JP2014229434A - Photoelectric conversion element and dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子および色素増感太陽電池に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a dye-sensitized solar cell.
化石燃料に代わるエネルギー源として、太陽光エネルギーを電力エネルギーに変換する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などが実用化されている。しかし、前者の太陽電池には、シリコン基板の製造コストが高いという問題がある。後者の薄膜シリコン太陽電池には、多種の半導体製造用ガスおよび複雑な装置などを用いて製造するために製造コストが高くなるという問題がある。このため、いずれの太陽電池にも、光電変換の高効率化による発電出力当たりのコストを低減する努力が続けられているが、上記の問題を解決するには至っていない。 As an alternative energy source to fossil fuels, solar cells that convert solar energy into electric energy have attracted attention. Currently, solar cells using crystalline silicon substrates, thin-film silicon solar cells, and the like have been put into practical use. However, the former solar cell has a problem that the manufacturing cost of the silicon substrate is high. The latter thin film silicon solar cell has a problem that the manufacturing cost is high because it is manufactured using various semiconductor manufacturing gases and complicated apparatuses. For this reason, although efforts have been made to reduce the cost per power generation output by increasing the efficiency of photoelectric conversion in any of the solar cells, the above problem has not been solved.
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を含む太陽電池が提案されている(たとえば、特許文献1)。特許文献1に記載の光電変換素子では、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が2枚のガラス基板により挟持されており、上記の2枚のガラス基板の表面にはそれぞれ第1電極および第2電極が形成されている。
As a new type of solar cell, a solar cell including a photoelectric conversion element using photoinduced electron transfer of a metal complex has been proposed (for example, Patent Document 1). In the photoelectric conversion element described in
第1電極側から光を照射すると、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電極に移動する。移動した電子は、電解質中のイオンに運ばれて光電変換層に戻る。このような一連の電子の移動により、電気エネルギーを取り出すことができる。しかしながら、光電変換素子では透明導電膜付きガラス板を使用しているため、色素増感太陽電池全体のコストが透明導電膜のコストに影響され、更なる低コスト化が限界になりつつある。 When light is irradiated from the 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. The moved electrons are transported to ions in the electrolyte and return to the photoelectric conversion layer. Electrical energy can be extracted by such a series of electron movements. However, since the photoelectric conversion element uses a glass plate with a transparent conductive film, the cost of the entire dye-sensitized solar cell is affected by the cost of the transparent conductive film, and further cost reduction is becoming the limit.
そのような中、従来の色素増感太陽電池に対する新しいセル形状の太陽電池として、特許文献2に記載の光電変換素子を含む太陽電池が提案されている。特許文献2に記載の光電変換素子では、光入射側の透明導電膜は使用されておらず、色素が担持された多孔性半導体層の上に集電電極が形成されており、この集電電極から電子が取り出される。
Under such circumstances, a solar cell including a photoelectric conversion element described in
特許文献2に記載の光電変換素子では、透明導電膜を使用していないため、低コスト化が期待される。また、透明導電膜による光の吸収ロスがなくなるため、光入射側からの光の透過率が高くなり、よって、電流が向上すると期待されていた。しかし、透明導電膜を使用していない光電変換素子では、透明導電膜を使用している光電変換素子に比べて短絡電流密度(Jsc)が低いことが課題となっている。
In the photoelectric conversion element described in
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コスト化が期待できるとともに短絡電流密度が高い光電変換素子を提供することである。本発明の別の目的とするところは、低コスト化が期待できるとともに短絡電流密度が高い色素増感太陽電池を提供することである。 This invention is made | formed in view of this point, The place made into the objective is providing the photoelectric conversion element with a high short circuit current density which can anticipate cost reduction. Another object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell that can be expected to reduce costs and has a high short-circuit current density.
本発明者らは、透明導電膜を使用しない高効率な光電変換素子の実現のために鋭意検討したところ、光電変換層の形状を工夫すれば光電変換素子の短絡電流密度が高くなることを見出して本発明を完成するに至った。 The present inventors diligently studied to realize a high-efficiency photoelectric conversion element that does not use a transparent conductive film, and found that if the shape of the photoelectric conversion layer is devised, the short-circuit current density of the photoelectric conversion element increases. The present invention has been completed.
本発明に係る光電変換素子では、透光性支持体の上に、多孔性半導体層を有する光電変換層と、反射層と、透光性支持体に支持された集電電極と、電荷輸送層と、対極とが順に設けられている。光電変換層のうち反射層側に位置する面は、第1凹凸部を有する。反射層および集電電極のそれぞれは、第1凹凸部に対応する凹凸形状を有する。 In the photoelectric conversion element according to the present invention, a photoelectric conversion layer having a porous semiconductor layer on a translucent support, a reflective layer, a current collecting electrode supported by the translucent support, and a charge transport layer And a counter electrode are provided in order. The surface located in the reflective layer side among photoelectric conversion layers has a 1st uneven part. Each of the reflective layer and the current collecting electrode has an uneven shape corresponding to the first uneven portion.
反射層の凹凸形状は、第1凹凸部の第1凹部内に設けられた肉薄部と第1凹凸部の第1凸部に接する肉厚部とを有することが好ましい。集電電極は、表面粗さRaが0.3μm以上5μm以下である面を有することが好ましい。反射層は、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径よりも大きな平均粒径を有する粒子を含むことが好ましい。第1凹凸部は、ストライプ状の第1凹部とストライプ状の第1凸部とを有することが好ましい。 The uneven shape of the reflective layer preferably has a thin portion provided in the first recess of the first uneven portion and a thick portion in contact with the first protrusion of the first uneven portion. The current collecting electrode preferably has a surface with a surface roughness Ra of 0.3 μm or more and 5 μm or less. The reflective layer preferably contains particles having an average particle size larger than the average particle size of the semiconductor particles contained in the porous semiconductor layer. It is preferable that a 1st uneven | corrugated | grooved part has a striped 1st recessed part and a striped 1st convex part.
本発明に係る色素増感太陽電池は、本発明に係る光電変換素子を備えている。 The dye-sensitized solar cell according to the present invention includes the photoelectric conversion element according to the present invention.
本発明によれば、低コスト化が期待できるとともに短絡電流密度が高い光電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion element that can be expected to reduce costs and that has a high short-circuit current density.
以下、本発明の光電変換素子について図面を用いて説明する。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である。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わすものではない。 Hereinafter, the photoelectric conversion element of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. In addition, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
<光電変換素子>
図1は、本発明に係る光電変換素子の構成の一例を示す断面図である。図1に示す光電変換素子では、透光性支持体1の上に、多孔性半導体層を有する光電変換層2と、反射層3と、透光性支持体1に支持された集電電極4と、電荷輸送層5と、対極6とが順に設けられている。図1に示す光電変換素子では、光電変換層2および電荷輸送層5は封止部8により封止されていることが好ましく、対極6は対極支持体7に支持されていることが好ましい。このように、図1に示す光電変換素子は透明導電膜を備えていないので、低コストで製造可能である。
<Photoelectric conversion element>
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a configuration of a photoelectric conversion element according to the present invention. In the photoelectric conversion element shown in FIG. 1, a
図1に示す光電変換素子では、透光性支持体1を受光面としたときには、光は透光性支持体1を透過して光電変換層2に入射され、光電変換層2で電子が生成される。生成された電子は、集電電極4を介して光電変換素子の外部へ取り出され、外部電気回路を通って対極6へ移動する。対極6へ移動した電子は、電荷輸送層5内および集電電極4内を移動して、光電変換層2へ戻る。
In the photoelectric conversion element shown in FIG. 1, when the
一方、対極支持体7を受光面としたときには、光は対極支持体7、対極6、電荷輸送層5および集電電極4を透過して光電変換層2に入射され、光電変換層2で電子が生成される。生成された電子は、集電電極4を介して光電変換素子の外部へ取り出され、外部電気回路を通って対極6へ移動する。対極6へ移動した電子は、電荷輸送層5内および集電電極4内を移動して、光電変換層2へ戻る。この場合、対極6および集電電極4は透光性材料からなることが好ましい。また、対極6および集電電極4が透光性に優れない場合には、透光性支持体1の裏面(図1では透光性支持体1の上面)に反射用ミラーなどを設けることにより、透光性支持体1の裏面から光を集めて発電させることができる。
On the other hand, when the counter electrode support 7 is used as a light receiving surface, light passes through the counter electrode support 7, the
ところで、短絡電流密度を高めるためには、多くの色素を多孔性半導体層に担持させる必要がある。そのため、多孔性半導体層(別の言い方をすると光電変換層)の厚さは大きい方が好ましい。一方、透明導電膜が設けられていない光電変換素子では、電子拡散長が短いので、光電変換層の厚さを大きくしても短絡電流密度を高めることは難しい。そこで、本発明者らは、透明導電膜が設けられていない光電変換素子の短絡電流密度を高める方法を鋭意検討したところ、光電変換層のうち反射層側に位置する面が第1凹凸部を有し、且つ、反射層および集電電極のそれぞれが第1凹凸部に対応する凹凸形状を有せば、短絡電流密度が高くなるということを見出した。以下では、「第1凹凸部」および「反射層および集電電極のそれぞれが第1凹凸部に対応する凹凸形状を有する」を説明してから、この理由を説明する。 By the way, in order to increase the short-circuit current density, it is necessary to support a large amount of dye on the porous semiconductor layer. Therefore, it is preferable that the thickness of the porous semiconductor layer (in other words, the photoelectric conversion layer) is large. On the other hand, in a photoelectric conversion element not provided with a transparent conductive film, the electron diffusion length is short, so it is difficult to increase the short-circuit current density even if the thickness of the photoelectric conversion layer is increased. Therefore, the present inventors have intensively studied a method for increasing the short-circuit current density of a photoelectric conversion element not provided with a transparent conductive film. As a result, the surface located on the reflective layer side of the photoelectric conversion layer has the first uneven portion. It has been found that if each of the reflective layer and the collecting electrode has an uneven shape corresponding to the first uneven portion, the short-circuit current density is increased. Hereinafter, the reason will be described after describing “the first uneven portion” and “each of the reflective layer and the collecting electrode has an uneven shape corresponding to the first uneven portion”.
