JP2013131458A - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element offering a high short circuit current density and capable of being manufactured at low cost.SOLUTION: The photoelectric conversion element includes a translucent substrate, a photoelectric conversion layer provided on the translucent substrate, a collector electrode provided on at least a portion of the photoelectric conversion layer, a counter electrode conductive layer facing the translucent substrate, a catalyst layer provided on the translucent substrate-side surface of the counter electrode conductive layer, and a carrier transport material provided between the translucent substrate and the catalyst layer. The photoelectric conversion layer contains a first porous semiconductor layer provided on the translucent substrate, a second porous semiconductor layer provided on the first porous semiconductor layer, and a photosensitizer adsorbed in the first porous semiconductor layer and the second porous semiconductor layer. The porosity of the first porous semiconductor layer is higher than the porosity of the second porous semiconductor layer.

Description

本発明は、光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element.

化石燃料に代るエネルギー源として、太陽光を電力に変換することができる電池、すなわち太陽電池が注目されている。現在、結晶系シリコン基板を用いた太陽電池および薄膜シリコン太陽電池が一部実用化され始めている。   As an energy source that replaces fossil fuel, a battery that can convert sunlight into electric power, that is, a solar cell, has attracted attention. At present, some solar cells and thin film silicon solar cells using a crystalline silicon substrate are beginning to be put into practical use.

しかしながら、結晶系シリコン基板を用いた太陽電池は、シリコン基板の製造コストが高いという問題があった。また、薄膜シリコン太陽電池は、多くの種類の半導体製造用ガスや複雑な装置を用いる必要があるため、製造コストが高くなるという問題があった。そのため、いずれの太陽電池においても、発電出力当たりのコストを低減するために光電変換の高効率化の努力が続けられているが、上記の問題を十分に解決できるまでには至っていない。   However, a solar cell using a crystalline silicon substrate has a problem that the manufacturing cost of the silicon substrate is high. In addition, the thin film silicon solar cell has a problem in that the manufacturing cost is high because it is necessary to use many kinds of semiconductor manufacturing gases and complicated devices. For this reason, in any solar cell, efforts have been made to increase the efficiency of photoelectric conversion in order to reduce the cost per power generation output, but the above problem has not yet been solved sufficiently.

また、たとえば特許文献1(特許第2664194号公報)には、新しいタイプの太陽電池として、金属錯体の光誘起電子移動を応用した光電変換素子が開示されている。この光電変換素子は、表面上に電極(第1電極および第2電極)を形成した2枚のガラス基板の電極間に、光増感色素を吸着させて可視光領域に吸収スペクトルをもたせた光電変換層と電解液とを挟持した構造を有する。この光電変換素子において、透明な第1電極側に光を照射すると、光電変換層に電子が発生し、発生した電子が一方の第1電極から外部電気回路を通って対向する第2電極に移動し、移動した電子が電解質中のイオンにより運ばれて光電変換層に戻る、という現象が起こる。このような一連の電子移動の繰り返しにより、電気エネルギーを取り出すことが可能となる。   Further, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2664194) discloses a photoelectric conversion element using a photo-induced electron transfer of a metal complex as a new type of solar cell. In this photoelectric conversion element, a photosensitizing dye is adsorbed between the electrodes of two glass substrates on which electrodes (first electrode and second electrode) are formed, and an absorption spectrum is provided in the visible light region. It has a structure in which the conversion layer and the electrolytic solution are sandwiched. In this photoelectric conversion element, when light is irradiated to the transparent first electrode side, electrons are generated in the photoelectric conversion layer, and the generated electrons move from one first electrode to the opposing second electrode through an external electric circuit. Then, a phenomenon occurs in which the moved electrons are carried by the ions in the electrolyte and return to the photoelectric conversion layer. By repeating such a series of electron movements, electric energy can be extracted.

特許文献2(特開2002−352870公報)には、透明電極上に形成される複数の層からなる多孔質膜において、透明電極から最も近い位置に配置される層から、最も遠い位置に配置される層にかけて、細孔径分布が増加している色素増感太陽電池が提案されている。これは、増感色素の吸着量を確保すること、および半導体電極内部の反応サイトへの反応物質の供給を迅速に行なうことを目的としている。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-352870), in a porous film composed of a plurality of layers formed on a transparent electrode, the porous film is disposed at a position farthest from a layer disposed at a position closest to the transparent electrode. There has been proposed a dye-sensitized solar cell in which the pore size distribution is increased over the layers. The purpose of this is to ensure the adsorption amount of the sensitizing dye and to quickly supply the reactant to the reaction site inside the semiconductor electrode.

また、特許文献1に記載の光電変換素子の基本構造は、透明導電膜が形成された基板(TCO基板)を用いた構造であるため、コストが高いという問題がある。この問題を解決するために、たとえば特許文献3(特許第4415448号公報)には、TCO基板を用いない光電変換素子が提案されている。特許文献3に記載の光電変換素子は、TCO基板を用いる代わりに透光性基板上に多孔性半導体層を形成し、その上に目の粗さが20〜500メッシュの有孔集電電極を形成している。   Moreover, since the basic structure of the photoelectric conversion element described in Patent Document 1 is a structure using a substrate (TCO substrate) on which a transparent conductive film is formed, there is a problem that the cost is high. In order to solve this problem, for example, Patent Document 3 (Japanese Patent No. 4415448) proposes a photoelectric conversion element that does not use a TCO substrate. In the photoelectric conversion element described in Patent Document 3, a porous semiconductor layer is formed on a light-transmitting substrate instead of using a TCO substrate, and a perforated current collecting electrode having an eye roughness of 20 to 500 mesh is formed thereon. Forming.

しかしながら、TCO基板を用いない光電変換素子は、従来の構造からなる光電変換素子よりも短絡電流密度(Jsc)が低いという問題があった。 However, a photoelectric conversion element that does not use a TCO substrate has a problem that a short-circuit current density (J sc ) is lower than a photoelectric conversion element having a conventional structure.

特許第2664194号公報Japanese Patent No. 2664194 特開2002−352870公報JP 2002-352870 A 特許第4415448号公報Japanese Patent No. 4415448

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高い短絡電流密度を示す光電変換素子を低コストで製造することができる光電変換素子を提供することにある。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element capable of manufacturing a photoelectric conversion element exhibiting a high short-circuit current density at low cost.

本発明は、透光性基板と、透光性基板上に設けられた光電変換層と、光電変換層の少なくとも一部に設けられた集電電極と、透光性基板と向かい合うようにして設けられた対極導電層と、対極導電層の透光性基板側の表面に設けられた触媒層と、透光性基板と触媒層との間に設けられたキャリア輸送材料と、を備え、光電変換層は、透光性基板上に設けられた第1の多孔質半導体層と、第1の多孔質半導体層上に設けられた第2の多孔質半導体層と、第1の多孔質半導体層および第2の多孔質半導体層にそれぞれ吸着された光増感剤とを含み、第1の多孔質半導体層の空隙率が、第2の多孔質半導体層の空隙率よりも大きい光電変換素子である。   The present invention provides a light-transmitting substrate, a photoelectric conversion layer provided on the light-transmitting substrate, a current collecting electrode provided on at least a part of the photoelectric conversion layer, and a light-transmitting substrate. A counter electrode conductive layer, a catalyst layer provided on the surface of the counter electrode conductive layer on the side of the light-transmitting substrate, and a carrier transporting material provided between the light-transmitting substrate and the catalyst layer. The layer includes a first porous semiconductor layer provided on the translucent substrate, a second porous semiconductor layer provided on the first porous semiconductor layer, a first porous semiconductor layer, and A photoelectric conversion element comprising a photosensitizer adsorbed on each of the second porous semiconductor layers, wherein the porosity of the first porous semiconductor layer is larger than the porosity of the second porous semiconductor layer. .

ここで、本発明の光電変換素子においては、第1の多孔質半導体層が、平均粒径50nm以下の半導体微粒子からなることが好ましい。   Here, in the photoelectric conversion element of this invention, it is preferable that a 1st porous semiconductor layer consists of semiconductor fine particles with an average particle diameter of 50 nm or less.

また、本発明の光電変換素子においては、第1の多孔質半導体層の厚さが、光電変換層の厚さの50%以下であることが好ましい。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the thickness of the first porous semiconductor layer is preferably 50% or less of the thickness of the photoelectric conversion layer.

また、本発明の光電変換素子においては、第1の多孔質半導体層の空隙率が、55%以上であることが好ましい。   Moreover, in the photoelectric conversion element of this invention, it is preferable that the porosity of the 1st porous semiconductor layer is 55% or more.

また、本発明の光電変換素子は、第2の多孔質半導体層上に設けられた第3の多孔質半導体層をさらに含み、第3の多孔質半導体層を構成する半導体微粒子の平均粒径が、第2の多孔質半導体層を構成する半導体微粒子の平均粒径よりも大きいことが好ましい。   The photoelectric conversion element of the present invention further includes a third porous semiconductor layer provided on the second porous semiconductor layer, and the average particle size of the semiconductor fine particles constituting the third porous semiconductor layer is The average particle diameter of the semiconductor fine particles constituting the second porous semiconductor layer is preferably larger.

本発明によれば、高い短絡電流密度を有する光電変換素子を低コストで製造することができる光電変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion element which can manufacture the photoelectric conversion element which has a high short circuit current density at low cost can be provided.

実施の形態の光電変換素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the photoelectric conversion element of embodiment. 実施の形態の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating a part of manufacturing process of an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment. 実施の形態の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating a part of manufacturing process of an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment. 実施の形態の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating a part of manufacturing process of an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment. 実施の形態の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating a part of manufacturing process of an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment. 実施の形態の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。It is typical sectional drawing illustrating a part of manufacturing process of an example of the manufacturing method of the photoelectric conversion element of embodiment.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。   Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.

<光電変換素子>
図1に、本発明の光電変換素子の一例である本実施の形態の光電変換素子の模式的な断面図を示す。本実施の形態の光電変換素子は、透光性基板1と、透光性基板1上に設けられた光電変換層5と、光電変換層5の少なくとも一部に設けられた集電電極6と、透光性基板1と向かい合うようにして設けられた対極導電層7と、対極導電層7の透光性基板1側の表面に設けられた触媒層11と、透光性基板1と触媒層11との間に設けられたキャリア輸送材料8と、を備えている。
<Photoelectric conversion element>
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion element of the present embodiment which is an example of the photoelectric conversion element of the present invention. The photoelectric conversion element of the present embodiment includes a translucent substrate 1, a photoelectric conversion layer 5 provided on the translucent substrate 1, and a collecting electrode 6 provided on at least a part of the photoelectric conversion layer 5. The counter electrode conductive layer 7 provided so as to face the translucent substrate 1, the catalyst layer 11 provided on the surface of the counter electrode conductive layer 7 on the side of the translucent substrate 1, the translucent substrate 1 and the catalyst layer 11 and the carrier transporting material 8 provided between the two.

