JP4176200B2 - Photoelectric cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の技術分野】
本発明は、金属酸化物半導体層への分光増感色素の吸着・担持量が高く、金属酸化物半導体層と分光増感色素との結合力が高く、光電変換効率が向上した光電気セルに関する。
【0002】
【発明の技術的背景】
光電変換材料は光エネルギーを電気エネルギーとして連続して取り出せる材料であり、電極間の電気化学反応を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料である。このような光電変換材料に光を照射すると、一方の電極側で電子が発生し、対電極に移動し、対電極に移動した電子は、電解質中をイオンとして移動して一方の電極に戻る。このエネルギー変換は連続であるため、たとえば、太陽電池などに利用されている。
【0003】
一般的な太陽電池は、先ず透明性導電膜をコートしたガラス板などの支持体上に光電変換材料用半導体の膜を形成して電極とし、次に、対電極として別の透明性導電膜をコートしたガラス板などの支持体を備え、これらの電極間に電解質を封入して構成されている。
【0004】
光電変換材料用半導体に吸着した分光増感色素に太陽光を照射すると、分光増感色素は可視領域の光を吸収して励起する。この励起によって発生する電子は半導体に移動し、次いで、透明導電性ガラス電極に移動し、2つの電極を接続する導線を通って対電極に移動し、対電極に移動した電子は電解質中の酸化還元系を還元する。一方、半導体に電子を移動させた分光増感色素は、酸化体の状態になっているが、この酸化体は電解質中の酸化還元系によって還元され、元の状態に戻る。このようにして電子が連続的に流れ、光電変換材料は太陽電池として機能する。
【0005】
この光電変換材料としては、半導体表面に可視光領域に吸収を持つ分光増感色素を吸着させたものが用いられている。たとえば、特開平1−220380号公報には、金属酸化物半導体の表面に、ルテニウム錯体などの遷移金属錯体からなる分光増感色素層を有する太陽電池が記載されている。また、特表平5−504023号公報には、金属イオンでドープした酸化チタン半導体層の表面に、ルテニウム錯体などの遷移金属錯体からなる分光増感色素層を有する太陽電池が記載されている。
【0006】
上記のような太陽電池では、光を吸収して励起した分光増感色素層からチタニア膜へ電子の移動が迅速に行われることが光変換効率向上に重要であり、迅速に電子移動が行われないと再度ルテニウム錯体と電子の再結合が起こり光変換効率が低下する問題がある。
【0007】
このため、チタニア膜表面と分光増感色素との吸着量を増大させたり、チタニア膜内の電子の移動性の向上させたりすることが検討されている。
たとえば、酸化チタン半導体膜を形成する際、チタニアゾルを電極基板上に塗布し、乾燥し、ついで焼成する工程を繰り返して行い多孔質の厚膜を形成し、半導体膜を多孔質化することによって表面に担持するRu錯体の量を増加させることが提案されている。また、400℃以上の温度でチタニア微粒子間の焼成を行い、導電性を向上させることも提案されている。さらに特表平6−511113号では、有効表面を増加させるために、塩化チタンの水溶液に浸すか、塩化チタンの加水分解液を用いて電気化学的にチタニア膜に堆積させることが提案されている。
【0008】
しかしながら、これらの方法では、電子移動性を向上させるために酸化チタン半導体膜の焼成を行っており、このため粒子の焼結によって多孔性(有効表面)が低下し、分光増感色素の吸着量が低下するなどの問題があり、必ずしも光電変換効率が充分でなく、用途に制限があり、さらなる改良が望まれていた。
【0009】
【発明の目的】
本発明は、半導体層中への分光増感色素の吸着量が高く、光電変換効率が向上した光電気セルの提供をすることを目的としている。
【0010】
【発明の概要】
本発明に係る光電気セルは、
表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に分光増感色素を吸着した金属酸化物半導体層(2)が形成されてなる絶縁性基板と、
表面に電極層(3)を有する絶縁性基板とが、
前記電極層(1)および(3)が対向するように配置してなり、
金属酸化物半導体層(2)と電極層(3)との間に電解質が封入してなる光電気セルにおいて、
