumarin compounds, ruthenium Examples include Ru bipyridine complexes, terpyridine complexes, anthraquinone dyes, polycyclic quinone dyes, and squarylium dyes. 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34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 34, 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30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 30 and the volatilization of the solvent constituting the electrolyte, a gelling agent, a polymer, a crosslinking monomer, or various shapes of metal oxides are added to the electrolyte composition. Semiconductor 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33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34の電解液が半導体電極層33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。   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 33 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 also possible to perform heating and pressurizing operations as necessary so that the electrolyte solution of the electrolyte layer 34 sufficiently penetrates into the semiconductor electrode layer 33.

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.

本実施例では、まず、実施の形態2で説明した半導体電極層21を作製し、その特性を調べた。   In this example, first, the semiconductor electrode layer 21 described in the second embodiment was manufactured, and the characteristics were examined.

<塗液の調製>
粒状の金属酸化物半導体微粒子2である第1の粒状微粒子2Aおよび第2の粒状微粒子2Bとして、いずれも球状で、大きさが異なる2種類の酸化チタンTiO2微粒子を用いた。第1の粒状微粒子2A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。この微粒子粉末を、酸化チタン含有率が30質量%になるようにエタノールと混合し、直径0.65mmのジルコニアビーズとを用いて、ペイントシェイカーにて15時間またはアジターにて3時間ビーズ分散処理を行い、第1の粒状酸化チタン微粒子2Aの分散液を調製した。また、第2の粒状微粒子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。この微粒子粉末を、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、直径0.65mmのジルコニアビーズとを用いて、アジターにて24時間ビーズ分散処理を行い、第2の粒状酸化チタン微粒子2Bの分散液を調製した。
<Preparation of coating liquid>
As the first granular fine particles 2A and the second granular fine particles 2B which are the granular metal oxide semiconductor fine particles 2, two types of titanium oxide TiO 2 fine particles having a spherical shape and different sizes were used. As the first granular fine particles 2A, P25 (trade name; manufactured by Degussa, a mixture of anatase type crystal (80%) and rutile type crystal (20%), average particle size of primary particles is about 21 nm) was used. This fine particle powder is mixed with ethanol so that the titanium oxide content is 30% by mass, and using a zirconia bead with a diameter of 0.65 mm, the beads are dispersed for 15 hours with a paint shaker or 3 hours with an agitator. And a dispersion of the first granular titanium oxide fine particles 2A was prepared. Further, 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 as the second granular fine particles 2B. This fine particle powder is mixed with ethanol so that the titanium oxide content is 20% by mass, and is subjected to a bead dispersion treatment with an agitator for 24 hours using zirconia beads having a diameter of 0.65 mm, and the second granular oxidation. A dispersion of titanium fine particles 2B was prepared.

一方、針状の金属酸化物半導体微粒子3として、針状の酸化チタンTiO2微粒子を用いた。針状の酸化チタン微粒子としては、FTL−100(商品名;石原産業(株)製、ルチル型結晶、一次粒子の平均直径 約0.13μm、平均長さ 約1.68μm)、FTL−200(商品名;石原産業(株)製、ルチル型結晶、一次粒子の平均直径 約0.21μm、平均長さ 約2.86μm)、およびFTL−300(商品名;石原産業(株)製、ルチル型結晶、一次粒子の平均直径 約0.27μm、平均長さ 約5.15μm)を用いた。これらのうちのいずれかの微粒子粉末を、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、直径0.65mmのジルコニアビーズとを用いて、ペイントシェイカーにて3時間または24時間ビーズ分散処理を行い、針状の金属酸化物半導体微粒子3の分散液を調製した。 On the other hand, acicular titanium oxide TiO 2 fine particles were used as the acicular metal oxide semiconductor fine particles 3. As acicular titanium oxide fine particles, FTL-100 (trade name; manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., rutile crystal, average diameter of primary particles is about 0.13 μm, average length is about 1.68 μm), FTL-200 ( Product name: manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., rutile crystals, average primary particle diameter of about 0.21 μm, average length of about 2.86 μm, and FTL-300 (trade name; manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., rutile type) The average diameter of crystals and primary particles was about 0.27 μm, and the average length was about 5.15 μm. Any one of these powders is mixed with ethanol so that the titanium oxide content is 20% by mass, and zirconia beads having a diameter of 0.65 mm are used for 3 hours or 24 hours with a paint shaker. The dispersion process was performed and the dispersion liquid of the acicular metal oxide semiconductor fine particle 3 was prepared.

