JP2016100488A - Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell - Google Patents

Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell Download PDF

Info

Publication number
JP2016100488A
JP2016100488A JP2014237126A JP2014237126A JP2016100488A JP 2016100488 A JP2016100488 A JP 2016100488A JP 2014237126 A JP2014237126 A JP 2014237126A JP 2014237126 A JP2014237126 A JP 2014237126A JP 2016100488 A JP2016100488 A JP 2016100488A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
dye
solar cell
sensitized solar
binding site
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014237126A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
直之 柴山
Naoyuki Shibayama
直之 柴山
山田 雄大
Takehiro Yamada
雄大 山田
荒川 裕則
Hironori Arakawa
裕則 荒川
弘宜 小澤
Hironobu Ozawa
弘宜 小澤
陽介 大山
Yosuke Oyama
陽介 大山
大下 浄治
Joji Oshita
浄治 大下
裕 播磨
Yutaka Harima
裕 播磨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo University of Science
Hiroshima University NUC
Toppan Inc
Original Assignee
Tokyo University of Science
Hiroshima University NUC
Toppan Printing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo University of Science, Hiroshima University NUC, Toppan Printing Co Ltd filed Critical Tokyo University of Science
Priority to JP2014237126A priority Critical patent/JP2016100488A/en
Publication of JP2016100488A publication Critical patent/JP2016100488A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor layer for a dye-sensitized solar cell, capable of increasing photoelectric conversion efficiency, and to provide a dye-sensitized solar cell.SOLUTION: A semiconductor layer 13 provided in a dye-sensitized solar cell 10 comprises a semiconductor having a surface including a first binding site and a second binding site, a first dye adsorbed on the surface and absorbing light in a first wavelength region, and a second dye adsorbed on the surface and absorbing light in a second wavelength region. The first binding site has chemical characteristics different from those of the second binding site. A sensitizing dye bound to the first binding site is contained in the first dye. A sensitizing dye bound to the second binding site is contained in the second dye. The first wavelength region is wider than the second wavelength region. The ratio of the amount of adsorption of the second dye to the amount of adsorption of the first dye is 0.5 or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、色素増感太陽電池に用いられる半導体層、および、この半導体層を備える色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a semiconductor layer used in a dye-sensitized solar cell, and a dye-sensitized solar cell including the semiconductor layer.

光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池の一種として、色素増感太陽電池が知られている。色素増感太陽電池は、互いに対向する2つの電極の間に、半導体層と電解質層とを備えている。半導体層は、増感色素が半導体表面に吸着することによって形成された層である。増感色素が光子を吸収すると、増感色素に含まれる電子は励起される。励起された電子は、半導体内部に注入されて半導体層に接続された電極から外部に取り出される。一方、電子を失った増感色素は、電解質層中の還元剤から電子を受け取り、これによって生じた電解質層中の酸化剤は、電解質層に接続された電極から電子を受け取ることによって還元される。こうした反応が繰り返されることによって、電力が生成される。   A dye-sensitized solar cell is known as a type of solar cell that converts light energy into electrical energy. The dye-sensitized solar cell includes a semiconductor layer and an electrolyte layer between two electrodes facing each other. The semiconductor layer is a layer formed by adsorbing a sensitizing dye on the semiconductor surface. When the sensitizing dye absorbs photons, the electrons contained in the sensitizing dye are excited. The excited electrons are injected into the semiconductor and taken out from the electrode connected to the semiconductor layer. On the other hand, the sensitizing dye that has lost electrons receives electrons from the reducing agent in the electrolyte layer, and the oxidant in the electrolyte layer generated thereby is reduced by receiving electrons from the electrode connected to the electrolyte layer. . By repeating such a reaction, electric power is generated.

太陽電池から効率よく電力を得るためには、光吸収率と光電変換効率とを高めることが重要である。太陽光には短波長領域から長波長領域まで様々な波長の光が含まれているため、色素増感太陽電池において高い光吸収率を実現するためには、増感色素として、できるだけ広範囲の波長領域の光を吸収する色素を用いることが望ましい。   In order to efficiently obtain power from the solar cell, it is important to increase the light absorption rate and the photoelectric conversion efficiency. Sunlight contains light of various wavelengths from the short wavelength region to the long wavelength region. Therefore, in order to achieve a high light absorption rate in a dye-sensitized solar cell, as a sensitizing dye, a wide range of wavelengths is possible. It is desirable to use a dye that absorbs the light in the region.

しかしながら、増感色素が吸収できる光のエネルギーは、色素に固有のバンドギャップエネルギー、すなわち、電子を基底状態(HOMO)から励起状態(LUMO)に遷移させるエネルギーであって、増感色素が吸収できる光の波長領域は、バンドギャップエネルギーに相当する特定の波長領域である。そして、現在のところ、太陽光に含まれる300nm〜1000nmの波長の光のすべてを効率よく吸収できる単一の増感色素は存在しない。それゆえ、単一種類の増感色素を用いる構成では、光吸収率の向上に限界がある。   However, the energy of light that can be absorbed by the sensitizing dye is the band gap energy inherent to the dye, that is, the energy that causes the electrons to transition from the ground state (HOMO) to the excited state (LUMO), and can be absorbed by the sensitizing dye. The wavelength region of light is a specific wavelength region corresponding to the band gap energy. At present, there is no single sensitizing dye that can efficiently absorb all of light having a wavelength of 300 nm to 1000 nm contained in sunlight. Therefore, in the configuration using a single type of sensitizing dye, there is a limit in improving the light absorption rate.

そこで、吸収可能な光の波長領域が互いに異なる複数種類の増感色素を用いた色素増感太陽電池が開発されている(例えば、特許文献1、非特許文献1〜3参照)。特に、非特許文献3には、半導体表面に結合する官能基である固定基が増感色素の種類間において互いに異なる構成が記載されている。複数種類の増感色素が同一の固定基を有する場合には、半導体表面における結合サイトへの増感色素の吸着競合が生じることが報告されているが、上記非特許文献3の構成によれば、複数種類の増感色素が半導体表面の互いに異なる結合サイトに結合するため、吸着競合が抑えられる。   Therefore, dye-sensitized solar cells using a plurality of types of sensitizing dyes having different wavelength ranges of light that can be absorbed have been developed (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 3). In particular, Non-Patent Document 3 describes a configuration in which a fixing group, which is a functional group bonded to a semiconductor surface, is different between types of sensitizing dyes. When multiple types of sensitizing dyes have the same fixing group, it has been reported that competition of adsorption of sensitizing dyes to binding sites on the semiconductor surface occurs. Since plural kinds of sensitizing dyes bind to different binding sites on the semiconductor surface, adsorption competition can be suppressed.

特許第4380779号明細書Japanese Patent No. 43807779

H. Ozawa, R. Shimizu and H. Arakawa., RSC.Adv., 2012, 2, 3198.H. Ozawa, R. Shimizu and H. Arakawa., RSC. Adv., 2012, 2, 3198. G. D. Sharma, M. S. Roy and Surya Prakash Shingh., J.Mater.Chem., 2012, 22, 18788.G. D. Sharma, M. S. Roy and Surya Prakash Shingh., J. Mater. Chem., 2012, 22, 18788. N. Shibayama, H. Ozawa, M. Abe, Y. Ooyama and H. Arakawa., Chem. Commun., 2014, 50, 6398.N. Shibayama, H. Ozawa, M. Abe, Y. Ooyama and H. Arakawa., Chem. Commun., 2014, 50, 6398.

しかしながら、複数種類の増感色素を1つの半導体層に混在させると、増感色素同士の間で電子の授受もしくは電子とホールとの再結合が生じたり、増感色素から半導体に受け渡された電子が別種の増感色素によって捕獲されたりする場合がある。こうした現象は、増感色素から電極に到達する電子を減少させ、その結果、吸収された光子から電流が得られる比率、すなわち、量子収率が低下して、光電変換効率の低下を招く。   However, when multiple types of sensitizing dyes are mixed in one semiconductor layer, electrons are transferred between the sensitizing dyes or recombination of electrons and holes occurs, or the sensitizing dyes are transferred from the sensitizing dye to the semiconductor. The electrons may be captured by another type of sensitizing dye. Such a phenomenon reduces the number of electrons that reach the electrode from the sensitizing dye, and as a result, the ratio at which a current is obtained from the absorbed photons, that is, the quantum yield, decreases, leading to a decrease in photoelectric conversion efficiency.

上記特許文献1に記載の色素増感太陽電池では、増感色素同士が上述のような強い相互作用を及ぼし合うことを抑えることのできる増感色素の組み合わせが提案されている。一方、増感色素間に働く相互作用については未解明な部分も多く、依然として、光電変換効率の向上の余地は残されている。   In the dye-sensitized solar cell described in Patent Document 1, a combination of sensitizing dyes capable of suppressing the sensitizing dyes from exerting the strong interaction as described above has been proposed. On the other hand, there are many unclear parts regarding the interaction between sensitizing dyes, and there is still room for improvement in photoelectric conversion efficiency.

例えば、複数種類の増感色素を用いる場合には、互いに異なる種類の増感色素間で色素の会合が生じることが報告されている。可視領域や近赤外領域までの波長領域の光を吸収する増感色素は、色素内におけるπ共役系が長く、さらに、環状構造を有するものが多い。上記非特許文献2には、こうした複数種類の増感色素を用いた場合に、半導体表面において色素の会合が生じることが記載されている。   For example, when a plurality of types of sensitizing dyes are used, it has been reported that association of dyes occurs between different types of sensitizing dyes. Many sensitizing dyes that absorb light in the wavelength region from the visible region to the near infrared region have a long π-conjugated system in the dye and have a cyclic structure. Non-Patent Document 2 describes that when such a plurality of types of sensitizing dyes are used, the association of the dyes occurs on the semiconductor surface.

そして、増感色素間で電荷移動が起こる構成では色素の会合が生じていることが示唆されるため、光電変換効率を向上させるうえでは、色素の会合を抑えることの可能な構成を有する半導体層の開発が望まれている。
本発明は、光電変換効率を高めることの可能な色素増感太陽電池用の半導体層、および、色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
In addition, since it is suggested that the association of the dye occurs in the structure in which charge transfer occurs between the sensitizing dyes, the semiconductor layer having a structure capable of suppressing the association of the dye in improving the photoelectric conversion efficiency. Development is desired.
An object of this invention is to provide the semiconductor layer for dye-sensitized solar cells which can improve a photoelectric conversion efficiency, and a dye-sensitized solar cell.

上記課題を解決するための半導体層は、第1の結合サイトと第2の結合サイトとを含む表面を有した半導体と、前記表面上に吸着し、かつ、第1の波長領域の光を吸収する第1の色素と、前記表面上に吸着し、かつ、第2の波長領域の光を吸収する第2の色素と、を備え、前記第1の結合サイトは、前記第2の結合サイトと異なる化学的な特性を有し、前記第1の結合サイトに結合した増感色素が、前記第1の色素に含まれ、前記第2の結合サイトに結合した増感色素が、前記第2の色素に含まれ、前記第1の波長領域が、前記第2の波長領域よりも広く、前記第1の色素の吸着量に対する前記第2の色素の吸着量の比率が、0.5以下である。   A semiconductor layer for solving the above-described problem is a semiconductor having a surface including a first binding site and a second binding site, and adsorbs on the surface and absorbs light in the first wavelength region. And a second dye that adsorbs on the surface and absorbs light in the second wavelength region, wherein the first binding site is the second binding site. A sensitizing dye having different chemical properties and bound to the first binding site is included in the first dye, and a sensitizing dye bound to the second binding site is the second binding site. It is contained in the dye, the first wavelength region is wider than the second wavelength region, and the ratio of the adsorption amount of the second dye to the adsorption amount of the first dye is 0.5 or less. .

上記課題を解決するための色素増感太陽電池は、上記半導体層と、電解質層と、第1電極と、前記第1電極と前記半導体層および前記電解質層を挟んで対向する第2電極と、を備える。
上記構成によれば、増感色素の会合が抑えられるため、増感色素間での不要な電荷移動が抑えられる。その結果、色素増感太陽電池における光電変換効率が高められる。
The dye-sensitized solar cell for solving the above problems includes the semiconductor layer, the electrolyte layer, the first electrode, the first electrode, the second electrode facing each other with the semiconductor layer and the electrolyte layer interposed therebetween, Is provided.
According to the above configuration, since the association of sensitizing dyes is suppressed, unnecessary charge transfer between sensitizing dyes can be suppressed. As a result, the photoelectric conversion efficiency in the dye-sensitized solar cell is increased.

上記色素増感太陽電池において、前記第1の結合サイトがブレンステッド酸サイトであり、前記第2の結合サイトがルイス酸サイトであり、前記第1の結合サイトに結合した増感色素は、前記ブレンステッド酸サイトとエステル結合を形成し、かつ、前記ルイス酸サイトと結合しない構造を有し、前記第2の結合サイトに結合した増感色素は、前記ルイス酸サイトに配位結合していることが好ましい。   In the dye-sensitized solar cell, the first binding site is a Bronsted acid site, the second binding site is a Lewis acid site, and the sensitizing dye bonded to the first binding site is The sensitizing dye that has an ester bond with the Bronsted acid site and does not bind to the Lewis acid site and is bonded to the second binding site is coordinated to the Lewis acid site. It is preferable.

上記構成によれば、第2の結合サイトとは結合しない構造を第1の結合サイトに結合する増感色素が有するため、この増感色素を第1の結合サイトに選択的に結合させることが半導体表面において容易である。
上記色素増感太陽電池において、前記第2の結合サイトに結合した増感色素は、前記ルイス酸サイトに配位結合するピリジン基を備えることが好ましい。
上記構成によれば、第2の結合サイトに結合する増感色素について、好ましい立体配座での半導体表面への結合が実現される。
According to the above configuration, since the sensitizing dye that binds to the first binding site has a structure that does not bind to the second binding site, the sensitizing dye can be selectively bound to the first binding site. Easy on the semiconductor surface.
In the dye-sensitized solar cell, the sensitizing dye bonded to the second binding site preferably includes a pyridine group that coordinates to the Lewis acid site.
According to the said structure, about the sensitizing dye couple | bonded with a 2nd binding site, the coupling | bonding to the semiconductor surface in a preferable conformation is implement | achieved.

