JP2020205348A - Electrolyte for photoelectric conversion element, photoelectric conversion element arranged by use thereof, and electrode structure for photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換素子用電解質、これを用いた光電変換素子及び光電変換素子用電極構造体に関する。 The present invention relates to an electrolyte for a photoelectric conversion element, a photoelectric conversion element using the electrolyte, and an electrode structure for a photoelectric conversion element.
光電変換素子は一般に、電極基板と、電極基板に対向する対向電極と、電極基板に設けられる酸化物半導体層と、電極基板及び対向電極の間に配置される電解質とを備えている。 The photoelectric conversion element generally includes an electrode substrate, a counter electrode facing the electrode substrate, an oxide semiconductor layer provided on the electrode substrate, and an electrolyte arranged between the electrode substrate and the counter electrode.
光電変換素子においては光電変換特性を向上させることが重要であり、そのために、例えば電解質に着目した種々の提案がなされている。 It is important to improve the photoelectric conversion characteristics in the photoelectric conversion element, and for that purpose, various proposals focusing on, for example, an electrolyte have been made.
例えば下記特許文献1には、ヨウ素と、ヨウ素化合物と、ベンゾイミダゾール環に直接結合した炭素数3〜11の飽和炭化水素基を有するベンゾイミダゾール誘導体とを含む電解質によって、光電変換素子の光電変換特性を高くし耐久性を大幅に向上させることが提案されている。 For example, in Patent Document 1 below, the photoelectric conversion characteristics of a photoelectric conversion element are described by an electrolyte containing iodine, an iodine compound, and a benzimidazole derivative having a saturated hydrocarbon group having 3 to 11 carbon atoms directly bonded to a benzimidazole ring. It has been proposed to increase the value and greatly improve the durability.
しかし、上記特許文献1に記載の電解質を備えた光電変換素子は、光電変換特性について、未だ改善の余地を有していた。 However, the photoelectric conversion element provided with the electrolyte described in Patent Document 1 still has room for improvement in the photoelectric conversion characteristics.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、光電変換素子の光電変換特性を向上させることができる光電変換素子用電解質、これを用いた光電変換素子及び光電変換素子用電極構造体を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an electrolyte for a photoelectric conversion element capable of improving the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element, a photoelectric conversion element using the electrolyte, and an electrode structure for the photoelectric conversion element. The purpose is to do.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、本発明者らは、以下の発明により上記課題を解決し得ることを見出した。 The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems. As a result, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following inventions.
すなわち本発明は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃における前記イミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように含む、光電変換素子用電解質である。 That is, the present invention is an electrolyte for a photoelectric conversion element, which contains a solid imidazole compound at 25 ° C. so as to have a concentration higher than the solubility of the imidazole compound at 25 ° C.
本発明の光電変換素子用電解質は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように含む。このため、本発明の光電変換素子用電解質が、酸化物半導体層を有する光電変換素子の電解質として、例えば25℃において使用されると、イミダゾール化合物の一部は電解質中に溶解されず、主に、表面積の大きな酸化物半導体層の表面に固体として析出する。このため、酸化物半導体層が固体のイミダゾール化合物で覆われることによって暗電流が流れにくくなり、光電変換素子の開放電圧が上昇する。その結果、本発明の電解質は、光電変換素子の光電変換特性を向上させることができる。 The electrolyte for a photoelectric conversion element of the present invention contains a solid imidazole compound at 25 ° C. so as to have a concentration higher than the solubility of the imidazole compound at 25 ° C. Therefore, when the electrolyte for a photoelectric conversion element of the present invention is used as an electrolyte for a photoelectric conversion element having an oxide semiconductor layer, for example, at 25 ° C., a part of the imidazole compound is not dissolved in the electrolyte and mainly , Precipitates as a solid on the surface of an oxide semiconductor layer having a large surface area. For this reason, the oxide semiconductor layer is covered with the solid imidazole compound, which makes it difficult for dark current to flow and raises the open circuit voltage of the photoelectric conversion element. As a result, the electrolyte of the present invention can improve the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element.
上記光電変換素子用電解質においては、下記式(1)で定義されるRが下記式(2)を満足することが好ましい。
R=m2/(m−m2)・・・(1)
(上記式(1)中、m2は、前記電解質を加熱して前記イミダゾール化合物を前記電解質に溶解させてから12時間放置した後、25℃において、前記電解質中に析出する前記イミダゾール化合物の質量(g)を表し、mは、前記イミダゾール化合物が前記電解質中に析出する前の前記電解質の質量(g)を表す。)
0<R<0.05・・・(2)
In the above-mentioned electrolyte for a photoelectric conversion element, it is preferable that R defined by the following formula (1) satisfies the following formula (2).
R = m2 / (m-m2) ... (1)
(In the above formula (1), m2 is the mass of the imidazole compound precipitated in the electrolyte at 25 ° C. after heating the electrolyte to dissolve the imidazole compound in the electrolyte and leaving it for 12 hours. g) is represented, and m represents the mass (g) of the electrolyte before the imidazole compound is precipitated in the electrolyte.)
0 <R <0.05 ... (2)
この場合、Rが0である場合又はRが0.05以上である場合に比べて、光電変換素子の光電変換特性をより向上させることができる。 In this case, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element can be further improved as compared with the case where R is 0 or R is 0.05 or more.