次に各微粒子の分散液を所定の比率で混合した。次に、この分散液に所定量の第1の化合物および第2の化合物を加え、攪拌して均一に混合し、濃度調整のために溶媒を追加し、酸化チタン微粒子2A、2Bおよび3、並びに第1の化合物および第2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, each fine particle dispersion was mixed in a predetermined ratio. Next, a predetermined amount of the first compound and the second compound are added to the dispersion, and the mixture is stirred and mixed uniformly, a solvent is added to adjust the concentration, and the titanium oxide fine particles 2A, 2B and 3; A coating solution containing the first compound and the second 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、すべての実施例および比較例において、第1の化合物として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。また、第2の化合物としてペンタブトキシニオブ(Gelest社製)を用い、塗液における配合量を1.0質量%で一定とした。溶媒は、いずれの例でもエタノールを用いた。   At this time, in all examples and comparative examples, butoxy titanium dimer (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) was used as the first compound, and the blending amount in the coating liquid was kept constant at 2.5% by mass. Moreover, pentabtonoxy niobium (manufactured by Gelest) was used as the second compound, and the blending amount in the coating liquid was kept constant at 1.0% by mass. As a solvent, ethanol was used in all examples.

表1は、実施例1〜9および比較例1、2による塗液中の、粒状の酸化チタン微粒子2Aおよび2B、並びに針状の酸化チタン微粒子3の配合量を示す表である。表中、分散時間の欄では時間をhと略記し、( )内にペイントシェイカーを用いた場合にP、アジターを用いた場合にAと付記した。   Table 1 is a table showing the blending amounts of the granular titanium oxide fine particles 2A and 2B and the acicular titanium oxide fine particles 3 in the coating liquids according to Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2. In the column of the dispersion time in the table, the time is abbreviated as h, and in parentheses, P is added when a paint shaker is used, and A is added when an agitator is used.

Figure 2012043724
Figure 2012043724

<半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)の作製>
支持体6として、厚さ125μmのPETフィルムO300E(商品名;三菱樹脂(株)製)を用いた。この支持体6上にコイルバーを用いてバーコート法によって上記塗液を塗布した後、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。
<Preparation of semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer)>
As the support 6, a PET film O300E (trade name; manufactured by Mitsubishi Resin Co., Ltd.) having a thickness of 125 μm was used. The coating liquid was applied onto the support 6 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.

<評価方法>
(半導体電極層におけるクラックの有無)
半導体電極層21におけるクラックの有無は、デジタルマイクロスコープVHX−100(商品名;(株)キーエンス製)を用いて、半導体電極層の表面を倍率150〜750倍で10視野以上観察して評価した。
<Evaluation method>
(Presence or absence of cracks in the semiconductor electrode layer)
The presence or absence of cracks in the semiconductor electrode layer 21 was evaluated using a digital microscope VHX-100 (trade name; manufactured by Keyence Co., Ltd.) by observing the surface of the semiconductor electrode layer at 10 to 150 magnifications at a magnification of 150 to 750 times. .