上記色素増感太陽電池において、前記第1の色素は、ルテニウム錯体構造であってもよい。
上記構成によれば、ルテニウム錯体構造を増感色素として有する色素増感太陽電池において光電変換効率を高めることができる。
上記色素増感太陽電池において、前記第2の色素が有機色素であってもよい。
上記構成によれば、有機色素を増感色素として有する色素増感太陽電池において光電変換効率を高めることができる。
In the dye-sensitized solar cell, the first dye may have a ruthenium complex structure.
According to the said structure, a photoelectric conversion efficiency can be improved in the dye-sensitized solar cell which has a ruthenium complex structure as a sensitizing dye.
In the dye-sensitized solar cell, the second dye may be an organic dye.
According to the said structure, a photoelectric conversion efficiency can be improved in the dye-sensitized solar cell which has an organic dye as a sensitizing dye.

本発明によれば、色素増感太陽電池において、光電変換効率を高めることができる。   According to the present invention, photoelectric conversion efficiency can be increased in a dye-sensitized solar cell.

一実施形態の色素増感太陽電池の全体構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the dye-sensitized solar cell of one Embodiment. 一実施形態の色素増感太陽電池における動作原理を説明するためのエネルギー図である。It is an energy diagram for demonstrating the principle of operation in the dye-sensitized solar cell of one Embodiment. 実施例1、2、3および比較例1、3のIPCEスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the IPCE spectrum of Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1 and 3. FIG. 実施例4、5、6および比較例2、3のIPCEスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the IPCE spectrum of Examples 4, 5, and 6 and Comparative Examples 2 and 3.

図1および図2を参照して、色素増感太陽電池、および、この太陽電池に用いられる半導体層の一実施形態について説明する。   One embodiment of a dye-sensitized solar cell and a semiconductor layer used in the solar cell will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

[色素増感太陽電池の全体構成]
図1を参照して、色素増感太陽電池の全体構成について説明する。
図1に示されるように、色素増感太陽電池10は、第1基板11に支持された第1電極12と、第2基板16に支持されて第1電極12と対向する第2電極15との間に、複数種類の増感色素を有する半導体層13と、電解質層14とを備えている。半導体層13は第1電極12と接し、電解質層14は第2電極15と接し、第1電極12と第2電極15との間で半導体層13と電解質層14とが互いに接している。第1電極12は、半導体層13から受け取った電子を外部回路に供給する電極であり、色素増感太陽電池10から電子を取り出すための電極である。第2電極15は、外部回路から受け取った電子を電解質層14に受け渡す電極である。
[Overall configuration of dye-sensitized solar cell]
With reference to FIG. 1, the whole structure of a dye-sensitized solar cell is demonstrated.
As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell 10 includes a first electrode 12 supported by a first substrate 11, and a second electrode 15 supported by a second substrate 16 and facing the first electrode 12. In between, a semiconductor layer 13 having a plurality of types of sensitizing dyes and an electrolyte layer 14 are provided. The semiconductor layer 13 is in contact with the first electrode 12, the electrolyte layer 14 is in contact with the second electrode 15, and the semiconductor layer 13 and the electrolyte layer 14 are in contact with each other between the first electrode 12 and the second electrode 15. The first electrode 12 is an electrode that supplies electrons received from the semiconductor layer 13 to an external circuit, and is an electrode for taking out electrons from the dye-sensitized solar cell 10. The second electrode 15 is an electrode that delivers electrons received from an external circuit to the electrolyte layer 14.

上記構成では、第1基板11と第1電極12とが透明な材料から形成され、第1基板11に対して第1電極12側とは反対側から光Lが入射されることが好ましい。なお、第2基板16と第2電極15とが透明な材料から形成されて、第2基板16に対して第2電極15側とは反対側から光が入射されてもよい。あるいは、第1基板11および第1電極12と、第2基板16および第2電極15とが透明な材料から形成されて、第1基板11と第2基板16の両方からこれらの間へ光が入射されてもよい。   In the above configuration, it is preferable that the first substrate 11 and the first electrode 12 are formed of a transparent material, and the light L is incident on the first substrate 11 from the side opposite to the first electrode 12 side. The second substrate 16 and the second electrode 15 may be formed of a transparent material, and light may be incident on the second substrate 16 from the side opposite to the second electrode 15 side. Alternatively, the first substrate 11 and the first electrode 12, and the second substrate 16 and the second electrode 15 are formed of a transparent material, and light is transmitted from both the first substrate 11 and the second substrate 16 to these. It may be incident.

[増感色素の構成]
半導体層13が有する増感色素の詳細な構成について説明する。半導体層13が有する増感色素には、第1の色素である基本色素と、第2の色素である補助色素とが含まれる。
[Configuration of sensitizing dye]
The detailed structure of the sensitizing dye that the semiconductor layer 13 has will be described. The sensitizing dye included in the semiconductor layer 13 includes a basic dye that is a first dye and an auxiliary dye that is a second dye.

基本色素が吸収する光の波長領域の少なくとも一部は、補助色素が吸収する光の波長領域と異なり、かつ、基本色素が吸収する光の波長領域は、補助色素が吸収する光の波長領域よりも広い。そして、基底状態(HOMO)から励起状態(LUMO)への最小励起エネルギーは、基本色素と補助色素との間において十分な差を有していることが好ましい。具体的には、基本色素の最小励起エネルギーと補助色素の最小励起エネルギーは、0.172eV以上、好ましくは0.209eV以上の差を有していることが望ましい。   At least part of the wavelength range of light absorbed by the basic dye is different from the wavelength range of light absorbed by the auxiliary dye, and the wavelength range of light absorbed by the basic dye is greater than the wavelength range of light absorbed by the auxiliary dye. Is also wide. The minimum excitation energy from the ground state (HOMO) to the excited state (LUMO) preferably has a sufficient difference between the basic dye and the auxiliary dye. Specifically, it is desirable that the minimum excitation energy of the basic dye and the minimum excitation energy of the auxiliary dye have a difference of 0.172 eV or more, preferably 0.209 eV or more.

基本色素と補助色素とは、半導体層13を構成する半導体の互いに異なる結合サイトに結合することによって、電解質層14側の半導体表面に吸着している。こうした構成の実現のために、基本色素と補助色素とは、半導体表面に結合する官能基である固定基として、互いに異なる固定基を有している。基本色素は、固定基と、固定基以外の部分である基本構造とから構成され、基本色素の基本構造は固定基を通じて半導体に光感応性を付与する。補助色素は、固定基と、固定基以外の部分である基本構造とから構成され、補助色素の基本構造もまた固定基を通じて半導体に光感応性を付与する。そして、半導体表面上での基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率(モル比)は、0.5以下である。   The basic dye and the auxiliary dye are adsorbed on the semiconductor surface on the electrolyte layer 14 side by bonding to different bonding sites of the semiconductor constituting the semiconductor layer 13. In order to realize such a configuration, the basic dye and the auxiliary dye have different fixing groups as fixing groups which are functional groups bonded to the semiconductor surface. The basic dye is composed of a fixing group and a basic structure that is a part other than the fixing group, and the basic structure of the basic dye imparts photosensitivity to the semiconductor through the fixing group. The auxiliary dye is composed of a fixing group and a basic structure that is a part other than the fixing group, and the basic structure of the auxiliary dye also imparts photosensitivity to the semiconductor through the fixing group. The ratio (molar ratio) of the adsorbing amount of the auxiliary dye to the adsorbing amount of the basic dye on the semiconductor surface is 0.5 or less.

詳細には、基本色素は、固定基として、カルボキシル基またはホスホノ基を有し、なかでも、基本色素は、固定基としてカルボキシル基を有して、半導体表面とエステル結合を形成することが好ましい。補助色素は、固定基として、含窒素芳香族複素環式化合物基を有する。含窒素芳香族複素環式化合物基は、窒素を含む2種類以上の元素により構成された芳香族性を有する環式化合物基である。含窒素芳香族複素環式化合物基の具体例としては、ピリジン基、ピリダジン基、ピリミジン基、1、3、5−トリアジン基、イミダゾール基、ピラゾール基、チアゾール基、チアジアゾール基、トリアゾール基、1、8−ナフチリジン基、プリン基等が挙げられる。これらの化合物は、環内にイミン窒素(−C=N−)を有しているため、電子受容性を有する。なかでも、補助色素は、固定基として、ピリジン基を有していることが好ましい。   Specifically, the basic dye preferably has a carboxyl group or a phosphono group as a fixing group. Among them, the basic dye preferably has a carboxyl group as a fixing group to form an ester bond with the semiconductor surface. The auxiliary dye has a nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group as a fixing group. The nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group is a cyclic compound group having aromaticity composed of two or more elements containing nitrogen. Specific examples of the nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group include pyridine group, pyridazine group, pyrimidine group, 1,3,5-triazine group, imidazole group, pyrazole group, thiazole group, thiadiazole group, triazole group, 1, An 8-naphthyridine group, a purine group, etc. are mentioned. Since these compounds have an imine nitrogen (—C═N—) in the ring, they have an electron accepting property. Of these, the auxiliary dye preferably has a pyridine group as a fixing group.

基本色素は、MLCT(Metalto Ligand Charge Transfer)を引き起こす性質を有する錯体色素であり、補助色素は、分子内CT(Charge Transfer)の性質を有する有機色素であることが好ましい。CTは電荷移動遷移を意味し、MLCTは錯体色素の金属中心から配位子への電荷移動遷移を意味する。分子内CTは、主に分子内における電子供与性の基から、電子受容性の基への電荷移動遷移を意味する。   The basic dye is a complex dye having the property of causing MLCT (Metal Ligand Charge Transfer), and the auxiliary dye is preferably an organic dye having the property of intramolecular CT (Charge Transfer). CT means charge transfer transition, and MLCT means charge transfer transition from the metal center of the complex dye to the ligand. Intramolecular CT mainly means a charge transfer transition from an electron donating group to an electron accepting group in the molecule.

MLCTを引き起こす性質を有する錯体色素としては、ビピリジン錯体、ビキノリン錯体、テルピリジン錯体等のポリピリジン錯体が挙げられ、例えば、ブラックダイやN719などが好適である。また、ポルフィリン錯体等も用いることができる。   Examples of the complex dye having the property of causing MLCT include polypyridine complexes such as a bipyridine complex, a biquinoline complex, and a terpyridine complex. For example, black dye and N719 are preferable. A porphyrin complex or the like can also be used.

分子内CTの性質を有する有機色素としては、電子供与性の基と電子受容性の基とを有している分子を用いることが可能であり、電子供与性の基と電子受容性の基とが、直接または共役系を介して直線状に配置された芳香族共役系分子等が好適である。さらに、補助色素が半導体層13における半導体表面に吸着される際に、半導体層13側に電子受容性の基が配置され、電解質層14側に電子供与性の基が配置されると、色素から半導体層13内部への電子の移行に有利に作用するため、補助色素はこうした構造をもつ分子であることが好ましい。これは、分子内CTの性質を有する有機色素における電荷の移動経路ならびに移動方向が、MLCTを引き起こす無機錯体色素における電荷の移動経路ならびに移動方向と異なることに起因する。
以下、基本色素として用いられる具体的な材料、および、補助色素として用いられる具体的な材料について説明する。
As the organic dye having the property of intramolecular CT, a molecule having an electron donating group and an electron accepting group can be used. However, an aromatic conjugated molecule or the like arranged in a straight line directly or via a conjugated system is preferable. Further, when the auxiliary dye is adsorbed on the semiconductor surface in the semiconductor layer 13, if an electron-accepting group is arranged on the semiconductor layer 13 side and an electron-donating group is arranged on the electrolyte layer 14 side, The auxiliary dye is preferably a molecule having such a structure because it advantageously acts on the transfer of electrons into the semiconductor layer 13. This is because the charge transfer path and transfer direction in the organic dye having the property of intramolecular CT differ from the charge transfer path and transfer direction in the inorganic complex dye that causes MLCT.
Hereinafter, specific materials used as basic dyes and specific materials used as auxiliary dyes will be described.

基本色素としては、カルボキシル基(−COOH)を有する芳香族共役系分子が用いられることが好ましい。カルボキシル基は、半導体層13における半導体表面のブレンステッド酸サイトと脱水反応を経てエステル結合を形成する。ブレンステッド酸サイトは第1の結合サイトの一例である。   As the basic dye, an aromatic conjugated molecule having a carboxyl group (—COOH) is preferably used. The carboxyl group forms an ester bond through a dehydration reaction with a Bronsted acid site on the semiconductor surface in the semiconductor layer 13. The Bronsted acid site is an example of a first binding site.

基本色素は、芳香族共役系分子のなかでも、カルボキシル基を有するポリピリジン錯体であることが好ましい。ポリピリジン錯体としては、ビピリジン錯体、ビキノリン錯体、または、テルピリジン錯体を用いることができる。例えば、ビピリジン錯体の一種であるシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボン酸)ルテニウム(II)二テトラブチルアンモニウム錯体(通称:N719)は、増感色素としての性能に優れており、一般的に用いられている。また、ビピリジン錯体の一種であるシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボン酸)ルテニウム(II)(通称:N3)や、テルピリジン錯体の一種であるトリス(イソチオシアナト)(2,2’:6’,2”−テルピリジル−4,4’,4”−トリカルボン酸)ルテニウム(II)三テトラブチルアンモニウム錯体(通称:ブラックダイ)等を用いてもよい。   The basic dye is preferably a polypyridine complex having a carboxyl group among aromatic conjugated molecules. As the polypyridine complex, a bipyridine complex, a biquinoline complex, or a terpyridine complex can be used. For example, cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) ruthenium (II) ditetrabutylammonium complex (common name: N719), which is a kind of bipyridine complex, is a sensitizing dye. As a result, it is generally used. Further, cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) ruthenium (II) (common name: N3), which is a kind of bipyridine complex, and tris ( Isothiocyanato) (2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridyl-4,4 ′, 4 ″ -tricarboxylic acid) ruthenium (II) tritetrabutylammonium complex (common name: black dye) may be used.

下記化学式(1)として、シス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボン酸)ルテニウム(II)二テトラブチルアンモニウム錯体(N719)の構造式を示す。   As the following chemical formula (1), a structural formula of cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) ruthenium (II) ditetrabutylammonium complex (N719) is shown.