電極層(1)表面に突出する導電性突設部(4)を有し、かつ金属酸化物半導体層が導電性突設部(4)および電極層(1)を覆うように形成されてなり、
少なくとも一方の絶縁性基板および電極層が透明性を有していることを特徴としている。
【0011】
前記金属酸化物半導体層は、導電性突設部(4)の形状に沿うように形成されてなることが好ましい。
また、前記金属酸化物半導体層は、酸化チタン、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化タングステン、酸化ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムから選ばれる少なくとも1種または2種以上の金属酸化物の球状粒子を含んでいることが好ましい。
【0012】
前記球状粒子の平均粒子径は、5〜600nmの範囲にあることが好ましい。このような球状粒子は、アナターゼ型酸化チタンからなるものが好ましい。また、球状粒子は、平均粒子径が0.1〜500nmの金属酸化物コア粒子の表面に、金属酸化物からなるシェル部が形成されたコア−シェル構造を有する球状粒子であってもよい。このようなコア−シェル構造を有する球状粒子では、特にシェル部がアナターゼ型酸化チタンであることが好ましい。
【0013】
前記アナターゼ型酸化チタンが、ペルオキソチタン酸を加熱・熟成して得られるものであることが好ましい。
また、金属酸化物半導体層は、金属酸化物球状粒子とともに、酸化チタンバインダーとを含んでいてもよい。
【0014】
さらにまた、金属酸化物半導体層は、O2、N2、H2および周期律表第0族の不活性ガスから選択される少なくとも1種のガスのイオンを注入したのち、アニーリングされたものであることが好ましい。
【0015】
本発明に係る光電気セルでは、形成された金属酸化物半導体層の細孔容積が0.05〜0.8ml/g、平均細孔径が2〜250nmの範囲にあることが好ましい。
【0016】
【発明の具体的な説明】
以下、本発明に係るについて具体的に説明する。
[光電気セル]
本発明の光電気セルは、表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に分光増感色素を吸着した金属酸化物半導体層(2)が形成されてなる絶縁性基板と、
表面に電極層(3)を有する絶縁性基板とが、
前記電極層(1)および(3)が対向するように配置してなり、
金属酸化物半導体層(2)と電極層(3)との間に電解質が封入してなる光電気セルにおいて、
電極層(1)表面に突出する導電性突設部(4)を有し、かつ金属酸化物半導体層が導電性突設部(4)を覆うように形成されてなり、
少なくとも一方の絶縁性基板および電極層が透明性を有していることを特徴としている。
【0017】
このような光電気セルとしては、たとえば図1に示すものが挙げられる。
図1は、本発明に係る光電気セルの一実施例を示す概略断面図であり、絶縁性基板6表面に電極層1を有し、かつ該電極層1表面に突出する導電性突設部4を有し、分光増感色素を吸着した金属酸化物半導体層2が導電性突設部4を覆うように形成されてなる絶縁性基板と、
透明絶縁性基板7表面に透明電極層3を有する透明絶縁性基板とが、
電極層1および3とが対向するように配置され、
さらに金属酸化物半導体層2と透明電極層3の間に電解質5が封入されている。
【0018】
絶縁性基板6としては絶縁性を有していれば特に制限はなく、使用することができる。
また、透明絶縁性基板7としてはガラス基板、PET等のポリマー基板等の透明でかつ絶縁性を有する基板を用いることができる。
【0019】
絶縁性基板6表面に形成された電極層1および電極層1表面に突出する導電性突設部4を構成する材料としては、酸化錫、Sb、FまたはPがドーピングされた酸化錫、酸化インジウム、Snおよび/またはFがドーピングされた酸化インジウム、酸化アンチモン、白金等の貴金属などの従来公知の導電材料を使用することができる。なお、電極層1と導電性突設部4とは、同じ導電材料から形成されても、異なる導電材料から形成されてもよい。
【0020】
導電性突設部の形状としては、図1に示されるような直方体形状に限られるものではなく、帯状、網目状などであってもよい。