(半導体電極層の内部HAZEと全光線透過率の評価)
半導体電極層の内部HAZEは、透明粘着シートを介して半導体電極層表面にPETフィルムO300E(商品名;三菱樹脂(株)製)を貼り付け、HM−150(商品名;(株)村上色彩技術研究所製)を用いてJIS K7136に準拠して評価した。半導体電極層の全光線透過率は、HM−150(商品名;(株)村上色彩技術研究所製)を用いてJIS K7361に従って評価した。
(Evaluation of internal HAZE and total light transmittance of semiconductor electrode layer)
The internal HAZE of the semiconductor electrode layer is obtained by attaching a PET film O300E (trade name; manufactured by Mitsubishi Plastics) to the surface of the semiconductor electrode layer through a transparent adhesive sheet, and HM-150 (trade name; Murakami Color Technology Co., Ltd.). Evaluation was performed according to JIS K7136. The total light transmittance of the semiconductor electrode layer was evaluated according to JIS K7361 using HM-150 (trade name; manufactured by Murakami Color Research Laboratory Co., Ltd.).

(硬度)
半導体電極層の硬度は、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、半導体電極層の表面を力強く擦り、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 of the semiconductor electrode layer was evaluated by a 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 of the semiconductor electrode layer was vigorously rubbed once in one direction at a length of about 5 cm, and evaluated according to the following criteria.
○: No scratch △: 10 or less scratches ×: 11 or more scratches

(密着特性)
半導体電極層の密着特性は、半導体電極層が形成されたPETフィルムを、粘着シートを介してガラス板に貼り付け、これを試験片とし、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 characteristics of the semiconductor electrode layer are as follows. A PET film on which the semiconductor electrode layer is formed is attached to a glass plate via an adhesive sheet, and this is used as a test piece, and a grid of JIS K5400 (1 mm interval × 100 mass) cellophane tape. CT24 (trade name; manufactured by Nichiban Co., Ltd.) was evaluated by a peel test.

(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1〜9および比較例1〜5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。
(Confirm that there are no residual organic substances 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 any of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 5, 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.

表2は、実施例1〜9および比較例1、2による半導体電極層におけるクラックの有無、内部Haze、全光線透過率、硬度(マルテンス硬度および擦り試験結果)および密着特性を示す表である。   Table 2 is a table showing the presence / absence of cracks, internal haze, total light transmittance, hardness (Martens hardness and rubbing test results), and adhesion characteristics in the semiconductor electrode layers according to Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2.

Figure 2012043724
Figure 2012043724

表1および表2に示したように、ペイントシェイカーを用いて第1の粒状微粒子2Aの分散処理を15時間行った、実施例1〜5による半導体電極層では、密着性がよかった。これに対し、アジターを用いて第1の粒状微粒子2Aの分散処理を3時間行った、実施例6〜8および比較例1、2による半導体電極層では、密着性が悪かった。これは、ペイントシェイカーの方がアジターよりも粒状微粒子を分散させる作用に優れていること、しかもより長い時間分散処理を行ったことから、実施例1〜5の方が実施例6〜8および比較例1、2よりも第1の粒状微粒子2Aの分散が進み、その結果、より密な半導体電極層(金属酸化物半導体多孔質層)が形成されたためであると考えられる。実施例1〜5による半導体電極層のマルテンス硬度が、実施例6〜8および比較例1、2による半導体電極層のマルテンス硬度よりも一桁大きい値であることも、同様のことを示している。   As shown in Tables 1 and 2, the semiconductor electrode layers according to Examples 1 to 5 in which the first granular fine particles 2A were dispersed for 15 hours using a paint shaker had good adhesion. In contrast, in the semiconductor electrode layers according to Examples 6 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 in which the dispersion treatment of the first granular fine particles 2A was performed for 3 hours using an agitator, the adhesion was poor. This is because the paint shaker is superior in the action of dispersing the particulate fine particles than the agitator, and the dispersion process is performed for a longer time. Therefore, Examples 1 to 5 are compared with Examples 6 to 8 and the comparison. This is probably because the dispersion of the first particulate fine particles 2A progressed more than in Examples 1 and 2, and as a result, a denser semiconductor electrode layer (metal oxide semiconductor porous layer) was formed. The fact that the Martens hardness of the semiconductor electrode layers according to Examples 1 to 5 is an order of magnitude larger than the Martens hardness of the semiconductor electrode layers according to Examples 6 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 also indicates the same thing. .