ここで、透光性基板1と対極導電層7とは互いに向かい合うようにして所定の距離を空けて配置されており、透光性基板1と対極導電層7との間にはキャリア輸送材料8を取り囲むようにして透光性基板1と対極導電層7とを接合する封止材9が配置されている。   Here, the translucent substrate 1 and the counter electrode conductive layer 7 are arranged at a predetermined distance so as to face each other, and the carrier transport material 8 is interposed between the translucent substrate 1 and the counter electrode conductive layer 7. A sealing material 9 for bonding the translucent substrate 1 and the counter electrode conductive layer 7 is disposed so as to surround the substrate.

また、集電電極6は、光電変換素子の外部に電流を取り出せるように、光電変換層5の上面および側面ならびに透光性基板1の表面を通って、透光性基板1と封止材9との間の空間から外部に伸長している。   In addition, the current collecting electrode 6 passes through the upper surface and side surfaces of the photoelectric conversion layer 5 and the surface of the light transmissive substrate 1 so that a current can be taken out of the photoelectric conversion element, and the light transmissive substrate 1 and the sealing material 9. It extends from the space between and outside.

さらに、光電変換層5は、透光性基板1上に設けられた第1の多孔質半導体層2と、第1の多孔質半導体層2上に設けられた第2の多孔質半導体層3と、第2の多孔質半導体層3上に設けられた第3の多孔質半導体層4とが積層された構造を有している。ここで、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4にはそれぞれ光増感剤が吸着されている。   Furthermore, the photoelectric conversion layer 5 includes a first porous semiconductor layer 2 provided on the translucent substrate 1, a second porous semiconductor layer 3 provided on the first porous semiconductor layer 2, and The third porous semiconductor layer 4 provided on the second porous semiconductor layer 3 has a laminated structure. Here, a photosensitizer is adsorbed to each of the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3, and the third porous semiconductor layer 4.

本実施の形態の光電変換素子においては、第1の多孔質半導体層2の空隙率が、第2の多孔質半導体層3の空隙率よりも大きくなっている。これにより、本実施の形態の光電変換素子においては、TCO基板を用いなくても高い短絡電流密度を示すため、従来のTCO基板を用いた光電変換素子と比べて、低コストで製造することができる。   In the photoelectric conversion element of the present embodiment, the porosity of the first porous semiconductor layer 2 is larger than the porosity of the second porous semiconductor layer 3. Thereby, in the photoelectric conversion element of this Embodiment, in order to show a high short circuit current density even if it does not use a TCO board | substrate, it can manufacture at low cost compared with the photoelectric conversion element using the conventional TCO board | substrate. it can.

<透光性基板>
透光性基板1としては、少なくとも光透過性を有する材料を用いることができる。ただし、少なくとも後述する色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過させる材料であればよく、必ずしもすべての波長領域の光に対して透過性を有する必要はない。
<Translucent substrate>
As the light-transmitting substrate 1, at least a light-transmitting material can be used. However, any material may be used as long as it is a material that substantially transmits light having a wavelength that has an effective sensitivity to at least a dye described later, and is not necessarily transparent to light in all wavelength regions.

透光性基板1に用いられる光透過性を有する材料としては、たとえば、ソーダ石灰フロートガラス、溶融石英ガラス、結晶石英ガラスなどのガラス基板、または可撓性フィルムなどの耐熱性樹脂板などを用いることができる。   Examples of the light-transmitting material used for the light-transmitting substrate 1 include glass substrates such as soda lime float glass, fused silica glass, and crystal quartz glass, or heat-resistant resin plates such as flexible films. be able to.

透光性基板1に用いられる可撓性フィルムとしては、たとえば、テトラアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PA)、ポリエーテルイミド(PEI)、フェノキシ樹脂、またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフィルムを用いることができる。   Examples of the flexible film used for the translucent substrate 1 include tetraacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyarylate (PA), and polyether. A film such as imide (PEI), phenoxy resin, or polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used.

透光性基板1に用いられる可撓性フィルムとしては、なかでも、PTFEフィルムを用いることが好ましい。PTFEフィルムは250℃以上の耐熱性を有することから、透光性基板1の表面をたとえば250℃程度に加熱する場合に透光性基板1への熱ダメージを抑えることができる傾向にある。   As a flexible film used for the translucent substrate 1, it is preferable to use a PTFE film. Since the PTFE film has a heat resistance of 250 ° C. or higher, when the surface of the translucent substrate 1 is heated to, for example, about 250 ° C., thermal damage to the translucent substrate 1 tends to be suppressed.

また、透光性基板1の厚さは、特に限定されないが、0.2mm以上5mm以下であることが好ましい。透光性基板1の厚さが0.2mm以上である場合には、透光性基板1が支持体としての機能を発揮することができる傾向にある。透光性基板1の厚さが5mm以下である場合には透光性基板1の透過光量が増大して光電変換素子の短絡電流密度が高くなる傾向にある。   Moreover, although the thickness of the translucent board | substrate 1 is not specifically limited, It is preferable that they are 0.2 mm or more and 5 mm or less. When the thickness of the translucent substrate 1 is 0.2 mm or more, the translucent substrate 1 tends to exhibit a function as a support. When the thickness of the translucent substrate 1 is 5 mm or less, the amount of light transmitted through the translucent substrate 1 increases and the short-circuit current density of the photoelectric conversion element tends to increase.

本実施の形態の光電変換素子を他の構造体に取り付けるときに透光性基板1を用いて取り付けることができる。たとえば、透光性基板1がガラス基板からなる場合には、透光性基板1の周縁部をねじ等により他の構造体に容易に取り付けることができる。   When attaching the photoelectric conversion element of this Embodiment to another structure, it can attach using the translucent board | substrate 1. FIG. For example, when the translucent substrate 1 is made of a glass substrate, the peripheral portion of the translucent substrate 1 can be easily attached to another structure with screws or the like.

<光電変換層>
光電変換層5としては、多孔質半導体層と、多孔質半導体層に吸着する色素とを含むものを用いることができる。キャリア輸送材料8が光電変換層5の内外を自在に移動することができる。なお、光電変換層5の厚さTは、特に限定されるものではないが、1μm以上50μm以下とすることが好ましく、5μm以上30μm以下とすることがより好ましい。
<Photoelectric conversion layer>
As the photoelectric converting layer 5, what contains a porous semiconductor layer and the pigment | dye adsorb | sucked to a porous semiconductor layer can be used. The carrier transport material 8 can move freely inside and outside the photoelectric conversion layer 5. The thickness T of the photoelectric conversion layer 5 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 30 μm or less.

<多孔質半導体層>
光電変換層5に用いられる多孔質半導体層(第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4)としては、多孔質半導体から構成されるものであれば特に限定されず、たとえば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウム、硫化鉛、硫化亜鉛、リン化インジウム、銅インジウム硫化物(CuInS2)、CuAlO2およびSrCu22からなる群から選択された少なくとも1種を含む多孔質半導体からなる層を用いることができる。なかでも、多孔質半導体層の安定性および安全性を向上させる観点からは、酸化チタンを用いることが好ましい。
<Porous semiconductor layer>
The porous semiconductor layer (the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3, and the third porous semiconductor layer 4) used for the photoelectric conversion layer 5 is composed of a porous semiconductor. Is not particularly limited, for example, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, iron oxide, niobium oxide, cerium oxide, tungsten oxide, barium titanate, strontium titanate, cadmium sulfide, lead sulfide, zinc sulfide, phosphide A layer made of a porous semiconductor containing at least one selected from the group consisting of indium, copper indium sulfide (CuInS 2 ), CuAlO 2 and SrCu 2 O 2 can be used. Among these, titanium oxide is preferably used from the viewpoint of improving the stability and safety of the porous semiconductor layer.

なお、本明細書において、「酸化チタン」は、たとえば、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、およびオルソチタン酸などの各種の狭義のチタンの酸化物だけでなく、酸化チタン、水酸化チタンおよび含水酸化チタンなどの酸素を含むチタン化合物をも含む概念であり、これらを単独で、または混合して用いることができる。なお、酸化チタンは、その製法や熱履歴によって、アナターゼ型とルチル型の2種類のいずれの結晶系にもなり得るが、アナターゼ型が一般的である。酸化チタンとしては、アナターゼ型の含有率が80%以上のものを用いることが好ましい。   In this specification, “titanium oxide” is not limited to various narrowly defined oxides of titanium, such as anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide, amorphous titanium oxide, metatitanic acid, and orthotitanic acid. In addition, it is a concept including a titanium compound containing oxygen such as titanium oxide, titanium hydroxide and hydrous titanium oxide, and these can be used alone or in combination. Titanium oxide can be in any of two types of crystal systems, anatase type and rutile type, depending on the production method and thermal history, but anatase type is common. As the titanium oxide, it is preferable to use an anatase type content of 80% or more.

多孔質半導体層としては、たとえば単結晶または多結晶の半導体を用いることができるが、多孔質半導体層の安定性の向上、結晶成長の容易さ、および製造コストの低減などの観点から、多結晶の半導体を用いることが好ましく、多結晶の半導体微粒子の形態が特に好ましい。ここで、半導体微粒子の平均粒径は、たとえば1nm以上1000nm以下である。   As the porous semiconductor layer, for example, a single crystal or a polycrystalline semiconductor can be used. From the viewpoint of improving the stability of the porous semiconductor layer, easiness of crystal growth, and reducing manufacturing costs, the polycrystalline semiconductor layer can be used. The semiconductor is preferably used, and the form of polycrystalline semiconductor fine particles is particularly preferable. Here, the average particle diameter of the semiconductor fine particles is, for example, not less than 1 nm and not more than 1000 nm.