Figure 2016100488
Figure 2016100488

下記化学式(2)として、トリス(イソチオシアナト)(2,2’:6’,2”−テルピリジル−4,4’,4”−トリカルボン酸)ルテニウム(II)三テトラブチルアンモニウム錯体(ブラックダイ)の構造式を示す。   As shown in the following chemical formula (2), tris (isothiocyanato) (2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridyl-4,4 ′, 4 ″ -tricarboxylic acid) ruthenium (II) tritetrabutylammonium complex (black dye) The structural formula is shown.

Figure 2016100488
Figure 2016100488

基本色素は有機色素であってもよい。基本色素が有機色素である場合、有機色素におけるカルボキシル基は、電子受容性の基としても機能し、基本色素のエネルギー準位を考慮すると、カルボキシル基がシアノアクリレート基を構成していることが最も好ましい。   The basic dye may be an organic dye. When the basic dye is an organic dye, the carboxyl group in the organic dye also functions as an electron-accepting group, and considering the energy level of the basic dye, it is most likely that the carboxyl group constitutes a cyanoacrylate group. preferable.

補助色素としては、ローンペア(孤立電子対)を有する官能基として含窒素芳香族複素環式化合物基を備える芳香族共役系分子が用いられることが好ましい。補助色素が備える含窒素芳香族複素環式化合物基は、半導体層13における半導体表面のルイス酸サイトに配位結合によって結合する。ルイス酸サイトは第2の結合サイトの一例である。また、含窒素芳香族複素環式化合物基は、電子受容性の基として機能する。特に、半導体表面のルイス酸サイトと結合する際の立体配座の観点からは、補助色素は、含窒素芳香族複素環式化合物基としてピリジン基を有する芳香族共役系分子であることが好ましい。下記化学式(3)として、ピリジン基の構造式を示す。   As the auxiliary dye, an aromatic conjugated molecule having a nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group as a functional group having a loan pair (lone electron pair) is preferably used. The nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group provided in the auxiliary dye is bonded to the Lewis acid site on the semiconductor surface in the semiconductor layer 13 by a coordinate bond. The Lewis acid site is an example of a second binding site. The nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group functions as an electron-accepting group. In particular, the auxiliary dye is preferably an aromatic conjugated molecule having a pyridine group as a nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group from the viewpoint of the conformation at the time of bonding with the Lewis acid site on the semiconductor surface. A structural formula of a pyridine group is shown as the following chemical formula (3).

Figure 2016100488
Figure 2016100488

補助色素が有する電子供与性の基は、上記含窒素芳香族複素環式化合物基よりも電子供与性の高い基であれば特に制限はないが、補助色素は、電子供与性の基としてカルバゾール基を有することが好ましい。下記化学式(4)として、カルバゾール基の構造式を示す。化学式(4)において、R1からR7は、水素、または、C2n+1(nは1以上16以下の整数を示す)、もしくは、OC2n+1(nは1以上16以下の整数を示す)を示す。 The electron-donating group possessed by the auxiliary dye is not particularly limited as long as it has a higher electron-donating group than the nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group, but the auxiliary dye has a carbazole group as the electron-donating group. It is preferable to have. A structural formula of a carbazole group is shown as the following chemical formula (4). In the chemical formula (4), R1 to R7 are hydrogen or C n H 2n + 1 (n represents an integer of 1 to 16) or OC n H 2n + 1 (n represents an integer of 1 to 16) Indicates.

Figure 2016100488
Figure 2016100488

補助色素において、電子受容性の基と電子供与性の基の間に、連結基としてチオフェン基、オリゴチオフェン基、N−アルキルカルバゾール基、9,9−ジアルキルフルオレン基等の共役系の連結基が導入されていてもよい。共役系を有する連結基が導入されることによって、補助色素が吸収可能な光の波長領域を調整することができる。   In the auxiliary dye, a conjugated linking group such as a thiophene group, an oligothiophene group, an N-alkylcarbazole group, or a 9,9-dialkylfluorene group is provided as a linking group between the electron-accepting group and the electron-donating group. It may be introduced. By introducing a linking group having a conjugated system, the wavelength region of light that can be absorbed by the auxiliary dye can be adjusted.

連結基としてはチオフェン基が用いられることが好ましい。下記化学式(5)として、チオフェン基の構造式を示す。化学式(5)において、nは1以上10以下の整数を示し、aは1、2、0のいずれかを示し、Rxは水素またはC2n+1(nは1以上16以下の整数を示す)を示す。Rxは、2位または5位に結合することが好ましく、繰り返し構造のそれぞれに異なる物質が結合していてもよい。
なお、電子受容性の基と電子供与性の基とは、連結基を介さずに直接連結されていてもよい。
A thiophene group is preferably used as the linking group. The structural formula of the thiophene group is shown as the following chemical formula (5). In the chemical formula (5), n represents an integer of 1 to 10, a represents any of 1, 2, and 0 , Rx represents hydrogen or C n H 2n + 1 (n represents an integer of 1 to 16) Indicates. Rx is preferably bonded to the 2nd or 5th position, and different substances may be bonded to each of the repeating structures.
Note that the electron-accepting group and the electron-donating group may be directly linked without using a linking group.

Figure 2016100488
Figure 2016100488

補助色素の好適な例であるピリジン基を有する芳香族共役系分子としては、例えば、下記化学式(6)として示す構造式の化合物(通称:NI5)や、下記化学式(7)として示す構造式の化合物(通称:YNI−2)等が挙げられる。NI5は、例えば、参考文献1(Y. Ooyama, S. Inoue, T. Nagano, K. Kushimoto, J. Ohshita, I. Imae, K. Komaguchi and Y. Harima., Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 7429.)に記載されている。YNI−2は、例えば、参考文献2(Y. Ooyama, N. Yamaguchi, I. Imae, K. Komaguchi, J. Ohshita and Y. Harima., Chem. Commun., 2013, 49, 2548.)に記載されている。   As an aromatic conjugated system molecule having a pyridine group, which is a preferred example of the auxiliary dye, for example, a compound having a structural formula represented by the following chemical formula (6) (common name: NI5) or a structural formula represented by the following chemical formula (7) And a compound (common name: YNI-2). NI5 is described in, for example, Reference 1 (Y. Ooyama, S. Inoue, T. Nagano, K. Kushimoto, J. Ohshita, I. Imae, K. Komaguchi and Y. Harima., Angew. Chem. Int. Ed. , 2011, 50, 7429.). YNI-2 is described in, for example, Reference 2 (Y. Ooyama, N. Yamaguchi, I. Imae, K. Komaguchi, J. Ohshita and Y. Harima., Chem. Commun., 2013, 49, 2548.). Has been.

Figure 2016100488
Figure 2016100488

Figure 2016100488
Figure 2016100488

基本色素が吸収する光の波長領域は、補助色素が吸収する光の波長領域と互いに異なり、かつ、基本色素が吸収する光の波長領域が、補助色素が吸収する光の波長領域よりも広ければ、これらの色素の吸収波長領域は特に制限されない。基本色素と補助色素とは、基本色素の吸光度が不足する領域の光吸収を、補助色素が補助する関係にあればよい。例えば、基本色素として、広い吸収波長領域を有し、モル吸光係数の小さい色素が選択され、補助色素として、短波長領域に吸収波長領域を有し、モル吸光係数の大きい色素が選択される。   The wavelength range of light absorbed by the basic dye is different from the wavelength range of light absorbed by the auxiliary dye, and the wavelength range of light absorbed by the basic dye is wider than the wavelength range of light absorbed by the auxiliary dye. The absorption wavelength region of these dyes is not particularly limited. The basic dye and the auxiliary dye may be in a relationship in which the auxiliary dye assists light absorption in a region where the absorbance of the basic dye is insufficient. For example, a dye having a wide absorption wavelength region and a small molar absorption coefficient is selected as the basic dye, and a dye having an absorption wavelength region in the short wavelength region and a large molar absorption coefficient is selected as the auxiliary dye.

具体的には、基本色素としてブラックダイが用いられ、補助色素としてNI5やYNI−2が用いられる場合、IPCE(Incident Photon−to−current Conversion Efficiency)スペクトルによれば、ブラックダイの吸収ピーク波長が400nm以上の波長領域に存在し、吸収波長領域の長波長側末端が860nm付近にあることに対し、NI5やYNI−2の吸収ピーク波長は500nm以下の波長領域に存在し、吸収波長領域の長波長側末端は600nm付近にある。これは、これらの色素のバンドギャップエネルギーが大きく異なっていることを示している。バンドギャップエネルギーが大きく異なっていることは、色素間での電荷移動の抑制に寄与すると考えられる。
このように、増感色素として基本色素と補助色素との複数種類の色素を用いることにより、光吸収率が向上する。
Specifically, when a black dye is used as the basic dye and NI5 or YNI-2 is used as the auxiliary dye, according to the IPCE (Incident Photo-to-current Conversion Efficiency) spectrum, the absorption peak wavelength of the black dye is It exists in the wavelength region of 400 nm or more and the long wavelength side end of the absorption wavelength region is near 860 nm, whereas the absorption peak wavelength of NI5 or YNI-2 exists in the wavelength region of 500 nm or less, and the length of the absorption wavelength region The wavelength side end is in the vicinity of 600 nm. This indicates that the band gap energies of these dyes are greatly different. It is considered that the large difference in band gap energy contributes to suppression of charge transfer between dyes.
In this way, the light absorption rate is improved by using a plurality of types of dyes of the basic dye and the auxiliary dye as the sensitizing dye.

そして、こうした基本色素および補助色素が用いられる構成では、上述のように、半導体層13における半導体表面に対して、基本色素の固定基はブレンステッド酸サイトに選択的に単座もしくは多座で結合し、補助色素の固定基はルイス酸サイトと結合する。この際に、基本色素とそれの結合サイトとの間の結合構造と、補助色素とそれの結合サイトとの間の結合構造とが互いに異なる。そのため、これらの色素の共役系が強い相互作用を及ぼし合う程度にまで半導体表面で隣接することが、色素間において抑えられる。したがって、これらの色素が互いの光電変換性能を阻害することが抑えられる。そして、基本色素と補助色素との間においては、それが吸着する結合サイトの化学的な特性が互いに異なるため、これらの色素の吸着競合が抑えられ、単一の色素が用いられる場合よりも、半導体表面上に位置する色素の総吸着量を増加させることができる。その結果、光電変換効率が高められる。   In such a configuration in which the basic dye and the auxiliary dye are used, as described above, the fixing group of the basic dye selectively binds to the Bronsted acid site in a monodentate or multidentate manner with respect to the semiconductor surface in the semiconductor layer 13. The fixing group of the auxiliary dye is bonded to the Lewis acid site. At this time, the binding structure between the basic dye and its binding site is different from the binding structure between the auxiliary dye and its binding site. Therefore, it is suppressed between the dyes that the conjugated systems of these dyes are adjacent on the semiconductor surface to such an extent that they exert a strong interaction. Therefore, it is suppressed that these pigments inhibit each other's photoelectric conversion performance. And between the basic dye and the auxiliary dye, the chemical properties of the binding sites on which they adsorb are different from each other, so the adsorption competition of these dyes is suppressed, compared to the case where a single dye is used, It is possible to increase the total adsorption amount of the dye located on the semiconductor surface. As a result, the photoelectric conversion efficiency is increased.

また、化学的な特性が互いに異なる2つのサイト、すなわち、第1の結合サイトと第2の結合サイトとは、周期的な構造体である半導体の表面において、通常、所定の周期で交互に繰り返される。そのため、一方の種類の色素の各々は、他方の種類の色素間に介在しやすくなり、同一種類の色素の会合が抑制される。例えば、補助色素が基本色素同士の間に介在することによって、基本色素同士の会合が抑えられ、基本色素が補助色素同士の間に介在することによって、補助色素同士の会合が抑えられる。これにより、同一種類の色素間で不要な電荷移動が生じることが抑えられる。   In addition, two sites having different chemical characteristics, that is, the first binding site and the second binding site are normally repeated alternately at a predetermined cycle on the surface of the semiconductor that is a periodic structure. It is. Therefore, each of the one type of dye is likely to intervene between the other type of dye, and the association of the same type of dye is suppressed. For example, when the auxiliary dye is interposed between the basic dyes, the association between the basic dyes is suppressed, and when the basic dye is interposed between the auxiliary dyes, the association between the auxiliary dyes is suppressed. This suppresses unnecessary charge transfer between the same kind of dyes.

しかしながら、結合サイトとの結合様式が相互に異なったとしても、半導体表面上に位置する基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率が増加すると、基本色素と補助色素との距離が近くなり、基本色素と補助色素との異なる種類の色素間での色素の会合が生じ、結果として、光電変換効率の低下を招く。   However, even if the binding mode with the binding site is different from each other, if the ratio of the amount of adsorbed dye to the amount of adsorbed basic dye located on the semiconductor surface increases, the distance between the basic dye and the auxiliary dye becomes closer. As a result, dye association occurs between different types of dyes of the basic dye and the auxiliary dye, resulting in a decrease in photoelectric conversion efficiency.

詳細には、基本色素と補助色素との会合には、半導体表面に結合している色素同士の会合と、半導体表面に結合している色素と半導体表面に結合していない色素とが物理吸着を起こすことによって生じる会合とが含まれる。このうち、半導体表面に結合している色素同士の会合は、半導体表面への色素の吸着量の増加の結果として生じる現象であり、こうした色素の吸着量の増加による光電変換効率の向上効果に対して、色素の会合が光電変換効率に及ぼす影響は小さい。   Specifically, in the association between the basic dye and the auxiliary dye, the association between the dyes bonded to the semiconductor surface, and the dye bonded to the semiconductor surface and the dye not bonded to the semiconductor surface are physically adsorbed. And meetings that occur by waking up. Among these, the association between the dyes bound to the semiconductor surface is a phenomenon that occurs as a result of an increase in the amount of dye adsorbed on the semiconductor surface. Thus, the influence of dye association on the photoelectric conversion efficiency is small.