「第1凹凸部」は、第1凹部と第1凸部とを有し、好ましくは第1凹部と第1凸部とが交互に配置されて構成されており、第1凹部または第1凸部が一体に形成されて構成されたものも含む。「反射層および集電電極のそれぞれが第1凹凸部に対応する凹凸形状を有する」とは、光電変換層のうち反射層側に位置する面が第1凹凸部を有するので、反射層および集電電極のそれぞれが第1凹凸部に対応する凹凸形状を有することを意味する。好ましくは、第1凹凸部上に反射層および集電電極を順に設けることにより、反射層および集電電極のそれぞれが凹凸形状を有することである。 The “first concavo-convex portion” has a first concave portion and a first convex portion, and is preferably configured by alternately arranging the first concave portion and the first convex portion. Also included are parts formed integrally. “The reflective layer and the collecting electrode each have a concavo-convex shape corresponding to the first concavo-convex portion” means that the surface located on the reflective layer side of the photoelectric conversion layer has the first concavo-convex portion. It means that each of the electric electrodes has an uneven shape corresponding to the first uneven portion. Preferably, each of the reflective layer and the current collecting electrode has an uneven shape by providing the reflective layer and the current collecting electrode in this order on the first uneven portion.
一般に、電子は、長い距離を移動すると、再結合される可能性が高い。そのため、光電変換層のうち反射層側に位置する面から一定距離(たとえば電子拡散長)以下離れたところで生成した電子は、反射層へ到達して光電変換素子の外部へ取り出され易い。よって、光電変換層2のうち反射層3側に位置する面が第1凹凸部21を有していれば、第1凸部21Bへ到達する電子よりも光電変換層2の内側で生成した電子も第1凹部21Aへ到達可能であると考えられる。したがって、図2に示すように光電変換層102のうち反射層103側に位置する面が平坦である場合に比べて、光電変換層2から取り出される電子の量が多くなる。図2は、従来の光電変換素子の構成の一例を示す断面図である。
In general, an electron is likely to be recombined when it travels a long distance. For this reason, electrons generated at a distance of a certain distance (for example, electron diffusion length) or less from the surface of the photoelectric conversion layer located on the reflective layer side reach the reflective layer and are easily taken out of the photoelectric conversion element. Therefore, if the surface located on the
図2に示す光電変換素子では、反射層103は光電変換層102と集電電極104との間に設けられており、その厚さは一様である。一般に、電子は反射層内を流れにくい。そのため、図2に示す光電変換素子では、電子が光電変換層102と集電電極104との間を移動し難く、よって、内部抵抗成分の増大を招き、短絡電流密度の低下を招く。一方、図1に示す光電変換素子では、反射層3は光電変換層2の第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有し、その凹凸形状は第1凹凸部21の第1凹部21A内に設けられた肉薄部3Aと第1凹凸部21の第1凸部21Bに接する肉厚部3Bとを有する。そのため、図1に示す光電変換素子には、光電変換素子の厚み方向における光電変換層2と集電電極4との距離が相対的に短い部分(肉薄部3A)が存在する。よって、電子は、肉薄部3A内を通って集電電極4へ移動することができるので、図2に示す光電変換素子に比べて集電電極4へ移動し易くなる。したがって、内部抵抗成分の増加を防止することができるので、内部抵抗のロスを防止することができる。これにより、電子の収集が効率良く行われ、光電変換層2の内部で生成した電子の収集も効率良く行われる。
In the photoelectric conversion element shown in FIG. 2, the
以上説明したように、図1に示す光電変換素子では、光電変換層2のうち反射層3側に位置する面に第1凹凸部21が設けられているので、光電変換層2のより内部で生じた電子も光電変換層2から取り出されることとなり、よって、光電変換層2から取り出される電子の量が多くなる。また、反射層3は光電変換層2の第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有するので、光電変換層2から取り出された電子を集電電極4を介して光電変換素子の外部へ効率良く取り出すことができる。これらのことから、図1に示す光電変換素子では、図2に示す場合に比べて内部短絡電流密度を高めることができる。
As described above, in the photoelectric conversion element shown in FIG. 1, the first
第1凹凸部21の構成は特に限定されないが、集電電極4の表面粗さRaが0.3μm以上5μm以下である面を有するように第1凹凸部21の構成を決定することが好ましい。一般に、表面粗さRaが小さいということは、その表面が平坦であることを示し、表面粗さRaが大きいということはその表面に凹凸があることを示す。第1凹凸部21の凹凸差(「第1凹部21Aの凹み量」または「第1凸部21Bの突出量」とも言える)が大きくなると、集電電極4の表面粗さRaは大きくなると考えられる。集電電極4の表面粗さRaが5μm以下であれば、第1凹凸部21の凹凸差が大きくなりすぎることを防止できると考えられる。よって、第1凹凸部21を光電変換層2に設けたことに起因して多孔性半導体層の体積が小さくなることを防止できるので、色素の担持量が少なくなることを防止できる。一方、集電電極4の表面粗さRaが0.3μm以上であれば、第1凹凸部21の凹凸差が小さくなりすぎることを防止できると考えられる。よって、光電変換層2に第1凹凸部21を設けたことによる効果を十分に得ることができる。より好ましくは、集電電極4が表面粗さRaが0.5μm以上4μm以下である面を有するように第1凹凸部21の構成を決定することである。なお、本明細書では、表面粗さRaは、次に示すように定義される。粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線の方向にX軸を取り、縦倍率の方向にY軸を取り、粗さ曲線をy=f(x)で表したときに、下記数式(1)によって求められる値をマイクロメートル(μm)で表したものを表面粗さRaという。また、集電電極4のうち反射層3側に位置する面の表面粗さRaが0.3μm以上5μm以下であっても良いし、集電電極4のうち電荷輸送層5側に位置する面の表面粗さRaが0.3μm以上5μm以下であっても良いし、集電電極4のうち反射層3側に位置する面の表面粗さRaおよび集電電極4のうち電荷輸送層5側に位置する面の表面粗さRaの両方が0.3μm以上5μm以下であっても良い。
Although the structure of the 1st uneven | corrugated |
たとえば、第1凹凸部21が形成された光電変換層2の面の表面粗さが少なくとも0.3μm以上5μm以下となるように、第1凹凸部21が光電変換層2に形成されていることが好ましい。より具体的には、第1凹凸部21の凹凸差は、少なくとも0.3μm以上4μm以下であることが好ましく、0.3μm以上3μm以下であることがより好ましい。これにより、集電電極4は、表面粗さRaが0.3μm以上5μm以下である面を有することとなる。
For example, the first
第1凹凸部21の構成は、たとえば図3〜図6に示す構成を有しても良い。図3〜図6は、それぞれ、第1凹凸部21の一例を示す平面図である。図3に示す第1凹凸部21は、ストライプ状の第1凹部21Aとストライプ状の第1凸部21Bとが交互に配置されて構成されている。このとき、第1凹部21Aは6本以上50本以下形成されていることが好ましい。第1凹部21Aの幅Wは0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。第1凹部21Aは0.1μm以上0.5μm以下の間隔(ΔD1)をあけて形成されていることが好ましく、別の言い方をすると、第1凸部21Bの幅は0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。
The configuration of the first
図4に示す第1凹凸部21では、平面視円形の第1凹部21Aがマトリックス状に配置され、それ以外の部分が第1凸部21Bを構成している。つまり、図4に示す第1凹凸部21は、複数の第1凹部21Aと1つの第1凸部21Bとで構成されている。このとき、第1凹部21Aは6個以上100個以下形成されていることが好ましい。第1凹部21Aの直径Rは0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。隣り合う第1凹部21Aの間隔ΔD2は0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。
In the first concavo-
図5に示す第1凹凸部21は、平面視四角形の第1凹部21Aと平面視四角形の第1凸部21Bとが交互に配置されて構成されている。このとき、第1凹部21Aおよび第1凸部21Bのそれぞれは5個以上50個以下形成されていることが好ましい。第1凹部21Aおよび第1凸部21Bのそれぞれの一辺は0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。
The first
図6に示す第1凹凸部21は、平面視四角形の第1凹部21Aがマトリックス状に配置され、それ以外の部分が第1凸部21Bを構成している。つまり、図6に示す第1凹凸部21も、複数の第1凹部21Aと1つの第1凸部21Bとで構成されている。このとき、第1凹部21Aは5個以上50個以下形成されていることが好ましい。第1凹部21Aの一辺は0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましい。
As for the 1st uneven | corrugated |
反射層3の凹凸形状は、上述のように第1凹凸部21の第1凹部21A内に設けられた肉薄部3Aと第1凹凸部21の第1凸部21Bに接する肉厚部3Bとを有することが好ましく、肉薄部3Aと肉厚部3Bとが一体形成されて構成されていることが好ましい。肉薄部3Aの厚さは、第1凹部21Aの深さと同等であることが好ましく、たとえば0.3μm以上5μm以下であることが好ましい。肉厚部3Bの厚さは、2μm以上10μm以下であることが好ましい。
As described above, the uneven shape of the
集電電極4の凹凸形状は、光電変換層2と電荷輸送層5との間に位置していることが好ましく、肉薄部3Aおよび肉厚部3Bのそれぞれに接することにより構成されたものであることが好ましい。以下では、図1に示す光電変換素子の構成部材を説明する。
The uneven shape of the
<透光性支持体>
透光性支持体1を構成する材料は、一般に光電変換素子の支持体に使用可能な材料であり且つ本発明の効果を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。しかし、光電変換素子の受光面となる部分では光透過性が必要となるため、透光性支持体1は、光透過性を有する材料からなることが好ましく、たとえば、ソーダガラス、溶融石英ガラスまたは結晶石英ガラスなどのガラス基板であっても良いし、耐熱性樹脂材料からなる可撓性フィルムであっても良い。ただし、透光性支持体1は、受光面として使用される場合であっても、少なくとも後述の色素に実効的な感度を有する波長の光を実質的に透過する(当該光の透過率がたとえば80%以上、好ましくは90%以上)ものであれば良く、必ずしも全ての波長の光に対して透過性を有する必要はない。透光性支持体1の厚さは特に限定されず、たとえば0.2〜5mm程度であることが好ましい。
<Translucent support>
The material which comprises the
可撓性フィルム(以下、「フィルム」という)を構成する材料としては、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テフロン(登録商標)などが挙げられる。 Examples of the material constituting the flexible film (hereinafter referred to as “film”) include tetraacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), and polyarylate (PA). , Polyetherimide (PEI), phenoxy resin, or Teflon (registered trademark).