したがって、多孔質半導体層としては、酸化チタンの微粒子(平均粒径:1nm以上1000nm以下)を用いることが特に好ましい。酸化チタンの微粒子は、たとえば、気相法または液相法(水熱合成法、硫酸法)など公知の方法により製造することができる。また、デグサ(Degussa)社が開発した塩化物を高温加水分解することにより製造することもできる。   Accordingly, it is particularly preferable to use fine particles of titanium oxide (average particle diameter: 1 nm or more and 1000 nm or less) as the porous semiconductor layer. The fine particles of titanium oxide can be produced by a known method such as a gas phase method or a liquid phase method (hydrothermal synthesis method, sulfuric acid method). It can also be produced by high-temperature hydrolysis of chlorides developed by Degussa.

また、半導体微粒子としては、同一または異なる半導体からなる2種類以上の異なる粒径を有する半導体微粒子を混合したものを用いてもよい。粒径の大きな半導体微粒子は入射光を散乱させ光捕捉率の向上に寄与し、粒径の小さな半導体微粒子は吸着点をより多くして色素の吸着量の向上に寄与するものと考えられる。ここで、異なる粒径を有する半導体微粒子の平均粒径の比率は10倍以上であることが好ましく、粒径の大きな半導体微粒子の平均粒径は100nm以上500nm以下であって、粒径の小さな半導体微粒子の平均粒径は5nm以上50nm以下であることがより好ましい。異なる半導体の2種以上の半導体微粒子からなる混合粒子を用いる場合には、色素の吸着作用のより強い半導体微粒子を粒径の小さな半導体微粒子とすることが効果的である。   As the semiconductor fine particles, a mixture of two or more different types of semiconductor fine particles made of the same or different semiconductors may be used. It is considered that semiconductor fine particles having a large particle diameter scatter incident light and contribute to an improvement in the light capture rate, and semiconductor fine particles having a small particle diameter contribute to an improvement in the amount of dye adsorbed by increasing the number of adsorption points. Here, the ratio of the average particle diameter of the semiconductor fine particles having different particle diameters is preferably 10 times or more, and the average particle diameter of the semiconductor fine particles having a large particle diameter is 100 nm to 500 nm, and the semiconductor having a small particle diameter The average particle size of the fine particles is more preferably 5 nm or more and 50 nm or less. In the case of using mixed particles composed of two or more kinds of semiconductor fine particles of different semiconductors, it is effective to make semiconductor fine particles having a stronger dye adsorption action into semiconductor fine particles having a small particle diameter.

<第1の多孔質半導体層>
第1の多孔質半導体層2は、透光性基板1上に形成される多孔質半導体層のうち、透光性基板1に接して形成される多孔性半導体層である。上述したように、第1の多孔質半導体層2の空隙率は、第1の多孔質半導体層2上に形成される第2の多孔質半導体層3の空隙率よりも大きくされる。これにより、光電変換層5の受光面と反対側に集電電極6が形成されているTCO基板を有しない光電変換素子において、色素が光を吸収して生成する電子の分布を集電電極6側に偏らせることが可能となるため、集電効果が高くなり、高い短絡電流密度を示すものと考えられる。
<First porous semiconductor layer>
The first porous semiconductor layer 2 is a porous semiconductor layer formed in contact with the translucent substrate 1 among the porous semiconductor layers formed on the translucent substrate 1. As described above, the porosity of the first porous semiconductor layer 2 is made larger than the porosity of the second porous semiconductor layer 3 formed on the first porous semiconductor layer 2. Thereby, in the photoelectric conversion element which does not have a TCO substrate in which the current collecting electrode 6 is formed on the side opposite to the light receiving surface of the photoelectric conversion layer 5, the distribution of electrons generated by the dye absorbing the light is collected. It is considered that the current collection effect is increased and a high short-circuit current density is exhibited.

第1の多孔質半導体層2の空隙率は、55%以上であることが好ましい。第1の多孔質半導体層2の空隙率が55%以上である場合には、光電変換素子の短絡電流密度がより高くなる傾向にある。   The porosity of the first porous semiconductor layer 2 is preferably 55% or more. When the porosity of the 1st porous semiconductor layer 2 is 55% or more, it exists in the tendency for the short circuit current density of a photoelectric conversion element to become higher.

第1の多孔質半導体層2の空隙率は、75%以下であることが好ましい。第1の多孔質半導体層2の空隙率が75%以下である場合には、第1の多孔質半導体層2が十分な強度を保持し、透光性基板1からの第1の多孔質半導体層2の剥離を効果的に抑制することができる。   The porosity of the first porous semiconductor layer 2 is preferably 75% or less. When the porosity of the first porous semiconductor layer 2 is 75% or less, the first porous semiconductor layer 2 retains sufficient strength, and the first porous semiconductor from the translucent substrate 1 The peeling of the layer 2 can be effectively suppressed.

なお、本明細書において、「空隙率」は、以下の式(a)により求めることができる。
空隙率(%)=100×(多孔質半導体層の質量)/((多孔質半導体層の体積)×(多孔質半導体層を構成する半導体材料の密度)) …(a)
第1の多孔質半導体層2が半導体微粒子から構成される場合には、第1の多孔質半導体層2を構成する半導体微粒子の平均粒径は、50nm以下であることが好ましく、30nm以下であることがより好ましい。第1の多孔質半導体層2を構成する半導体微粒子の平均粒径を50nm以下とした場合、特に30nm以下とした場合には、透光性基板1側から入射してきたより多くの光が第1の多孔質半導体層2で散乱せずに集電電極6側に透過するため、光電変換素子がより大きな短絡電流密度を示す傾向にある。
In the present specification, the “porosity” can be obtained by the following equation (a).
Porosity (%) = 100 × (mass of porous semiconductor layer) / ((volume of porous semiconductor layer) × (density of semiconductor material constituting porous semiconductor layer)) (a)
When the first porous semiconductor layer 2 is composed of semiconductor fine particles, the average particle diameter of the semiconductor fine particles constituting the first porous semiconductor layer 2 is preferably 50 nm or less, and is 30 nm or less. It is more preferable. When the average particle size of the semiconductor fine particles constituting the first porous semiconductor layer 2 is 50 nm or less, particularly when it is 30 nm or less, more light that has entered from the translucent substrate 1 side is the first light. Since the light is transmitted to the collecting electrode 6 side without being scattered by the porous semiconductor layer 2, the photoelectric conversion element tends to exhibit a larger short-circuit current density.

第1の多孔質半導体層2の厚さT1は、光電変換層5の厚さTの50%以下であることが好ましい。第1の多孔質半導体層2の厚さT1が光電変換層5の厚さTの50%以下である場合には、光電変換層5においてより多くの光を吸収することができるため、光電変換素子がより大きな短絡電流密度を示す傾向にある。   The thickness T1 of the first porous semiconductor layer 2 is preferably 50% or less of the thickness T of the photoelectric conversion layer 5. Since the photoelectric conversion layer 5 can absorb more light when the thickness T1 of the first porous semiconductor layer 2 is 50% or less of the thickness T of the photoelectric conversion layer 5, photoelectric conversion The device tends to exhibit a larger short circuit current density.

<第2の多孔質半導体層>
第2の多孔質半導体層3は、第1の多孔質半導体層2上に形成される多孔質半導体層であり、第2の多孔質半導体層3の空隙率は、第1の多孔質半導体層2の空隙率よりも小さくされる。なお、第1の多孔質半導体層2よりも第2の多孔質半導体層3の空隙率が小さいことは、光電変換層5の断面のSEM(Scanning Electron Microscope)観察により確認することができる。
<Second porous semiconductor layer>
The 2nd porous semiconductor layer 3 is a porous semiconductor layer formed on the 1st porous semiconductor layer 2, The porosity of the 2nd porous semiconductor layer 3 is the 1st porous semiconductor layer. The porosity is smaller than 2. Note that the porosity of the second porous semiconductor layer 3 is smaller than that of the first porous semiconductor layer 2 can be confirmed by SEM (Scanning Electron Microscope) observation of the cross section of the photoelectric conversion layer 5.

<第3の多孔質半導体層>
第3の多孔質半導体層4は、第2の多孔質半導体層3上に形成される多孔質半導体層である。第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4がそれぞれ半導体微粒子から構成される場合には、第3の多孔質半導体層4を構成する半導体微粒子の平均粒径が、第2の多孔質半導体層3を構成する半導体微粒子の平均粒径よりも大きいことが好ましい。第3の多孔質半導体層4を構成する半導体微粒子の平均粒径が第2の多孔質半導体層3を構成する半導体微粒子の平均粒径よりも大きい場合には、光の散乱効果がより高まるため、光の利用効率が向上し、短絡電流密度が向上する傾向にある。
<Third porous semiconductor layer>
The third porous semiconductor layer 4 is a porous semiconductor layer formed on the second porous semiconductor layer 3. When the second porous semiconductor layer 3 and the third porous semiconductor layer 4 are each composed of semiconductor fine particles, the average particle diameter of the semiconductor fine particles constituting the third porous semiconductor layer 4 is the second The average particle diameter of the semiconductor fine particles constituting the porous semiconductor layer 3 is preferably larger. When the average particle size of the semiconductor fine particles constituting the third porous semiconductor layer 4 is larger than the average particle size of the semiconductor fine particles constituting the second porous semiconductor layer 3, the light scattering effect is further enhanced. The light utilization efficiency tends to improve and the short circuit current density tends to improve.

なお、第3の多孔質半導体層4は、異なる平均粒径を有する半導体微粒子からなる多孔質半導体層を複数積層した構造であってもよく、この場合には、光散乱の効果を向上させるために、受光面より遠い部分に平均粒径の大きな微粒子からなる多孔質半導体層を形成することが好ましい。また、第3の多孔質半導体層4が、異なる平均粒径を有する半導体微粒子からなる多孔質半導体層を複数積層した構造からなる場合には、第3の多孔質半導体層4を構成する複数の多孔質半導体層の少なくとも1層は、平均粒径が300nm以上の半導体微粒子からなることが好ましい。また、第1の多孔質半導体層2および第2の多孔質半導体層3の2層構造のみで光電変換層5に十分な光の吸収がある場合には、第3の多孔質半導体層4を形成しなくてもよい。   The third porous semiconductor layer 4 may have a structure in which a plurality of porous semiconductor layers made of semiconductor fine particles having different average particle diameters are stacked. In this case, in order to improve the light scattering effect. In addition, it is preferable to form a porous semiconductor layer made of fine particles having a large average particle diameter in a portion far from the light receiving surface. Further, when the third porous semiconductor layer 4 has a structure in which a plurality of porous semiconductor layers made of semiconductor fine particles having different average particle diameters are stacked, a plurality of the plurality of porous semiconductor layers 4 constituting the third porous semiconductor layer 4 are formed. At least one of the porous semiconductor layers is preferably composed of semiconductor fine particles having an average particle diameter of 300 nm or more. If the photoelectric conversion layer 5 has sufficient light absorption with only the two-layer structure of the first porous semiconductor layer 2 and the second porous semiconductor layer 3, the third porous semiconductor layer 4 is It does not have to be formed.