一方、基本色素の物質量に対する補助色素の物質量の比率が増加すると、半導体表面に結合している基本色素と半導体表面に結合していない補助色素との会合が生じる。この会合が生じている状態では、基本色素が光を吸収し励起した場合に、励起した電子が半導体層13内部に注入されることなく、基本色素と会合した補助色素に電子が受け渡されてこの補助色素から電解質層14へと電子が移動する現象が起こり、光電変換効率が著しく低下する。   On the other hand, when the ratio of the amount of the auxiliary dye to the amount of the basic dye increases, association between the basic dye bonded to the semiconductor surface and the auxiliary dye not bonded to the semiconductor surface occurs. In the state in which this association occurs, when the basic dye absorbs light and is excited, the excited electrons are not injected into the semiconductor layer 13, and the electrons are delivered to the auxiliary dye associated with the basic dye. A phenomenon occurs in which electrons move from the auxiliary dye to the electrolyte layer 14, and the photoelectric conversion efficiency is remarkably lowered.

これに対し、半導体表面上に位置する基本色素の吸着量と、補助色素の吸着量との比率が、基本色素の吸着量を1として補助色素の吸着量が0.5以下であると、半導体表面に結合している基本色素と半導体表面に結合していない補助色素との会合が抑えられる。なお、この吸着量には、半導体表面への化学吸着による色素の吸着量と、半導体表面上での色素への物理吸着による色素の吸着量とが含まれる。   On the other hand, if the ratio between the adsorption amount of the basic dye located on the semiconductor surface and the adsorption amount of the auxiliary dye is 1, the adsorption amount of the auxiliary dye is 0.5 or less when the basic dye adsorption amount is 1, The association between the basic dye bonded to the surface and the auxiliary dye not bonded to the semiconductor surface is suppressed. The amount of adsorption includes the amount of dye adsorbed by chemical adsorption on the semiconductor surface and the amount of dye adsorbed by physical adsorption on the semiconductor surface.

特に、上記比率が0.55を超える場合にあっては、光電変換効率の著しい低下が生じるが、上記比率が0.5以下であると、光電変換効率が向上することが確認されている。なお、半導体層13における色素の吸着量が上記比率を満たすとき、半導体表面に結合している補助色素と半導体表面に結合していない補助色素との会合も抑えられる。   In particular, when the ratio exceeds 0.55, the photoelectric conversion efficiency is significantly reduced. However, it has been confirmed that the photoelectric conversion efficiency is improved when the ratio is 0.5 or less. When the adsorption amount of the dye in the semiconductor layer 13 satisfies the above ratio, the association between the auxiliary dye bonded to the semiconductor surface and the auxiliary dye not bonded to the semiconductor surface can be suppressed.

このように、本発明者は、色素増感太陽電池の光電変換効率を低下させる要因として、互いに異なる種類の色素間での会合に着目し、こうした会合を抑制可能な色素の吸着量の比率を見出すことにより、複数種類の増感色素が用いられる色素増感太陽電池にてさらなる光電変換効率の向上を可能とした。   As described above, the present inventor paid attention to the association between different types of dyes as a factor for reducing the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell, and determined the ratio of the adsorption amount of the dye capable of suppressing such association. By finding out, it was possible to further improve the photoelectric conversion efficiency in a dye-sensitized solar cell using a plurality of types of sensitizing dyes.

[色素増感太陽電池の詳細構成]
色素増感太陽電池10における上述の増感色素以外の構成、および、色素増感太陽電池10の製造方法について、詳しく説明する。なお、以下では、第1基板11側から光が入射されることを前提として、第1基板11と第1電極12とが透明な材料から形成される構成について説明するが、上述のように、光の入射方向と基板および電極の構成とはこれに限られない。
[Detailed structure of dye-sensitized solar cell]
A configuration other than the above-described sensitizing dye in the dye-sensitized solar cell 10 and a method for manufacturing the dye-sensitized solar cell 10 will be described in detail. In the following, a configuration in which the first substrate 11 and the first electrode 12 are formed from a transparent material on the assumption that light is incident from the first substrate 11 side will be described. The light incident direction and the configuration of the substrate and the electrodes are not limited to this.

第1基板11は、光が透過しやすい材料から形成され、光が透過しやすい形状を有していれば、その構成は特に限定されず、第1基板11の材料としては種々の基板材料を用いることができるが、特に可視光の透過率が高い材料を用いることが好ましい。また、外部から侵入しようとする水分やガスを阻止する遮断性能が高く、耐溶剤性や耐候性に優れている材料がさらに好ましい。具体的には、第1基板11の材料としては、石英やガラス等の透明無機基板、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、または、ポリオレフィン類等の透明プラスチック基板が挙げられる。第1基板11の厚さは特に制限されず、光の透過率や、色素増感太陽電池10の内外を遮断する性能を考慮して、適宜選択されればよい。第1基板11、第2基板16は可撓性を有していてもよい。   The first substrate 11 is formed of a material that easily transmits light, and the configuration is not particularly limited as long as the first substrate 11 has a shape that easily transmits light. Although it can be used, it is particularly preferable to use a material having a high visible light transmittance. Further, a material that has a high blocking performance for blocking moisture and gas that tries to enter from the outside and that is excellent in solvent resistance and weather resistance is more preferable. Specifically, as the material of the first substrate 11, transparent inorganic substrates such as quartz and glass, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyvinylidene fluoride, acetyl cellulose, bromo Examples thereof include transparent plastic substrates such as modified phenoxy, aramids, polyimides, polystyrenes, polyarylates, polysulfones, and polyolefins. The thickness of the first substrate 11 is not particularly limited, and may be appropriately selected in consideration of the light transmittance and the performance of blocking the inside and outside of the dye-sensitized solar cell 10. The first substrate 11 and the second substrate 16 may have flexibility.

第1電極12の形成材料は、公知の透明導電性材料が使用可能であり、具体的には、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO(FTO)、酸化スズ(IV)SnO、酸化亜鉛(II)ZnO、または、インジウム−亜鉛複合酸化物(IZO)等が挙げられる。なお、第1電極12の形成材料は上記材料に限定されず、2種類以上の材料が組み合わされて用いられてもよい。第1電極12は、第1基板11の上面に、スパッタリング法等によって形成される。 As a material for forming the first electrode 12, a known transparent conductive material can be used. Specifically, indium-tin composite oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (IV) SnO 2 (FTO ), tin oxide (IV) SnO 2, zinc oxide (II) ZnO or indium - zinc oxide (IZO) and the like. In addition, the formation material of the 1st electrode 12 is not limited to the said material, Two or more types of materials may be combined and used. The first electrode 12 is formed on the upper surface of the first substrate 11 by a sputtering method or the like.

第1電極12の表面抵抗率は小さいほど好ましく、具体的には、表面抵抗率は、500Ω/□(Ω/sq.)以下であることが好ましく、100Ω/□以下であることがさらに好ましい。表面抵抗率は、三菱化学アナリテック社製のLoresta−GP(型番MCP−T610)を用いて測定した。この機器はJIS K7194−1994に準拠している。表面抵抗率の単位はΩ/□またはΩ/sq.で示されるが、実質的には、Ωである(□、sq.は無次元)。また、表面抵抗率は試験片の表面に沿って流れる電流と平行方向の電位傾度を、表面の単位幅当たりの電流で除した数値を意味する。この数値は、各辺1cmの正方形の相対する辺を電極とする二つの電極間の表面抵抗に等しいと、JIS K6911−1995に定義されている。   The surface resistivity of the first electrode 12 is preferably as small as possible. Specifically, the surface resistivity is preferably 500Ω / □ (Ω / sq.) Or less, and more preferably 100Ω / □ or less. The surface resistivity was measured using Loresta-GP (model number MCP-T610) manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech. This device complies with JIS K7194-1994. The unit of surface resistivity is Ω / □ or Ω / sq. Is substantially Ω (□ and sq. Are dimensionless). The surface resistivity means a numerical value obtained by dividing the potential gradient in the direction parallel to the current flowing along the surface of the test piece by the current per unit width of the surface. This numerical value is defined in JIS K6911-1995 to be equal to the surface resistance between two electrodes having opposite sides of a square of 1 cm on each side as electrodes.

なお、第1電極12は、電子取り出し路の抵抗を低減し、集電効率を向上させることを目的として、導電性の高い金属配線のパターニングによって形成されてもよい。金属配線の材料には特に制限はないが、耐食性や耐酸化性が高く、金属材料自体の漏れ電流の低い材料が用いられることが好ましい。また、耐食性が低い材料であっても、別途保護層を設けることによって、金属配線の材料として使用可能である。また、第1基板11からの暗電流の低減を目的として、第1電極12を構成する金属配線に各種の酸化物薄膜のバリア層を設けてもよい。   The first electrode 12 may be formed by patterning a highly conductive metal wiring for the purpose of reducing the resistance of the electron extraction path and improving the current collection efficiency. The material of the metal wiring is not particularly limited, but it is preferable to use a material having high corrosion resistance and oxidation resistance and low leakage current of the metal material itself. Further, even a material with low corrosion resistance can be used as a material for metal wiring by providing a separate protective layer. For the purpose of reducing dark current from the first substrate 11, various oxide thin film barrier layers may be provided on the metal wiring constituting the first electrode 12.

半導体層13は、半導体からなるベース層に増感色素が吸着された層である。ベース層としては、半導体微粒子を焼結させた多孔質膜が用いられることが好ましい。ベース層を構成する材料である半導体材料としては、シリコンに代表される単体半導体材料の他に、化合物半導体材料やペロブスカイト構造を有する材料等を用いることができる。これらの半導体材料は、光励起下で伝導帯電子がキャリアとなり、アノード電流を生じるn型半導体材料であることが好ましい。具体的には、半導体材料としては、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO)、酸化ニオブ(Nb)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、または、酸化スズ(SnO)が用いられることが好ましく、特に、アナターゼ型の酸化チタンが用いられることが好ましい。 The semiconductor layer 13 is a layer in which a sensitizing dye is adsorbed on a base layer made of a semiconductor. As the base layer, a porous film obtained by sintering semiconductor fine particles is preferably used. As a semiconductor material which is a material constituting the base layer, a compound semiconductor material, a material having a perovskite structure, or the like can be used in addition to a single semiconductor material typified by silicon. These semiconductor materials are preferably n-type semiconductor materials in which conduction band electrons become carriers under photoexcitation and generate an anode current. Specifically, as a semiconductor material, titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), or oxide Tin (SnO 2 ) is preferably used, and in particular, anatase type titanium oxide is preferably used.

なお、半導体材料は上記の材料に限定されず、この他にも、単独の半導体材料、もしくは、2種類以上を混合または複合化した半導体材料を用いることができる。また、半導体微粒子は粒状、チューブ状、棒状など必要に応じて様々な形態をとることが可能である。   Note that the semiconductor material is not limited to the above materials, and other than this, a single semiconductor material or a semiconductor material in which two or more kinds are mixed or combined can be used. Further, the semiconductor fine particles can take various forms such as a granular shape, a tube shape, and a rod shape as required.

ベース層の製膜方法に特に制限はないが、物性、利便性、製造コストなどを考慮すると、湿式による製膜方法が好ましい。具体的には、半導体微粒子の粉末あるいはゾルを水等の溶媒に均一に分散させたペースト状の分散液を調製し、この分散液を第1基板11に積層された第1電極12の上面に塗布または印刷する方法によってベース層が形成されることが好ましい。塗布方法または印刷方法に特に制限はなく、公知の方法が用いられればよい。例えば、塗布方法としては、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、または、グラビアコート法等を用いることが可能であり、湿式印刷方法としては、凸版印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、凹版印刷法、ゴム版印刷法、または、スクリーン印刷法等を用いることができる。   Although there is no restriction | limiting in particular in the film forming method of a base layer, When the physical property, the convenience, manufacturing cost, etc. are considered, the film forming method by a wet is preferable. Specifically, a paste-like dispersion liquid in which a powder or sol of semiconductor fine particles is uniformly dispersed in a solvent such as water is prepared, and this dispersion liquid is formed on the upper surface of the first electrode 12 laminated on the first substrate 11. The base layer is preferably formed by a method of applying or printing. There is no restriction | limiting in particular in the coating method or the printing method, What is necessary is just to use a well-known method. For example, as a coating method, a dip method, a spray method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, a gravure coating method, or the like can be used. A printing method, an offset printing method, a gravure printing method, an intaglio printing method, a rubber plate printing method, a screen printing method, or the like can be used.

分散液の調整に際して、半導体材料としてアナターゼ型の酸化チタンを用いる場合、酸化チタンとしては、粉末状、ゾル状、または、スラリー状の市販品を用いてもよいし、あるいは、酸化チタンアルコキシドを加水分解する等の公知の方法によって、所定の粒径の半導体微粒子を生成してもよい。市販の粉末を使用する際には、粒子の二次凝集を解消することが好ましく、分散液の調製時に、乳鉢やボールミル等を使用して粒子の粉砕を行うことが好ましい。このとき、二次凝集が解消された粒子が再度凝集するのを抑えるために、アセチルアセトン、塩酸、硝酸、界面活性剤、または、キレート剤等を分散液に添加してもよい。また、分散液の粘性を高めるために、ポリエチレンオキシドやポリビニルアルコールなどの高分子、あるいは、セルロース系の増粘剤等の各種増粘剤を分散液に添加してもよい。   When an anatase-type titanium oxide is used as a semiconductor material in preparing the dispersion, a commercially available product in the form of powder, sol, or slurry may be used as the titanium oxide, or a titanium oxide alkoxide may be added with water. Semiconductor fine particles having a predetermined particle diameter may be generated by a known method such as decomposition. When using a commercially available powder, it is preferable to eliminate secondary aggregation of the particles, and it is preferable to pulverize the particles using a mortar, ball mill, or the like when preparing the dispersion. At this time, acetylacetone, hydrochloric acid, nitric acid, a surfactant, a chelating agent, or the like may be added to the dispersion in order to prevent the particles from which secondary aggregation has been eliminated from aggregating again. In order to increase the viscosity of the dispersion, a polymer such as polyethylene oxide or polyvinyl alcohol, or various thickeners such as a cellulose-based thickener may be added to the dispersion.