加熱を伴って透光性支持体1の上に他の層を形成する場合、たとえば250℃程度の加
熱を伴って透光性支持体1の上に多孔性半導体層を形成する場合には、上記のフィルムを構成する材料の中でも250℃以上の耐熱性を有するテフロン(登録商標)を用いることが特に好ましい。
When forming another layer on the
完成した光電変換素子を他の構造体に取り付けるときに、透光性支持体1を利用できる。すなわち、金属加工部品とねじとを用いて、ガラス基板などからなる透光性支持体1の周辺部を他の支持体に容易に取り付けることができる。
The
<光電変換層>
光電変換層2は、多孔性半導体層を有する。この多孔性半導体層内には、色素とキャリア輸送材料とが設けられていることが好ましい。以下、それぞれを順に説明する。
<Photoelectric conversion layer>
The
(多孔性半導体層の構成)
本発明では、多孔性半導体層は、半導体材料から構成される。ここで、多孔性とは、比表面積が0.5〜300m2/gであることをいい、空孔率が20%以上であることを言う。このような比表面積は気体吸着法であるBET法によって求められ、空孔率は多孔性半導体層の厚さ、多孔性半導体層の質量、および半導体微粒子の密度から計算によって求められる。多孔性半導体層は、0.5〜300m2/gの比表面積を有することにより、多くの色素を吸着でき、よって太陽光を効率良く吸収できる。また、多孔性半導体層の空孔率を20%以上とすることにより、キャリア輸送材料の十分な拡散が可能となり、電子を光電変換層2にスムーズに戻すことができる。
(Configuration of porous semiconductor layer)
In the present invention, the porous semiconductor layer is composed of a semiconductor material. Here, the porosity means that the specific surface area is 0.5 to 300 m 2 / g, and that the porosity is 20% or more. Such a specific surface area is obtained by the BET method which is a gas adsorption method, and the porosity is obtained by calculation from the thickness of the porous semiconductor layer, the mass of the porous semiconductor layer, and the density of the semiconductor fine particles. Since the porous semiconductor layer has a specific surface area of 0.5 to 300 m 2 / g, it can adsorb a large amount of dye, and thus can absorb sunlight efficiently. Further, by setting the porosity of the porous semiconductor layer to 20% or more, the carrier transport material can be sufficiently diffused, and the electrons can be smoothly returned to the
半導体材料は、一般に光電変換素子に使用可能な半導体材料であり且つ本発明の効果を発揮し得る半導体材料であれば、特に限定されない。このような半導体材料は、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またはSrCu2O2などの化合物半導体材料であることが好ましい。半導体材料としては、上記列挙された材料のうちの一つを単独で用いても良いし、上記列挙された材料のうちの2つ以上の組み合わせて用いても良い。光電変換効率、安定性および安全性の観点から、半導体材料として酸化チタンを用いることが好ましい。 A semiconductor material will not be specifically limited if it is a semiconductor material which can generally be used for a photoelectric conversion element, and can exhibit the effect of this invention. Such semiconductor materials are, 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, indium phosphide. A compound semiconductor material such as copper-indium sulfide (CuInS 2 ), CuAlO 2, or SrCu 2 O 2 is preferable. As the semiconductor material, one of the above listed materials may be used alone, or two or more of the above listed materials may be used in combination. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, stability, and safety, it is preferable to use titanium oxide as a semiconductor material.
半導体材料として酸化チタンを用いる場合、用いる酸化チタンは、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、メタチタン酸またはオルソチタン酸などの各種の狭義の酸化チタンであっても良いし、水酸化チタンであっても良いし、含水酸化チタンであっても良い。これらの酸化チタンを単独で用いても良いし、混合して用いても良い。アナターゼ型酸化チタンとルチル型酸化チタンとについては、製法または熱履歴によりどちらの形態にもなり得るが、アナターゼ型酸化チタンが一般的である。色素の吸着の容易性という観点からは、多孔性半導体層を構成する材料としては、アナターゼ型酸化チタンの含有率の高いものを用いることが好ましく、アナターゼ型酸化チタンの含有率が80%以上であるものを用いることがより好ましい。酸化チタンの製造方法は、特に限定されず、気相法、または液相法(水熱合成法もしくは硫酸法)などの各種文献に記載されている公知の方法であれば良く、デグサ(Degussa)社が開発した、塩化物を高温加水分解により得る方法であっても良い。 When titanium oxide is used as the semiconductor material, the titanium oxide used may be various narrowly defined titanium oxides such as anatase type titanium oxide, rutile type titanium oxide, amorphous titanium oxide, metatitanic acid or orthotitanic acid, It may be titanium hydroxide or hydrous titanium oxide. These titanium oxides may be used alone or in combination. Anatase-type titanium oxide and rutile-type titanium oxide can be in either form depending on the production method or thermal history, but anatase-type titanium oxide is common. From the viewpoint of ease of dye adsorption, it is preferable to use a material having a high content of anatase-type titanium oxide as the material constituting the porous semiconductor layer, and the content of anatase-type titanium oxide is 80% or more. It is more preferable to use a certain one. The method for producing titanium oxide is not particularly limited, and may be a known method described in various literatures such as a gas phase method or a liquid phase method (hydrothermal synthesis method or sulfuric acid method). Degussa A method developed by the company to obtain chloride by high-temperature hydrolysis may be used.
多孔性半導体層の形態としては、単結晶または多結晶のいずれでもよい。しかし、安定性、結晶成長の困難さ、および製造コストなどの点では、多孔性半導体層は、多結晶焼結体であることが好ましく、微粉末(ナノスケールからマイクロスケール)からなる多結晶焼結体であることが特に好ましい。 The form of the porous semiconductor layer may be either single crystal or polycrystal. However, in terms of stability, difficulty in crystal growth, and manufacturing cost, the porous semiconductor layer is preferably a polycrystalline sintered body, and is a polycrystalline sintered body made of fine powder (nanoscale to microscale). Particularly preferred is a ligation.
多孔性半導体層は、大きさが同一の半導体材料からなる粒子(半導体粒子)を用いて構成されても良いし、大きさが互いに異なる半導体粒子を用いて構成されても良い。相対的に大きな半導体粒子は、入射光を散乱させるため、光捕捉率の向上に寄与すると考えられる。相対的に小さな半導体粒子を用いれば色素の吸着点がより多くなるので、相対的に小さな半導体粒子は色素の吸着量の向上に寄与すると考えられる。 The porous semiconductor layer may be configured using particles (semiconductor particles) made of a semiconductor material having the same size, or may be configured using semiconductor particles having different sizes. Since relatively large semiconductor particles scatter incident light, it is considered that it contributes to an improvement in the light capture rate. If relatively small semiconductor particles are used, the number of dye adsorption points increases. Therefore, it is considered that relatively small semiconductor particles contribute to an improvement in the amount of dye adsorption.
相対的に大きな半導体粒子の平均粒径は、相対的に小さな半導体粒子の平均粒径に対して10倍以上であることが好ましい。たとえば、相対的に大きな半導体粒子の平均粒径は100〜500nmであることが好ましく、相対的に小さな半導体粒子の平均粒径は5nm〜50nmであることが好ましい。大きさが互いに異なる半導体粒子は、同一の材料からなっても良いし、異なる材料からなっても良い。大きさが互いに異なる半導体粒子が異なる材料からなる場合、相対的に小さな半導体粒子を吸着作用の強い材料で構成することが好ましい。なお、上記平均粒径は、X線回折測定から得られるスペクトル(XRD(X線回折)の回折ピーク)を用いて算出されても良いし、走査型電子顕微鏡(SEM)で直接観察を行うことにより求められても良い。 The average particle size of relatively large semiconductor particles is preferably 10 times or more than the average particle size of relatively small semiconductor particles. For example, the average particle size of relatively large semiconductor particles is preferably 100 to 500 nm, and the average particle size of relatively small semiconductor particles is preferably 5 nm to 50 nm. The semiconductor particles having different sizes may be made of the same material or different materials. When semiconductor particles having different sizes are made of different materials, it is preferable that relatively small semiconductor particles are made of a material having a strong adsorption action. The average particle diameter may be calculated using a spectrum (XRD (X-ray diffraction) diffraction peak) obtained from X-ray diffraction measurement, or directly observed with a scanning electron microscope (SEM). May be required.
多孔性半導体層の厚さは、特に限定されず、たとえば0.1〜100μm程度が適当である。また、多孔性半導体層には色素が吸着されるため、多孔性半導体層の表面積は大きいことが好ましく、たとえば多孔性半導体層のBET比表面積は10〜200m2/g程度であることが好ましい。 The thickness of the porous semiconductor layer is not particularly limited, and for example, about 0.1 to 100 μm is appropriate. Moreover, since a pigment | dye is adsorb | sucked to a porous semiconductor layer, it is preferable that the surface area of a porous semiconductor layer is large, for example, it is preferable that the BET specific surface area of a porous semiconductor layer is about 10-200 m < 2 > / g.
(多孔性半導体層の形成)
多孔性半導体層の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法が挙げられる。たとえば、上記いずれかの化合物半導体材料からなる粒子を含有する懸濁液を透光性支持体1の上に塗布してから乾燥および焼成の少なくとも一方を行うという方法が挙げられる。
(Formation of porous semiconductor layer)
It does not specifically limit as a formation method of a porous semiconductor layer, A well-known method is mentioned. For example, there is a method in which a suspension containing particles made of any one of the above compound semiconductor materials is applied on the
この方法では、まず、上記いずれかの化合物半導体材料からなる微粒子を適当な溶媒に懸濁して、懸濁液を得る。このような溶媒としては、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媒、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/トルエンなどのアルコール系混合溶媒、または水などが挙げられる。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)を用いても良い。 In this method, first, fine particles comprising any one of the above compound semiconductor materials are suspended in a suitable solvent to obtain a suspension. Examples of such a solvent include glyme solvents such as ethylene glycol monomethyl ether, alcohols such as isopropyl alcohol, alcohol-based mixed solvents such as isopropyl alcohol / toluene, and water. Further, instead of such a suspension, a commercially available titanium oxide paste (for example, manufactured by Solaronix, Ti-nanoxide, T, D, T / SP, D / SP, R / SP) may be used.
次いで、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により、得られた懸濁液を透光性支持体1の上に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行って多孔性半導体層を形成する。
Subsequently, the obtained suspension is applied onto the
乾燥および焼成に必要な温度、時間、ならびに雰囲気などは、それぞれ、多孔性半導体層を構成することとなる材料の種類に応じて適宜設定することが好ましい。たとえば、雰囲気としては大気雰囲気下または不活性ガス雰囲気下が挙げられ、温度および時間としては50〜800℃程度の範囲で10秒〜12時間程度が挙げられる。この乾燥および焼成は、単一の温度で1回行なっても良いし、温度を変化させて2回以上行っても良い。 It is preferable that the temperature, time, atmosphere, and the like necessary for drying and firing are appropriately set according to the type of material that constitutes the porous semiconductor layer. For example, the atmosphere includes an air atmosphere or an inert gas atmosphere, and the temperature and time include a range of about 50 to 800 ° C. and a time of about 10 seconds to 12 hours. This drying and baking may be performed once at a single temperature, or may be performed twice or more by changing the temperature.