電極層1と導電性突設部4とは、電気的に導通している。このような電極層1および導電性突設部4の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば絶縁性基板上に電極膜を熱分解法、CVD法、蒸着法などによって形成した後、膜表面にレジストを塗工し、導電性突設部4のパターニングをしてレジストをエッチングする方法が挙げられる。
【0021】
また、CVD法、蒸着法などによって電極層1を形成した後、上記導電材料からなる導電性粒子を含む塗布液を塗布し、導電性粒子層を形成して、導電性突設部4を形成してもよい(図2)。上記導電材料からなる導電性粒子を含む塗布液を塗布して、細密充填となるように導電性粒子層を形成した後、層表面にレジストを塗工し、導電性突設部4のパターニングをしてレジストをエッチングすることによって導電性突設部4を形成することもできる(図3)。
【0022】
導電性突設部4は、互いに金属酸化物半導体層2の平均厚さの2倍以上離れて位置することが好ましい。また、導電性突設部4の高さは、導電性突設部4を含めた金属酸化物半導体層の厚さの20%〜98%の範囲にあることが望ましい。このような範囲にあると金属酸化物半導体層中の電子が分光増感色素と再結合することなく電極層1へ速やかに移動するため、光電気セルの光電変換効率が高くなる。20%未満では電極層1への電子移動速度の向上効果が不充分であり、98%を超えると電解質と導通することがある。
【0023】
また、透明絶縁性基板7表面に形成された透明電極層3としては、酸化錫、Sb、FまたはPがドーピングされた酸化錫、酸化インジウム、Snおよび/またはFがドーピングされた酸化インジウム、酸化アンチモンなどの透明電極を使用することができる。透明電極層3の形成方法は、熱分解法、CVD法、蒸着法などの公知の方法を採用することができる。
【0024】
このような絶縁性基板6と電極層3の可視光透過率は高いほど好ましく、具体的には50%以上、特に好ましくは90%以上である。可視光透過率が50%未満の場合は光電変換効率が低く好ましくない。
【0025】
なお、本発明に係る光電気セルでは、前記絶縁性基板と電極層は、対をなす一方が少なくとも透明であればよい。このため図1のような光電気セルに限られるものではなく、たとえば絶縁性基板6、電極層1および導電性突設部4が透明であってもよく、また絶縁性基板6と7、電極層1と3、および導電性突設部4がいずれも透明であってもよい。
【0026】
これら電極層1および3、導電性突設部4の抵抗値は各々通常、50Ω/cm2以下であることが好ましい。電極層の抵抗値が50Ω/cm2を超えて高い場合も同様に光電変換効率が低くなることがある。
【0027】
本発明に係る光電気セルでは、このような電極層1および導電性突設部4を覆うように金属酸化物半導体層2が形成される。
金属酸化物半導体層2は、導電性突設部4を埋設していても、また電極層1と導電性突設部4とからなる形状に沿うように形成されていてもよい。
【0028】
特に、図4に示されるように、金属酸化物半導体層が、電極層1と導電性突設部4とからなる形状に沿うように形成されていることが望ましい。このように形成されていると、金属酸化物半導体層内に、電解質が浸入して、金属酸化物半導体層と電解質との接触面積が増大し、受光量の増加、分光増感色素吸着量の増加などによる光電変換効率が向上する。
【0029】
前記導電性突設部4を含めた金属酸化物半導体層の厚さは、0.1μm〜500μmの範囲にあることが好ましく、導電性突設部上あるいは電極層表面に形成された金属酸化物半導体層の厚さは、0.1〜50μmの範囲にあることが好ましい。
【0030】
なお、図5に示されるように、金属酸化物半導体層の平均厚さとは、導電性突設部を含めた金属酸化物半導体層の厚さの平均値をいい、金属酸化物半導体層の膜厚は電極層1および導電性突設部4表面に設けられた酸化物半導体層の厚さである。また、金属酸化物半導体層内に電解質が浸入している深さ(電解質浸入部の深さ)は、金属酸化物半導体層の厚さの20%〜90%の範囲内であることが好ましい。電解質浸入部の深さが20%未満では、受光量の増加効果が充分でなく、90%を超えると金属酸化物半導体層層の強度が不充分となることがある。
【0031】