上記光電変換素子用電解質においては、前記イミダゾール化合物がベンゾイミダゾール化合物を含むことが好ましい。 In the electrolyte for a photoelectric conversion element, it is preferable that the imidazole compound contains a benzimidazole compound.
この場合、電解質が光電変換素子の電解質として用いられる場合に、特に効果的に光電変換素子の光電変換特性を向上させることができる。 In this case, when the electrolyte is used as the electrolyte of the photoelectric conversion element, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element can be improved particularly effectively.
また本発明は、光電変換セルを備え、前記光電変換セルが、電極基板と、前記電極基板に対向する対向基板と、前記電極基板に設けられる酸化物半導体層と、前記電極基板及び前記対向基板の間に設けられる電解質とを備え、前記電解質が、上述した光電変換素子用電解質からなる光電変換素子である。 Further, the present invention includes a photoelectric conversion cell, wherein the photoelectric conversion cell includes an electrode substrate, an opposing substrate facing the electrode substrate, an oxide semiconductor layer provided on the electrode substrate, the electrode substrate, and the opposing substrate. The electrolyte is a photoelectric conversion element including the above-mentioned electrolyte for a photoelectric conversion element.
本発明の光電変換素子は、電解質が、上述した光電変換素子用電解質からなり、電解質は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように含む。このため、本発明の光電変換素子が、例えば25℃において使用されると、イミダゾール化合物の一部は電解質中に溶解されず、主に、表面積の大きな酸化物半導体層の表面に固体として析出する。このため、酸化物半導体層が固体のイミダゾール化合物で付着されることによって暗電流が流れにくくなり、光電変換素子の開放電圧が上昇する。その結果、本発明の光電変換素子は、光電変換特性を向上させることができる。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the electrolyte comprises the above-mentioned electrolyte for a photoelectric conversion element, and the electrolyte contains a solid imidazole compound at 25 ° C. so as to have a concentration higher than the solubility of the imidazole compound at 25 ° C. Therefore, when the photoelectric conversion element of the present invention is used, for example, at 25 ° C., a part of the imidazole compound is not dissolved in the electrolyte and is mainly precipitated as a solid on the surface of the oxide semiconductor layer having a large surface area. .. For this reason, the oxide semiconductor layer is adhered with the solid imidazole compound, which makes it difficult for dark current to flow and raises the open circuit voltage of the photoelectric conversion element. As a result, the photoelectric conversion element of the present invention can improve the photoelectric conversion characteristics.
上記光電変換素子においては、前記イミダゾール化合物の一部が前記酸化物半導体層の表面に析出していてもいなくてもよいが、例えば発電時には析出していることが好ましい。 In the photoelectric conversion element, a part of the imidazole compound may or may not be precipitated on the surface of the oxide semiconductor layer, but it is preferable that a part of the imidazole compound is precipitated, for example, during power generation.
さらに本発明は、電極基板と、前記電極基板に設けられる酸化物半導体層とを備え、前記酸化物半導体層の表面上に25℃で固体のイミダゾール化合物が付着している、光電変換素子用電極構造体である。 Further, the present invention is an electrode for a photoelectric conversion element, which comprises an electrode substrate and an oxide semiconductor layer provided on the electrode substrate, and a solid imidazole compound adhered to the surface of the oxide semiconductor layer at 25 ° C. It is a structure.
上記光電変換素子用電極構造体によれば、次の効果が得られる。すなわち、まず、上記電極構造体と、対向基板との間に電解質成分を配置して光電変換素子を製造する。このとき、電解質成分としては、25℃で固体のイミダゾール化合物を含む電解質成分を用い、電解質成分中の25℃で固体のイミダゾール化合物と酸化物半導体層の表面上に付着するイミダゾール化合物とが、電解質成分に対する25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるようにする。すると、光電変換素子において、酸化物半導体層の表面上に25℃で固体のイミダゾール化合物が付着されたままとなる。このため、例えば25℃において、酸化物半導体層の表面に付着したイミダゾール化合物は完全には電解質成分中に溶解せず、酸化物半導体層の表面に付着したままとなる。このため、暗電流が流れにくくなり、光電変換素子の開放電圧が上昇する。その結果、本発明の電極構造体は、光電変換素子の光電変換特性を向上させることができる。 According to the electrode structure for a photoelectric conversion element, the following effects can be obtained. That is, first, an electrolyte component is arranged between the electrode structure and the facing substrate to manufacture a photoelectric conversion element. At this time, as the electrolyte component, an electrolyte component containing a solid imidazole compound at 25 ° C. is used, and the solid imidazole compound at 25 ° C. in the electrolyte component and the imidazole compound adhering to the surface of the oxide semiconductor layer are the electrolytes. The concentration should be higher than the solubility of the imidazole compound in the component at 25 ° C. Then, in the photoelectric conversion element, the solid imidazole compound remains attached to the surface of the oxide semiconductor layer at 25 ° C. Therefore, for example, at 25 ° C., the imidazole compound adhering to the surface of the oxide semiconductor layer is not completely dissolved in the electrolyte component and remains adhering to the surface of the oxide semiconductor layer. Therefore, it becomes difficult for dark current to flow, and the open circuit voltage of the photoelectric conversion element rises. As a result, the electrode structure of the present invention can improve the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element.