<光増感剤>
多孔性半導体層に吸着される光増感剤としては、たとえば、可視光領域および/または赤外光領域の波長の光を吸収することができる有機色素および/または金属錯体色素などの色素の1種または2種以上を選択的に用いることができる。
<Photosensitizer>
As the photosensitizer adsorbed on the porous semiconductor layer, for example, one of dyes such as an organic dye and / or a metal complex dye that can absorb light having a wavelength in the visible light region and / or the infrared light region. Species or two or more can be selectively used.

有機色素としては、たとえば、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、およびナフタロシアニン系色素からなる群から選択された少なくとも1種を用いることができる。なお、有機色素の吸光係数は、一般的に、遷移金属に分子が配位結合した形態を有する金属錯体色素の吸光係数に比べて大きい。   Examples of organic dyes include azo dyes, quinone dyes, quinone imine dyes, quinacridone dyes, squarylium dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, triphenylmethane dyes, xanthene dyes, porphyrin dyes, and perylenes. At least one selected from the group consisting of a system dye, an indigo dye, and a naphthalocyanine dye can be used. In general, the extinction coefficient of an organic dye is larger than the extinction coefficient of a metal complex dye having a form in which molecules are coordinated to a transition metal.

金属錯体色素としては、分子に金属が配位結合したものを用いることができる。ここで、分子としては、たとえば、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ナフタロシアニン系色素、ルテニウム系色素などが挙げられる。金属としては、たとえば、Cu、Ni、Fe、Co、V、Sn、Si、Ti、Ge、Cr、Zn、Ru、Mg、Al、Pb、Mn、In、Mo、Y、Zr、Nb、Sb、La、W、Pt、Ta、Ir、Pd、Os、Ga、Tb、Eu、Rb、Bi、Se、As、Sc、Ag、Cd、Hf、Re、Au、Ac、Tc、Te、Rhなどが挙げられる。なかでも、金属錯体色素としては、フタロシアニン系色素またはルテニウム系色素に金属が配位したものが好ましく、ルテニウム系金属錯体色素に金属が配位したものが特に好ましい。   As the metal complex dye, one in which a metal is coordinated to a molecule can be used. Here, examples of the molecule include porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, naphthalocyanine dyes, ruthenium dyes, and the like. Examples of the metal include Cu, Ni, Fe, Co, V, Sn, Si, Ti, Ge, Cr, Zn, Ru, Mg, Al, Pb, Mn, In, Mo, Y, Zr, Nb, Sb, La, W, Pt, Ta, Ir, Pd, Os, Ga, Tb, Eu, Rb, Bi, Se, As, Sc, Ag, Cd, Hf, Re, Au, Ac, Tc, Te, Rh, etc. It is done. Among these, as the metal complex dye, those in which a metal is coordinated to a phthalocyanine dye or ruthenium dye are preferable, and those in which a metal is coordinated to a ruthenium metal complex dye are particularly preferable.

光増感剤としては、特に、以下の式(I)〜(III)で表されるルテニウム系金属錯体色素を用いることが好ましい。光増感剤として、以下の式(I)〜(III)で表されるルテニウム系金属錯体色素を用いた場合には、近赤外線領域の波長の光をも吸収することができるため、光電変換素子の短絡電流密度を高めることができる。   As the photosensitizer, it is particularly preferable to use ruthenium-based metal complex dyes represented by the following formulas (I) to (III). When a ruthenium-based metal complex dye represented by the following formulas (I) to (III) is used as a photosensitizer, light having a wavelength in the near-infrared region can be absorbed. The short circuit current density of the element can be increased.

市販のルテニウム系金属錯体色素としては、たとえば、Solaronix社製の商品名Ruthenium535色素、Ruthenium535−bisTBA色素、Ruthenium620−1H3TBA色素などが挙げられる。なお、以下の式(II)および(III)において、「TBA」はテトラブチルアンモニウムを示している。   Examples of commercially available ruthenium-based metal complex dyes include trade name Ruthenium 535 dye, Ruthenium 535-bisTBA dye, Ruthenium 620-1H3TBA dye manufactured by Solaronix. In the following formulas (II) and (III), “TBA” represents tetrabutylammonium.

Figure 2013131458
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また、多孔性半導体層に色素を強固に吸着させるためには、色素分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、スルホ基、エステル基、メルカプト基、およびホスホニル基からなる群から選択された少なくとも1種のインターロック基を有するものが好ましい。なお、インターロック基とは、一般に、多孔性半導体層に色素が固定される際に介在し、励起状態の色素と半導体の伝導帯との間の電子の移動を容易にする電気的結合を提供するものである。   In order to firmly adsorb the dye to the porous semiconductor layer, at least selected from the group consisting of a carboxyl group, an alkoxy group, a hydroxyl group, a sulfo group, an ester group, a mercapto group, and a phosphonyl group in the dye molecule. Those having one type of interlocking group are preferred. The interlock group is generally present when the dye is fixed to the porous semiconductor layer, and provides an electrical bond that facilitates the movement of electrons between the excited dye and the semiconductor conduction band. To do.

<集電電極>
集電電極6としては、インジウム錫複合酸化物(ITO)、酸化錫(SnO2)、酸化錫にフッ素をドープしたもの(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン、ニッケル、またはタンタルなどを用いることができる。
<Collector electrode>
As the collector electrode 6, indium tin composite oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), tin oxide doped with fluorine (FTO), zinc oxide (ZnO), titanium, nickel, tantalum, or the like is used. be able to.

集電電極6の厚さは、0.02μm以上5μm以下であることが好ましく、集電電極6の電気抵抗は低いほど好ましく、特に40Ω/□であることがより好ましい。   The thickness of the current collecting electrode 6 is preferably 0.02 μm or more and 5 μm or less, and the electric resistance of the current collecting electrode 6 is preferably as low as possible, and more preferably 40Ω / □.

集電電極6には、小孔が設けられていることが好ましい。集電電極6に小孔が設けられている場合には、集電電極6の形成後に、色素を含む溶液に浸漬させたり、電解液を浸透させたりする場合に、色素を含む溶液や電解液の染み込みを良好なものとすることができるため、光電変換素子の短絡電流密度を高くすることができる傾向にある。   The collecting electrode 6 is preferably provided with a small hole. When the collecting electrode 6 is provided with a small hole, when the collecting electrode 6 is formed, when the electrode is immersed in a solution containing a dye or infiltrated with an electrolyte, the solution or the electrolyte containing the dye Therefore, the short circuit current density of the photoelectric conversion element tends to be increased.

なお、集電電極6の小孔は、たとえば機械的手法やレーザー加工などにより形成することができる。ここで、集電電極6の小孔は、0.1μm以上100μm以下の径の開口であることが好ましく、1μm以上50μm以下の開口であることがより好ましい。隣り合う小孔の間隔は、1μm以上200μm以下であることが好ましく、10μm以上300μm以下であることがより好ましい。   The small holes of the current collecting electrode 6 can be formed by, for example, a mechanical method or laser processing. Here, the small hole of the current collecting electrode 6 is preferably an opening having a diameter of 0.1 μm or more and 100 μm or less, and more preferably an opening of 1 μm or more and 50 μm or less. The interval between adjacent small holes is preferably 1 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 300 μm or less.

<キャリア輸送材料>
キャリア輸送材料8としては、イオンを輸送できる導電性材料を用いることができ、たとえば、液体電解質、固体電解質、ゲル電解質、または溶融塩ゲル電解質などを用いることができる。キャリア輸送材料8は、透光性基板1と対極導電層7との間に形成される構造体の空隙を充填する形で存在する。
<Carrier transport material>
As the carrier transport material 8, a conductive material capable of transporting ions can be used. For example, a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, a molten salt gel electrolyte, or the like can be used. The carrier transport material 8 is present in a form that fills the voids of the structure formed between the translucent substrate 1 and the counter electrode conductive layer 7.

液体電解質は、酸化還元種を含む液状物であればよく、一般に電池や太陽電池などにおいて使用することができるものであれば特に限定されない。液体電解質としては、たとえば、酸化還元種とこれを溶解可能な溶剤からなるもの、酸化還元種とこれを溶解可能な溶融塩からなるもの、または酸化還元種とこれを溶解可能な溶剤と溶融塩からなるものなどを用いることができる。   The liquid electrolyte is not particularly limited as long as it is a liquid substance containing a redox species, and can be generally used in a battery, a solar battery, or the like. Examples of the liquid electrolyte include those comprising a redox species and a solvent capable of dissolving the same, those comprising a redox species and a molten salt capable of dissolving the same, or a redox species and a solvent and molten salt capable of dissolving the same. The thing which consists of can be used.

酸化還元種としては、たとえば、I-/I3-系、Br2-/Br3-系、Fe2+/Fe3+系、キノン/ハイドロキノン系などが挙げられる。酸化還元種としては、なかでも、ヨウ化リチウム(LiI)、ヨウ化ナトリウム(NaI)、ヨウ化カリウム(KI)、ヨウ化カルシウム(CaI2)などの金属ヨウ化物とヨウ素(I2)の組み合わせ、テトラエチルアンモニウムアイオダイド(TEAI)、テトラプロピルアンモニウムアイオダイド(TPAI)、テトラブチルアンモニウムアイオダイド(TBAI)、テトラヘキシルアンモニウムアイオダイド(THAI)などのテトラアルキルアンモニウム塩とヨウ素の組み合わせ、および臭化リチウム(LiBr)、臭化ナトリウム(NaBr)、臭化カリウム(KBr)、臭化カルシウム(CaBr2)などの金属臭化物と臭素の組み合わせが好ましく、これらの中でも、LiIとI2の組み合わせが特に好ましい。 Examples of the redox species include I / I 3− series, Br 2− / Br 3− series, Fe 2 + / Fe 3+ series, and quinone / hydroquinone series. As the redox species, among others, combinations of metal iodides such as lithium iodide (LiI), sodium iodide (NaI), potassium iodide (KI), calcium iodide (CaI 2 ) and iodine (I 2 ) Tetraalkylammonium iodide (TEAI), Tetrapropylammonium iodide (TPAI), Tetrabutylammonium iodide (TBAI), Tetrahexylammonium iodide (THAI) and other combinations of tetraalkylammonium salts and iodine, and lithium bromide A combination of a metal bromide such as (LiBr), sodium bromide (NaBr), potassium bromide (KBr), calcium bromide (CaBr 2 ) and bromine is preferable, and among these, a combination of LiI and I 2 is particularly preferable.