このような金属酸化物半導体層としては、酸化チタン、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化タングステン、酸化ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムなどの金属酸化物の球状粒子からなる金属酸化物半導体層が好ましい。
【0032】
このような金属酸化物球状粒子は、平均粒子径が5〜600nmの範囲にあるものが好ましい。球状粒子であれば粒子が密に充填した場合、粒子径に基づく均一な細孔構造が形成される。さらに、球状粒子であれば均一な表面状態が得られる。このため、分光増感色素から金属酸化物半導体層への電子移動が効率よく行われ、その結果、電子移動性が向上する。なお、金属酸化物粒子の粒子径はレーザードップラー式粒子径測定機(日機装(株)製:マイクロトラック)によって測定することができる。金属酸化物粒子の平均粒子径が5nm未満であると、形成された金属酸化物半導体層にクラックが発生しやすく、少ない回数でかつクラックが発生することなく、金属酸化物半導体層を形成することが困難になることがあり、さらに金属酸化物半導体層の細孔径、細孔容積が低下し分光増感色素の吸着量が低下することもある。また、金属酸化物粒子の平均粒子径が600nmを超えて大きい場合には、金属酸化物半導体層の強度が不充分となることがある。
【0033】
このような金属酸化物球状粒子としては、アナターゼ型酸化チタンからなる球状粒子が好ましい。
アナターゼ型酸化チタン粒子は、ペルオキソチタン酸にアルカリ、好ましくはアンモニアおよび/またはアミンを添加してアルカリ性にした後、80〜350℃の温度範囲で加熱・熟成することによって得ることができる。また、得られたアナターゼ型チタンコロイド粒子を種粒子としてペルオキソチタン酸を添加した後、前記工程を繰り返すことも可能であり、このように種粒子を成長させる方法は、X線解折により結晶性の高いアナターゼ型チタンのコロイド粒子が得られるので好ましい。なお、「ペルオキソチタン酸」は、水素化チタン、チタンアルコキシド、チタン酸などのチタン化合物、あるいは含水チタン酸ゲルまたはゾルに過酸化水素を加えて、必要に応じて加熱することによって調製される。
【0034】
水和酸化チタンのゾルまたはゲルは、チタン化合物の水溶液に酸またはアルカリを加えて加水分解し、必要に応じて洗浄、加熱、熟成することによって得られる。使用されるチタン化合物としては特に制限はないが、ハロゲン化チタン、硫酸チタニル等のチタン塩、テトラアルコキシチタン等のチタンアルコキシド、水素化チタン等のチタン化合物を用いることができる。
【0035】
また、本発明では、金属酸化物球状粒子として、平均粒子径が0.1〜500nmの範囲にある金属酸化物コア粒子の表面に前記金属酸化物からなるセルを有するコアーシェル構造を有する球状粒子も好適に使用される。コアーシェル構造を有する球状粒子の場合、コア粒子としては球状の粒子であれば特に制限はないが、真球状の粒子が得られやすいシリカ粒子などが好適に使用される。このようなコア−シェル構造を有する金属酸化物粒子は、シェル部が前記した金属酸化物からなるものであるが、シェル部は酸化チタンからなるものが好ましく、特にアナターゼ型酸化チタンが好ましい。
【0036】
このようなコア−シェル構造を有する球状粒子は、前記粒子径範囲にあるコア粒子の分散液に、必要に応じて加熱して、ペルオキソチタン酸を徐々に添加することによって得ることができる。
【0037】
粒子がアナターゼ型酸化チタンであったり、あるいはシェル部がアナターゼ型酸化チタンであると、他の金属酸化物粒子に比較して、分光増感色素の吸着量が高く、分光増感色素から金属酸化物半導体への電子移動性および金属酸化物半導体層内の電子移動性が高く、さらに安定性、安全性、膜形成性が容易であるなどの優れた特性がある。
【0038】
このような、アナターゼ型酸化チタンの結晶子径の好ましい範囲は5〜50nm、より好ましい範囲は7〜30nmである。なおアナターゼ型酸化チタンの結晶子径は、X線解折により(1.0.1)面のピークの半値幅を測定し、Debye-Scherrerの式により計算によって求められる。このアナターゼ型酸化チタン粒子の結晶子径が5nm未満の場合は粒子内の電子移動性が低下し、50nmを超えて大きい場合は分光増感色素の吸着量が低下し、光電変換効率が低下することがある。
【0039】
金属酸化物半導体層は、前記金属酸化物の球状粒子とともにバインダー成分を含んでいてもよい。