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(Adv.Mater.(2003),15,2101 参照。)、その性能を評価した。   Next, the dye-sensitized solar cell 30 described in the third embodiment was manufactured (see Adv. Mater. (2003), 15, 2101), and its performance was evaluated.

<色素増感型太陽電池の作製>
(1)前述した塗液をFTO層付き導電性ガラス基板(日本板硝子(株)製、表面抵抗 13Ω/□)上にコイルバー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、得られた半導体微粒子層からガラス板のエッジを用いて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色素溶液またはD358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(上記文献参照。)。D358色素溶液は、D358色素(商品名;三菱製紙(株)製)を0.5mMの濃度で、アセトニトリルとtert−ブチルアルコールとを1:1の体積比で混合した混合溶媒に溶解させた溶液である。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)一方、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、毛細管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>
(1) The coating liquid described above was applied on a conductive glass substrate with FTO layer (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance 13Ω / □) by a coil barber coating method, and then the solvent was evaporated at 80 ° C. for 2 minutes. . Next, an unnecessary part was scraped off from the obtained semiconductor fine particle layer using an edge of a glass plate and formed into a square having a size of 5 mm × 5 mm, and then fired at 150 ° C. for 30 minutes to produce a semiconductor electrode layer. .
(2) Next, the semiconductor electrode layer was immersed in a Z907 dye solution or a D358 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) (see the above-mentioned document). D358 dye solution is a solution obtained by dissolving D358 dye (trade name; manufactured by Mitsubishi Paper Industries Co., Ltd.) in a mixed solvent in which acetonitrile and tert-butyl alcohol are mixed at a volume ratio of 1: 1 at a concentration of 0.5 mM. It is. Next, the semiconductor electrode was washed with acetonitrile, and then the acetonitrile was spontaneously evaporated to dry the semiconductor electrode.
(3) On the other hand, the counter electrode was 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 sputtering.
(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 phenomenon to produce a dye-sensitized solar cell 30. 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>
(半導体電極層の厚さ)
半導体電極層の厚さは、ガラス板のエッジで電極層の一部を支持体6から削りとり、半導体電極層表面からFTO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 of dye-sensitized solar cell>
(Thickness of semiconductor electrode layer)
The thickness of the semiconductor electrode layer is obtained by scraping a part of the electrode layer from the support 6 at the edge of the glass plate, and measuring the step from the surface of the semiconductor electrode layer to the FTO surface with a stylus type surface roughness measuring instrument Surfcoder ET4000 (product) Name: Obtained by measurement using Kosaka Laboratory Co., Ltd.

(光電変換効率)
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、作製した色素増感型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。
(Photoelectric conversion efficiency)
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, the short-circuit current, open-circuit voltage of the produced dye-sensitized solar cell, The fill factor and photoelectric conversion efficiency were evaluated at 24 ° C.

表3は、実施例1〜9および比較例1、2で作製した色素増感型太陽電池における半導体電極層の厚さと光電変換効率とを示す表である。表3には、N=3の評価結果の平均値を記載した。   Table 3 is a table showing the thickness of the semiconductor electrode layer and the photoelectric conversion efficiency in the dye-sensitized solar cells produced in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2. Table 3 shows the average value of the evaluation results of N = 3.