なお、本発明において、溶解度の単位は「M」、すなわち「mol/L」とする。 In the present invention, the unit of solubility is "M", that is, "mol / L".
本発明によれば、光電変換素子の光電変換特性を向上させることができる光電変換素子用電解質、これを用いた光電変換素子及び光電変換素子用電極構造体が提供される。 According to the present invention, there is provided an electrolyte for a photoelectric conversion element capable of improving the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element, a photoelectric conversion element using the electrolyte, and an electrode structure for the photoelectric conversion element.
以下、本発明の実施形態について図1を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の光電変換素子の一実施形態を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention.
図1に示すように、光電変換素子100は光電変換セル60を備えている。光電変換セル60は、電極基板10と、電極基板10に対向する対向基板20と、電極基板10に設けられる酸化物半導体層30と、酸化物半導体層30に吸着される色素と、電極基板10及び対向基板20の間に設けられる電解質40とを備えている。電解質40は、電極基板10と対向基板20とを連結する封止部50によって包囲されている。電解質40は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように含んでいる。
As shown in FIG. 1, the
光電変換素子100においては、電解質40が、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように含む。このため、光電変換素子100が、例えば25℃において使用されると、イミダゾール化合物の一部は電解質40中に溶解されず、主に、表面積の大きな酸化物半導体層30の表面に固体として析出する。このため、酸化物半導体層30が固体のイミダゾール化合物で付着されることによって暗電流が流れにくくなり、光電変換素子100の開放電圧が上昇する。その結果、光電変換素子100は、光電変換特性を向上させることができる。なお、電解質40が、25℃より高い温度下に置かれる場合には、温度上昇により、電解質40に対するイミダゾール化合物の溶解度が大きくなるため、イミダゾール化合物の一部が酸化物半導体層30の表面に固体として析出しない場合、すなわちイミダゾール化合物の全部が電解質40中に溶解されたままである場合がある。しかし、この場合でも、電解質40は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度以下の濃度となるように含む場合に比べて、電解質40中のイミダゾール化合物の濃度がより高くなるため、光電変換素子100の光電変換特性をより向上させることは可能である。
In the
次に、電極基板10、対向基板20、酸化物半導体層30、電解質40、封止部50及び色素について詳細に説明する。
Next, the
<電極基板>
図1に示すように、電極基板10は、透明基板11と、透明基板11の上に設けられる透明導電層12とを備えている。
<Electrode substrate>
As shown in FIG. 1, the
透明基板11を構成する材料は、透明な材料であればよく、このような透明な材料としては、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、石英ガラスなどのガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、及び、ポリエーテルスルフォン(PES)などの絶縁材料が挙げられる。透明基板11の厚さは、光電変換素子100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば50μm〜40mmの範囲にすればよい。
The material constituting the
透明導電層12を構成する材料としては、例えばスズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化スズ(SnO2)、及び、フッ素添加酸化スズ(FTO)などの導電性金属酸化物が挙げられる。透明導電層12は、単層でも、異なる導電性金属酸化物で構成される複数の層の積層体で構成されてもよい。透明導電層12が単層で構成される場合、透明導電層12は、高い耐熱性及び耐薬品性を有することから、FTOで構成されることが好ましい。透明導電層12の厚さは例えば0.01〜2μmの範囲にすればよい。
Examples of the material constituting the transparent
<対向基板>
図1に示すように、対向基板20は、導電性基板21と、導電性基板21のうち電極基板10側に設けられて電解質40の還元に寄与する導電性の触媒層22とを備える。
<Opposite board>
As shown in FIG. 1, the
導電性基板21は、例えばチタン、ニッケル、白金、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ステンレス等の耐食性の金属材料や、上述した透明基板11にITO、FTO等の導電性酸化物からなる膜を形成したもので構成される。また、導電性基板21は、基板と電極を分けて、上述した絶縁性の透明基板11に電極としてITO、FTO等の導電性酸化物からなる透明導電層を形成した積層体で構成されてもよい。導電性基板21の厚さは、光電変換素子100のサイズに応じて適宜決定され、特に限定されるものではないが、例えば5μm〜4mmとすればよい。
The
触媒層22としては、金属の触媒成分及び非金属の触媒成分が挙げられる。金属の触媒成分としては、例えば白金、金、銀、パラジウム及びロジウムなどが挙げられる。非金属の触媒成分としては、例えば、カーボンや導電性高分子などの炭素原子を含有する炭素原子含有材料、チタン酸化物、チタン複合酸化物などが挙げられる。中でも、非金属の触媒成分が炭素原子含有材料であることが好ましい。この場合、非金属の触媒成分が炭素原子含有材料でない場合に比べて、より高い発電性能が得られる。なお、導電性基板21が非金属の触媒成分を含む場合には、第2電極基板20は必ずしも触媒層22を有していなくてもよい。この場合、導電性基板21が触媒層22を兼ねることになる。
Examples of the
<酸化物半導体層>
酸化物半導体層30は、酸化物半導体粒子で構成されている。酸化物半導体粒子は、例えば酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タリウム(Ta2O5)、酸化ランタン(La2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ホルミウム(Ho2O3)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)又はこれらの2種以上で構成される。酸化物半導体層30の厚さは、特に制限されるものではないが、例えば0.1〜100μmとすればよい。
<Oxide semiconductor layer>
The
<電解質>
電解質40は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように含むものであればよい。
<Electrolyte>
The
イミダゾール化合物は、25℃で固体であれば特に制限されない。イミダゾール化合物が25℃で固体であるということは、イミダゾール化合物の融点が25℃よりも高いことを意味する。従って、イミダゾール化合物は25℃のみならず25℃未満でも固体となる。また、イミダゾール化合物の溶解度は、温度が低下するにつれて低くなる。このため、イミダゾール化合物の一部は25℃以下で固体として析出することが可能となる。このようなイミダゾール化合物としては、例えばベンゾイミダゾール化合物、プリン化合物及びイミダゾ[1,2−a]ピリジン化合物などが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。イミダゾール化合物は、ベンゾイミダゾール化合物を含むことが好ましい。この場合、特に効果的に光電変換素子100の光電変換特性を向上させることができる。ベンゾイミダゾール化合物としては、例えば1H−ベンゾイミダゾール、1−メチル−1H−ベンゾイミダゾール及び2−メチル−1H−ベンゾイミダゾールなどが挙げられる。