このようなバインダー成分としては、ゾル・ゲル法で得られる無定型酸化チタン、ゾル・ゲル法で得られた粒子を過酸化水素で溶解したペルオキソチタン酸、さらにこのペルオキソチタン酸を加水分解・縮重合して得られる無定型酸化チタンなどが挙げられる。これらのうち、特に前記ペルオキソチタン酸を加水分解・縮重合することによって得られる無定型酸化チタンが好ましい。 球状粒子として、アナターゼ型酸化チタン粒子またはシェル部がアナターゼ型酸チタンから形成されたコア−シェル構造を有する球状粒子を使用している場合、このようなペルオキソチタン酸の加水分解・縮重合物は、アナターゼ型酸化チタン粒子表面に緻密かつ均一な吸着層を形成する。このため得られる金属酸化物半導体層は電極との密着性を高めることができる。さらに、このようなペルオキソチタン酸をバインダー成分として使用すると、アナターゼ型酸化チタン粒子同士の接触が点接触から面接触となり、電子移動性を向上させることができる。
【0040】
金属酸化物半導体層中の無定型酸化チタンと金属酸化物球状粒子の比率は、酸化物換算の重量比(無定型酸化チタン/金属酸化物球状粒子)で0.05〜0.7、好ましくは0.1〜0.5の範囲にあることが好ましい。重量比が0.05未満では、金属酸化物半導体層の強度が不十分であったり、さらには電極と金属酸化物半導体層との密着性が不十分となることがある。重量比が0.7を越えて高い場合は、生成する細孔の細孔径が小さすぎるため、電解質と分光増感色素との電子の授受が抑制される傾向にあり、このため光電変換効率が向上しないことがある。
【0041】
金属酸化物半導体層は、細孔容積が0.05〜0.8ml/g、平均細孔径が2〜250nmの範囲にあることが好ましい。細孔容積が0.05ml/gより小さい場合は分光増感色素吸着量が低くなり、また0.8ml/gを超えて高い場合には層内の電子移動性が低下して光電変換効率を低下させることがある。また、平均細孔径が2nm未満の場合は分光増感色素の吸着量が低下し、250nmを超えて高い場合は電子移動性が低下し光電変換効率が低下することもある。
【0042】
このような金属酸化物半導体層は、金属酸化物球状粒子と分散媒、および必要に応じてバインダーとを含む光電気セル用金属酸化物半導体層形成用塗布液を塗布したのち、乾燥することによって形成することができる。
【0043】
分散媒としては、金属酸化物粒子とバインダー成分とが分散でき、かつ乾燥した際に除去できるものであれば特に制限はなく使用することができるが、特にアルコール類が好ましい。
【0044】
また、この塗布液には、必要に応じて形成助剤が含まれていてもよい。形成助剤としてはポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール等が挙げられる。
【0045】
このような形成助剤が塗布液中に含まれていると、塗布液の粘度が高くなり、これにより均一に乾燥した層が得られ、さらにアナターゼ型酸化チタン粒子が緻密に充填して、電極との密着性の高い金属酸化物半導体層を得ることができる。
【0046】
塗布液は最終的に形成される金属酸化物半導体層の層厚が0.1〜50μmの範囲になるように塗布されることが好ましい。塗布液の塗布方法としては、ディッピング法、スピナー法、スプレー法、ロールコーター法、フレキソ印刷、転写法など従来公知の方法で塗布することができる。
【0047】
乾燥温度は、分散媒を除去できる温度であればよい。乾燥後、必要に応じて、さらに紫外線を照射して、バインダー成分として含まれているペルオキソチタン酸を硬化させてもよい。紫外線の照射量はペルオキソチタン酸の含有量などによって異なるが、ペルオキソチタン酸が分解して硬化するに必要な量照射すればよい。なお、成形助剤が含まれている場合には、硬化後、加熱処理して形成助剤を分解してもよい。
【0048】
また、形成された金属酸化物半導体層に、O2、N2、H2およびネオン、アルゴン、クリプトンなど周期律表第0族の不活性ガスから選択される少なくとも1種のガスのイオンを注入し、次いでアニーリングすることが好ましい。イオン注入の方法はIC、LSIを製造する際にシリコンウエハーへBやPを一定量、一定深さに注入する方法等として公知の方法を採用することができる。
【0049】
アニーリングは、200℃〜500℃、好ましくは250℃〜400℃の温度で、10分〜20時間加熱することによって行われる。