Figure 2012043724
Figure 2012043724

表1および表3から、Z907色素を用いた色素増感型太陽電池の光電変換効率は、針状微粒子3を含有する実施例1〜9において、針状微粒子3を含有しない比較例1、2より、ほとんどの場合優れており、少なくとも同等以上であることがわかる。実施例1〜9における、針状微粒子3の配合質量の、粒状微粒子の配合質量に対する比は、0.05〜0.25である。さらに、上記変換効率は、針状微粒子3の含有量が酸化チタン微粒子全質量の10%である実施例1〜3および実施例6〜9では2.1%以上であるのに対し、含有量が5%である実施例4、並びに20%である実施例5では2.0%以下である。これは、針状微粒子3の含有量に最適値があり、それは酸化チタン微粒子全質量の10%程度であることを示している。   From Table 1 and Table 3, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell using the Z907 dye is Comparative Examples 1 and 2 that do not contain the acicular fine particles 3 in Examples 1 to 9 containing the acicular fine particles 3. It can be seen that it is excellent in most cases and at least equal or better. In Examples 1 to 9, the ratio of the blending mass of the needle-shaped fine particles 3 to the blending mass of the granular microparticles is 0.05 to 0.25. Further, the conversion efficiency is 2.1% or more in Examples 1 to 3 and Examples 6 to 9 in which the content of the acicular fine particles 3 is 10% of the total mass of the titanium oxide fine particles, whereas the content is In Example 4 where 5% is 20%, and in Example 5 where 20% is 20%, it is 2.0% or less. This indicates that the content of the acicular fine particles 3 has an optimum value, which is about 10% of the total mass of the titanium oxide fine particles.

<交流インピーダンス測定による局所抵抗値の評価>
色素増感型太陽電池の交流インピーダンスを、Schlumberger SI 1260インピーダンス/ゲイン−フェイズアナライザー(商品名;Solartron Analytical社製)を用いて、0.1〜100000Hzの周波数範囲において測定した。
<Evaluation of local resistance value by AC impedance measurement>
The AC impedance of the dye-sensitized solar cell was measured in a frequency range of 0.1 to 100000 Hz using a Schlumberger SI 1260 impedance / gain-phase analyzer (trade name; manufactured by Solartron Analytical).

図5は、実施例6〜8による、針状微粒子3としてFTL300を含有する半導体電極層33を用いた色素増感型太陽電池、および比較例2による、針状微粒子3を含有していない色素増感型太陽電池の交流インピーダンスを測定した結果を示すコール−コール・プロット(ナイキストプロット)図である。なお、図中の記号は下記の色素増感型太陽電池に対応する。
●:実施例6による色素増感型太陽電池
■:実施例7による色素増感型太陽電池
◆:実施例8による色素増感型太陽電池
△:比較例2による色素増感型太陽電池
FIG. 5 shows a dye-sensitized solar cell using the semiconductor electrode layer 33 containing FTL300 as the acicular fine particles 3 according to Examples 6 to 8 and a dye not containing the acicular fine particles 3 according to Comparative Example 2. It is a Cole-Cole plot (Nyquist plot) figure which shows the result of having measured the alternating current impedance of the sensitized solar cell. In addition, the symbol in a figure respond | corresponds to the following dye-sensitized solar cell.
●: Dye-sensitized solar cell according to Example 6 ■: Dye-sensitized solar cell according to Example 7 ◆: Dye-sensitized solar cell according to Example 8 Δ: Dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2