また、酸化還元種の溶剤としては、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、アセトニトリルなどのニトリル化合物、エタノールなどのアルコール類、水、非プロトン極性物質などが挙げられる。これらの中でも、カーボネート化合物やニトリル化合物が特に好ましい。これらの溶剤は2種類以上を混合して用いることもできる。   Examples of the redox species solvent include carbonate compounds such as propylene carbonate, nitrile compounds such as acetonitrile, alcohols such as ethanol, water, and aprotic polar substances. Among these, carbonate compounds and nitrile compounds are particularly preferable. Two or more of these solvents can be used in combination.

固体電解質は、電子、ホール、イオンを輸送できる導電性材料で、太陽電池の電解質として用いることができ、流動性がないものであればよい。固体電解質としては、たとえば、ポリカルバゾールなどのホール輸送材、テトラニトロフロオルレノンなどの電子輸送材、ポリロールなどの導電性ポリマー、液体電解質を高分子化合物により固体化した高分子電解質、ヨウ化銅、チオシアン酸銅などのp型半導体、または溶融塩を含む液体電解質を微粒子により固体化した電解質などを用いることができる。   The solid electrolyte is a conductive material that can transport electrons, holes, and ions, and can be used as an electrolyte of a solar cell and has no fluidity. Examples of the solid electrolyte include a hole transport material such as polycarbazole, an electron transport material such as tetranitrofluororenone, a conductive polymer such as polyroll, a polymer electrolyte obtained by solidifying a liquid electrolyte with a polymer compound, and copper iodide. A p-type semiconductor such as copper thiocyanate, or an electrolyte obtained by solidifying a liquid electrolyte containing a molten salt with fine particles can be used.

ゲル電解質は、通常、電解質とゲル化剤からなる。ゲル化剤としては、たとえば、架橋ポリアクリル樹脂誘導体や架橋ポリアクリロニトリル誘導体、ポリアルキレンオキシド誘導体、シリコーン樹脂類、側鎖に含窒素複素環式四級化合物塩構造を有するポリマーなどの高分子ゲル化剤などを用いることができる。   The gel electrolyte is usually composed of an electrolyte and a gelling agent. Examples of gelling agents include polymer gelation such as crosslinked polyacrylic resin derivatives, crosslinked polyacrylonitrile derivatives, polyalkylene oxide derivatives, silicone resins, and polymers having a nitrogen-containing heterocyclic quaternary compound salt structure in the side chain. An agent or the like can be used.

溶融塩ゲル電解質は、通常、上記のようなゲル電解質と常温型溶融塩からなる。常温型溶融塩としては、たとえば、ピリジニウム塩類、イミダゾリウム塩類などの含窒素複素環式四級アンモニウム塩化合物類などを用いることができる。   The molten salt gel electrolyte is usually composed of the gel electrolyte as described above and a room temperature molten salt. Examples of the room temperature molten salt include nitrogen-containing heterocyclic quaternary ammonium salt compounds such as pyridinium salts and imidazolium salts.

上記の電解質には、必要に応じて添加剤を加えてもよい。添加剤としては、t−ブチルピリジン(TBP)などの含窒素芳香族化合物、またはジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(DMPII)、メチルプロピルイミダゾールアイオダイド(MPII)、エチルメチルイミダゾールアイオダイド(EMII)、エチルイミダゾールアイオダイド(EII)、若しくはヘキシルメチルイミダゾールアイオダイド(HMII)などのイミダゾール塩などを用いることができる。   You may add an additive to said electrolyte as needed. Additives include nitrogen-containing aromatic compounds such as t-butylpyridine (TBP), or dimethylpropylimidazole iodide (DMPII), methylpropylimidazole iodide (MPII), ethylmethylimidazole iodide (EMII), ethylimidazole An imidazole salt such as iodide (EII) or hexylmethylimidazole iodide (HMII) can be used.

上記の電解質中の電解質濃度は、0.001mol/L以上1.5mol/L以下であることが好ましく、0.01mol/L以上0.7mol/L以下であることがより好ましい。   The electrolyte concentration in the electrolyte is preferably 0.001 mol / L or more and 1.5 mol / L or less, and more preferably 0.01 mol / L or more and 0.7 mol / L or less.

<対極導電層>
対極導電層7としては、導電性材料を用いることができ、光透過性を有していても有していなくてもよい。ただし、対極導電層7側を受光側とする場合には、上記の透光性基板1と同様の光透過性を有している必要がある。
<Counter electrode conductive layer>
As the counter electrode conductive layer 7, a conductive material can be used, which may or may not have optical transparency. However, in the case where the counter electrode conductive layer 7 side is the light receiving side, it is necessary to have the same light transmissivity as that of the translucent substrate 1 described above.

対極導電層7を構成する材料としては、たとえば、インジウム錫複合酸化物(ITO)、酸化錫(SnO2)、酸化錫にフッ素をドープしたもの(FTO)、または酸化亜鉛(ZnO)などが挙げられる。また、チタン、ニッケル、またはタンタルなどのキャリア輸送材料5に対して腐食性を示さない金属を用いてもよい。 Examples of the material constituting the counter electrode conductive layer 7 include indium tin composite oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), tin oxide doped with fluorine (FTO), and zinc oxide (ZnO). It is done. Moreover, you may use the metal which does not show corrosivity with respect to the carrier transport material 5, such as titanium, nickel, or tantalum.

対極導電層7の厚さは、0.02μm以上5μm以下であることが好ましく、対極導電層7の電気抵抗は、特に40Ω/□以下であることがより好ましい。また、キャリア輸送材料8の注入を容易にするために、対極導電層7にはキャリア輸送材料8の注入用の複数の小孔を形成することが好ましい。   The thickness of the counter electrode conductive layer 7 is preferably 0.02 μm or more and 5 μm or less, and the electric resistance of the counter electrode conductive layer 7 is more preferably 40Ω / □ or less. In order to facilitate the injection of the carrier transport material 8, it is preferable to form a plurality of small holes for the injection of the carrier transport material 8 in the counter electrode conductive layer 7.

対極導電層7の小孔は、たとえば機械的手法またはレーザー加工により形成することができる。ここで、対極導電層7の小孔は、0.1μm以上100μm以下の径の開口であることが好ましく、1μm以上50μm以下の開口であることがより好ましい。隣り合う小孔の間隔は、1μm以上300μm以下であることが好ましく、10μm以上200μm以下であることがさらに好ましい。また、対極導電層7に、ストライプ状の開口を形成することによっても同様の効果を得ることができる。対極導電層7に形成されるストライプ状の開口の間隔は、1μm以上300μm以下であることが好ましく、10μm以上200μm以下であることがさらに好ましい。   The small holes of the counter conductive layer 7 can be formed by, for example, a mechanical technique or laser processing. Here, the small hole of the counter electrode conductive layer 7 is preferably an opening having a diameter of 0.1 μm to 100 μm, and more preferably an opening of 1 μm to 50 μm. The interval between adjacent small holes is preferably 1 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 200 μm or less. The same effect can be obtained by forming a stripe-shaped opening in the counter electrode conductive layer 7. The interval between the stripe-shaped openings formed in the counter electrode conductive layer 7 is preferably 1 μm or more and 300 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 200 μm or less.

<触媒層>
触媒層11としては、触媒層11の表面で電子の受け渡しができる材料であればよく、たとえば、白金、パラジウムなどの貴金属材料、またはカーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ若しくはフラーレンなどのカーボン系材料などを用いることができる。
<Catalyst layer>
The catalyst layer 11 may be any material that can transfer electrons on the surface of the catalyst layer 11. For example, a noble metal material such as platinum or palladium, or a carbon-based material such as carbon black, ketjen black, carbon nanotube, or fullerene. Etc. can be used.

<封止材>
封止材9としては、たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ホットメルト樹脂およびガラスフリットからなる群から選択された少なくとも1種を含む単層、または当該単層を2層以上に重ねた複数層などを用いることができ、具体的には、スリーボンド社製の型番:31X−101、スリーボンド社製の型番:31X−088、または一般に市販されているエポキシ樹脂などを用いることができる。
<Encapsulant>
As the sealing material 9, for example, a single layer including at least one selected from the group consisting of silicone resin, epoxy resin, polyisobutylene resin, hot melt resin, and glass frit, or the single layer into two or more layers A plurality of stacked layers can be used. Specifically, a model number manufactured by ThreeBond: 31X-101, a model number manufactured by ThreeBond: 31X-088, or a commercially available epoxy resin can be used. .

封止材9として、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはガラスフリットを用いる場合には、ディスペンサーを用いて形成することができる。また、封止材9として、ホットメルト樹脂を用いる場合には、シート状のホットメルト樹脂にパターニングした孔を開けることにより形成することができる。また、対極導電層7に形成されたキャリア輸送材料8の注入用の孔を封止するための材料も、上記の材料等を用いて形成することができる。   When a silicone resin, an epoxy resin, or a glass frit is used as the sealing material 9, it can be formed using a dispenser. Moreover, when using hot-melt resin as the sealing material 9, it can form by opening the hole patterned in the sheet-like hot-melt resin. Moreover, the material for sealing the hole for injection | pouring of the carrier transport material 8 formed in the counter electrode conductive layer 7 can also be formed using said material.

<製造方法>
以下、図2〜図5の模式的断面図を参照して、本実施の形態の光電変換素子の製造方法の一例について説明する。
<Manufacturing method>
Hereinafter, an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element of the present embodiment will be described with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS.

まず、図2に示すように、透光性基板1を準備する工程を行なう。透光性基板1を準備する工程は、たとえば、市販されているものを準備することにより行なうことができる。   First, as shown in FIG. 2, a step of preparing a translucent substrate 1 is performed. The process of preparing the translucent board | substrate 1 can be performed by preparing what is marketed, for example.

次に、図3に示すように、透光性基板1の表面上に、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4をこの順に形成する工程を行なう。ここで、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4を形成する工程は、特に限定されないが、たとえば上述の半導体微粒子を含有する懸濁液を透光性基板1の表面上に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行う方法により行なうことができる。   Next, as shown in FIG. 3, the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3, and the third porous semiconductor layer 4 are formed in this order on the surface of the translucent substrate 1. The process to perform is performed. Here, the step of forming the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3, and the third porous semiconductor layer 4 is not particularly limited, but for example, a suspension containing the above-described semiconductor fine particles The liquid can be applied on the surface of the light-transmitting substrate 1 and then subjected to at least one of drying and baking.