The imidazole compound is not particularly limited as long as it is solid at 25 ° C. The fact that the imidazole compound is solid at 25 ° C. means that the melting point of the imidazole compound is higher than 25 ° C. Therefore, the imidazole compound becomes a solid not only at 25 ° C but also below 25 ° C. Also, the solubility of the imidazole compound decreases as the temperature decreases. Therefore, a part of the imidazole compound can be precipitated as a solid at 25 ° C. or lower. Examples of such an imidazole compound include a benzimidazole compound, a purine compound and an imidazole [1,2-a] pyridine compound. These can be used alone or in combination of two or more. The imidazole compound preferably contains a benzimidazole compound. In this case, the photoelectric conversion characteristics of the
電解質40においては、下記式(1)で定義されるRが下記式(2)を満足することが好ましい。
R=m2/(m−m2)・・・(1)
(上記式(1)中、m2は、電解質40を加熱してイミダゾール化合物を電解質40に溶解させてから12時間放置した後、25℃において、電解質40中に析出するイミダゾール化合物の質量(g)を表し、mは、イミダゾール化合物が電解質40中に析出する前の電解質40の質量(g)を表す。)
0<R<0.05・・・(2)
In the
R = m2 / (m-m2) ... (1)
(In the above formula (1), m2 is the mass (g) of the imidazole compound precipitated in the
0 <R <0.05 ... (2)
この場合、Rが0.05以上である場合に比べて、酸化物半導体層30と電解質40との間の界面で電子伝達反応が阻害されにくくなり、短絡電流の低下がより抑制される。そのため、光電変換素子100の光電変換特性をより向上させることができる。
In this case, as compared with the case where R is 0.05 or more, the electron transfer reaction is less likely to be inhibited at the interface between the
Rは、0.015以上であることがより好ましい。この場合、Rが0.015未満である場合に比べて、光電変換素子100の光電変換特性をより向上させることができる。
R is more preferably 0.015 or more. In this case, the photoelectric conversion characteristics of the
Rは、0.035以下であることがより一層好ましい。この場合、Rが0.035より大きい場合に比べて、光電変換素子100の光電変換特性をより向上させることができる。
R is even more preferably 0.035 or less. In this case, the photoelectric conversion characteristics of the
電解質40は、上述したイミダゾール化合物に加えて、通常、酸化還元対と、有機溶媒とを含む。
The
有機溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、バレロニトリル、ピバロニトリルなどを用いることができる。 As the organic solvent, acetonitrile, methoxyacetonitrile, methoxypropionitrile, propionitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, valeronitrile, pivalonitrile and the like can be used.
また電解質40は、有機溶媒に代えて、イオン液体を用いてもよい。イオン液体としては、例えばピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩であって、室温付近で溶融状態にある常温溶融塩が用いられる。このような常温溶融塩としては、例えば、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、又は、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドが好適に用いられる。
Further, as the
また電解質40は、上記有機溶媒に代えて、上記イオン液体と上記有機溶媒との混合物を用いてもよい。
Further, as the
酸化還元対としては、例えばヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオン(例えばI−/I3 −)、臭化物イオン/ポリ臭化物イオンなどのハロゲン原子を含む酸化還元対のほか、亜鉛錯体、鉄錯体、コバルト錯体などのレドックス対が挙げられる。なお、ヨウ化物イオン/ポリヨウ化物イオンは、ヨウ素(I2)と、アニオンとしてのアイオダイド(I−)を含む塩(イオン性液体や固体塩)とによって形成することができる。アニオンとしてアイオダイドを有するイオン性液体を用いる場合には、ヨウ素のみ添加すればよく、有機溶媒や、アニオンとしてアイオダイド以外のイオン性液体を用いる場合には、LiIやテトラブチルアンモニウムアイオダイドなどのアニオンとしてアイオダイド(I−)を含む塩を添加すればよい。 Examples of the redox pair include redox pairs containing halogen atoms such as iodide ion / polyiodide ion (for example, I − / I 3 − ) and bromide ion / poly bromide ion, as well as zinc complex, iron complex, and cobalt complex. Redox pairs such as. The iodide ion / polyiodide ion can be formed by iodine (I 2 ) and a salt (ionic liquid or solid salt) containing iodide (I − ) as an anion. When using an ionic liquid having iodide as an anion, only iodine needs to be added, and when an organic solvent or an ionic liquid other than iodide is used as an anion, it is used as an anion such as LiI or tetrabutylammonium iodide. A salt containing iodide (I − ) may be added.