半導体微粒子の粒径に特に制限はないが、一次粒子の平均粒径で1nm以上200nm以下であることが好ましく、5nm以上100nm以下であることが特に好ましい。また、ベース層に半導体微粒子よりも大きいサイズの粒子を混合することによって、入射光を散乱させ、量子収率を向上させることも可能である。この場合、別途混合する粒子の平均粒径は20nm以上500nm以下であることが好ましい。なお、平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて撮影した画像にて粒径を測定することによって算出した。   Although there is no restriction | limiting in particular in the particle size of semiconductor fine particle, It is preferable that they are 1 nm or more and 200 nm or less by average particle diameter of primary particles, and it is especially preferable that they are 5 nm or more and 100 nm or less. Further, by mixing particles having a size larger than the semiconductor fine particles in the base layer, it is possible to scatter incident light and improve the quantum yield. In this case, it is preferable that the average particle diameter of the separately mixed particles is 20 nm or more and 500 nm or less. The average particle size was calculated by measuring the particle size with an image taken using a scanning electron microscope (SEM).

ベース層は、多くの増感色素を吸着することができるように、多孔質膜内部の空孔に面する微粒子表面も含めた表面積である実表面積が大きいほど好ましい。ベース層を第1電極12の上に形成した状態での実表面積は、ベース層の外側表面の面積である投影面積に対して10倍以上であることが好ましく、さらに100倍以上であることが好ましい。この比には特に上限はないが、上述の材料および製法によって形成されたベース層では、投影面積に対して1000倍程度の実表面積を確保することが可能である。   The base layer is preferably as large as the actual surface area including the fine particle surface facing the pores inside the porous film so that a large amount of sensitizing dye can be adsorbed. The actual surface area in the state where the base layer is formed on the first electrode 12 is preferably 10 times or more, more preferably 100 times or more the projected area which is the area of the outer surface of the base layer. preferable. Although there is no particular upper limit to this ratio, the base layer formed by the above-described materials and manufacturing method can ensure an actual surface area of about 1000 times the projected area.

一般に、ベース層の厚みが増して、単位投影面積当たりに含まれる半導体微粒子の数が増加するほど、実表面積が増加し、単位投影面積に保持できる色素量が増加するため、光吸収率が高くなる。一方、ベース層の厚みが増加すると、増感色素から半導体層13内部に移行した電子が第1電極12に達するまでに拡散する距離が増加するため、半導体層13内部での電荷再結合による電子のロスも大きくなる。したがって、ベース層の厚さは、0.1μm以上100μm以下であることが好ましく、1μm以上50μm以下であることがより好ましく、3μm以上30μm以下であることが特に好ましい。なお、増感色素の吸着による半導体層13の厚さの増加は微小であるため、ベース層の厚さは半導体層13の厚さとみなすことができる。   In general, as the thickness of the base layer increases and the number of semiconductor fine particles contained per unit projected area increases, the actual surface area increases and the amount of dye that can be held in the unit projected area increases. Become. On the other hand, when the thickness of the base layer increases, the distance by which electrons transferred from the sensitizing dye to the inside of the semiconductor layer 13 diffuse until reaching the first electrode 12 increases. Therefore, electrons due to charge recombination inside the semiconductor layer 13 Loss also increases. Therefore, the thickness of the base layer is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less, more preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and particularly preferably 3 μm or more and 30 μm or less. Note that since the increase in the thickness of the semiconductor layer 13 due to adsorption of the sensitizing dye is minute, the thickness of the base layer can be regarded as the thickness of the semiconductor layer 13.

ベース層は、半導体微粒子同士を電気的に接続し、半導体層13の機械的強度を向上させ、半導体層13と第1電極12との密着性を向上させるために、半導体微粒子を含む分散液が第1電極12の上面に塗布または印刷された後に焼成されて形成されることが好ましい。焼成温度の範囲に特に制限はないが、第1電極12の電気抵抗、すなわち、表面抵抗率の増加と、第1電極12の溶融の虞とを低減するために、焼成温度は高すぎないことが好ましい。具体的には、焼成温度は、40℃以上700℃以下であることが好ましく、40℃以上650℃以下であることがより好ましい。また、焼成時間にも特に制限はないが、10分〜10時間程度であることが好ましい。   The base layer electrically connects the semiconductor fine particles, improves the mechanical strength of the semiconductor layer 13, and improves the adhesion between the semiconductor layer 13 and the first electrode 12. The first electrode 12 is preferably formed by being applied or printed on the upper surface and then baked. There is no particular limitation on the range of the firing temperature, but the firing temperature should not be too high in order to reduce the electrical resistance of the first electrode 12, that is, the increase in surface resistivity and the possibility of melting the first electrode 12. Is preferred. Specifically, the firing temperature is preferably 40 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and more preferably 40 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular also in baking time, It is preferable that it is about 10 minutes-10 hours.

焼成後、ベース層の実表面積を増加させたり、半導体微粒子間のネッキングを高めたりする目的で、例えば、四塩化チタン水溶液や直径10nm以下の酸化チタン超微粒子ゾルによるディップ処理を行ってもよい。   For example, a dip treatment with a titanium tetrachloride aqueous solution or a titanium oxide ultrafine particle sol having a diameter of 10 nm or less may be performed for the purpose of increasing the actual surface area of the base layer or increasing necking between semiconductor fine particles after firing.

第1基板11としてプラスチック基板が用いられる場合には、結着剤を含まないペースト状分散液を用いて第1電極12の上面に酸化チタン層を形成した後、加圧プレスによってベース層を形成してもよい。この方法は、例えば、参考文献3(T. Yamaguchi, N. Tobe, D. Matsumoto, T. Nagai and H. Arakawa., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 94 (2010), 812.)に記載されている。   When a plastic substrate is used as the first substrate 11, a titanium oxide layer is formed on the upper surface of the first electrode 12 using a paste-like dispersion liquid that does not contain a binder, and then a base layer is formed by a pressure press. May be. This method is described in, for example, Reference 3 (T. Yamaguchi, N. Tobe, D. Matsumoto, T. Nagai and H. Arakawa., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 94 (2010), 812.). Has been.

増感色素をベース層に吸着させる方法には、特に制限はないが、増感色素を溶媒に溶解させ、この色素溶液にベース層を浸漬するか、もしくは、ベース層に色素溶液を塗布して、ベース層に増感色素を吸着させることが好ましい。溶媒としては、例えば、アルコール類、ニトリル類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ジメチルスルホキシド、アミド類、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類、炭酸エステル類、ケトン類、炭化水素、THF(テトラヒドロフラン)、または、水等が挙げられる。   The method for adsorbing the sensitizing dye to the base layer is not particularly limited, but the sensitizing dye is dissolved in a solvent and the base layer is immersed in the dye solution, or the dye solution is applied to the base layer. The sensitizing dye is preferably adsorbed on the base layer. Examples of the solvent include alcohols, nitriles, nitromethane, halogenated hydrocarbons, ethers, dimethyl sulfoxide, amides, N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, esters, Examples thereof include carbonates, ketones, hydrocarbons, THF (tetrahydrofuran), and water.

また、色素同士の会合を減少させるために、上記色素溶液に共吸着剤が添加されてもよい。共吸着剤としては、例えば、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸塩、または、1−デクリルホスホン酸等を用いることが可能であり、ケノデオキシコール酸を用いることが好ましい。色素溶液中における共吸着剤の濃度は、一般的には10μM(M:mol/L)以上0.5M以下とされるが、0.3μM以上0.2M以下であることが好ましい。   In order to reduce association between the dyes, a co-adsorbent may be added to the dye solution. As the co-adsorbent, for example, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, taurodeoxycholic acid salt, 1-decylphosphonic acid or the like can be used, and chenodeoxycholic acid is preferably used. The concentration of the coadsorbent in the dye solution is generally 10 μM (M: mol / L) or more and 0.5 M or less, but preferably 0.3 μM or more and 0.2 M or less.

基本色素と補助色素との二種類の色素をベース層に吸着させる際には、第1工程として基本色素をベース層に吸着させた後、第2工程として補助色素をベース層に吸着させることが好ましい。ベース層が半導体材料として酸化チタンを含む場合、補助色素が有する含窒素芳香族複素環式化合物基は、チタニアの水酸基と水素結合を生じるため、補助色素の吸着を先に行うと、基本色素の吸着が阻害されやすい。また、補助色素は、一般的に、基本色素の約10倍の吸着速度を有するため、基本色素の吸着と補助色素の吸着とを同時に行うと、基本色素がブレンステッド酸サイトへ結合可能な状態であるにもかかわらず、先に半導体表面に結合した補助色素が空間的障害となって、基本色素が半導体表面に結合できなくなる場合がある。   When adsorbing two types of dyes, the basic dye and the auxiliary dye, to the base layer, the basic dye is adsorbed to the base layer as the first step, and then the auxiliary dye is adsorbed to the base layer as the second step. preferable. When the base layer contains titanium oxide as a semiconductor material, the nitrogen-containing aromatic heterocyclic compound group that the auxiliary dye has generates a hydrogen bond with the titania hydroxyl group. Adsorption is likely to be hindered. In addition, since the auxiliary dye generally has an adsorption rate about 10 times that of the basic dye, when the basic dye and the auxiliary dye are adsorbed simultaneously, the basic dye can bind to the Bronsted acid site. Nevertheless, the auxiliary dye previously bonded to the semiconductor surface may become a spatial obstacle, and the basic dye may not be bonded to the semiconductor surface.

ただし、半導体表面上における基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率を0.5以下にすることが可能であれば、基本色素と補助色素との吸着の手順は上述の手順に限定されない。   However, as long as the ratio of the adsorbing amount of the auxiliary dye to the adsorbing amount of the basic dye on the semiconductor surface can be 0.5 or less, the adsorption procedure of the basic dye and the auxiliary dye is not limited to the above procedure. .

電解質層14としては、電解液、または、ゲル状あるいは固体状の電解質を用いることができる。電解液としては、酸化還元系(レドックス対)を含む溶液が挙げられ、具体的には、ヨウ素(I)と金属または有機物のヨウ化物塩との組み合わせを含む溶液や、臭素(Br)と金属または有機物の臭化物塩との組み合わせを含む溶液が用いられる。金属塩を構成するカチオンは、リチウムイオン(Li)、ナトリウムイオン(Na)、カリウムイオン(K)、セシウムイオン(Cs)、マグネシウムイオン(Mg2+)、または、カルシウムイオン(Ca2+)等であり、有機物塩を構成するカチオンは、テトラアルキルアンモニウムイオン類、ピリジニウムイオン類、または、イミダゾリウムイオン類等の第4級アンモニウムイオンが好適であるが、カチオンの種類はこれらに限定されず、この他にも、単独で、もしくは2種類以上を混合して用いることができる。 As the electrolyte layer 14, an electrolytic solution or a gel or solid electrolyte can be used. Examples of the electrolytic solution include a solution containing a redox system (redox pair). Specifically, a solution containing a combination of iodine (I 2 ) and a metal or organic iodide salt, bromine (Br 2 ), or the like. And a solution containing a combination of metal and organic bromide salts. The cation constituting the metal salt is lithium ion (Li + ), sodium ion (Na + ), potassium ion (K + ), cesium ion (Cs + ), magnesium ion (Mg 2+ ), or calcium ion (Ca 2+). The cation constituting the organic salt is preferably a quaternary ammonium ion such as tetraalkylammonium ions, pyridinium ions, or imidazolium ions, but the type of cation is limited to these. In addition, it can be used alone or in combination of two or more.

上記の物質以外に、電解質として、フェロシアン酸塩とフェリシアン酸塩との組み合わせや、フェロセンとフェリシニウムイオンとの組み合わせ等の金属錯体、コバルト錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオールとアルキルジスルフィドとの組み合わせ等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノンとキノンとの組み合わせ等を用いることができる。   In addition to the above substances, as an electrolyte, a metal complex such as a combination of ferrocyanate and ferricyanate, a combination of ferrocene and ferricinium ion, cobalt complex, sodium polysulfide, alkylthiol and alkyldisulfide A sulfur compound such as a combination, a viologen dye, a combination of hydroquinone and quinone, or the like can be used.

電解質としては、特に、ヨウ素(I)と、ヨウ化リチウム(LiI)、ヨウ化ナトリウム(NaI)、または、イミダゾリウムヨーダイド等の第4級アンモニウム化合物とを組み合わせた電解質が用いられることが好ましい。 As the electrolyte, in particular, an electrolyte combining iodine (I 2 ) and a quaternary ammonium compound such as lithium iodide (LiI), sodium iodide (NaI), or imidazolium iodide is used. preferable.

電解質塩の濃度は、溶媒に対して、0.05M以上10M以下であることが好ましく、0.2M以上3M以下であることがさらに好ましい。ヨウ素(I)または臭素(Br)の濃度は、溶媒に対して、0.0005M以上1M以下であることが好ましく、0.001M以上0.5M以下であることがさらに好ましい。 The concentration of the electrolyte salt is preferably 0.05 M or more and 10 M or less, and more preferably 0.2 M or more and 3 M or less with respect to the solvent. The concentration of iodine (I 2 ) or bromine (Br 2 ) is preferably 0.0005 M or more and 1 M or less, and more preferably 0.001 M or more and 0.5 M or less with respect to the solvent.

電解質として、ヨウ素に代えてコバルト錯体を用いた場合、ヨウ素を用いる場合と比べ、金属の腐食が発生しにくくなるため、色素増感太陽電池10の内部に金属配線等を使用することができるようになる。   When a cobalt complex is used instead of iodine as an electrolyte, metal corrosion is less likely to occur than when iodine is used, so that metal wiring or the like can be used inside the dye-sensitized solar cell 10. become.

電解液を構成する溶媒としては、水、アルコール類、エーテル類、エステル類、炭酸エステル類、ラクトン類、カルボン酸エステル類、リン酸トリエステル類、複素環化合物類、ニトリル類、ケトン類、アミド類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、ジメチルスルホキシド、スルフォラン、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、または、炭化水素等が挙げられるが、溶媒はこれらに限定されない。溶媒としては、1種類の溶媒を単独で用いてもよいし、2種類以上の溶媒を混合して用いてもよい。また、溶媒として、テトラアルキル系、ピリジニウム系、イミダゾリウム系第4級アンモニウム塩の室温イオン性液体を用いることも可能である。また、電解質の漏洩を防ぐため、CuIに代表されるような固体の金属塩等を用いてもよい。 Solvents constituting the electrolyte include water, alcohols, ethers, esters, carbonates, lactones, carboxylic esters, phosphate triesters, heterocyclic compounds, nitriles, ketones, amides Nitromethane, halogenated hydrocarbons, dimethyl sulfoxide, sulfolane, N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, or hydrocarbons, but the solvent is not limited thereto. As the solvent, one type of solvent may be used alone, or two or more types of solvents may be mixed and used. Further, a room temperature ionic liquid of a tetraalkyl, pyridinium, or imidazolium quaternary ammonium salt may be used as the solvent. In order to prevent electrolyte leakage, a solid metal salt such as CuI 2 may be used.