具体的には、まず、半導体微粒子を適当な溶剤に懸濁して懸濁液を得る。このような溶剤としては、たとえば、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのグライム系溶剤、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、イソプロピルアルコールとトルエンとの混合溶剤などのアルコール系混合溶剤、または水などを用いることができる。また、多孔質半導体層の空隙率を調整するためには、懸濁液に高分子材料を添加すればよい。このような高分子材料としては、エチルセルロースなどを用いることができる。また、懸濁液に添加される高分子材料の分子量や添加量を制御することにより、多孔質半導体層の空隙率を制御することが可能である。また、懸濁液に添加される高分子材料としては、異なる分子量分布を有する複数の高分子材料を用いてもよい。   Specifically, first, the semiconductor fine particles are suspended in an appropriate solvent to obtain a suspension. As such a solvent, for example, a glyme solvent such as ethylene glycol monomethyl ether, an alcohol such as isopropyl alcohol, an alcohol mixed solvent such as a mixed solvent of isopropyl alcohol and toluene, or water can be used. In order to adjust the porosity of the porous semiconductor layer, a polymer material may be added to the suspension. As such a polymer material, ethyl cellulose or the like can be used. In addition, the porosity of the porous semiconductor layer can be controlled by controlling the molecular weight and the amount of the polymer material added to the suspension. In addition, as the polymer material added to the suspension, a plurality of polymer materials having different molecular weight distributions may be used.

また、このような懸濁液の代わりに市販の酸化チタンペースト(たとえば、Solaronix社製、Ti−nanoxide、T、D、T/SP、D/SP、R/SP)を用いてもよい。   Further, instead of such a suspension, a commercially available titanium oxide paste (for example, Solaronix, Ti-nanoxide, T, D, T / SP, D / SP, R / SP) may be used.

次に、上記のようにして得た懸濁液を透光性基板1の表面上に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行なうことによって、透光性基板1の表面上に、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4をこの順に形成していく。ここで、第1の多孔質半導体層2の空隙率が、第2の多孔質半導体層3の空隙率よりも大きくなるように懸濁液等を調節して形成する。   Next, the suspension obtained as described above is applied onto the surface of the light-transmitting substrate 1, and at least one of drying and baking is performed on the surface of the light-transmitting substrate 1, so that the first The porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3, and the third porous semiconductor layer 4 are formed in this order. Here, the first porous semiconductor layer 2 is formed by adjusting the suspension or the like so that the porosity of the second porous semiconductor layer 3 is larger than the porosity of the second porous semiconductor layer 3.

懸濁液を塗布する方法としては、たとえば、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法、またはスクリーン印刷法など公知の方法を用いることができる。   As a method for applying the suspension, for example, a known method such as a doctor blade method, a squeegee method, a spin coating method, or a screen printing method can be used.

乾燥および焼成に必要な温度、時間、および雰囲気などは、半導体微粒子の種類に応じて適宜設定すればよく、たとえば、大気雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で、50℃以上800℃以下の温度で10秒以上12時間以下行なうことができる。この乾燥および焼成は、単一の温度で1回または温度を変化させて2回以上行なってもよい。   What is necessary is just to set suitably temperature, time, atmosphere, etc. which are required for drying and baking according to the kind of semiconductor fine particle, for example, in air | atmosphere atmosphere or inert gas atmosphere, and the temperature of 50 to 800 degreeC. It can be performed for 10 seconds to 12 hours. This drying and baking may be performed once at a single temperature or twice or more at different temperatures.

また、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4を形成した後、半導体微粒子同士の電気的接続の向上、多孔質半導体層の表面積の増加、半導体微粒子の欠陥準位の低減など、性能向上を目的として、後処理を行なってもよい。たとえば、多孔質半導体層が酸化チタン膜である場合には、四塩化チタン水溶液で処理することによって、多孔質半導体層の性能を向上させることができる。   Further, after forming the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3 and the third porous semiconductor layer 4, the electrical connection between the semiconductor fine particles is improved, the surface area of the porous semiconductor layer is increased. Post-treatment may be performed for the purpose of improving the performance, such as increasing or reducing the defect level of the semiconductor fine particles. For example, when the porous semiconductor layer is a titanium oxide film, the performance of the porous semiconductor layer can be improved by treating with a titanium tetrachloride aqueous solution.

その後、図4に示すように、第3の多孔質半導体層4の少なくとも一部に集電電極6を形成する工程を行なう。ここで、集電電極6を形成する工程は、たとえば、スパッタ法、スプレー法、蒸着法、またはスクリーン印刷などの公知の方法により行なうことができる。   Thereafter, as shown in FIG. 4, a step of forming a collecting electrode 6 on at least a part of the third porous semiconductor layer 4 is performed. Here, the process of forming the current collection electrode 6 can be performed by well-known methods, such as a sputtering method, a spray method, a vapor deposition method, or screen printing, for example.

次に、図5に示すように、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4に光増感剤を吸着させることによって光電変換層5を形成する工程を行なう。ここで、光増感剤を吸着させる方法としては、たとえば、色素を溶解した溶液(色素吸着用溶液)に、第1の多孔質半導体層2、第2の多孔質半導体層3および第3の多孔質半導体層4の形成後の透光性基板1を浸漬する方法などが挙げられる。この際、色素吸着用溶液を多孔質半導体層内の微細孔奥部まで浸透させるために、色素吸着用溶液を加熱してもよい。   Next, as shown in FIG. 5, the photoelectric conversion layer 5 is obtained by adsorbing a photosensitizer to the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3, and the third porous semiconductor layer 4. The process of forming is performed. Here, as a method of adsorbing the photosensitizer, for example, the first porous semiconductor layer 2, the second porous semiconductor layer 3 and the third porous semiconductor layer 3 are added to a solution in which a dye is dissolved (dye adsorption solution). Examples include a method of immersing the translucent substrate 1 after the formation of the porous semiconductor layer 4. At this time, the dye adsorbing solution may be heated in order to penetrate the dye adsorbing solution to the depths of the micropores in the porous semiconductor layer.

色素を溶解させる溶剤としては、色素を溶解するものであればよく、たとえば、アルコール、トルエン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン(THF)、クロロホルム、またはジメチルホルムアミドなどが挙げられる。これらの溶剤は、精製されたものが好ましく、2種類以上を混合して用いてもよい。色素吸着用溶液中の色素濃度は、使用する色素、溶剤の種類、色素吸着工程などの条件に応じて適宜設定することができるが、たとえば1×10-5mol/L以上であることが好ましい。また、色素の吸着状態や多孔質半導体層の表面状態を変えるために、色素吸着用溶液に共吸着剤としてデオキシコール酸などの有機化合物を添加してもよい。 The solvent that dissolves the dye may be any solvent that dissolves the dye, and examples thereof include alcohol, toluene, acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), chloroform, and dimethylformamide. These solvents are preferably purified and may be used in combination of two or more. The dye concentration in the dye adsorption solution can be appropriately set according to the conditions such as the dye to be used, the type of the solvent, the dye adsorption step, and the like, but is preferably 1 × 10 −5 mol / L or more, for example. . Further, an organic compound such as deoxycholic acid may be added as a coadsorbent to the dye adsorption solution in order to change the adsorption state of the dye and the surface state of the porous semiconductor layer.

多孔質半導体層への色素吸着時における色素吸着用溶液の温度、浸漬時間、および雰囲気などの条件は、多孔質半導体層を構成する材料や状態、色素吸着用溶液の構成材料などにより適宜設定すればよい。色素吸着用溶液への多孔質半導体層の浸漬は、たとえば、大気雰囲気下、室温程度で行うことができるが、加熱下(30℃以上60℃以下の温度)で浸漬することにより、多孔質半導体層に色素を効率よく吸着させることができる。   Conditions such as the temperature, immersion time, and atmosphere of the dye adsorption solution during adsorption of the dye to the porous semiconductor layer are appropriately set according to the material and state of the porous semiconductor layer, the composition material of the dye adsorption solution, and the like. That's fine. The immersion of the porous semiconductor layer in the dye adsorption solution can be performed, for example, at about room temperature in an air atmosphere, but by immersing it under heating (at a temperature of 30 ° C. or more and 60 ° C. or less), the porous semiconductor layer is immersed. The dye can be efficiently adsorbed to the layer.

多孔質半導体層への色素の吸着は、集電電極6を形成する前、または形成した後のいずれの段階で行なってもよいが、集電電極6を形成した後に行なうことが好ましい。   The adsorption of the dye to the porous semiconductor layer may be performed before or after the collector electrode 6 is formed, but is preferably performed after the collector electrode 6 is formed.

次に、図6に示すように、対極導電層7上に触媒層11を形成した後に、対極導電層7の表面と、透光性基板1の表面とを向かい合わせて、光電変換層5の外周を取り囲むように封止材9で封止し、対極導電層7と透光性基板1とを封止材9で接合する。   Next, as shown in FIG. 6, after forming the catalyst layer 11 on the counter electrode conductive layer 7, the surface of the counter electrode conductive layer 7 and the surface of the translucent substrate 1 are faced to each other. It seals with the sealing material 9 so that the outer periphery may be surrounded, and the counter electrode conductive layer 7 and the translucent substrate 1 are joined with the sealing material 9.

その後、図1に示すように、透光性基板1と、対極導電層7との間の領域にキャリア輸送材料8を設置する工程を行なう。キャリア輸送材料8を設置する工程は、たとえば、対極導電層7に設けられた孔からキャリア輸送材料8を封止材9で取り囲まれた領域内に注入した後、孔を塞ぐことにより、図1に示す実施の形態の光電変換素子を作製することができる。   Thereafter, as shown in FIG. 1, a step of placing a carrier transport material 8 in a region between the translucent substrate 1 and the counter electrode conductive layer 7 is performed. The step of installing the carrier transporting material 8 is performed by, for example, injecting the carrier transporting material 8 into a region surrounded by the sealing material 9 from the hole provided in the counter electrode conductive layer 7 and then closing the hole. The photoelectric conversion element of embodiment shown to can be produced.