多孔性半導体層が複数層で構成されている場合、互いに異なる材料からなる粒子を含む懸濁液を調製することが好ましく、調製した懸濁液の塗布と、乾燥および焼成の少なくとも一方とを2回以上繰り返し行なうことが好ましい。 In the case where the porous semiconductor layer is composed of a plurality of layers, it is preferable to prepare a suspension containing particles made of different materials, and the application of the prepared suspension and at least one of drying and baking are performed. It is preferable to repeat it more than once.
多孔性半導体層を形成した後、多孔性半導体層を構成する材料からなる微粒子同士の電気的接続の向上、多孔性半導体層の表面積の増加、および多孔性半導体層を構成する材料からなる微粒子の欠陥準位の低減を目的として、多孔性半導体層を所定の液体で処理しても良い。多孔性半導体層を処理する方法は多孔性半導体層を構成する材料などに依存するため一概に言えないが、多孔性半導体層が酸化チタンからなる場合には四塩化チタン水溶液などで酸化チタン膜を表面処理することが好ましい。 After forming the porous semiconductor layer, the electrical connection between the fine particles made of the material constituting the porous semiconductor layer is improved, the surface area of the porous semiconductor layer is increased, and the fine particles made of the material constituting the porous semiconductor layer For the purpose of reducing the defect level, the porous semiconductor layer may be treated with a predetermined liquid. The method for treating the porous semiconductor layer depends on the material constituting the porous semiconductor layer and cannot be generally stated. However, when the porous semiconductor layer is made of titanium oxide, the titanium oxide film is formed with a titanium tetrachloride aqueous solution or the like. A surface treatment is preferred.
(第1凹凸部の形成)
上述の第1凹凸部21の形成方法としては、種々の公知の手法を適用することが出来る。たとえば、レーザスクライブにより形成する方法、触針による機械的研削により形成する方法、または、第1凹凸部が形成されたスクリーン版を利用してスクリーン印刷により形成する方法などが挙げられる。この中でも、レーザスクライブにより第1凹凸部21を形成すれば、高精細なスクライブパターンを形成することが出来る。よって、レーザスクライブにより第1凹凸部21を形成することが好ましい。
(Formation of first uneven portion)
Various known methods can be applied as a method of forming the first
第1凹凸部21の形状に応じてその形成方法を適宜選択することが好ましい。所望のパターンを用いてレーザスクライブにより第1凹部21Aまたは第1凸部21Bを部分的に形成しても良いし、第1凹部21Aが形成される部位とは異なる部位に多孔性半導体層を新たに形成しても良い。これにより、所望の形状を有する第1凹凸部21を形成することができる。
It is preferable to appropriately select the formation method according to the shape of the first
(色素)
色素は、多孔性半導体層に吸着されて光増感剤として機能し、可視光領域および赤外光領域の少なくとも一方の領域の光を吸収可能な種々の有機色素であっても良いし、可視光領域および赤外光領域の少なくとも一方の領域の光を吸収可能な種々の金属錯体色素であっても良い。これらの色素は、単独で用いられても良いし、2種以上が混合して用いられても良い。
(Dye)
The dye may be a variety of organic dyes that can be adsorbed on the porous semiconductor layer and function as a photosensitizer and can absorb light in at least one of the visible light region and the infrared light region, or visible light. Various metal complex dyes capable of absorbing light in at least one of the light region and the infrared light region may be used. These pigments may be used alone or in combination of two or more.
有機色素は、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、インジゴ系色素またはナフタロシアニン系色素などであることが好ましい。有機色素の吸光係数は、一般に、遷移金属に分子が配位結合した形態をとる金属錯体色素に比べて大きい。 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 perylene dyes. A dye, an indigo dye or a naphthalocyanine dye is preferable. In general, the extinction coefficient of an organic dye is larger than that of a metal complex dye in which a molecule is coordinated to a transition metal.
金属錯体色素は、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またはRhなどの金属原子に配位子が配位結合されたものであることが好ましい。金属錯体色素は、たとえば、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素またはナフタロシアニン系色素であることが好ましく、これらの中でもフタロシアニン系色素またはルテニウム系色素であることがより好ましく、ルテニウム系金属錯体色素であることがさらに好ましい。 Examples of the metal complex dye include Cu, Ni, Fe, Co, V, Sn, Si, Ti, Ge, Cr, Zn, Ru, Mg, Al, Pb, Mn, In, Mo, Y, Zr, Nb, and Sb. La, W, Pt, TA, Ir, Pd, Os, Ga, Tb, Eu, Rb, Bi, Se, As, Sc, Ag, Cd, Hf, Re, Au, Ac, Tc, Te or Rh, etc. It is preferable that a ligand is coordinated to a metal atom. The metal complex dye is preferably, for example, a porphyrin dye, phthalocyanine dye or naphthalocyanine dye, more preferably a phthalocyanine dye or a ruthenium dye, and a ruthenium metal complex dye. Is more preferable.
金属錯体色素は、化学式(1)〜(3)で表されるルテニウム系金属錯体色素であることが特に好ましい。市販のルテニウム系金属錯体色素として、たとえば、Solaronix社製の商品名Ruthenium535色素、Ruthenium535−bisTBA色素、またはRuthenium620−1H3TBA色素などが挙げられる。 The metal complex dye is particularly preferably a ruthenium-based metal complex dye represented by chemical formulas (1) to (3). Examples of commercially available ruthenium-based metal complex dyes include trade name Ruthenium 535 dye, Ruthenium 535-bis TBA dye, or Ruthenium 620-1H3TBA dye manufactured by Solaronix.
色素を多孔性半導体層に強固に吸着させるためには、色素は、分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基またはホスホニル基などのインターロック基を有することが好ましい。一般に、インターロック基は、色素が多孔性半導体層に固定される際に色素と多孔性半導体層との間に存在し、色素の励起状態と多孔性半導体層を構成する半導体材料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。 In order to firmly adsorb the dye to the porous semiconductor layer, the dye must have an interlock group such as a carboxyl group, alkoxy group, hydroxyl group, sulfonic acid group, ester group, mercapto group or phosphonyl group in the molecule. Is preferred. In general, the interlock group is present between the dye and the porous semiconductor layer when the dye is fixed to the porous semiconductor layer, and the excited state of the dye and the conduction band of the semiconductor material constituting the porous semiconductor layer Provides electrical coupling that facilitates the transfer of electrons between the two.
色素の吸着量は、1×10-8mol/cm2以上1×10-6mol/cm2以下であることが好ましく、5×10-8mol/cm2以上5×10-7mol/cm2であることがより好ましい。色素の吸着量が1×10-8mol/cm2未満であれば、光電変換効率の低下を招くおそれがある。一方、色素の吸着量が1×10-6mol/cm2を超えると、開放電圧が低下するという不具合を招くことがある。
The amount of dye adsorbed is preferably 1 × 10 −8 mol / cm 2 or more and 1 × 10 −6 mol / cm 2 or less, preferably 5 × 10 −8 mol / cm 2 or more and 5 × 10 −7 mol /
(色素の吸着)
色素を多孔性半導体層に吸着させる方法としては、たとえば色素を溶解した溶液(以下では「色素吸着用溶液」と記す)に多孔性半導体層を浸漬させるという方法が代表的なものとして挙げられる。このとき、色素吸着用溶液が加熱されていれば、色素吸着用溶液を多孔性半導体層の微細孔の奥部まで浸透させるという効果を得ることができる。
(Dye adsorption)
A typical example of the method for adsorbing the dye to the porous semiconductor layer is a method of immersing the porous semiconductor layer in a solution in which the dye is dissolved (hereinafter referred to as “dye adsorption solution”). At this time, if the dye adsorbing solution is heated, the effect of allowing the dye adsorbing solution to permeate deep into the fine pores of the porous semiconductor layer can be obtained.
色素を溶解させる溶媒としては、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。これらの溶媒は、通常、精製されたものであることが好ましく、2種類以上を混合して用いることができる。色素吸着用溶液中の色素の濃度は、使用する色素の種類、溶媒の種類または色素吸着工程などの条件に応じて適宜設定でき、たとえば1×10-5モル/リットル以上であることが好ましい。増感色素の溶解性を向上させるためには、加熱しながら色素吸着用溶液を調製することが好ましい。 Examples of the solvent for dissolving the dye include alcohol, toluene, acetonitrile, tetrahydrofuran (THF), chloroform, and dimethylformamide. These solvents are usually preferably purified, and two or more types can be mixed and used. The density | concentration of the pigment | dye in the solution for pigment | dye adsorption can be suitably set according to conditions, such as the kind of pigment | dye to be used, the kind of solvent, or a pigment | dye adsorption process, for example, it is preferable that it is 1 * 10 < -5 > mol / liter or more. In order to improve the solubility of the sensitizing dye, it is preferable to prepare a dye adsorption solution while heating.
(キャリア輸送材料)
キャリア輸送材料は、下記<電荷輸送層>で示すように、イオンを輸送可能な導電性材料であることが好ましく、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であることが好ましい。多孔性半導体層に含まれるキャリア輸送材料は、電荷輸送層5を構成する材料と同じであっても良いし、電荷輸送層5を構成する材料とは異なっても良い。
(Carrier transport material)
The carrier transport material is preferably a conductive material capable of transporting ions as shown in <Charge transport layer> below, for example, a liquid electrolyte, a solid electrolyte, a gel electrolyte, or a molten salt gel electrolyte. . The carrier transport material contained in the porous semiconductor layer may be the same as the material constituting the charge transport layer 5 or may be different from the material constituting the charge transport layer 5.