また、色素増感太陽電池10の開放電圧や短絡電流を向上させる目的で、電解質層14には、4−tert−ブチルピリジンやベンズイミダゾリウム類等の各種添加剤が添加されてもよい。   Various additives such as 4-tert-butylpyridine and benzimidazoliums may be added to the electrolyte layer 14 for the purpose of improving the open circuit voltage and the short circuit current of the dye-sensitized solar cell 10.

色素増感太陽電池10からの電解液の漏液や、電解液を構成する溶媒の揮発を減少させる目的で、電解質構成物にゲル化剤、ポリマー、または、架橋モノマー等を溶解または分散させて混合し、ゲル状電解質として用いてもよい。ゲル化材料と電解質構成物の比率は、電解質構成物が多ければ、イオン導電率は高くなるが、機械的強度は低下する。逆に、電解質構成物が少なすぎると、機械的強度は大きくなるが、イオン導電率は低下する。このため、電解質構成物はゲル状電解質の50wt%以上99wt%以下であることが好ましく、80wt%以上97wt%以下であることがより好ましい。   In order to reduce the leakage of the electrolyte from the dye-sensitized solar cell 10 and the volatilization of the solvent constituting the electrolyte, a gelling agent, a polymer, or a crosslinking monomer is dissolved or dispersed in the electrolyte composition. They may be mixed and used as a gel electrolyte. As for the ratio of the gelling material to the electrolyte composition, the more the electrolyte composition, the higher the ionic conductivity, but the lower the mechanical strength. On the contrary, when there are too few electrolyte components, the mechanical strength increases, but the ionic conductivity decreases. For this reason, the electrolyte composition is preferably 50 wt% or more and 99 wt% or less of the gel electrolyte, and more preferably 80 wt% or more and 97 wt% or less.

また、電解質と可塑剤とをポリマーと混合した後、可塑剤を揮発させて除去することによって、電解質層14を固体とし、全固体型の色素増感太陽電池10を実現することも可能である。   It is also possible to realize the all-solid-state dye-sensitized solar cell 10 by mixing the electrolyte and the plasticizer with the polymer and then volatilizing and removing the plasticizer to make the electrolyte layer 14 a solid. .

第2電極15の材料としては、導電性材料であれば任意の材料を用いることができる。また、絶縁性材料が有する面のうち電解質層14に接する面に導電層が形成されている構成であれば、こうした材料を第2電極15として用いることもできる。ただし、第2電極15の材料としては、電気化学的に安定である材料を用いることが好ましく、具体的には、白金、金、カーボン、および、導電性ポリマー等を用いることが好ましい。   As a material of the second electrode 15, any material can be used as long as it is a conductive material. Further, such a material can be used as the second electrode 15 as long as the conductive layer is formed on the surface of the insulating material in contact with the electrolyte layer 14. However, as the material of the second electrode 15, it is preferable to use an electrochemically stable material. Specifically, it is preferable to use platinum, gold, carbon, a conductive polymer, or the like.

第2電極15での還元反応に対する触媒作用を向上させるために、第2電極15における電解質層14に接している面には、微細構造が形成され、第2電極15の実表面積が増大するように構成されていることが好ましい。例えば、第2電極15は、白金であれば白金黒の状態に、カーボンであれば多孔質カーボンの状態に形成されていることが好ましい。白金黒は、白金の陽極酸化法や塩化白金酸処理等によって形成することが可能であり、また、多孔質カーボンは、カーボン微粒子の焼結や有機ポリマーの焼成等の方法によって形成することができる。
第2基板16は、光を透過させなくてもよいため、材料として、不透明なガラス板、プラスチック板、セラミック板、または、金属板を使用してもよい。
In order to improve the catalytic action for the reduction reaction at the second electrode 15, a fine structure is formed on the surface of the second electrode 15 in contact with the electrolyte layer 14 so that the actual surface area of the second electrode 15 increases. It is preferable that it is comprised. For example, the second electrode 15 is preferably formed in a platinum black state if platinum, or in a porous carbon state if carbon. Platinum black can be formed by anodization of platinum, chloroplatinic acid treatment, etc., and porous carbon can be formed by methods such as sintering of carbon fine particles and baking of organic polymers. .
Since the second substrate 16 may not transmit light, an opaque glass plate, plastic plate, ceramic plate, or metal plate may be used as the material.

なお、透明な基板を第2基板16として用い、第2基板16の上面に透明導電層を形成し、その上に酸化還元触媒作用の高い白金などの金属による配線を形成するか、あるいは、表面を塩化白金酸処理することによって、第2電極15を透明な電極として用いることもできる。   A transparent substrate is used as the second substrate 16, a transparent conductive layer is formed on the upper surface of the second substrate 16, and a wiring made of a metal such as platinum having a high oxidation-reduction catalytic action is formed on the transparent substrate. The second electrode 15 can also be used as a transparent electrode by treating chloroplatinic acid.

上述の各部材を組み付けて色素増感太陽電池10を形成する方法は特に限定されない。電解質層14が液状である場合、または、液状の電解質を導入し、色素増感太陽電池10の内部で電解質層14をゲル化させる場合には、電解質層14以外の部材が組み付けられた状態でその周囲が封止され、設けられた注入口から電解液が注入される方法によって、色素増感太陽電池10が形成されることが好ましい。   The method for forming the dye-sensitized solar cell 10 by assembling the above-described members is not particularly limited. When the electrolyte layer 14 is liquid, or when a liquid electrolyte is introduced and the electrolyte layer 14 is gelled inside the dye-sensitized solar cell 10, a member other than the electrolyte layer 14 is assembled. It is preferable that the dye-sensitized solar cell 10 is formed by a method in which the periphery is sealed and the electrolytic solution is injected from the provided inlet.

例えば、第1基板11と第1電極12と半導体層13との積層体と、第2基板16と第2電極15との積層体を、半導体層13と第2電極15とが互いに接しないように適当な間隙をあけて対向させ、半導体層13の外側の領域で第1基板11と第2基板16とを貼り合わせて封止する。半導体層13と第2電極15との間の間隙の大きさに特に制限はないが、各部材の積層方向における上記間隙の大きさは、1μm以上100μm以下であることが好ましく、1μm以上50μm以下であることが好ましい。この間隙の大きさが大きすぎると、導電率が低下し、生成される電流が減少する。   For example, in the stacked body of the first substrate 11, the first electrode 12, and the semiconductor layer 13 and the stacked body of the second substrate 16 and the second electrode 15, the semiconductor layer 13 and the second electrode 15 are not in contact with each other. The first substrate 11 and the second substrate 16 are bonded and sealed in a region outside the semiconductor layer 13 with an appropriate gap therebetween. The size of the gap between the semiconductor layer 13 and the second electrode 15 is not particularly limited, but the size of the gap in the stacking direction of each member is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, and 1 μm or more and 50 μm or less. It is preferable that If the size of the gap is too large, the electrical conductivity is lowered and the generated current is reduced.

封止材の材料は特に制限されないが、耐光性、絶縁性、防湿性を備えた材料が好ましく、種々の溶接法、エポキシ樹脂、紫外線硬化樹脂、アクリル樹脂、ポリイソブチレン樹脂、EVA(エチレンビニルアセテート)、アイオノマー樹脂、セラミック、または、各種熱融着樹脂等を用いることができる。また、注入口を設ける位置は、半導体層13上と半導体層13に対向する第2電極15上でなければ、特に限定されない。   The material of the sealing material is not particularly limited, but a material having light resistance, insulation, and moisture resistance is preferable. Various welding methods, epoxy resin, ultraviolet curable resin, acrylic resin, polyisobutylene resin, EVA (ethylene vinyl acetate) ), Ionomer resin, ceramic, or various heat-sealing resins. The position where the injection port is provided is not particularly limited as long as it is not on the semiconductor layer 13 and the second electrode 15 facing the semiconductor layer 13.

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

また、電解質層14が、ポリマーなどを用いてゲル化された電解質や、全固体型の電解質である場合、電解質と可塑剤とを含むポリマー溶液を、半導体層13の上面にキャスト法等によって塗布する。その後、可塑剤を揮発させて完全に除去した後、上述の方法と同様に、第2基板16および第2電極15と貼り合わせ、封止材によって封止する。この封止は、真空シーラーなどを用いて、不活性ガス雰囲気下、もしくは、減圧中で行うことが好ましい。封止を行った後、電解質層14の電解液が半導体層13に十分に浸透するように、必要に応じて加熱や加圧の操作を行ってもよい。
なお、色素増感太陽電池10の外形は、その用途に応じて様々な形状に作製することが可能であり、その形状は特に限定されない。
When the electrolyte layer 14 is an electrolyte gelled using a polymer or the like, or an all solid electrolyte, a polymer solution containing an electrolyte and a plasticizer is applied to the upper surface of the semiconductor layer 13 by a casting method or the like. To do. Thereafter, after the plasticizer is volatilized and completely removed, the second substrate 16 and the second electrode 15 are bonded together and sealed with a sealing material in the same manner as described above. This sealing is preferably performed using a vacuum sealer or the like in an inert gas atmosphere or in a reduced pressure. After sealing, heating and pressurizing operations may be performed as necessary so that the electrolyte solution of the electrolyte layer 14 sufficiently permeates the semiconductor layer 13.
In addition, the external shape of the dye-sensitized solar cell 10 can be produced in various shapes depending on the application, and the shape is not particularly limited.

[色素増感太陽電池の動作]
図2を参照して、色素増感太陽電池10の動作原理を説明する。なお、図2は、第1基板11および第1電極12としてITO−PENフィルムを用い、半導体層13の材料として酸化チタンTiOを用い、電解質層14に含まれるレドックス対としてI/I の酸化還元種を用いることを想定したエネルギー図である。
[Operation of dye-sensitized solar cell]
The operation principle of the dye-sensitized solar cell 10 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, ITO-PEN film is used as the first substrate 11 and the first electrode 12, titanium oxide TiO 2 is used as the material of the semiconductor layer 13, and I / I 3 is used as a redox pair contained in the electrolyte layer 14. It is an energy diagram on the assumption that a redox species of is used.

第1基板11、第1電極12、および、半導体層13を透過してきた光子を増感色素が吸収すると、増感色素中の電子が基底状態(HOMO)から励起状態(LUMO)へ励起される。この際、色素増感太陽電池10は、増感色素として基本色素と補助色素とを備えるため、増感色素が単一の色素である色素増感太陽電池に比べて、より広い波長領域の光をより高い光吸収率で吸収することができる。   When the sensitizing dye absorbs the photons transmitted through the first substrate 11, the first electrode 12, and the semiconductor layer 13, the electrons in the sensitizing dye are excited from the ground state (HOMO) to the excited state (LUMO). . At this time, since the dye-sensitized solar cell 10 includes the basic dye and the auxiliary dye as the sensitizing dye, light in a wider wavelength region than the dye-sensitized solar cell in which the sensitizing dye is a single dye. Can be absorbed at a higher light absorption rate.

励起状態の電子は、増感色素と半導体層13を構成する半導体との間の電気的結合を介して、上記半導体の伝導帯に引き出され、半導体層13を通って第1電極12に到達する。この際、増感色素に含まれる基本色素と補助色素とが、半導体表面の互いに異なる結合サイトに結合しており、さらに、半導体表面に結合している基本色素と半導体表面に結合していない補助色素との会合が抑えられることによって、これらの色素が互いの量子収率を低下させることが抑えられ、電流の発生量が大きく向上して、光電変換効率が高められる。   Excited electrons are drawn to the conduction band of the semiconductor through electrical coupling between the sensitizing dye and the semiconductor constituting the semiconductor layer 13, and reach the first electrode 12 through the semiconductor layer 13. . At this time, the basic dye and the auxiliary dye contained in the sensitizing dye are bonded to different binding sites on the semiconductor surface, and further, the basic dye bonded to the semiconductor surface and the auxiliary not bonded to the semiconductor surface. By suppressing the association with the dye, these dyes can be prevented from decreasing the quantum yield of each other, the amount of current generated is greatly improved, and the photoelectric conversion efficiency is increased.

電流−電圧曲線測定時において、電圧値を徐々に上昇させることによって、半導体層13のフェルミ準位が増感色素のLUMO側へ移動し、半導体層13のフェルミ準位と増感色素のLUMOの準位が近くなる。その結果、半導体層13から電解質層14へと電子が移動し、徐々に電流値が低下する。これは、半導体層13から電解質層14への電子移動が起きやすくなるためである。本実施形態の色素増感太陽電池10においては、2種類の色素を用いることにより、半導体層13における半導体表面に吸着する増感色素の量を増やすことができるため、半導体層13から電解質層14への電子の移動を抑制することができる。これにより、電圧値とフィルファクターを向上させることができる。   When the current-voltage curve is measured, by gradually increasing the voltage value, the Fermi level of the semiconductor layer 13 moves to the LUMO side of the sensitizing dye, and the Fermi level of the semiconductor layer 13 and the LUMO of the sensitizing dye are changed. The level becomes closer. As a result, electrons move from the semiconductor layer 13 to the electrolyte layer 14, and the current value gradually decreases. This is because electron transfer from the semiconductor layer 13 to the electrolyte layer 14 easily occurs. In the dye-sensitized solar cell 10 of this embodiment, the amount of the sensitizing dye adsorbed on the semiconductor surface in the semiconductor layer 13 can be increased by using two kinds of dyes. The movement of electrons to can be suppressed. Thereby, a voltage value and a fill factor can be improved.