<作用・効果>
上述したように、本実施の形態の光電変換素子においては、第1の多孔質半導体層2の空隙率が、第2の多孔質半導体層3の空隙率よりも大きくされているため、TCO基板を用いなくても高い短絡電流密度を示し、低コストで製造することが可能となる。
<Action and effect>
As described above, in the photoelectric conversion element of the present embodiment, the porosity of the first porous semiconductor layer 2 is larger than the porosity of the second porous semiconductor layer 3, and thus the TCO substrate. Even without using, a high short-circuit current density is exhibited and it is possible to manufacture at a low cost.

本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。なお、各実施例において、各層の膜厚は、特に断りのない限り、株式会社東京精密製の商品名:サーフコム1400Aを用いて測定した。   Examples The present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples. In each example, the film thickness of each layer was measured using a product name: Surfcom 1400A manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. unless otherwise specified.

<実施例1>
まず、ガラスからなる透光性基板(幅20mm×長さ20mm×厚さ1mm、松浪硝子工業株式会社製)の表面上に多孔性半導体層を以下の方法で形成した。
<Example 1>
First, a porous semiconductor layer was formed on the surface of a translucent substrate made of glass (width 20 mm × length 20 mm × thickness 1 mm, manufactured by Matsunami Glass Industrial Co., Ltd.) by the following method.

次に、125mLのチタンイソプロポキシド(キシダ化学株式会社製)と、pH調製剤である750mLの0.1M硝酸水溶液(キシダ化学株式会社製)とを混合し、80℃で8時間加熱することによって、チタンイソプロポキシドの加水分解反応を進行させ、ゾル液を調製した。   Next, 125 mL of titanium isopropoxide (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and 750 mL of 0.1 M nitric acid aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as a pH adjuster are mixed and heated at 80 ° C. for 8 hours. Then, the hydrolysis reaction of titanium isopropoxide was advanced to prepare a sol solution.

次に、チタン製オートクレーブにて240℃で10時間、酸化チタン粒子を成長させた。続いて、酸化チタン粒子の超音波分散を30分間行ない、平均粒径15nmの酸化チタン粒子を含むコロイド溶液Iの作製を行ない、その後、5000rpmの回転速度で遠心分離を行なうことにより酸化チタン粒子を沈殿させた。   Next, titanium oxide particles were grown in a titanium autoclave at 240 ° C. for 10 hours. Subsequently, ultrasonic dispersion of the titanium oxide particles is performed for 30 minutes to prepare a colloidal solution I containing titanium oxide particles having an average particle diameter of 15 nm, and then the titanium oxide particles are separated by centrifugation at a rotational speed of 5000 rpm. Precipitated.

次に、酸化チタン粒子と、1000mLのエタノールとを混合し、酸化チタン粒子を遠心分離により沈殿させる操作を3回繰り返して、酸化チタン粒子を作製した。なお、コロイド溶液に含まれる酸化チタン粒子の平均粒径は、光散乱光度計(大塚電子社製)を用いて、レーザー光の動的光散乱を解析することにより求めた。   Next, the operation of mixing titanium oxide particles and 1000 mL of ethanol and precipitating the titanium oxide particles by centrifugation was repeated three times to produce titanium oxide particles. The average particle diameter of the titanium oxide particles contained in the colloidal solution was determined by analyzing the dynamic light scattering of laser light using a light scattering photometer (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.).

次に、上述の工程により作製した酸化チタン粒子を洗浄した後、エチルセルロース(キシダ化学株式会社製)とテルピネオール(キシダ化学株式会社製)とを無水エタノールに溶解させたものを加え、攪拌することにより、酸化チタン粒子を分散させた。その後、圧力40mbarの雰囲気下で、エタノールを50℃に加熱して蒸発させ、コロイド溶液から酸化チタンペースト(懸濁液I)の作製を行なった。   Next, after washing the titanium oxide particles produced by the above-mentioned steps, ethyl cellulose (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and terpineol (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) dissolved in absolute ethanol are added and stirred. The titanium oxide particles were dispersed. Thereafter, ethanol was heated to 50 ° C. and evaporated in an atmosphere of a pressure of 40 mbar to prepare a titanium oxide paste (suspension I) from the colloidal solution.

なお、懸濁液Iの最終組成が、酸化チタン固体濃度20質量%、エチルセルロース16質量%、テルピネオール64質量%となるように濃度調整を行なった。   The concentration of the suspension I was adjusted so that the final composition of the titanium oxide solid was 20% by mass, ethyl cellulose was 16% by mass, and terpineol was 64% by mass.

懸濁液I中の酸化チタン粒子の平均粒径は、X線回折装置でθ/2θ測定における回折角が25.28°(アナターゼ型酸化チタンの(101)面に対応)におけるピークの半値幅を求め、その半値幅とシェラーの式とから求めた。その結果を表1に示す。   The average particle diameter of the titanium oxide particles in the suspension I is the half width of the peak at a diffraction angle of 25.28 ° (corresponding to the (101) plane of anatase-type titanium oxide) measured with an X-ray diffractometer. Was obtained from the half width and Scherrer's formula. The results are shown in Table 1.

Figure 2013131458
Figure 2013131458

次に、幅10mm×長さ10mmのパターンを有するスクリーン版と、スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型番:LS−150)とを用いて、透光性基板上に市販の懸濁液Iを塗布し、80℃で30分間予備乾燥した後、500℃で30分間空気中で焼成することによって、厚さ5μmの酸化チタン膜からなる第1の多孔質半導体層を作製した。第1の多孔質半導体層の空隙率は、55%であった。また、第1の多孔質半導体層の空隙率は、予め別のガラス基板上に塗布形成した第1の多孔質半導体層に対して測定した結果にから、上記の(a)式を用いて算出した。   Next, a commercially available suspension is formed on a translucent substrate using a screen plate having a pattern of width 10 mm × length 10 mm and a screen printer (manufactured by Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd., model number: LS-150). The liquid I was applied, preliminarily dried at 80 ° C. for 30 minutes, and then baked in air at 500 ° C. for 30 minutes to produce a first porous semiconductor layer made of a titanium oxide film having a thickness of 5 μm. The porosity of the first porous semiconductor layer was 55%. Further, the porosity of the first porous semiconductor layer is calculated using the above-described equation (a) based on the result of measurement performed on the first porous semiconductor layer previously formed on another glass substrate. did.

次に、第1の多孔質半導体層上に、上記と同じ方法で市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti−Nanoxide T/SP)を塗布し、乾燥および焼成を行なうことによって、厚さ8μmの酸化チタン膜からなる第2の多孔質半導体層を作製した。第2の多孔質半導体層の空隙率は、51%であった。   Next, on the first porous semiconductor layer, by applying a commercially available titanium oxide paste (manufactured by Solaronix, trade name: Ti-Nanoxide T / SP) in the same manner as described above, drying and baking are performed. A second porous semiconductor layer made of a titanium oxide film having a thickness of 8 μm was produced. The porosity of the second porous semiconductor layer was 51%.

次に、第2の多孔質半導体層上に、上記と同じ方法で市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti−Nanoxide R/SP)を塗布し、乾燥および焼成を行なうことによって、厚さ3μmの酸化チタン膜からなる第3の多孔質半導体層を作製した。第3の多孔質半導体層の空隙率は、54%であった。   Next, on the second porous semiconductor layer, by applying a commercially available titanium oxide paste (manufactured by Solaronix, trade name: Ti-Nanoxide R / SP) in the same manner as described above, drying and baking are performed. A third porous semiconductor layer made of a titanium oxide film having a thickness of 3 μm was produced. The porosity of the third porous semiconductor layer was 54%.

以上により、ガラスからなる透光性基板上に、総厚16μmの3層構造の多孔質半導体層を形成した。   As described above, a porous semiconductor layer having a three-layer structure with a total thickness of 16 μm was formed on a translucent substrate made of glass.

次に、多孔質半導体層の表面および多孔質半導体層の周囲の透光性基板の表面にTi膜を蒸着することによって、集電電極を形成した。   Next, a current collecting electrode was formed by vapor-depositing a Ti film on the surface of the porous semiconductor layer and the surface of the translucent substrate around the porous semiconductor layer.

その後、予め調製しておいた色素吸着用溶液に上記の多孔質半導体層を室温で100時間浸漬した後、多孔質半導体層をエタノールで洗浄し、その後、約60℃で約5分間乾燥させることによって、多孔質半導体層に色素を吸着させて、光電変換層を作製した。   Then, after immersing the porous semiconductor layer in a dye adsorbing solution prepared in advance at room temperature for 100 hours, the porous semiconductor layer is washed with ethanol and then dried at about 60 ° C. for about 5 minutes. Thus, a dye was adsorbed on the porous semiconductor layer to produce a photoelectric conversion layer.

色素吸着用溶液は、上記の式(II)で表わされる色素(Solaronix社製、商品名:Ruthenium620 1H3TBA)を濃度4×10-4mol/Lになるように、体積比1:1のアセトニトリルとt−ブタノールとの混合溶剤に溶解させて調製した。 The dye adsorbing solution was prepared by mixing a dye represented by the above formula (II) (manufactured by Solaronix, trade name: Ruthenium 620 1H3TBA) with acetonitrile at a volume ratio of 1: 1 so that the concentration was 4 × 10 −4 mol / L. It was prepared by dissolving in a mixed solvent with t-butanol.

次に、光電変換層および集電電極が形成された透光性基板と、対極導電層としてのITO導電性膜上に触媒層としての白金膜(膜厚1μm)を具備した対極基板とを、熱融着フィルム(デュポン社製、ハイミラン1702)を用いて貼り合せ、約100℃に設定したオーブンで10分間加熱して、透光性基板と対極基板とを圧着し、所定の領域が取り囲まれた封止材を形成した。   Next, a translucent substrate having a photoelectric conversion layer and a collecting electrode formed thereon, and a counter electrode substrate having a platinum film (film thickness: 1 μm) as a catalyst layer on an ITO conductive film as a counter electrode conductive layer, Bonding using a heat-sealing film (DuPont, Himiran 1702), heating for 10 minutes in an oven set at about 100 ° C., pressure-bonding the translucent substrate and the counter electrode substrate, and surrounding a predetermined area An encapsulant was formed.

次に、対極基板に予め設けられていた電解液注入用孔から、封止材で取り囲まれた領域に予め調製しておいた電解液を注入して、紫外線硬化樹脂(スリーボンド社製、型番:31X−101)を用いて、上記の電解液注入用孔を封止した。これにより、実施例1の光電変換素子を作製した。   Next, an electrolyte prepared in advance is injected into a region surrounded by the sealing material from an electrolyte injection hole provided in advance in the counter electrode substrate, and an ultraviolet curable resin (manufactured by ThreeBond, model number: 31X-101) was used to seal the electrolyte injection hole. This produced the photoelectric conversion element of Example 1.