キャリア輸送材料を多孔性半導体層内に設ける方法は、特に限定されない。たとえば、キャリア輸送材料を含む溶液に多孔性半導体層を浸漬させても良い。封止部8を用いて対極支持体7を集電電極4に貼り合わせてから、キャリア輸送材料を光電変換層2内に注入しても良い。多孔性半導体層に含まれるキャリア輸送材料が電荷輸送層5を構成する材料と同じ場合には、キャリア輸送材料を所定の位置に注入することにより、電荷輸送層5が形成されると同時にキャリア輸送材料が多孔性半導体層に包含されるという方法をとることができる。
The method for providing the carrier transport material in the porous semiconductor layer is not particularly limited. For example, the porous semiconductor layer may be immersed in a solution containing a carrier transport material. The carrier transport material may be injected into the
<反射層>
反射層3を構成する材料は、一般に光電変換素子に使用可能な材料であり且つ本発明の効果を発揮し得る材料であれば特に限定されず、多孔性半導体層を構成する材料として列挙した材料であることが好ましい。つまり、反射層3を構成する材料は、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またはSrCu2O2などの化合物半導体材料であることが好ましい。反射層3を構成する材料としては、上記列挙された材料のうちの一つを単独で用いても良いし、上記列挙された材料のうちの2つ以上の組み合わせて用いても良い。光電変換効率、安定性および安全性の観点から、反射層3を構成する材料としては酸化チタンを用いることが好ましい。
<Reflective layer>
The material constituting the
本発明において、反射層3を構成する材料として酸化チタンを用いる場合、用いる酸化チタンは、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、またはオルソチタン酸などの各種の狭義の酸化チタンであっても良いし、水酸化チタンであっても良いし、含水酸化チタンであっても良い。これらの酸化チタンを単独で用いても良いし、混合して用いても良い。アナターゼ型酸化チタンとルチル型酸化チタンとについては、製法または熱履歴によりどちらの形態にもなり得るが、アナターゼ型酸化チタンが一般的である。酸化チタンの製造方法は、特に限定されず、気相法、または液相法(水熱合成法もしくは硫酸法)などの各種文献に記載されている公知の方法であれば良く、デグサ(Degussa)社が開発した、塩化物を高温加水分解により得る方法であっても良い。
In the present invention, when titanium oxide is used as the material constituting the
反射層3の形態としては、単結晶または多結晶のいずれでもよい。しかし、安定性、結晶成長の困難さ、および製造コストなどの点では、反射層3は、多結晶焼結体であることが好ましく、微粉末(ナノスケールからマイクロスケール)からなる多結晶焼結体であることが特に好ましい。
The form of the
反射層3は、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径よりも大きな平均粒径を有する粒子を含むことが好ましい。一例としては、反射層3を構成する粒子の平均粒径は、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径に対して2倍以上であることが好ましく、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径に対して3倍以上20倍以下であることがより好ましい。別の言い方をすると、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径が10nm以上30nm以下であるときには、反射層3を構成する粒子の平均粒径は30nm以上600nm以下であることが好ましい。これにより、光電変換層2で吸収できなかった光を散乱させることができる。よって、光電変換層2で吸収できなかった光の光路長が伸びるので、長波長光の光の吸収を増加させることができる。それだけでなく、光電変換層2で吸収できなかった光を散乱させて光電変換層2へ再吸収させることができるので、光電変換層2において生成される電子の量が増加し、よって、光電変換素子の短絡電流密度がさらに増加する。
The
多孔性半導体層および反射層3のそれぞれが相対的に小さな粒子と相対的に大きな粒子とを含んでいる場合には、反射層3における相対的に大きな粒子の平均粒径が多孔性半導体層における相対的に大きな粒子の平均粒径よりも大きいことが好ましい。たとえば、反射層3における相対的に大きな粒子の平均粒径は、多孔性半導体層における相対的に大きな粒子の平均粒径に対して2倍以上であることが好ましく、より好ましくは3倍以上5倍以下である。別の言い方をすると、多孔性半導体層における相対的に大きな粒子の平均粒径が50nm以上500nm以下であるときには、反射層3における相対的に大きな粒子の平均粒径は150nm以上2500nm以下であることが好ましい。この場合であっても、上記効果(つまり、長波長光の光の増加という効果と光電変換素子の短絡電流密度がさらに増加するという効果)を得ることができる。
When each of the porous semiconductor layer and the
多孔性半導体層および反射層3のそれぞれが相対的に小さな粒子と相対的に大きな粒子とを含んでいる場合には、反射層3における相対的に大きな粒子の割合(反射層3を構成する粒子の総数に対する反射層3を構成する粒子のうち相対的に大きな粒子の個数の割合)が多孔性半導体層における相対的に大きな粒子の割合(多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の総数に対する多孔性半導体層に含まれる半導体粒子のうち相対的に大きな粒子の個数の割合)よりも高くても良い。たとえば、反射層3における相対的に大きな粒子の割合は、多孔性半導体層における相対的に大きな粒子の割合に対して2倍以上であることが好ましく、より好ましくは5倍以上10倍以下である。この場合であっても、上記効果(つまり、長波長光の光の吸収の増加という効果と光電変換素子の短絡電流密度がさらに増加するという効果)を得ることができる。
When each of the porous semiconductor layer and the
ここで、反射層3が相対的に小さな粒子と相対的に大きな粒子とを含む場合、相対的に大きな粒子の平均粒径は、相対的に小さな粒子の平均粒径に対して10倍以上であることが好ましい。相対的に大きな粒径の平均粒径が100〜500nmであるときには、相対的に小さな粒径の平均粒径は5〜50nmであることが好ましい。相対的に大きな粒子と相対的に小さな粒子とは、同一の材料で構成されていても良いし、異なる材料で構成されていても良い。なお、反射層3は、単一の大きさの粒子から構成されても良い。また、反射層3を構成する粒子の平均粒径は、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径を測定する方法と同様の方法にしたがって求めることができる。
Here, when the
反射層3の厚さは、特に限定されないが、光電変換層2と電荷輸送層5との間に位置する集電電極4の厚さよりも大きいことが好ましく、たとえば0.2nm以上1000μm以下であることが好ましい。このことは、下記<集電電極>で説明する。
The thickness of the
(反射層の形成)
反射層3を形成する方法としては、特に限定されず、多孔質半導体層の形成方法と同様の公知の方法が挙げられる。たとえば、上記いずれかの化合物半導体材料からなる粒子を含有する懸濁液を多孔質半導体層の上に塗布してから乾燥および焼成の少なくとも一方を行うという方法が挙げられる。
(Formation of reflective layer)
The method for forming the
この方法では、まず、上記いずれかの化合物半導体材料からなる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、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/トルエンなどのアルコール系混合溶剤、または水などが挙げられる。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(例えば、Solaronix社製、Ti−nanoxide、T、D、T/SP、D/SP)を用いても良い。または、市販のペーストまたは市販の粒子を上記溶剤に混合して懸濁液を得ても良いし、市販のペースト同士を混合して懸濁液を得ても良い。このとき、上記微粒子には、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径よりも大きな平均粒径を有する粒子が含まれていることが好ましい。その理由については上述のとおりである。 In this method, first, fine particles made of any one of the above compound semiconductor materials are suspended in a suitable solvent to obtain a suspension. Examples of such a solvent include glyme solvents such as ethylene glycol monomethyl ether, alcohols such as isopropyl alcohol, alcohol-based mixed solvents such as isopropyl alcohol / toluene, and water. Further, instead of such a suspension, a commercially available titanium oxide paste (eg, Solaronix, Ti-nanoxide, T, D, T / SP, D / SP) may be used. Alternatively, a commercially available paste or commercially available particles may be mixed with the solvent to obtain a suspension, or a commercially available paste may be mixed with each other to obtain a suspension. At this time, it is preferable that the fine particles include particles having an average particle size larger than the average particle size of the semiconductor particles contained in the porous semiconductor layer. The reason is as described above.
次いで、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により、得られた懸濁液を多孔性半導体層の上に塗布し、乾燥および焼成の少なくとも一方を行って反射層3を形成する。具体的には、所定のパターン形状を有するスクリーンを用いて反射層3を形成しても良い(スクリーン印刷法)。形成された反射層3は、光電変換層2の第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有することが好ましい。形成された反射層3がこの凹凸形状を有していない場合には、第1凹凸部21の形成方法にしたがって第1凹凸部21に対応する凹凸形状を反射層3に形成することが好ましい。
Next, the obtained suspension is applied onto the porous semiconductor layer by a known method such as a doctor blade method, a squeegee method, a spin coating method, or a screen printing method, and at least one of drying and baking is performed and reflection is performed.