一方、電子を失った増感色素は、電解質層14中の還元剤、例えばIから下記の反応によって電子を受け取り、電解質層14中に酸化剤、例えばI (IとIとの結合体)を生成させる。
2I → I+ 2e
+ I→ I
On the other hand, the sensitizing dye that has lost electrons receives electrons from the reducing agent in the electrolyte layer 14, such as I −, by the following reaction, and oxidants such as I 3 (I 2 and I and To form a conjugate).
2I → I 2 + 2e
I 2 + I → I 3

その結果生じた酸化剤は、拡散によって第2電極15に到達し、上記の反応の逆反応である下記の反応によって第2電極15から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
→ I + I
+ 2e→ 2I
The resulting oxidizing agent reaches the second electrode 15 by diffusion, receives electrons from the second electrode 15 by the following reaction, which is the reverse reaction of the above reaction, and is reduced to the original reducing agent.
I 3 → I 2 + I
I 2 + 2e → 2I

第1電極12から外部回路へ供給された電子は、外部回路で電気的仕事をした後、第2電極15に送られる。このようにして、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。   The electrons supplied from the first electrode 12 to the external circuit are sent to the second electrode 15 after performing electrical work in the external circuit. In this way, light energy is converted into electrical energy.

上述した色素増感太陽電池について、具体的な実施例および比較例を用いて説明する。
(実施例1)
前掲した参考文献3に記載の手順に準じて、表面抵抗20Ω/□のITO−PENフィルムを第1基材および第1電極として用い、このフィルム上に、膜厚約4μmの酸化チタンからなる半導体層のベース層を形成した。
The dye-sensitized solar cell described above will be described using specific examples and comparative examples.
Example 1
In accordance with the procedure described in Reference 3 described above, an ITO-PEN film having a surface resistance of 20Ω / □ is used as the first base material and the first electrode, and a semiconductor made of titanium oxide having a thickness of about 4 μm is formed on the film. A base layer of layers was formed.

基本色素として、十分に精製したトリス(イソチオシアナト)(2,2’:6’,2”−テルピリジル−4,4’,4”−トリカルボン酸)ルテニウム(II)三テトラブチルアンモニウム錯体(ブラックダイ)を用い、ブラックダイと共吸着剤としてのデオキシコール酸(DCA)とを50mlの1-プロパノールに溶解させ、ブラックダイの濃度が0.2mM、DCAの濃度が20mMの色素溶液Aを調整した。
また、補助色素としてNI5(上記化学式(6)参照)を50mlの1-プロパノールに溶解させ、NI5の濃度が0.3mMの色素溶液B1を調製した。
Fully purified tris (isothiocyanato) (2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridyl-4,4 ′, 4 ″ -tricarboxylic acid) ruthenium (II) tritetrabutylammonium complex (black dye) as a basic dye The dye solution A was prepared by dissolving black dye and deoxycholic acid (DCA) as a coadsorbent in 50 ml of 1-propanol to prepare a black dye concentration of 0.2 mM and a DCA concentration of 20 mM.
Further, NI5 (see the above chemical formula (6)) as an auxiliary dye was dissolved in 50 ml of 1-propanol to prepare a dye solution B1 having a NI5 concentration of 0.3 mM.

半導体層のベース層を色素溶液Aに室温下で24時間浸漬し、基本色素をベース層に吸着させた。このベース層を常温乾燥後、さらに色素溶液B1に10分間浸漬し、補助色素をベース層に吸着させて半導体層を形成した。これにより、第1基材と第1電極と半導体層とからなる色素増感太陽電池用の光電極を得た。作製した光電極については、FT−IRを用いて、ブラックダイとNI5とが同時に吸着されていることを確認した。   The base layer of the semiconductor layer was immersed in the dye solution A at room temperature for 24 hours to adsorb the basic dye to the base layer. The base layer was dried at room temperature, and further immersed in the dye solution B1 for 10 minutes to adsorb the auxiliary dye to the base layer to form a semiconductor layer. This obtained the photoelectrode for dye-sensitized solar cells which consists of a 1st base material, a 1st electrode, and a semiconductor layer. About the produced photoelectrode, it confirmed that the black die and NI5 were adsorb | sucked simultaneously using FT-IR.

第2基板として、FTOガラス(日本板硝子社製)を用い、このFTOガラスのFTO層上に、スパッタ法を用いて第2電極としてのPt層を形成した。この際、用いたスパッタ条件は、60W、4sccm、0.6Pa、60minである。   As the second substrate, FTO glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) was used, and a Pt layer as a second electrode was formed on the FTO layer of this FTO glass using a sputtering method. At this time, the sputtering conditions used were 60 W, 4 sccm, 0.6 Pa, and 60 min.

電解質層を構成する電解液としては、0.05Mのヨウ素と、0.1Mのヨウ化リチウムと、0.6Mのジメチルプロピルイミダゾリウムヨウ素塩と、0.3Mのtert-ブチルピリジンとをアセトニトリルに溶解させた溶液を用いた。
作製した光電極の半導体層と第2電極とを対向配置して、両極間に電解液を注入し、クリップで挟みこんで実施例1の色素増感太陽電池を得た。
(実施例2)
ベース層の色素溶液B1への浸漬時間を15分間に変更した以外は、実施例1と同様の手順で実施例2の色素増感太陽電池を得た。
(実施例3)
ベース層の色素溶液B1への浸漬時間を30分間に変更した以外は、実施例1と同様の手順で実施例3の色素増感太陽電池を得た。
As an electrolytic solution constituting the electrolyte layer, 0.05M iodine, 0.1M lithium iodide, 0.6M dimethylpropylimidazolium iodine salt, and 0.3M tert-butylpyridine in acetonitrile. The dissolved solution was used.
The prepared semiconductor layer of the photoelectrode and the second electrode were placed facing each other, an electrolyte solution was injected between both electrodes, and sandwiched between clips to obtain a dye-sensitized solar cell of Example 1.
(Example 2)
A dye-sensitized solar cell of Example 2 was obtained in the same procedure as in Example 1 except that the immersion time of the base layer in the dye solution B1 was changed to 15 minutes.
(Example 3)
A dye-sensitized solar cell of Example 3 was obtained in the same procedure as in Example 1 except that the immersion time of the base layer in the dye solution B1 was changed to 30 minutes.

(実施例4)
補助色素として、NI5に代えて、YNI−2(上記化学式(7)参照)を50mlの1-プロパノールに溶解させ、YNI−2の濃度が0.3mMの色素溶液B2を得た。
色素溶液B1に代えて色素溶液B2を用いた点を除き、実施例1と同様の手順で実施例4の色素増感太陽電池を得た。
(実施例5)
ベース層の色素溶液B2への浸漬時間を15分間に変更した以外は、実施例4と同様の手順で実施例5の色素増感太陽電池を得た。
(実施例6)
ベース層の色素溶液B2への浸漬時間を30分間に変更した以外は、実施例4と同様の手順で実施例6の色素増感太陽電池を得た。
Example 4
As an auxiliary dye, instead of NI5, YNI-2 (see the above chemical formula (7)) was dissolved in 50 ml of 1-propanol to obtain a dye solution B2 having a YNI-2 concentration of 0.3 mM.
A dye-sensitized solar cell of Example 4 was obtained in the same procedure as Example 1 except that the dye solution B2 was used instead of the dye solution B1.
(Example 5)
A dye-sensitized solar cell of Example 5 was obtained in the same procedure as Example 4 except that the immersion time of the base layer in the dye solution B2 was changed to 15 minutes.
(Example 6)
The dye-sensitized solar cell of Example 6 was obtained in the same procedure as in Example 4 except that the immersion time of the base layer in the dye solution B2 was changed to 30 minutes.

(比較例1)
ベース層の色素溶液B1への浸漬時間を1時間に変更した以外は、実施例1と同様の手順で比較例1の色素増感太陽電池を得た。
(比較例2)
ベース層の色素溶液B2への浸漬時間を1時間に変更した以外は、実施例4と同様の手順で比較例2の色素増感太陽電池を得た。
(比較例3)
ベース層を色素溶液Aに室温下で24時間浸漬し、常温乾燥後、光電極を得た。ベース層に基本色素のみを吸着させた以外は、実施例1と同様の手順で比較例3の色素増感太陽電池を得た。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell of Comparative Example 1 was obtained in the same procedure as in Example 1 except that the immersion time of the base layer in the dye solution B1 was changed to 1 hour.
(Comparative Example 2)
A dye-sensitized solar cell of Comparative Example 2 was obtained in the same procedure as in Example 4 except that the immersion time of the base layer in the dye solution B2 was changed to 1 hour.
(Comparative Example 3)
The base layer was immersed in the dye solution A at room temperature for 24 hours and dried at room temperature to obtain a photoelectrode. A dye-sensitized solar cell of Comparative Example 3 was obtained in the same procedure as Example 1 except that only the basic dye was adsorbed on the base layer.

<評価方法>
各実施例および各比較例の色素増感太陽電池について、擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm)照射時における開放電圧、電流−電圧曲線における短絡電流、フィルファクター、および、光電変換効率を測定および算出した。フィルファクターとは、形状因子ともいい、太陽電池の特性を示すパラメータの1つである。理想的な光電変換装置の電流電圧曲線では、開放電圧と同じ大きさの一定の出力電圧が、出力電流が短絡電流と同じ大きさに達するまで維持されるが、実際の太陽電池の電流電圧曲線は、内部抵抗があるため、理想的な電流電圧曲線からはずれた形になる。実際の電流電圧曲線における最大出力(電圧×電流の最大値)の、理想的な電流電圧曲線の最大出力である開放電圧と短絡電流との積に対する比を、フィルファクターという。フィルファクターは、理想的な電流電圧曲線からのずれの度合いを示すもので、実際の光電変換効率を算出する時に用いられる。
<Evaluation method>
About the dye-sensitized solar cell of each Example and each comparative example, the open circuit voltage at the time of irradiation with pseudo sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ), the short circuit current in the current-voltage curve, the fill factor, and the photoelectric conversion efficiency Were measured and calculated. The fill factor is also called a shape factor and is one of the parameters indicating the characteristics of the solar cell. In an ideal photoelectric conversion device current-voltage curve, a constant output voltage of the same magnitude as the open circuit voltage is maintained until the output current reaches the same magnitude as the short-circuit current, but the actual solar cell current-voltage curve. Since there is an internal resistance, the shape deviates from the ideal current-voltage curve. The ratio of the maximum output (voltage x current maximum value) in the actual current-voltage curve to the product of the open-circuit voltage and the short-circuit current, which is the maximum output of the ideal current-voltage curve, is called a fill factor. The fill factor indicates the degree of deviation from an ideal current-voltage curve, and is used when calculating actual photoelectric conversion efficiency.

また、各実施例および各比較例の半導体層について、半導体層における基本色素および補助色素の吸着量を前掲の非特許文献3に記載の方法を用いて測定し、半導体層におけるこれらの色素の吸着量の比率を算出した。   Further, with respect to the semiconductor layers of the examples and comparative examples, the adsorption amounts of the basic dye and the auxiliary dye in the semiconductor layer were measured using the method described in Non-Patent Document 3 described above, and the adsorption of these dyes in the semiconductor layer. The amount ratio was calculated.

<評価結果>
各実施例および各比較例の評価結果を表1および表2に示す。表1には、開放電圧、短絡電流、フィルファクター、および、光電変換効率の測定結果を示し、表2には、基本色素と補助色素との吸着量、および、基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率を示す。
<Evaluation results>
The evaluation results of each Example and each Comparative Example are shown in Table 1 and Table 2. Table 1 shows the measurement results of open-circuit voltage, short-circuit current, fill factor, and photoelectric conversion efficiency, and Table 2 shows the amount of adsorption between the basic dye and the auxiliary dye, and the auxiliary dye relative to the amount of adsorption of the basic dye. The ratio of the amount of adsorption is shown.

Figure 2016100488
Figure 2016100488

Figure 2016100488
また、図3に実施例1、2、3および比較例1、3のIPCEスペクトルを示し、図4に、実施例4、5、6および比較例2、3のIPCEスペクトルを示す。
Figure 2016100488
3 shows IPCE spectra of Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1 and 3, and FIG. 4 shows IPCE spectra of Examples 4, 5, and 6 and Comparative Examples 2 and 3.

表1に示されるように、各実施例は、基本色素であるブラックダイのみを増感色素として用いた比較例3よりも高い光電変換効率を示した。図3および図4に示されるように、各実施例では、増感色素として基本色素に加えて補助色素が半導体層に含まれることにより、比較例3と比較して、波長400nm〜500nm付近のIPCEが改善されている。このことが、各実施例における光電変換効率の向上に寄与していることが示唆される。尚、370nm以下のIPCEの低下は、ITO−PENフィルムの吸収に起因する。   As shown in Table 1, each example showed higher photoelectric conversion efficiency than Comparative Example 3 using only the black dye as the basic dye as the sensitizing dye. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, in each example, an auxiliary dye is included in the semiconductor layer in addition to the basic dye as a sensitizing dye, so that the wavelength around 400 nm to 500 nm is compared with Comparative Example 3. IPCE has been improved. It is suggested that this contributes to the improvement of the photoelectric conversion efficiency in each example. In addition, the fall of IPCE of 370 nm or less originates in absorption of an ITO-PEN film.

また、表1および表2に示されるように、各実施例と比較例1,2とを比較すると、基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率が0.5以下である実施例では、高い光電変換効率が得られることに対し、上記比率が0.5を超える比較例1,2では、光電変換効率が著しく低下している。これは、比較例1,2では、半導体表面に先に結合している基本色素に対して補助色素が物理吸着し、これら色素の会合が生じるためであると考えられる。このことは、各実施例および各比較例ではブラックダイの吸着量にほぼ差がないにもかかわらず、図3および図4に示されるように、比較例1,2では、ブラックダイが光電変換に寄与する領域である600nmのIPCEが、各実施例やブラックダイのみを用いた比較例1と比べて低下していることから示唆される。   Further, as shown in Table 1 and Table 2, when each example is compared with Comparative Examples 1 and 2, in the example in which the ratio of the adsorbing amount of the auxiliary dye to the adsorbing amount of the basic dye is 0.5 or less. In contrast to Comparative Examples 1 and 2 in which the above ratio exceeds 0.5, the photoelectric conversion efficiency is remarkably lowered while high photoelectric conversion efficiency is obtained. This is presumably because, in Comparative Examples 1 and 2, the auxiliary dye physically adsorbs to the basic dye previously bonded to the semiconductor surface, and the association of these dyes occurs. This is because, in each of the examples and the comparative examples, the black die is photoelectrically converted in the comparative examples 1 and 2 as shown in FIGS. This suggests that the IPCE of 600 nm, which is a region contributing to the above, is lower than each example and Comparative Example 1 using only a black die.