図5のコール−コール・プロット(ナイキストプロット)図では、酸化チタン微粒子間の界面抵抗の大きさは、実部25Ω近傍に現れる虚部のピーク値に反映される(星川豊久ら,「交流インピーダンス法を用いた色素増感太陽電池の評価法の確立」,セラミックス,39(2004),p.455-458 参照。)。図5によれば、比較例2による色素増感型太陽電池では、実部約25Ω近傍に虚部のピーク値約11Ωが現れる。これに対し、実施例6〜8による色素増感型太陽電池では、実部約20〜23Ω近傍に虚部のピーク値約7〜9Ωが現れ、虚部のピーク値が左下にシフトしている。これは、針状微粒子3を半導体電極層に含有させると、針状微粒子3の微粒子内導電路を利用した、内部抵抗の小さい導電路が、半導体電極層33中に形成され、酸化チタン微粒子間の界面抵抗が減少することを示していると考えられる。表3に示したように、実施例6〜8による色素増感型太陽電池の光電変換効率は、比較例2による色素増感型太陽電池の光電変換効率に比べて高い傾向にある。これは、交流インピーダンス測定の結果を反映した結果となっている。   In the Cole-Cole plot (Nyquist plot) diagram of FIG. 5, the magnitude of the interfacial resistance between the titanium oxide fine particles is reflected in the peak value of the imaginary part that appears in the vicinity of the real part 25Ω (Toyohisa Hoshikawa et al., “AC impedance "Establishment of evaluation method of dye-sensitized solar cell using the method", Ceramics, 39 (2004), p.455-458). According to FIG. 5, in the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2, the peak value of the imaginary part of about 11Ω appears in the vicinity of the real part of about 25Ω. In contrast, in the dye-sensitized solar cells according to Examples 6 to 8, the imaginary part peak value of about 7 to 9 Ω appears in the vicinity of the real part of about 20 to 23 Ω, and the imaginary part peak value is shifted to the lower left. . This is because when the acicular fine particles 3 are contained in the semiconductor electrode layer, a conductive path having a small internal resistance is formed in the semiconductor electrode layer 33 using the intra-fine particle conducting path of the acicular fine particles 3, and between the titanium oxide fine particles. This is considered to indicate that the interfacial resistance decreases. As shown in Table 3, the photoelectric conversion efficiencies of the dye-sensitized solar cells according to Examples 6 to 8 tend to be higher than the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell according to Comparative Example 2. This is a result reflecting the result of AC impedance measurement.

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…粒状の金属酸化物半導体微粒子、2A…第1の粒状微粒子、
2B…第2の粒状微粒子、3…針状の金属酸化物半導体微粒子、4…第1酸化物層、
5…第2酸化物層、6…支持体、7…密着補助層、21…半導体電極層、
30…光増感型太陽電池、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、
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)、105…対向電極(正極)、105a…導電層、
105b…白金層、106…対向基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor electrode layer, 2 ... Granular metal oxide semiconductor fine particle, 2A ... 1st granular fine particle,
2B ... 2nd granular fine particle, 3 ... Acicular metal oxide semiconductor fine particle, 4 ... 1st oxide layer,
5 ... 2nd oxide layer, 6 ... Support, 7 ... Adhesion auxiliary layer, 21 ... Semiconductor electrode layer,
30 ... Photosensitized 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,
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), 105 ... Counter electrode (positive electrode), 105a ... Conductive layer,
105b ... platinum layer, 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) 特開2008−115055号公報(請求項1、第4−6及び7−10頁、図2)JP 2008-115055 (Claim 1, pages 4-6 and 7-10, 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)