乾燥および焼成に必要な温度、時間、ならびに雰囲気などは、それぞれ、反射層3を構成することとなる材料の種類に応じて適宜設定することが好ましい。たとえば、雰囲気としては大気雰囲気下または不活性ガス雰囲気下が挙げられ、温度および時間としては50〜800℃程度の範囲で10秒〜12時間程度が挙げられる。この乾燥および焼成は、単一の温度で1回行なっても良いし、温度を変化させて2回以上行っても良い。
It is preferable that the temperature, time, atmosphere, and the like necessary for drying and firing are appropriately set according to the type of material constituting the
反射層3が複数層で構成されている場合、互いに異なる材料からなる粒子を含む懸濁液を調製することが好ましく、調製した懸濁液の塗布と、乾燥および焼成の少なくとも一方とを2回以上繰り返し行なうことが好ましい。
When the
<集電電極>
集電電極4は、透光性支持体1に支持されており、具体的には、封止部8の上と封止部8よりも外側に位置する透光性支持体1上とに設けられている。これにより、外部電気回路を介して集電電極4を対極6にスムーズに接続することができる。
<Collector electrode>
The
集電電極4は、キャリア輸送材料を含むことが好ましく、これにより、対極6へ移動した電子を光電変換層2へスムーズに移動させることができる。ここで、キャリア輸送材料は、下記<電荷輸送層>で述べるようにイオンを輸送可能な導電性材料であれば良く、電荷輸送層5を構成する材料と同じであっても良いし、電荷輸送層5を構成する材料とは異なっても良い。また、キャリア輸送材料を集電電極4内に設ける方法は、特に限定されず、キャリア輸送材料を含む溶液に集電電極4を浸漬させても良いし、封止部8を用いて対極支持体7を集電電極4に貼り合わせてからキャリア輸送材料を集電電極4内に注入させても良い。また、集電電極4に含まれるキャリア輸送材料が電荷輸送層5を構成する材料と同じ場合には、キャリア輸送材料を所定の位置に注入することにより、電荷輸送層5が形成されると同時にキャリア輸送材料が集電電極4に包含されるという方法をとることができる。
The
集電電極4を構成する材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されず、光透過性を有していても良いし、光透過性を有していなくても良い。ただし、対極支持体7を受光面にする場合は、透光性支持体1と同じく光透過性が必要となる。また、集電電極4を構成する材料は、キャリア輸送材料(電解質など)に対して腐食性を有しないことが好ましい。具体的には、集電電極4を構成する材料としては、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)または酸化亜鉛(ZnO)などが挙げられ、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に対して腐食性を示さない金属を用いることもできる。
The material constituting the
集電電極4の厚さは、特に限定されないが、たとえば0.02〜50μm程度であることが好ましい。光電変換層2と電荷輸送層5との間に位置する集電電極4の厚さは、反射層3の厚さよりも薄いことが好ましく、たとえば反射層3の厚さの1/10倍以上1/2倍以下であることがより好ましい。別の言い方をすると、反射層3の厚さが1μm以上50μm以下であるときには、光電変換層2と電荷輸送層5との間に位置する集電電極4の厚さは0.1μm以上25μm以下であることが好ましい。これにより、集電電極4による光の吸収を抑制することができる。
Although the thickness of the
集電電極4のシート抵抗値は、低ければ低いほどFF(曲線因子)が向上するため好ましく、特に40Ω/□以下であることが好ましい。
The sheet resistance value of the collecting
集電電極4が緻密な構造をなす場合、複数の小孔が集電電極4に形成されていることが好ましい。ここで、複数の小孔は、キャリア輸送材料のパスとして機能する。つまり、電荷輸送層5に含まれるキャリア輸送材料は、集電電極4に形成された複数の小孔の内部を通って、光電変換層2の多孔性半導体層と対極6との間を移動できる。小孔の径は、0.1μm〜100μm程度であることが好ましく、1μm〜50μm程度であることがさらに好ましい。小孔と小孔との間隔は、1μm〜200μm程度であることが好ましく、10μm〜300μm程度であることがさらに好ましい。このような小孔は、物理接触またはレーザー加工により形成されることが好ましい。なお、小孔の形成が困難な場合には、ストライプ状の開口部を集電電極4に形成すれば良い。これにより、小孔を形成した場合と同様の効果が得られる。ストライプ状の開口部の間隔は1μm〜200μm程度であることが好ましく、10μm〜300μm程度であることがさらに好ましい。
When the
集電電極4の形成方法は、特に限定されない。たとえば、スパッタ法またはスプレー法などの公知の方法により、集電電極4で反射層3を覆い、且つ、反射層3から露出する光電変換層2の面の上と封止部8の上とに集電電極4を形成することが好ましい。
The formation method of the
<電荷輸送層>
本発明において、「電荷輸送層」とは、透光性支持体1と対極支持体7と封止部8とによって囲まれた空間の中にキャリア輸送材料が充填されて構成されたものである。キャリア輸送材料は、イオンを輸送できる導電性材料で構成されていることが好ましく、キャリア輸送材料の好適な材料としては、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が挙げられる。
<Charge transport layer>
In the present invention, the “charge transport layer” is configured by filling a space surrounded by the
液体電解質は、酸化還元種を含む液状物であることが好ましく、一般に電池または太陽電池などにおいて使用できるものであれば特に限定されない。具体的には、液体電解質としては、酸化還元種と酸化還元種を溶解可能な溶剤とからなるもの、酸化還元種と酸化還元種を溶解可能な溶融塩とからなるもの、または酸化還元種と上記溶剤と上記溶融塩とからなるものが挙げられる。 The liquid electrolyte is preferably a liquid containing redox species, and is not particularly limited as long as it can be used in a battery or a solar battery. Specifically, the liquid electrolyte includes a redox species and a solvent capable of dissolving the redox species, a redox species and a molten salt capable of dissolving the redox species, or a redox species. What consists of the said solvent and the said molten salt is mentioned.
酸化還元種としては、たとえばI-/I3-系、Br2-/Br3-系、Fe2+/Fe3+系、またはキノン/ハイドロキノン系などが挙げられる。具体的には、酸化還元種は、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)またはヨウ化カルシウム(CaI2)などの金属ヨウ化物とヨウ素(I2)との組み合わせであっても良い。酸化還元種は、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)または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との組み合わせであっても良い。酸化還元種は、臭化リチウム(LiBr)、臭化ナトリウム(NaBr)、臭化カリウム(KBr)または臭化カルシウム(CaBr2)などの金属臭化物と臭素との組み合わせであっても良い。これらの中でも、LiIとI2との組み合わせが特に好ましい。 Examples of the redox species include I − / I 3− , Br 2− / Br 3 − , Fe 2+ / Fe 3+ , or quinone / hydroquinone. Specifically, the redox species includes metal iodide such as lithium iodide (LiI), sodium iodide (NaI), potassium iodide (KI), or calcium iodide (CaI 2 ), and iodine (I 2 ). It may be a combination of The redox species is a combination of a tetraalkylammonium salt such as tetraethylammonium iodide (TEAI), tetrapropylammonium iodide (TPAI), tetrabutylammonium iodide (TBAI) or tetrahexylammonium iodide (THAI) and iodine. It may be. The redox species may be a combination of a bromide with a metal bromide such as lithium bromide (LiBr), sodium bromide (NaBr), potassium bromide (KBr) or calcium bromide (CaBr 2 ). Among these, a combination of LiI and I 2 is particularly preferable.
酸化還元種を溶解可能な溶媒としては、たとえば、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、水または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またはニトリル化合物が特に好ましい。これらの溶媒を2種類以上混合して用いることもできる。 Examples of the solvent capable of dissolving the redox species include carbonate compounds such as propylene carbonate, nitrile compounds such as acetonitrile, alcohols such as ethanol, water, aprotic polar substances, and the like. Among these, carbonate compounds or nitrile compounds are particularly preferable. Two or more kinds of these solvents can be mixed and used.
固体電解質は、電子、ホールまたはイオンを輸送できる導電性材料であり、光電変換素子の電解質として用いることができ且つ流動性がないものであればよい。具体的には、固体電解質は、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が挙げられる。 The solid electrolyte is a conductive material that can transport electrons, holes, or ions, and may be any material that can be used as an electrolyte of a photoelectric conversion element and does not have fluidity. Specifically, a solid electrolyte includes 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, iodine Examples thereof include a p-type semiconductor such as copper halide and copper thiocyanate, or an electrolyte obtained by solidifying a liquid electrolyte containing a molten salt with fine particles.
ゲル電解質は、通常、電解質とゲル化剤からなる。電解質は、たとえば上記液体電解質であっても良いし、上記固体電解質であっても良い。 The gel electrolyte is usually composed of an electrolyte and a gelling agent. The electrolyte may be, for example, the liquid electrolyte or the solid electrolyte.
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、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、シリコーン樹脂類または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が挙げられる。 Examples of the gelling agent include polymer gelation such as a crosslinked polyacrylic resin derivative, a crosslinked polyacrylonitrile derivative, a polyalkylene oxide derivative, a silicone resin, or a polymer having a nitrogen-containing heterocyclic quaternary compound salt structure in the side chain. Agents and the like.
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または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類などが挙げられる。 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 salts such as pyridinium salts and imidazolium salts.
電荷輸送層は、必要に応じて、次に示す添加剤を含んでいても良い。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であっても良いし、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)、また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であっても良い。 The charge transport layer may contain the following additives as required. The additive may be a nitrogen-containing aromatic compound such as t-butylpyridine (TBP), dimethylpropylimidazole iodide (DMPII), methylpropylimidazole iodide (MPII), ethylmethylimidazole iodide ( It may be an imidazole salt such as EMII), ethylimidazole iodide (EII), or hexylmethylimidazole iodide (HMII).
電解質の濃度は、0.001〜1.5モル/リットルの範囲が好ましく、0.01〜0.7モル/リットルの範囲が特に好ましい。ただし、本発明に係る光電変換素子において受光面側に触媒層(対極6)がある場合には、入射光は、電荷輸送層5内の電解液を通って、色素が吸着された多孔性半導体層に達する。これにより、キャリアが励起される。 The concentration of the electrolyte is preferably in the range of 0.001 to 1.5 mol / liter, and particularly preferably in the range of 0.01 to 0.7 mol / liter. However, when the photoelectric conversion element according to the present invention has a catalyst layer (counter electrode 6) on the light receiving surface side, incident light passes through the electrolytic solution in the charge transport layer 5 and is a porous semiconductor in which a dye is adsorbed. Reach the layer. Thereby, a carrier is excited.
<対極>
対極6は、対極支持体7の上に設けられており、電荷輸送層5に接している。対極6は、集電電極4とは反対側の極である。対極6を構成する材料は、集電電極4を構成する材料と同様であっても良いし、対極支持体7を受光面とするときには光透過性を有する材料からなることが好ましい。
<Counter electrode>
The
また、対極6は、触媒層と導電層との積層体であることが好ましい。ここで、触媒層は、電荷輸送層5と導電層との間に設けられていることが好ましく、電解質の酸化還元反応を活性化させる働きを有することが好ましく、たとえば、白金、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、またはフラーレンなどからなることが好ましい。なお、このように触媒層が導電性を有する場合には、対極6は触媒層のみで構成されていても良い。
The
対極6は、集電電極4の形成方法と同様であれば良い。対極6として白金を用いる場合には、スパッタ法、塩化白金酸の熱分解、または電着などの公知の方法により対極6を対極支持体7の上に形成できる。対極6の厚さは、特に限定されず、たとえば0.5nm〜1000nm程度が適当である。
The
対極6を構成する材料としてカーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、またはフラーレンなどのカーボンを用いる場合には、対極6の形成方法としては溶剤に分散してペースト状にしたカーボンをスクリーン印刷法などにより対極支持体7上に塗布するという方法を用いることができる。
When carbon such as carbon black, ketjen black, carbon nanotube, or fullerene is used as a material constituting the
<対極支持体>
対極支持体7は、対極6を支持する。対極支持体7を構成する材料は、一般に光電変換素子の支持体に使用可能な材料であり且つ本発明の効果を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。対極支持体7は、受光面として使用される場合には光透過性が必要となるので、上記<透光性支持体>で列挙した何れかの材料で構成されていることが好ましい。しかし、対極支持体7は、基本的には、光透過性を有していても良いし、光透過性を有していなくても良い。対極支持体7は、光透過性を必要としない場合には、たとえば金属などの無機材料からなる板または膜であっても良いし、プラスチックなどの有機材料からなる板または膜であっても良い。
<Counter electrode support>
The counter electrode support 7 supports the
透光性支持体1と同じく、完成した光電変換素子を他の構造体に取り付けるときに、対極支持体7を利用できる。すなわち、金属加工部品とねじとを用いて、対極支持体7の周辺部を他の支持体に容易に取り付けることができる。
As with the
対極支持体7の厚さは特に限定されないが、たとえば0.2〜5mm程度であることが好ましい。 Although the thickness of the counter electrode support body 7 is not specifically limited, For example, it is preferable that it is about 0.2-5 mm.