基本色素と補助色素とは、半導体表面の互いに異なる化学的な特性を有する結合サイトに結合する。そのため、基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率が0.5を超えると、補助色素が自身の結合する結合サイトであるルイス酸サイトにほぼ完全に結合して、さらに、半導体表面に結合している基本色素に対して物理吸着を生じると考えられる。   The basic dye and the auxiliary dye bind to binding sites having different chemical properties on the semiconductor surface. Therefore, when the ratio of the adsorbing amount of the auxiliary dye to the adsorbing amount of the basic dye exceeds 0.5, the auxiliary dye is almost completely bonded to the Lewis acid site, which is the bonding site to which the auxiliary dye is bonded, and further to the semiconductor surface. It is thought that physical adsorption occurs to the basic dyes that are bound.

なお、実施例1,2,3では、補助色素の有するピリジン基の数が1つであることに対し、実施例4,5,6では、補助色素の有するピリジン基の数が2つであるため、半導体表面に2つのピリジン基が結合することができるが、補助色素の吸着量には大きな差は見られなかった。このことは、補助色素が半導体表面に単座で吸着している可能性を示唆している。   In Examples 1, 2, and 3, the auxiliary dye has one pyridine group, whereas in Examples 4, 5, and 6, the auxiliary dye has two pyridine groups. Therefore, two pyridine groups can be bonded to the semiconductor surface, but no significant difference was observed in the adsorbed amount of the auxiliary dye. This suggests the possibility that the auxiliary dye is adsorbed monodentate on the semiconductor surface.

上述の実施例では、基本色素として広い吸収波長領域を有する色素を用い、補助色素として短波長領域に大きな吸光度を示す色素を用いたが、補助色素は、基本色素の吸光度が不足する領域であれば、長波長領域に吸収波長領域を有する色素であってもよい。補助色素よりも基本色素の方が広い吸収波長領域を有する構成では、光電変換効率への関与については、基本色素が主、補助色素が従の関係にある。また、一般的に、広い吸収波長領域を有する色素は、狭い吸収波長領域を有する色素よりもモル吸光係数が小さい。したがって、半導体表面に吸着する増感色素量は、補助色素よりも基本色素の方が多い必要があり、こうした関係において、基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率が0.5以下であれば、基本色素と補助色素との会合が抑えられて、光電変換効率の向上が可能である。   In the above-mentioned examples, a dye having a wide absorption wavelength region is used as the basic dye, and a dye exhibiting a large absorbance in the short wavelength region is used as the auxiliary dye, but the auxiliary dye may be an area where the absorbance of the basic dye is insufficient. For example, a dye having an absorption wavelength region in a long wavelength region may be used. In the configuration in which the basic dye has a wider absorption wavelength region than the auxiliary dye, the basic dye is the main and the auxiliary dye is the subordinate with respect to the photoelectric conversion efficiency. In general, a dye having a wide absorption wavelength region has a smaller molar extinction coefficient than a dye having a narrow absorption wavelength region. Therefore, the amount of the sensitizing dye adsorbed on the semiconductor surface needs to be larger in the basic dye than in the auxiliary dye. In such a relationship, the ratio of the adsorbing amount of the auxiliary dye to the adsorbing amount of the basic dye is 0.5 or less. If so, the association between the basic dye and the auxiliary dye is suppressed, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

また、上述の実施例では、基本色素として半導体表面のブレンステッド酸サイトに結合する固定基を有する色素を用い、補助色素として半導体表面のルイス酸サイトに結合する固定基を有する色素を用いたが、半導体表面における基本色素と補助色素との結合サイトが互いに異なっていれば、結合サイトの種類はこれに限られない。例えば、基本色素がルイス酸サイトに結合する固定基を有し、補助色素がブレンステッド酸サイトに結合する固定基を有していてもよい。また、立体構造が互いに異なる2種類のブレンステッド酸サイトを半導体表面が有し、一方のブレンステッド酸サイトと結合する固定基を基本色素が有し、かつ、他方のブレンステッド酸サイトと結合する固定基を補助色素が有してもよい。また、立体構造が互いに異なる2種類のルイス酸サイトを半導体表面が有し、一方のルイス酸サイトと結合する固定基を基本色素が有し、かつ、他方のルイス酸サイトと結合する固定基を補助色素が有してもよい。   In the above-described examples, a dye having a fixing group that binds to the Bronsted acid site on the semiconductor surface is used as the basic dye, and a dye having a fixing group that binds to the Lewis acid site on the semiconductor surface is used as the auxiliary dye. If the binding sites of the basic dye and the auxiliary dye on the semiconductor surface are different from each other, the type of the binding site is not limited to this. For example, the basic dye may have a fixing group that binds to a Lewis acid site, and the auxiliary dye may have a fixing group that binds to a Bronsted acid site. Further, the semiconductor surface has two types of Bronsted acid sites having different steric structures, the basic dye has a fixing group that binds to one Bronsted acid site, and binds to the other Bronsted acid site. The auxiliary dye may have a fixing group. Further, the semiconductor surface has two types of Lewis acid sites having different steric structures, the basic dye has a fixing group that binds to one Lewis acid site, and a fixing group that bonds to the other Lewis acid site. An auxiliary dye may have.

半導体層が有する増感色素には、基本色素が2種類以上含まれてもよいし、補助色素が2種類以上含まれてもよい。これらの色素を、半導体表面における結合サイトから基本色素と補助色素とに分類したとき、基本色素に分類された色素の吸着量に対する補助色素に分類された色素の吸着量の比率が、0.5以下であればよい。   The sensitizing dye that the semiconductor layer has may contain two or more kinds of basic dyes or two or more kinds of auxiliary dyes. When these dyes are classified into basic dyes and auxiliary dyes from the binding sites on the semiconductor surface, the ratio of the adsorption amount of the dye classified as the auxiliary dye to the adsorption amount of the dye classified as the basic dye is 0.5. The following is sufficient.

以上実施例を示して説明したように、上記実施形態の半導体層およびこの半導体層を用いた色素増感太陽電池によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。   As described above with reference to the examples, according to the semiconductor layer of the above embodiment and the dye-sensitized solar cell using this semiconductor layer, the effects listed below can be obtained.

(1)半導体表面上の基本色素の吸着量に対する補助色素の吸着量の比率が、0.5以下であるため、基本色素と補助色素との会合が抑えられる。その結果、色素間での不要な電子移動が抑えられて、こうした半導体層13を備える色素増感太陽電池にて、光電変換効率が高められる。   (1) Since the ratio of the adsorption amount of the auxiliary dye to the adsorption amount of the basic dye on the semiconductor surface is 0.5 or less, the association between the basic dye and the auxiliary dye is suppressed. As a result, unnecessary electron transfer between the dyes is suppressed, and the photoelectric conversion efficiency is increased in the dye-sensitized solar cell including such a semiconductor layer 13.

(2)基本色素が、半導体層13における半導体表面のブレンステッド酸サイトとエステル結合を形成し、かつ、ルイス酸サイトと結合しない構造を有し、補助色素が、半導体表面のルイス酸サイトに配位結合している構成では、基本色素をブレンステッド酸サイトに選択的に結合させることが容易である。また、補助色素が、固定基として、ルイス酸サイトに配位結合するピリジン基を備えるため、好ましい立体配座での補助色素と半導体表面との結合が実現される。   (2) The basic dye has a structure that forms an ester bond with the Bronsted acid site on the semiconductor surface of the semiconductor layer 13 and does not bond with the Lewis acid site, and the auxiliary dye is arranged at the Lewis acid site on the semiconductor surface. In the configuration in which the base is bonded, it is easy to selectively bond the basic dye to the Bronsted acid site. In addition, since the auxiliary dye includes a pyridine group that coordinates to the Lewis acid site as a fixing group, bonding between the auxiliary dye and the semiconductor surface in a preferable conformation is realized.

(3)基本色素が、ルテニウム錯体構造である構成では、色素増感太陽電池に用いる増感色素としてより適性の高い色素を基本色素として用いることができる。また、補助色素が有機色素である構成では、色素増感太陽電池に用いる増感色素としてより適性の高い色素を補助色素として用いることができる。そして、これらルテニウム錯体構造や有機色素を増感色素として有する色素増感太陽電池において光電変換効率を高めることができる。   (3) When the basic dye has a ruthenium complex structure, a dye having higher suitability as a sensitizing dye used in a dye-sensitized solar cell can be used as the basic dye. Further, in the configuration in which the auxiliary dye is an organic dye, a dye having higher suitability as the sensitizing dye used in the dye-sensitized solar cell can be used as the auxiliary dye. And photoelectric conversion efficiency can be improved in the dye-sensitized solar cell which has these ruthenium complex structures and organic dye as a sensitizing dye.

10…色素増感太陽電池、11…第1基板、12…第1電極、13…半導体層、14…電解質層、15…第2電極、16…第2基板。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Dye-sensitized solar cell, 11 ... 1st board | substrate, 12 ... 1st electrode, 13 ... Semiconductor layer, 14 ... Electrolyte layer, 15 ... 2nd electrode, 16 ... 2nd board | substrate.

Claims (6)

第1の結合サイトと第2の結合サイトとを含む表面を有した半導体と、
前記表面上に吸着し、かつ、第1の波長領域の光を吸収する第1の色素と、
前記表面上に吸着し、かつ、第2の波長領域の光を吸収する第2の色素と、
を備え、
前記第1の結合サイトは、前記第2の結合サイトと異なる化学的な特性を有し、
前記第1の結合サイトに結合した増感色素が、前記第1の色素に含まれ、
前記第2の結合サイトに結合した増感色素が、前記第2の色素に含まれ、
前記第1の波長領域が、前記第2の波長領域よりも広く、
前記第1の色素の吸着量に対する前記第2の色素の吸着量の比率が、0.5以下である
半導体層。
A semiconductor having a surface including a first binding site and a second binding site;
A first dye that adsorbs on the surface and absorbs light in a first wavelength region;
A second dye that adsorbs on the surface and absorbs light in the second wavelength region;
With
The first binding site has different chemical properties than the second binding site;
A sensitizing dye bonded to the first binding site is included in the first dye,
A sensitizing dye bonded to the second binding site is included in the second dye,
The first wavelength region is wider than the second wavelength region;
The ratio of the adsorption amount of the second dye to the adsorption amount of the first dye is 0.5 or less. Semiconductor layer.
請求項1に記載の半導体層と、
電解質層と、
第1電極と、
前記第1電極と前記半導体層および前記電解質層を挟んで対向する第2電極と、
を備える色素増感太陽電池。
A semiconductor layer according to claim 1;
An electrolyte layer;
A first electrode;
A second electrode facing the first electrode across the semiconductor layer and the electrolyte layer;
A dye-sensitized solar cell comprising:
前記第1の結合サイトがブレンステッド酸サイトであり、
前記第2の結合サイトがルイス酸サイトであり、
前記第1の結合サイトに結合した増感色素は、前記ブレンステッド酸サイトとエステル結合を形成し、かつ、前記ルイス酸サイトと結合しない構造を有し、
前記第2の結合サイトに結合した増感色素は、前記ルイス酸サイトに配位結合している
請求項2に記載の色素増感太陽電池。
The first binding site is a Bronsted acid site;
The second binding site is a Lewis acid site;
The sensitizing dye bonded to the first binding site has a structure that forms an ester bond with the Bronsted acid site and does not bind to the Lewis acid site,
The dye-sensitized solar cell according to claim 2, wherein the sensitizing dye bonded to the second binding site is coordinated to the Lewis acid site.
前記第2の結合サイトに結合した増感色素は、前記ルイス酸サイトに配位結合するピリジン基を備える
請求項3に記載の色素増感太陽電池。
The dye-sensitized solar cell according to claim 3, wherein the sensitizing dye bonded to the second binding site includes a pyridine group coordinated to the Lewis acid site.
前記第1の色素は、ルテニウム錯体構造である
請求項2〜4のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 2 to 4, wherein the first dye has a ruthenium complex structure.
前記第2の色素は、有機色素である
請求項2〜5のいずれか一項に記載の色素増感太陽電池。
The dye-sensitized solar cell according to any one of claims 2 to 5, wherein the second dye is an organic dye.
JP2014237126A 2014-11-21 2014-11-21 Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell Pending JP2016100488A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014237126A JP2016100488A (en) 2014-11-21 2014-11-21 Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014237126A JP2016100488A (en) 2014-11-21 2014-11-21 Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2016100488A true JP2016100488A (en) 2016-05-30

Family

ID=56077499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014237126A Pending JP2016100488A (en) 2014-11-21 2014-11-21 Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2016100488A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5023866B2 (en) Dye-sensitized photoelectric conversion element, method for producing the same, and electronic device
US8415558B2 (en) Dye sensitization photoelectric converter
JP5428555B2 (en) Method for producing dye-sensitized photoelectric conversion element
JP4380779B2 (en) Dye-sensitized photoelectric conversion device
JP6011443B2 (en) Semiconductor layer for dye-sensitized solar cell and electrode member for dye-sensitized solar cell
JP2012014849A (en) Photoelectric conversion element, method for manufacturing the same, photoelectric conversion element module and method for manufacturing the same
JP2013114778A (en) Photoelectric conversion element, photoelectric conversion element module, photoelectric conversion element module manufacturing method, electronic equipment, and building
JP4678125B2 (en) PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENT AND ITS MANUFACTURING METHOD, ELECTRONIC DEVICE AND ITS MANUFACTURING METHOD
JP2015115110A (en) Method of manufacturing dye-sensitized solar cell, and dye-sensitized solar cell
JP5566681B2 (en) Electrolyte composition for photoelectric conversion element and photoelectric conversion element
JP2016100488A (en) Semiconductor layer and dye-sensitized solar cell
JP2013058424A (en) Photosensitizing dye, dye sensitized photoelectric conversion element, electronic apparatus and building
JP2017045759A (en) Dye-sensitized solar cell, electrode for dye-sensitized solar cell, and method of manufacturing electrode for dye-sensitized solar cell
JP5978289B2 (en) Dye-sensitized solar cell including ionic layer and method for producing the same
JP2011187425A (en) Dye-sensitized photoelectric conversion device and method for manufacturing the same
JP2014093252A (en) Dye-sensitized solar cell
JP2016076683A (en) Dye-sensitized solar battery, electrode for dye-sensitized solar battery, and method for manufacturing electrode for dye-sensitized solar battery