照射されるイオンとしては前記した金属酸化物との反応性のないイオンが好ましい。これらのガスのイオンの注入によっては、金属酸化物半導体層内にこれらのイオンが残留することが無く金属酸化物粒子表面に欠陥が多く生成し、アニーリング後の結晶性が向上するとともに粒子同士の接合が促進され、このため分光増感色素との結合力が高まるとともに吸着量が増加し、さらに酸化チタン粒子の場合は結晶性の向上および粒子の接合の促進により電子移動性が向上することによって光電変換効率が向上するので好ましい。
【0050】
本発明に係る光電気セルでは、金属酸化物半導体層は分光増感色素を吸着している。
分光増感色素としては、可視光領域および/または赤外光領域の光を吸収して励起するもであれば特に制限はなく、たとえば有機色素、金属錯体を用いることができる。
【0051】
有機色素としては、分子中にカルボキシル基、ヒドロキシアルキル基、ヒドロキシル基、スルホン基、カルボキシアルキル基等の官能基を有する従来公知の有機色素が使用できる。具体的には、メタルフリーフタロシアニン、シアニン系色素、メタロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素およびウラニン、エオシン、ローズベンガル、ローダミンB、ジブロムフルオレセイン等のキサンテン系色素等が挙げられる。これらの有機色素は金属酸化物半導体への吸着速度が速いという特性を有している。
【0052】
また、金属錯体としては、特開平1-220380号公報や特表平5-504023号公報などに記載された銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニンなどの金属フタロシアニン、クロロフィル、ヘミン、ルテニウム-トリス(2,2'-ビスピリジル-4,4'-ジカルボキシラート)、ルテニウム-シス-ジアクア-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラート)どのルテニウム-シス-ジアクア-ビピリジル錯体、亜鉛-テトラ(4-カルボキシフェニル)ポルフィンなどのポルフィリン、鉄-ヘキサシアニド錯体などのルテニウム、オスミウム、鉄、亜鉛などの錯体が挙げられる。これらの金属錯体は分光増感の効果や耐久性に優れている。
【0053】
上記の有機色素および金属錯体は単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよく、さらに有機色素と金属錯体を併用してもよい。
このような分光増感色素の吸着方法は、特に制限はなく、分光増感色素を溶媒に溶解した溶液を金属酸化物半導体層に吸収させ次いで乾燥する等の一般的な方法が採用できる。さらに必要に応じて前記工程を繰り返してもよい。また、分光増感色素溶液を過熱環流しながら前記基板と接触させて吸着させることもできる。
【0054】
溶媒としては、分光増感色素を溶解するものであればよく、具体的には、水、アルコール類、トルエン、ジメチルホルムアミド、クロロホルム、エチルセルソルブ、Nーメチルピロリドン、テトラヒドロフラン等を用いることができる。
【0055】
金属酸化物半導体層に吸着させる分光増感色素の量は、金属酸化物半導体層の比表面積1cm2あたり100μg以上であることが好ましい。分光増感色素の量が100μg未満の場合は光電変換効率が不充分となることがある。
【0056】
本発明に係る光電気セルは、金属酸化物半導体層2と透明電極層3とを対向して配置し、側面を樹脂などでシールし、電極間に電解質を封入して形成される。電解質5としては、電気化学的に活性な塩とともに酸化還元系を形成する少なくとも1種の化合物との混合物が使用される。
【0057】
電気化学的に活性な塩としては、テトラプロピルアンモニウムアイオダイドなどの4級アンモニウム塩が挙げられる。酸化還元系を形成する化合物としては、キノン、ヒドロキノン、沃素、沃化カリウム、臭素、臭化カリウム等が挙げられる。
【0058】
また本発明では、前記電解質5に必要に応じて溶媒を用いて電解液とすることができる。このとき使用される溶媒は金属酸化物半導体層に吸着した分光増感色素が脱着して溶解することのない程度に分光増感色素の溶解度の低いものが望ましい。溶媒として、具体的には水、アルコール類、オリゴエーテル類、プロピオンカーボネート等のカーボネート類、燐酸エステル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、スルホラン66の硫黄化合物、炭酸エチレン、アセトニトリル等が挙げられる。