また電解質40には添加剤を加えることができる。添加剤としては、4−t−ブチルピリジン、グアニジウムチオシアネートなどが挙げられる。
Further, an additive can be added to the
さらに電解質40としては、上記電解質にSiO2、TiO2、カーボンナノチューブなどのナノ粒子を混練してゲル様となった擬固体電解質であるナノコンポジットゲル電解質を用いてもよく、また、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド誘導体、アミノ酸誘導体などの有機系ゲル化剤を用いてゲル化した電解質を用いてもよい。
Further, as the
<封止部>
封止部50を構成する材料は、特に限定されるものではないが、封止部50を構成する材料としては、例えば変性ポリオレフィン樹脂、ビニルアルコール重合体などの熱可塑性樹脂、及び、紫外線硬化樹脂などの樹脂が挙げられる。変性ポリオレフィン樹脂としては、例えばアイオノマー、無水マレイン酸変性ポリオレフィン、エチレン−ビニル酢酸無水物共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体およびエチレン−ビニルアルコール共重合体などが挙げられる。これらの樹脂は単独で又は2種以上を組み合せて用いることができる。中でも、封止部50を構成する材料としては、無水マレイン酸変性ポリオレフィンが好ましい。この場合、電極基板10及び対向基板20に対して、より高い接着強度が得られる。
<Sealing part>
The material constituting the sealing
<色素>
色素としては、例えばビピリジン構造、ターピリジン構造などを含む配位子を有するルテニウム錯体、ポルフィリン、エオシン、ローダニン、メロシアニンなどの有機色素などの光増感色素や、ハロゲン化鉛系ペロブスカイト結晶などの有機−無機複合色素などが挙げられる。ハロゲン化鉛系ペロブスカイトとしては、例えばCH3NH3PbX3(X=Cl、Br、I)が用いられる。ここで、色素として光増感色素を用いる場合には、光電変換素子100は色素増感光電変換素子となり、光電変換セル60は色素増感光電変換セルとなる。
<Dye>
Examples of the dye include a ruthenium complex having a ligand containing a bipyridine structure, a terpyridine structure, and the like, a photosensitizing dye such as an organic dye such as porphyrin, eosin, rodanine, and merocyanine, and an organic dye such as a lead halide perovskite crystal. Examples include inorganic composite dyes. As the lead-halogenated perovskite, for example, CH 3 NH 3 PbX 3 (X = Cl, Br, I) is used. Here, when a photosensitizing dye is used as the dye, the
上記色素の中でも、ビピリジン構造又はターピリジン構造を含む配位子を有するルテニウム錯体からなる光増感色素が好ましい。この場合、光電変換素子100の光電変換特性をより向上させることができる。
Among the above dyes, a photosensitizing dye composed of a ruthenium complex having a ligand containing a bipyridine structure or a terpyridine structure is preferable. In this case, the photoelectric conversion characteristics of the
次に、上述した光電変換素子100の製造方法の一例について説明する。
Next, an example of the method for manufacturing the
まず1つの透明基板11の上に、透明導電層12を形成してなる電極基板10を用意する。
First, an
透明導電層12の形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、スプレー熱分解法及びCVD法などが用いられる。
As a method for forming the transparent
次に、透明導電層12の上に、酸化物半導体層30を形成する。酸化物半導体層30は、酸化物半導体粒子を含む多孔質酸化物半導体層形成用ペーストを印刷した後、焼成して形成する。
Next, the
酸化物半導体層形成用ペーストは、上述した酸化物半導体粒子のほか、ポリエチレングリコールなどの樹脂及び、テレピネオールなどの溶媒を含む。 The paste for forming an oxide semiconductor layer contains, in addition to the oxide semiconductor particles described above, a resin such as polyethylene glycol and a solvent such as telepineol.
酸化物半導体層形成用ペーストの印刷方法としては、例えばスクリーン印刷法、ドクターブレード法、又は、バーコート法などを用いることができる。 As a printing method of the oxide semiconductor layer forming paste, for example, a screen printing method, a doctor blade method, a bar coating method, or the like can be used.
焼成温度は酸化物半導体粒子の材質により異なるが、通常は350〜600℃であり、焼成時間も、酸化物半導体粒子の材質により異なるが、通常は1〜5時間である。 The firing temperature varies depending on the material of the oxide semiconductor particles, but is usually 350 to 600 ° C., and the firing time also varies depending on the material of the oxide semiconductor particles, but is usually 1 to 5 hours.