<封止部>
封止部8は、透光性支持体1と対極支持体7とを保持し、電荷輸送層5の漏えい防止機能を有し、落下物または応力(衝撃)を吸収する機能を有し、長期にわたる使用時において透光性支持体1および対極支持体7のそれぞれに作用するたわみなどを吸収する機能を有する。
<Sealing part>
The sealing
封止部8を構成する材料は、一般に光電変換素子に使用可能な材料であり且つ上述の機能を発揮し得る材料であれば、特に限定されない。このような材料としては、紫外線硬化性樹脂または熱硬化性樹脂などが挙げられ、具体的にはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソブチレン系樹脂、ホットメルト樹脂またはガラスフリットなどが挙げられる。これらを単独で用いて封止部8を形成しても良いし、これら2種類以上の材料を2層以上に積層して封止部8を形成しても良い。
The material which comprises the sealing
紫外線硬化樹脂としては、スリーボンド社製、型番:31X−101を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、スリーボンド社製、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。 As the ultraviolet curable resin, model number: 31X-101 manufactured by Three Bond Co., Ltd. can be used. As the thermosetting resin, model number: 31X-088 manufactured by Three Bond Co., or a commercially available epoxy resin can be used.
封止部8を構成する材料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使用する場合には、封止部8のパターンは、ディスペンサーを用いて形成できる。封止部8を構成する材料としてホットメルト樹脂を使用する場合には、封止部8のパターンは、シート状のホットメルト樹脂にパターニングした穴を開けることにより形成できる。
When silicone resin, epoxy resin, or glass frit is used as the material constituting the sealing
<色素増感型太陽電池>
本発明に係る色素増感型太陽電池は、本発明に係る光電変換素子を含む電極と、対電極と、本発明に係る光電変換素子を含む電極と対電極との間に設けられたキャリア輸送層とを備えている。これにより、短絡電流密度の増加が期待される色素増感型太陽電池を提供することができる。
<Dye-sensitized solar cell>
The dye-sensitized solar cell according to the present invention includes an electrode including the photoelectric conversion element according to the present invention, a counter electrode, and carrier transport provided between the electrode including the photoelectric conversion element according to the present invention and the counter electrode. With layers. Thereby, the dye-sensitized solar cell with which the increase in a short circuit current density is anticipated can be provided.
以上説明したように、図1に示す光電変換素子では、透光性支持体1の上に、多孔性半導体層を有する光電変換層2と、反射層3と、透光性支持体1に支持された集電電極4と、電荷輸送層5と、対極6とが順に設けられている。光電変換層2のうち反射層3側に位置する面は、第1凹凸部21を有する。反射層3および集電電極4のそれぞれは、第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有する。これにより、光電変換層2のより内部で生じた電子も光電変換層2から取り出されることとなる。また、光電変換層2から取り出された電子を集電電極4を介して光電変換素子の外部へ効率良く取り出すことができる。よって、図2に示す場合に比べて内部短絡電流密度を高めることができる。
As described above, in the photoelectric conversion element shown in FIG. 1, the
反射層3の凹凸形状は、第1凹凸部21の第1凹部21A内に設けられた肉薄部3Aと第1凹凸部21の第1凸部21Bに接する肉厚部3Bとを有することが好ましい。これにより、光電変換層2から取り出された電子を集電電極4を介して光電変換素子の外部へ更に効率良く取り出すことができる。
The uneven shape of the
集電電極4は、表面粗さRaが0.3μm以上5μm以下である面を有することが好ましい。これにより、光電変換層2に第1凹凸部21を設けたことによる効果を十分に得ることができるとともに、第1凹凸部21を光電変換層2に設けたことに起因して多孔性半導体層の体積が小さくなることを防止できる。
The
反射層3は、多孔性半導体層に含まれる半導体粒子の平均粒径よりも大きな平均粒径を有する粒子を含むことが好ましい。これにより、光電変換層2で吸収できなかった光を散乱させることができるので、光電変換層2で吸収できなかった光の光路長が伸び、よって、長波長光の光の吸収を増加させることができる。それだけでなく、光電変換層2で吸収できなかった光を散乱させて光電変換層2へ再吸収させることができるので、光電変換層2において生成される電子の量が増加し、よって、光電変換素子の短絡電流密度がさらに増加する。
The
第1凹凸部21は、ストライプ状の第1凹部21Aとストライプ状の第1凸部21Bとを有することが好ましい。
The first
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下において、特に断りのない限り、各層の厚さおよび各層の表面粗さは、表面粗さ形状測定機(Veeco社製、商品名:Dektak150)を用いて測定された。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. In the following description, unless otherwise specified, the thickness of each layer and the surface roughness of each layer were measured using a surface roughness shape measuring instrument (trade name: Dektak150, manufactured by Veeco).
<実施例1>
図1に示す光電変換素子を製造した。まず、透光性支持体1として、51mm×70mm×厚さ1mmのガラス基板(コーニング社7059)を用意した。
<Example 1>
The photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured. First, a 51 mm × 70 mm × 1 mm thick glass substrate (Corning 7059) was prepared as the
<封止部の形成>
ガラス基板上であって多孔性半導体層が形成される箇所の周囲に、開口部の幅が0.5mmであるスクリーン版を設置した。スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型式:LS-34TVA)を用いてガラスフリットをガラス基板の上に塗布し、室温で1時間のレべリングを行った。得られた塗布膜を80℃で20分予備乾燥した後、450度で一時間焼成した。これにより、封止部8を形成した。
<Formation of sealing part>
A screen plate having an opening width of 0.5 mm was placed around a place on the glass substrate where the porous semiconductor layer was formed. A glass frit was applied on a glass substrate using a screen printing machine (Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd., model: LS-34TVA), and leveling was performed for 1 hour at room temperature. The obtained coating film was pre-dried at 80 ° C. for 20 minutes and then baked at 450 ° C. for 1 hour. Thereby, the sealing
<多孔性半導体層の形成>
焼成後の多孔性半導体層の大きさが5mm×5mm×12μmとなるように、1cm間隔でスクリーン版をガラス基板の上に設置した。スクリーン印刷機(ニューロング精密工業株式会社製、型式:LS-34TVA)を用いて酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti-Nanoxide D/SP、平均粒径13nm)をガラス基板の上に塗布し、室温で1時間のレベリングを行った。得られた塗膜を80℃で20分間予備乾燥した後、450℃で1時間焼成した。そして、この一連の工程を2回繰り返した。これにより、酸化チタンからなる多孔性半導体層が得られた。
<Formation of porous semiconductor layer>
Screen plates were placed on the glass substrate at 1 cm intervals so that the size of the fired porous semiconductor layer was 5 mm × 5 mm × 12 μm. Using a screen printer (Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd., Model: LS-34TVA), a titanium oxide paste (Solaronix, trade name: Ti-Nanoxide D / SP, average particle size 13 nm) is placed on the glass substrate. It was applied and leveled for 1 hour at room temperature. The obtained coating film was pre-dried at 80 ° C. for 20 minutes and then baked at 450 ° C. for 1 hour. Then, this series of steps was repeated twice. Thereby, a porous semiconductor layer made of titanium oxide was obtained.
<第1凹凸部の形成>
形成された5mm×5mmの多孔性半導体層の表面に対してレーザスクライブにより第1凹凸部21の第1凹部21Aを形成した。第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが2μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。ここで、線間隔ΔD1は、隣り合う第1凹部21Aの間隔であって、別の言い方をすると第1凸部21Bの幅である。第1凹凸部21の第1凹部21Aは、多孔性半導体層のエッジにも形成されていた。このようにして第1凹部21Aが形成され、多孔性半導体層の表面には第1凹凸部21が形成された。
<Formation of first uneven portion>
The first
<反射層の形成>
多孔性半導体層を形成するために用いたスクリーンと同じスクリーンを、第1凹凸部21が形成された多孔性半導体層の上に配置した。上記スクリーン印刷機を用いて酸化チタンペースト(Solaronix社製、商品名:Ti-Nanoxide R/SP、平均粒径100nm以上)を多孔性半導体層の上に塗布し、室温で1時間のレべリングを行った。得られた塗膜を80℃で20分間予備乾燥した後、450℃で1時間焼成した。形成された反射層3は第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有しており、その厚さは6μmであった。
<Formation of reflective layer>
The same screen as that used to form the porous semiconductor layer was placed on the porous semiconductor layer on which the first
<集電電極の形成>
6mm×10mmの開口部が形成されたメタルマスクを用意した。多孔性半導体層の上面がメタルマスクの開口部から露出するように、用意したメタルマスクをガラス基板の上に設置した。電子ビーム蒸着器ei-5(アルバック株式会社製)を用いて、ターゲットをチタンとし、蒸着速度を5Å/Sとして、チタンからなる集電電極4を形成した。形成された集電電極4は、第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有し、表面粗さRaが1μmである面を有していた。形成された集電電極4の厚さは約500nmであった。
<Formation of current collecting electrode>
A metal mask having an opening of 6 mm × 10 mm was prepared. The prepared metal mask was placed on the glass substrate so that the upper surface of the porous semiconductor layer was exposed from the opening of the metal mask. Using an electron beam vapor deposition device ei-5 (manufactured by ULVAC, Inc.), a
<増感色素の吸着>
アセトニトリル(Aldrich Chemical Company製)とt−ブチルアルコール(Aldrich Chemical Company製)との混合溶剤(体積比1:1)を得た。濃度が4×10-4モル/リットルになるように、色素(Solaronix社製、商品名:Ruthenium620−1H3TBA)を上記混合溶剤に溶解させた。このようにして色素吸着用溶液を得た。上記<集電電極の形成>で得られたガラス基板を所望の大きさに切断した。切断されたガラス基板を色素吸着用溶液に40℃の温度条件で20時間浸漬し、増感色素を多孔性半導体層に吸着させた。得られた積層体をエタノール(Aldrich Chemical Company製)で洗浄し、約80℃で約10分間乾燥させた。このようにして、厚さが16μmの光電変換層が形成された。
<Adsorption of sensitizing dye>
A mixed solvent (volume ratio of 1: 1) of acetonitrile (manufactured by Aldrich Chemical Company) and t-butyl alcohol (manufactured by Aldrich Chemical Company) was obtained. A dye (manufactured by Solaronix, trade name: Ruthenium 620-1H3TBA) was dissolved in the mixed solvent so that the concentration was 4 × 10 −4 mol / liter. In this way, a dye adsorption solution was obtained. The glass substrate obtained in the above <formation of current collecting electrode> was cut into a desired size. The cut glass substrate was immersed in a dye adsorption solution at a temperature of 40 ° C. for 20 hours to adsorb the sensitizing dye to the porous semiconductor layer. The obtained laminate was washed with ethanol (manufactured by Aldrich Chemical Company) and dried at about 80 ° C. for about 10 minutes. In this way, a photoelectric conversion layer having a thickness of 16 μm was formed.