なお、上記の電解液は、溶剤としてのアセトニトリルに、酸化還元種としてのLiI(アルドリッチ社製)が濃度0.1mol/L、I2(キシダ化学社製)が濃度0.01mol/Lとなるように、さらに添加剤としてt−ブチルピリジン(アルドリッチ社製)が濃度0.5mol/L、ジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(四国化成工業株式会社製)が濃度0.6mol/Lとなるように添加し、溶解して得た。 In the above electrolyte solution, acetonitrile as a solvent has a concentration of 0.1 mol / L of LiI (manufactured by Aldrich) as a redox species and a concentration of 0.01 mol / L of I 2 (manufactured by Kishida Chemical). In addition, t-butylpyridine (manufactured by Aldrich) was added as an additive so that the concentration was 0.5 mol / L, and dimethylpropylimidazole iodide (manufactured by Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd.) was added at a concentration of 0.6 mol / L. Obtained by dissolution.

その後、実施例1の光電変換素子に端子電極部としてAgペースト(藤倉化成株式会社製、商品名:ドータイト)を塗布した。そして、実施例1の光電変換素子の受光面に、開口部の面積が1cm2である黒色のマスクを設置し、1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射して、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、FF、および変換効率Eff(%)を測定した。その結果を表2に示す。 Thereafter, Ag paste (made by Fujikura Kasei Co., Ltd., trade name: Dotite) was applied to the photoelectric conversion element of Example 1 as a terminal electrode portion. Then, a black mask having an opening area of 1 cm 2 is installed on the light receiving surface of the photoelectric conversion element of Example 1, and irradiated with light of 1 kW / m 2 intensity (AM1.5 solar simulator), Short-circuit current density J sc (mA / cm 2 ), open circuit voltage V oc (V), FF, and conversion efficiency E ff (%) were measured. The results are shown in Table 2.

<実施例2>
第1の多孔質半導体層の厚さを7μmとし、第2の多孔質半導体層の厚さを4μmとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の光電変換素子を作製し、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、FF、および変換効率Effを測定した。その結果を表2に示す。
<Example 2>
A photoelectric conversion element of Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the first porous semiconductor layer was 7 μm and the thickness of the second porous semiconductor layer was 4 μm. Short-circuit current density J sc , open circuit voltage V oc , FF, and conversion efficiency E ff were measured. The results are shown in Table 2.

<実施例3>
懸濁液Iを調整することによって、第1の多孔質半導体層を構成する酸化チタン粒子の平均粒径を50nmとし、第1の多孔質半導体層の空隙率を55%としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の光電変換素子を作製し、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、FF、および変換効率Effを測定した。その結果を表2に示す。
<Example 3>
Implementation was performed except that the average particle diameter of the titanium oxide particles constituting the first porous semiconductor layer was adjusted to 50 nm and the porosity of the first porous semiconductor layer was set to 55% by adjusting the suspension I. The photoelectric conversion element of Example 3 was produced in the same manner as in Example 1, and the short-circuit current density J sc , the open circuit voltage V oc , FF, and the conversion efficiency E ff were measured. The results are shown in Table 2.

<実施例4>
懸濁液Iを調整することによって、第1の多孔質半導体層の空隙率を60%としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の光電変換素子を作製し、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、FF、および変換効率Effを測定した。その結果を表2に示す。
<Example 4>
A photoelectric conversion element of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that the porosity of the first porous semiconductor layer was set to 60% by adjusting the suspension I, and the short-circuit current density was J sc , open circuit voltage V oc , FF, and conversion efficiency E ff were measured. The results are shown in Table 2.

<実施例5>
懸濁液Iのエチルセルロースの分子量および添加量を変更することによって、第1の多孔質半導体層の空隙率を65%としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の光電変換素子を作製し、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、FF、および変換効率Effを測定した。その結果を表2に示す。
<Example 5>
The photoelectric conversion element of Example 5 was changed in the same manner as in Example 1 except that the porosity of the first porous semiconductor layer was changed to 65% by changing the molecular weight and addition amount of ethyl cellulose in suspension I. The short circuit current density J sc , the open circuit voltage V oc , FF, and the conversion efficiency E ff were measured. The results are shown in Table 2.

<比較例1>
第1の多孔質半導体層と第2の多孔質半導体層とを同一の材料で形成することによって第1の多孔質半導体層と第2の多孔質半導体層とを同一の空隙率としたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の光電変換素子を作製し、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、FF、および変換効率Effを測定した。その結果を表2に示す。
<Comparative Example 1>
Other than the first porous semiconductor layer and the second porous semiconductor layer having the same porosity by forming the first porous semiconductor layer and the second porous semiconductor layer with the same material. Produced the photoelectric conversion element of Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1, and measured the short-circuit current density J sc , open-circuit voltage V oc , FF, and conversion efficiency E ff . The results are shown in Table 2.

<比較例2>
市販の酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti−Nanoxide T/SP)を用いて第1の多孔質半導体層を作製し、懸濁液Iを用いて第2の多孔質半導体層を作製したこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の光電変換素子を作製し、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、FF、および変換効率Effを測定した。その結果を表2に示す。すなわち、比較例2の光電変換素子においては、第2の多孔質半導体層の空隙率が、第1の多孔質半導体層の空隙率よりも大きかった。
<Comparative example 2>
A first porous semiconductor layer is produced using a commercially available titanium oxide paste (manufactured by Solaronix, trade name: Ti-Nanoxide T / SP), and a second porous semiconductor layer is produced using suspension I. Except that, the photoelectric conversion element of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, and the short-circuit current density J sc , the open circuit voltage V oc , FF, and the conversion efficiency E ff were measured. The results are shown in Table 2. That is, in the photoelectric conversion element of Comparative Example 2, the porosity of the second porous semiconductor layer was larger than the porosity of the first porous semiconductor layer.

Figure 2013131458
Figure 2013131458

表2に示すように、第1の多孔質半導体層の空隙率が第2の多孔質半導体層の空隙率よりも大きくなっている実施例1〜5の光電変換素子においては、第1の多孔質半導体層と第2の多孔質半導体層とが同一の空隙率である比較例1および第2の多孔質半導体層の空隙率が第1の多孔質半導体層の空隙率よりも大きくなっている比較例2の光電変換素子と比べて、高い短絡電流密度Jscを示すことが確認された。 As shown in Table 2, in the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 5 in which the porosity of the first porous semiconductor layer is larger than the porosity of the second porous semiconductor layer, the first porosity The porosity of Comparative Example 1 and the second porous semiconductor layer in which the porous semiconductor layer and the second porous semiconductor layer have the same porosity are larger than the porosity of the first porous semiconductor layer Compared with the photoelectric conversion element of Comparative Example 2, it was confirmed that a high short-circuit current density J sc was exhibited.

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の光電変換素子は、太陽電池を含む光電変換素子に広く利用することができ、特に色素増感型太陽電池に好適に利用することができる。   The photoelectric conversion element of this invention can be widely utilized for the photoelectric conversion element containing a solar cell, and can be used suitably especially for a dye-sensitized solar cell.

1 透光性基板、2 第1の多孔質半導体層、3 第2の多孔質半導体層、4 第3の多孔質半導体層、5 光電変換層、6 集電電極、7 対極導電層、8 キャリア輸送材料、9 封止材、11 触媒層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Translucent board | substrate, 2 1st porous semiconductor layer, 3rd porous semiconductor layer, 4th 3rd porous semiconductor layer, 5 photoelectric converting layer, 6 Current collection electrode, 7 Counter electrode conductive layer, 8 Carrier Transport material, 9 sealing material, 11 catalyst layer.

Claims (5)

透光性基板と、
前記透光性基板上に設けられた光電変換層と、
前記光電変換層の少なくとも一部に設けられた集電電極と、
前記透光性基板と向かい合うようにして設けられた対極導電層と、
前記対極導電層の前記透光性基板側の表面に設けられた触媒層と、
前記透光性基板と前記触媒層との間に設けられたキャリア輸送材料と、を備え、
前記光電変換層は、前記透光性基板上に設けられた第1の多孔質半導体層と、前記第1の多孔質半導体層上に設けられた第2の多孔質半導体層と、前記第1の多孔質半導体層および前記第2の多孔質半導体層にそれぞれ吸着された光増感剤とを含み、
前記第1の多孔質半導体層の空隙率が、前記第2の多孔質半導体層の空隙率よりも大きい、光電変換素子。
A translucent substrate;
A photoelectric conversion layer provided on the translucent substrate;
A collecting electrode provided on at least a part of the photoelectric conversion layer;
A counter electrode conductive layer provided to face the translucent substrate;
A catalyst layer provided on the surface of the counter electrode conductive layer on the light transmitting substrate side;
A carrier transport material provided between the translucent substrate and the catalyst layer,
The photoelectric conversion layer includes a first porous semiconductor layer provided on the translucent substrate, a second porous semiconductor layer provided on the first porous semiconductor layer, and the first And a photosensitizer adsorbed on each of the porous semiconductor layer and the second porous semiconductor layer,
The photoelectric conversion element in which the porosity of the first porous semiconductor layer is larger than the porosity of the second porous semiconductor layer.
前記第1の多孔質半導体層が、平均粒径50nm以下の半導体微粒子からなる、請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first porous semiconductor layer is composed of semiconductor fine particles having an average particle diameter of 50 nm or less. 前記第1の多孔質半導体層の厚さが、前記光電変換層の厚さの50%以下である、請求項1または2に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the first porous semiconductor layer is 50% or less of the thickness of the photoelectric conversion layer. 前記第1の多孔質半導体層の空隙率が、55%以上である、請求項1から3のいずれかに記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the porosity of the first porous semiconductor layer is 55% or more. 前記第2の多孔質半導体層上に設けられた第3の多孔質半導体層をさらに含み、
前記第3の多孔質半導体層を構成する半導体微粒子の平均粒径が、前記第2の多孔質半導体層を構成する半導体微粒子の平均粒径よりも大きい、請求項1から4のいずれかに記載の光電変換素子。
Further comprising a third porous semiconductor layer provided on the second porous semiconductor layer;
5. The average particle diameter of semiconductor fine particles constituting the third porous semiconductor layer is larger than the average particle diameter of semiconductor fine particles constituting the second porous semiconductor layer. Photoelectric conversion element.
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