次に、封止部形成体を準備する。封止部形成体は、例えば封止用樹脂フィルムを用意し、その封止用樹脂フィルムに1つの四角形状の開口を形成することによって得ることができる。 Next, the sealing portion forming body is prepared. The sealing portion forming body can be obtained, for example, by preparing a sealing resin film and forming one square-shaped opening in the sealing resin film.
そして、この封止部形成体を、電極基板10の上に接着させる。このとき、封止部形成体は、酸化物半導体層30を包囲するように配置する。また、封止部形成体の電極基板10への接着は、例えば封止部形成体を加熱溶融させることによって行うことができる。
Then, the sealing portion forming body is adhered onto the
次に、電極基板10の酸化物半導体層30の表面に色素を吸着させる。このためには、例えば電極基板10を、色素を含有する溶液の中に浸漬させ、その色素を酸化物半導体層30に吸着させた後に上記溶液の溶媒成分で余分な色素を洗い流し、乾燥させればよい。
Next, the dye is adsorbed on the surface of the
次に、電解質40を準備する。電解質40は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるように有機溶媒等と混合することによって得ることができる。
Next, the
次に、酸化物半導体層30の上に電解質40を配置する。電解質40は、例えばスクリーン印刷法によって配置することが可能である。
Next, the
こうして積層体が得られる。 In this way, a laminate is obtained.
次に、対向基板20を用意し、封止部形成体の開口を塞ぐように配置した後、封止部形成体と貼り合わせる。このとき、対向基板20にも予め封止部形成体を接着させておき、この封止部形成体を電極基板10側の封止部形成体と貼り合せてもよい。対向基板20の封止部形成体への貼合せは、大気圧下で行っても減圧下で行ってもよいが、減圧下で行うことが好ましい。
Next, the opposed
以上のようにして光電変換素子100が得られる。このとき、封止部形成体は封止部50となる。
As described above, the
次に、上述した光電変換素子100の製造方法の他の例について図2を参照しながら説明する。図2は、本発明の光電変換素子用電極構造体の一実施形態を示す切断面端面図である。
Next, another example of the method for manufacturing the
まず、図2に示すように、電極構造体70を準備する。電極構造体70は、電極基板10と、電極基板10に設けられる酸化物半導体層30と、電極基板10上に設けられ酸化物半導体層30を包囲する封止部形成体50Aとを備えており、酸化物半導体層30の表面上に25℃で固体のイミダゾール化合物Aを付着させたものである。
First, as shown in FIG. 2, the
電極構造体70は、例えば25℃で固体のイミダゾール化合物を有機溶媒中に溶解させた溶液中に酸化物半導体層30を浸漬させた後、有機溶媒を除去することによって得ることができる。このとき、25℃で固体のイミダゾール化合物Aが酸化物半導体層30の表面に析出して付着することとなる。
The
次に、電極構造体70の酸化物半導体層30上に電解質成分を配置する。このとき、電解質成分としては、電解質成分中に溶解している25℃で固体のイミダゾール化合物を含む電解質成分を用いる。この電解質成分においては、電解質成分中に溶解している25℃で固体のイミダゾール化合物と酸化物半導体層30上に付着している25℃で固体のイミダゾール化合物Aの合計濃度が、電解質成分に対する25℃で固体のイミダゾール化合物の溶解度よりも多い濃度となるようにする。
Next, the electrolyte component is arranged on the
一方、対向基板20を用意し、この対向基板20を封止部形成体50Aの開口を塞ぐように配置した後、封止部形成体50Aと貼り合わせる。対向基板20の封止部形成体への貼合せは、大気圧下で行っても減圧下で行ってもよいが、減圧下で行うことが好ましい。
On the other hand, the facing
以上のようにしても光電変換素子100が得られる。このとき、封止部形成体50Aは封止部50となる。また、電解質成分と、酸化物半導体層30の表面上に付着しているイミダゾール化合物Aとによって電解質40が構成されることとなる。
The
上記光電変換素子100においては、酸化物半導体層30の表面上に25℃で固体のイミダゾール化合物Aが付着されたままとなる。このため、例えば25℃において、酸化物半導体層30の表面に付着したイミダゾール化合物Aは完全には電解質成分中に溶解せず、酸化物半導体層30の表面に付着したままとなる。このため、暗電流が流れにくくなり、光電変換素子100の開放電圧が上昇する。その結果、光電変換素子100は、光電変換特性を向上させることができる。なお、電解質成分が、25℃より高い温度下に置かれる場合には、温度上昇により、電解質40に対するイミダゾール化合物の溶解度が大きくなるため、酸化物半導体層30の表面に付着している固体のイミダゾール化合物Aの全部が電解質成分中に溶解する場合がある。しかし、この場合でも、電解質40は、25℃で固体のイミダゾール化合物を、25℃におけるイミダゾール化合物の溶解度以下の濃度となるように含む場合に比べて、電解質40中のイミダゾール化合物の濃度がより高くなるため、光電変換素子100の光電変換特性をより向上させることは可能である。
In the
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、光電変換素子が1つの光電変換セル60で構成されているが、光電変換素子は、光電変換セル60を複数備えていてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the photoelectric conversion element is composed of one
また、図2においては、電極構造体70が封止部形成体50Aを備えているが、電極構造体70は必ずしも封止部形成体50Aを備えていなくてもよい。
Further, in FIG. 2, the
以下、本発明の内容を、実施例を挙げてより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1〜4及び比較例1〜2)
<光電変換素子用電解質の調製>
ヨウ素を0.01M、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイドを0.6M、25℃で固体の1H−ベンゾイミダゾールを表1に示す濃度c(M)となるように、3−メトキシプロピオニトリルに混合して混合液を調製し、混合液を穏やかに加熱しながらヨウ素、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド及び1H−ベンゾイミダゾールを溶解して電解質を調製した。こうして調製した電解質に対する1H−ベンゾイミダゾールの溶解度は0.44Mであった。
(Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2)
<Preparation of electrolyte for photoelectric conversion element>
Iodine is 0.01M, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide is 0.6M, and solid 1H-benzimidazole at 25 ° C is concentrated c (M) as shown in Table 1. A mixture was prepared by mixing with methoxypropionitrile, and iodine, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide and 1H-benzimidazole were dissolved while gently heating the mixture to prepare an electrolyte. .. The solubility of 1H-benzimidazole in the electrolyte thus prepared was 0.44M.