<対極および対極支持体の形成>
対極支持体7として、SnO2膜が形成されたガラス板(日本板硝子社製)を用意した。このガラス板の表面に白金を蒸着させて、厚さが300nmの白金膜からなる対極6を形成した。
<Formation of counter electrode and counter electrode support>
A glass plate (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) on which an SnO 2 film was formed was prepared as the counter electrode support 7. Platinum was vapor-deposited on the surface of the glass plate to form a
紫外線硬化剤(スリーボンド社製、型番:31X−101)を封止部8の上に塗布し、封止部8の上に塗布された紫外線硬化剤を用いて対極6と集電電極4とを重ね合わせてから紫外線を照射した。これにより、対極6と集電電極4とが封止部8を介して貼りあわされた。
An ultraviolet curing agent (manufactured by Three Bond Co., Ltd., model number: 31X-101) is applied on the sealing
<電荷輸送材料の調製>
溶剤としてのアセトニトリルに、濃度が0.1モル/リットルとなるようにLiI(酸化還元種、Aldrich Chemical Company製)を溶解させ、濃度が0.01モル/リットルとなるようにI2(酸化還元種、東京化成工業株式会社製)を溶解させた。さらに、上記アセトニトリルに、濃度0.5モル/リットルとなるようにt−ブチルピリジン(添加剤、TBP(4-tert-butylpyridine)、Aldrich Chemical Company製)を溶解させ、濃度0.6モル/リットルとなるようにジメチルプロピルイミダゾールアイオダイド(DMPII、四国化成工業株式会社製)を溶解させた。これにより、電解質を得た。
<Preparation of charge transport material>
LiI (redox species, manufactured by Aldrich Chemical Company) is dissolved in acetonitrile as a solvent so that the concentration becomes 0.1 mol / liter, and I 2 (oxidation-reduction) so that the concentration becomes 0.01 mol / liter. Seed, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was dissolved. Further, t-butylpyridine (additive, TBP (4-tert-butylpyridine), manufactured by Aldrich Chemical Company) was dissolved in acetonitrile so as to have a concentration of 0.5 mol / liter, and the concentration was 0.6 mol / liter. Dimethylpropylimidazole iodide (DMPII, manufactured by Shikoku Chemicals Co., Ltd.) was dissolved so that Thereby, an electrolyte was obtained.
対極6および対極支持体7に予め空けておいた電解液注入用孔から上記電解質を注入し、紫外線硬化樹脂(スリーボンド社製、型番:31X−101 229)を用いて電解液注入用孔を封止した。これにより、本実施例1における光電変換素子を得た。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は15.0mA/cm2であった。
The electrolyte is injected into the
<実施例2>
第1凹凸部21の構成が異なることを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例2の光電変換素子を製造した。実施例2では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが2μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.1mmとして15本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが3.2μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は14.5mA/cm2であった。
<Example 2>
A photoelectric conversion element of Example 2 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the configuration of the first
<実施例3>
第1凹凸部21の構成が異なることを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例3の光電変換素子を製造した。実施例3では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが4μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.1mmとして15本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが4.2μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は14.3mA/cm2であった。
<Example 3>
A photoelectric conversion element of Example 3 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the configuration of the first
<実施例4>
第1凹凸部21の構成が異なることを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例4の光電変換素子を製造した。実施例4では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが4μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが3.7μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は14.7mA/cm2であった。
<Example 4>
A photoelectric conversion element of Example 4 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the configuration of the first
<実施例5>
光電変換層の厚さを20μmとしたことと第1凹凸部21の構成が異なることとを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例5の光電変換素子を製造した。実施例5では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが4μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが4μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は18.1mA/cm2であった。
<Example 5>
A photoelectric conversion element of Example 5 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the thickness of the photoelectric conversion layer was 20 μm and the configuration of the first
<実施例6>
第1凹凸部21の構成が異なることを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例6の光電変換素子を製造した。実施例6では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが6μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが4.9μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は14.2mA/cm2であった。
<Example 6>
A photoelectric conversion element of Example 6 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the configuration of the first
<実施例7>
第1凹凸部21の構成が異なることを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例7の光電変換素子を製造した。実施例7では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが1μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが0.5μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は14.8mA/cm2であった。
<Example 7>
A photoelectric conversion element of Example 7 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the configuration of the first
<実施例8>
光電変換層の厚さを20μmとしたことと第1凹凸部21の構成が異なることとを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例8の光電変換素子を製造した。実施例8では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが6μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが4.8μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は18.3mA/cm2であった。
<Example 8>
A photoelectric conversion element of Example 8 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the thickness of the photoelectric conversion layer was 20 μm and the configuration of the first
<実施例9>
第1凹凸部21の構成が異なることを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例9の光電変換素子を製造した。実施例9では、第1凹凸部21の第1凹部21Aは、それぞれの線幅W(図3参照)が200μmであり、それぞれの深さが8μmである線状に形成され、線間隔ΔD1(図3参照)を0.3mmとして11本形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが5.2μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は12.0mA/cm2であった。
<Example 9>
A photoelectric conversion element of Example 9 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the configuration of the first
<実施例10>
図6に示す第1凹凸部を形成したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例10の光電変換素子を製造した。実施例10では、5mm×5mmの多孔性半導体層の表面に対してレーザスクライブにより第1凹凸部21の第1凹部21A(平面視で1mm角)を13箇所形成した。このようにして、第1凹凸部21が多孔性半導体層の表面に形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが4.0μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は15.0mA/cm2であった。
<Example 10>
A photoelectric conversion element of Example 10 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the first uneven portion shown in FIG. 6 was formed. In Example 10, 13 first
<実施例11>
図4に示す第1凹凸部を形成したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、実施例11の光電変換素子を製造した。実施例11では、5mm×5mmの多孔性半導体層の表面に対してレーザスクライブにより第1凹凸部21の第1凹部21A(平面視で1mm径)を形成した。第1凹部21Aを形成した箇所は実施例10と実施例11とで同じであった。このようにして、第1凹凸部21が多孔性半導体層の表面に形成された。また、集電電極4は、表面粗さRaが4.1μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は15.0mA/cm2であった。
<Example 11>
A photoelectric conversion element of Example 11 was manufactured according to the method described in Example 1 except that the first uneven portion shown in FIG. 4 was formed. In Example 11, the 1st recessed
<比較例1>
第1凹凸部を形成することなく光電変換素子を製造したことを除いては上記実施例1と同様の方法にしたがって、比較例1の光電変換素子を製造した。つまり、比較例1の光電変換素子では、反射層は、その厚さが一様となるように、光電変換層と集電電極との間に設けられていた。集電電極は、表面粗さRaが0.2μmである面を有していた。得られた光電変換素子に1kW/m2の強度の光(AM1.5ソーラーシミュレータ)を照射したところ、短絡電流密度は11.0mA/cm2であった。
<Comparative Example 1>
A photoelectric conversion element of Comparative Example 1 was manufactured according to the same method as in Example 1 except that the photoelectric conversion element was manufactured without forming the first uneven portion. That is, in the photoelectric conversion element of Comparative Example 1, the reflective layer was provided between the photoelectric conversion layer and the current collecting electrode so that the thickness thereof was uniform. The current collecting electrode had a surface with a surface roughness Ra of 0.2 μm. When the obtained photoelectric conversion element was irradiated with light having an intensity of 1 kW / m 2 (AM1.5 solar simulator), the short-circuit current density was 11.0 mA / cm 2 .
表1に示すように、実施例1〜11では、比較例1に比べて短絡電流密度が高かった。その理由としては、次に示すことが考えられる。実施例1〜11では、光電変換層2のうち反射層3側に位置する面には第1凹凸部21が形成されているので、光電変換層2のより内部で生じた電子も光電変換層2から取り出される。また、反射層3が第1凹凸部21に対応する凹凸形状を有しているので、光電変換層2から取り出された電子を集電電極4を介して光電変換素子の外部へ効率良く取り出すことができる。一方、比較例1では、光電変換層のうち反射層側に位置する面は平坦であるので、光電変換層2の内部で生じた電子を当該光電変換層2から取り出すことは難しい。また、反射層の厚さは一様であるので、電子は光電変換層と集電電極との間を移動し難く、よって、光電変換素子の内部抵抗成分の増加を招く。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 11, the short circuit current density was higher than that in Comparative Example 1. The reason is considered as follows. In Examples 1-11, since the 1st uneven | corrugated |
実施例1〜8と実施例9とを比較すると、実施例1〜8では実施例9に比べて短絡電流密度がさらに高かった。その理由としては、次に示すことが考えられる。実施例1〜8と実施例9とでは、ストライブ状の第1凹部とストライプ状の第1凸部とが形成されている。実施例1〜8では、集電電極の表面粗さRaは5.0μm以下である。一方、実施例9では、集電電極の表面粗さRaは5.0μmよりも大きいので、光電変換層に担持される色素の吸着量が実施例1〜8よりも低下する。 When Examples 1-8 were compared with Example 9, the short circuit current density was higher in Examples 1-8 than in Example 9. The reason is considered as follows. In Examples 1 to 8 and Example 9, a stripe-shaped first concave portion and a stripe-shaped first convex portion are formed. In Examples 1-8, surface roughness Ra of a current collection electrode is 5.0 micrometers or less. On the other hand, in Example 9, since the surface roughness Ra of the collecting electrode is larger than 5.0 μm, the adsorption amount of the dye supported on the photoelectric conversion layer is lower than those in Examples 1-8.
実施例1〜11の結果から、第1凹凸部21の形状に限定されることなく内部短絡密度を高めることができるということが分かった。
From the results of Examples 1 to 11, it was found that the internal short circuit density can be increased without being limited to the shape of the first
今回開示された実施の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.
1 透光性支持体、2,102 光電変換層、3,103 反射層、3A 肉薄部、3B 肉厚部、4,104 集電電極、5 電荷輸送層、6 対極、7 対極支持体、8 封止部、21 第1凹凸部、21A 第1凹部、21B 第1凸部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光電変換層のうち前記反射層側に位置する面は、第1凹凸部を有し、
前記反射層および前記集電電極のそれぞれは、前記第1凹凸部に対応する凹凸形状を有する光電変換素子。 On the translucent support, a photoelectric conversion layer having a porous semiconductor layer, a reflective layer, a current collecting electrode supported by the translucent support, a charge transport layer, and a counter electrode are sequentially provided. ,
The surface located on the reflective layer side of the photoelectric conversion layer has a first uneven portion,
Each of the reflective layer and the current collecting electrode is a photoelectric conversion element having an uneven shape corresponding to the first uneven portion.
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