粒状微粒子と針状微粒子との、少なくとも2種類の形状の微粒子を含み、支持体上に 配置された金属酸化物半導体微粒子と、
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酸化物層を形成している第1の酸化物よりも硬度の高い第2の酸化物からな り、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 に結着している第2酸化物層と
を含有し、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なる、半導体電極層。
Metal oxide semiconductor fine particles including fine particles having at least two shapes, granular fine particles and acicular fine particles, and disposed on a support;
A first oxide layer that is mainly directly bonded to the metal oxide semiconductor fine particles and the support;
The second oxide is harder than the first oxide forming the first oxide layer, and the metal oxide semiconductor fine particles and the support mainly through the first oxide layer. A second oxide layer bound to the body, and the first oxide layer and the second oxide layer, and between the metal oxide semiconductor fine particles and between the metal oxide semiconductor fine particles and the A semiconductor electrode layer formed by binding with a support.
前記針状の金属酸化物半導体微粒子の一次粒子の平均直径が0.1〜1μmであり、平均長さが1〜10μmである、請求項1に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 1, wherein an average diameter of primary particles of the acicular metal oxide semiconductor fine particles is 0.1 to 1 µm and an average length is 1 to 10 µm. 前記針状の金属酸化物半導体微粒子の配合質量の、前記粒状の金属酸化物半導体微粒子の配合質量に対する比が、0.05〜0.25である、請求項1に記載した半導体電極層。   2. The semiconductor electrode layer according to claim 1, wherein a ratio of a mixing mass of the acicular metal oxide semiconductor fine particles to a mixing mass of the granular metal oxide semiconductor fine particles is 0.05 to 0.25. 前記粒状の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の粒状微粒子と、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の粒状微粒子との、少なくとも2種類の大きさの粒状微粒子を含む、請求項1に記載した半導体電極層。   The granular metal oxide semiconductor fine particles are first granular fine particles having an average primary particle size of 100 nm or less, and second granular fine particles having an average primary particle size of more than 100 nm and 10,000 nm or less. The semiconductor electrode layer according to claim 1, comprising granular fine particles having at least two kinds of sizes. 前記第2の粒状微粒子の配合質量の、前記第1の粒状微粒子の配合質量に対する比が、0.06〜6である、請求項4に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 4, wherein a ratio of a blending mass of the second particulate fine particles to a blending mass of the first particulate particulates is 0.06 to 6. 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1酸化物層を構成している元素が、前記金属酸化物半導体微粒子を構成している金属元素と同一の元素である、請求項1に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 1, wherein the element constituting the first oxide layer is the same element as the metal element constituting the metal oxide semiconductor fine particles. 前記の硬度の高い第2酸化物層を構成している酸化物が、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1に記載した半導体電極層。 The oxide constituting the second oxide layer having high hardness was 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 . The semiconductor electrode layer according to claim 1, wherein the semiconductor electrode layer is at least one oxide. 前記支持体の材料がプラスチック材料である、請求項1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に記載した半導体電極層。   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10に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 10, wherein the support is a light-transmitting support having a light-transmitting conductive layer provided on one surface, and is provided in contact with the light-transmitting conductive layer. . 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10に記載した半導体電極層。   The semiconductor electrode layer according to claim 10, 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. . 粒状微粒子と針状微粒子との、少なくとも2種類の形状の微粒子を含む金属酸化物 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、半導体電極層の製造方法。
Metal oxide semiconductor fine particles including fine particles of at least two types of granular fine particles and acicular fine particles;
A first compound that yields a first oxide upon hydrolysis;
A coating liquid obtained by dispersing or dissolving in a organic solvent a second compound that produces a second oxide that is harder to hydrolyze than the first compound and that has a higher hardness than the first oxide when hydrolyzed. A step of preparing;
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;
Metal oxide semiconductor porous material 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 method for producing a semiconductor electrode layer, wherein a layer is produced.
前記第1の化合物として塩又はアルコキシドを用いる、請求項13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 13, wherein a salt or an alkoxide is used as the first compound. 前記第1の化合物は、チタンTi、アルミニウムAl、ケイ素Si、バナジウムV、ジルコニウムZr、ニオブNb、及びタンタルTaからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素の化合物である、請求項14に記載した半導体電極層の製造方法。   The first compound is a compound of at least one element selected from the group consisting of titanium Ti, aluminum Al, silicon Si, vanadium V, zirconium Zr, niobium Nb, and tantalum Ta. Semiconductor electrode layer manufacturing method. 前記第1の化合物として、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13に記載した半導体電極層の製造方法。   As the first compound, 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 entirely hydrolyzed in the coating solution, A method for producing a semiconductor electrode layer according to claim 13. 前記第2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13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 13, 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 second compound. 少なくとも、請求項1〜12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 12, 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種(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種(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 a reducing species (reducing agent) in the electrolyte layer. As a result, the oxidizing species (oxidizing agent) generated in the electrolyte layer receives electrons from the counter electrode and is reduced. The electrochemical device according to claim 18, which is configured as a dye-sensitized solar cell. 前記半導体電極層が、請求項11又は12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 claim 11.
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KR101362676B1 (en) * 2012-08-30 2014-02-18 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 Method for manufacturing semiconductor electrode and dye-sensitized solar cell comprising the semiconductor electrode manufactured by the method

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KR101362676B1 (en) * 2012-08-30 2014-02-18 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 Method for manufacturing semiconductor electrode and dye-sensitized solar cell comprising the semiconductor electrode manufactured by the method

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