そして、電解質を室温下に12時間静置した。そして、この電解質に対してろ過によって固液分離操作を行った。このとき、25℃において、電解質中に析出した固体の1H−ベンゾイミダゾールの質量m2(g)を測定し、この測定したm2の値と、イミダゾール化合物が電解質中に析出する前の電解質の質量m(g)とから、下記式(1)に基づいてRを算出した。結果を表1に示す。
R=m2/(m−m2)・・・(1)
Then, the electrolyte was allowed to stand at room temperature for 12 hours. Then, a solid-liquid separation operation was performed on this electrolyte by filtration. At this time, at 25 ° C., the mass m2 (g) of the solid 1H-benzimidazole precipitated in the electrolyte was measured, and the measured value of m2 and the mass m of the electrolyte before the imidazole compound was precipitated in the electrolyte. From (g), R was calculated based on the following formula (1). The results are shown in Table 1.
R = m2 / (m-m2) ... (1)
<光電変換素子の作製>
はじめに、電極基板としてFTOガラスを準備した。そして、この電極基板上にスクリーン印刷により、酸化チタンを含有する酸化チタンナノ粒子ペーストを塗布し、47mm×102mmの膜を作製し、150℃で15分間乾燥させた。こうして、未焼成基板を得た。その後、この未焼成基板をオーブンに入れて酸化チタンナノ粒子ペーストを500℃で1時間焼成し、FTO膜上に、厚さ9μmの多孔質酸化チタン層を形成し、作用極を得た。
<Manufacturing of photoelectric conversion element>
First, FTO glass was prepared as an electrode substrate. Then, a titanium oxide nanoparticle paste containing titanium oxide was applied onto the electrode substrate by screen printing to prepare a 47 mm × 102 mm film, which was dried at 150 ° C. for 15 minutes. In this way, an unfired substrate was obtained. Then, this unfired substrate was placed in an oven and the titanium oxide nanoparticle paste was fired at 500 ° C. for 1 hour to form a porous titanium oxide layer having a thickness of 9 μm on the FTO film to obtain a working electrode.
次に、作用極の上に、無水マレイン酸変性ポリエチレンからなり開口を有する熱可塑性樹脂シートを配置した。このとき、熱可塑性樹脂シートの開口に、多孔質酸化チタン層が配置されるようにした。そして、熱可塑性樹脂シートを200℃で1分間加熱し溶融させて作用極に接着させた。 Next, a thermoplastic resin sheet made of maleic anhydride-modified polyethylene and having an opening was placed on the working electrode. At this time, the porous titanium oxide layer was arranged in the opening of the thermoplastic resin sheet. Then, the thermoplastic resin sheet was heated at 200 ° C. for 1 minute to be melted and adhered to the working electrode.
次に、光増感色素であるZ907を、アセトニトリルとtert−ブチルアルコールの1:1混合液からなる溶媒中に溶かして色素溶液を作製した。そして、この色素溶液中に上記作用極を16時間浸漬させ、多孔質酸化チタン層に光増感色素を担持させた。 Next, the photosensitizing dye Z907 was dissolved in a solvent consisting of a 1: 1 mixture of acetonitrile and tert-butyl alcohol to prepare a dye solution. Then, the working electrode was immersed in this dye solution for 16 hours to support the photosensitizing dye on the porous titanium oxide layer.
次に、上記のようにして調製した電解質をスクリーン印刷法によって、作用極に多孔質酸化チタン層を覆うように塗布した。こうして積層体を得た。 Next, the electrolyte prepared as described above was applied to the working electrode by a screen printing method so as to cover the porous titanium oxide layer. In this way, a laminate was obtained.
一方、52mm×107mm×40μmのサイズのチタン箔を準備し、このチタン箔に白金をスパッタさせて対向基板を得た。 On the other hand, a titanium foil having a size of 52 mm × 107 mm × 40 μm was prepared, and platinum was sputtered on the titanium foil to obtain an opposed substrate.
そして、対向基板を、上記積層体の封止部形成体の開口を塞ぐように配置した後、封止部形成体を加圧しながら、減圧下(1000Pa)で加熱溶融することによって封止部形成体と貼り合わせた。 Then, after the facing substrate is arranged so as to close the opening of the sealing portion forming body of the laminated body, the sealing portion is formed by heating and melting under reduced pressure (1000 Pa) while pressurizing the sealing portion forming body. I stuck it to my body.
こうして光電変換素子を得た。このとき、封止部形成体は封止部となった。 In this way, a photoelectric conversion element was obtained. At this time, the sealing portion forming body became a sealing portion.
<光電変換特性の評価>
上記のようにして得られた実施例1〜4及び比較例1〜2の光電変換素子について、白色LED光源を用い、室温(25℃)にて照度200ルクスの光を照射した状態でI−V測定を行い、出力Pを得た。そして、比較例2の光電変換素子について得られた出力PをP0とし、P/P0を算出した。結果を表1に示す。
The photoelectric conversion elements of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 obtained as described above were irradiated with light having an illuminance of 200 lux at room temperature (25 ° C.) using a white LED light source. V measurement was performed to obtain an output P. Then, the output P obtained for the photoelectric conversion element of Comparative Example 2 was set to P0, and P / P0 was calculated. The results are shown in Table 1.
表1に示す結果より、実施例1〜4の光電変換素子では、P/P0が1より大きくなった。これに対し、比較例1の光電変換素子では、P/P0が1より小さくなった。 From the results shown in Table 1, P / P0 was larger than 1 in the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 4. On the other hand, in the photoelectric conversion element of Comparative Example 1, P / P0 was smaller than 1.
以上より、本発明の光電変換素子用電解質によれば、光電変換素子の光電変換特性を向上させることができることが確認された。 From the above, it was confirmed that the electrolyte for a photoelectric conversion element of the present invention can improve the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element.
なお、I−V測定を行った後の光電変換素子において、積層体から対向基板を剥がし、内部の電解質を抽出し、その吸収スペクトルを測定し、吸光度を求めた。得られた吸光度から電解質中に溶解している1H−ベンゾイミダゾールの濃度を算出したところ、実施例1〜4及び比較例1〜2のすべてにおいて、電解質中に溶解している1H−ベンゾイミダゾールの濃度は0.44Mであり、同一であった。にもかかわらず、比較例2を基準とする実施例1〜4の光電変換特性が向上した。このため、電解質から析出したイミダゾール化合物が、光電変換特性の向上に寄与したことが分かった。 In the photoelectric conversion element after the IV measurement, the opposing substrate was peeled off from the laminated body, the internal electrolyte was extracted, and the absorption spectrum thereof was measured to determine the absorbance. When the concentration of 1H-benzimidazole dissolved in the electrolyte was calculated from the obtained absorbance, in all of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, the concentration of 1H-benzimidazole dissolved in the electrolyte was calculated. The concentration was 0.44M, which was the same. Nevertheless, the photoelectric conversion characteristics of Examples 1 to 4 based on Comparative Example 2 were improved. Therefore, it was found that the imidazole compound precipitated from the electrolyte contributed to the improvement of the photoelectric conversion characteristics.
10…電極基板
20…対向基板
30…酸化物半導体層
40…電解質
60…光電変換セル
70…電極構造体
100…光電変換素子
A…25℃で固体のイミダゾール化合物
10 ...
Claims (6)
R=m2/(m−m2)・・・(1)
(上記式(1)中、m2は、前記電解質を加熱して前記イミダゾール化合物を前記電解質に溶解させてから12時間放置した後、25℃において、前記電解質中に析出する前記イミダゾール化合物の質量(g)を表し、mは、前記イミダゾール化合物が前記電解質中に析出する前の前記電解質の質量(g)を表す。)
0<R<0.05・・・(2)
The electrolyte for a photoelectric conversion element according to claim 1, wherein R defined by the following formula (1) satisfies the following formula (2).
R = m2 / (m-m2) ... (1)
(In the above formula (1), m2 is the mass of the imidazole compound precipitated in the electrolyte at 25 ° C. after heating the electrolyte to dissolve the imidazole compound in the electrolyte and leaving it for 12 hours. g) is represented, and m represents the mass (g) of the electrolyte before the imidazole compound is precipitated in the electrolyte.)
0 <R <0.05 ... (2)
前記光電変換セルが、
電極基板と、
前記電極基板に対向する対向基板と、
前記電極基板に設けられる酸化物半導体層と、
前記電極基板及び前記対向基板の間に設けられる電解質とを備え、
前記電解質が、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光電変換素子用電解質からなる光電変換素子。 Equipped with a photoelectric conversion cell
The photoelectric conversion cell
With the electrode substrate
Opposing substrate facing the electrode substrate and
The oxide semiconductor layer provided on the electrode substrate and
It is provided with an electrolyte provided between the electrode substrate and the facing substrate.
A photoelectric conversion element in which the electrolyte is the electrolyte for a photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3.
前記電極基板に設けられる酸化物半導体層とを備え、
前記酸化物半導体層の表面上に25℃で固体のイミダゾール化合物が付着している、光電変換素子用電極構造体。 With the electrode substrate
It is provided with an oxide semiconductor layer provided on the electrode substrate.
An electrode structure for a photoelectric conversion element in which a solid imidazole compound is adhered on the surface of the oxide semiconductor layer at 25 ° C.
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