【0059】
このような本発明の光電気セルは、電極表面に特定の導電性突設部が設けられているので、発生した電子が迅速に電極に移動できる。また電子が分光増感色素と再結合することもない。さらに、本発明に係る光電気セルは分光増感色素の吸着量が高く、しかも発生した電子の移動もスムーズである。このため、本発明に係る光電気セルは光電変換効率に優れている。
【発明の効果】
本発明によれば、光電変換効率が高く、太陽電池などの種々の光電変換用途に有用な光電気セルを得ることができる。
【0060】
【実施例】
以下、実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0061】
【実施例1】
塗布液の調製
5gの水素化チタンを1リットルの純水に懸濁し、濃度5重量%の過酸化水素液400gを30分かけて添加し、ついで80℃に加熱して溶解し、ペルオキソチタン酸の溶液を調製した。この溶液の全量から90容積%を分取し、濃アンモニア水を添加してpH9に調整し、オートクレーブに入れ、250℃で5時間、飽和蒸気圧下で水熱処理を行ってチタニアコロイド粒子(A)を調製した。得られたチタニアコロイド粒子は、X線回折により結晶性の高いアナターゼ型酸化チタンであった。このアナターゼ型酸化チタン粒子の平均粒子径を表1に示す。
【0062】
次に、上記で得られたチタニアコロイド粒子(A)を濃度10重量%まで濃縮し、前記ペルオキソチタン酸溶液を混合し、この混合液中のチタンをTiO2に換算し、TiO2重量の30重量%となるように形成助剤としてヒドロキシプロピルセルロースを添加して金属酸化物半導体層形成用塗布液を調製した。
【0063】
電極の形成
図1に示す光電気セルを形成した。
透明ガラス基板5の片面上に、マグネットスパッタ装置(島津製作所(株)製:HSRー521A)を用いて、フッ素ドープ酸化スズをターゲットとして、RF Power:500W、Arガス(10sccm)、0.04torr、200min、基板温度250℃の条件で、厚さ5μmのフッ素ドープ酸化スズの膜を形成した。次いでこの膜上にレジスト(東京応化(株)製:OFPR-800)を塗工した後、ピッチが2μmのLine&Spaceのパターンニングを行った。次に反応性イオンエッチングRIE装置(アネルバ社製:DEM451T)を用いて、RF Power:500W、BCl3 (40sccm) とAr (10sccm)のガス10Paの条件でエッチングを行い、その後アッシングによりレジストを除去して、厚さ0.5μmの電極層1および高さ4.5μmの導電性突設部4を形成した。
【0064】
別の透明ガラス基板6の片面上に、マグネットスパッタ装置(島津製作所(株)製:HSRー521A)を用いて、フッ素ドープ酸化スズをターゲットとして、RF Power:500W、Arガス(10sccm)、0.04torr、20minの条件で、厚さ0.5μmのフッ素ドープ酸化スズ層を形成し、これに白金を担持して電極層3を形成した。
【0065】
次いで、フッ素ドープした酸化スズからなる電極層1および導電性突設部4上に、前記調製した金属酸化物半導体層形成用塗布液を塗布し、自然乾燥し、引き続き低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソ酸を分解させ、層を硬化させた。さらに、300℃で30分間加熱してヒドロキシプロピルセルロースの分解およびアニーリングを行って金属酸化物半導体層表面が平坦である酸化チタン半導体層(A)を形成した。
【0066】
得られた酸化チタン半導体層(A)の層厚および窒素吸着法によって求めた細孔容積と平均細孔径を表1に示す。
分光増感色素の吸着
次に、分光増感色素としてシス-(SCN-)-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシレート)ルテニウム(II)で表されるルテニウム錯体の濃度3×10-4モル/リットルのエタノール溶液を調製した。この分光増感色素溶液を、rpm100スピナーを用いて、酸化チタン半導体層(A)上へ塗布して乾燥した。この塗布および乾燥工程を5回行った。得られた酸化チタン半導体層(A)の分光増感色素の吸着量は、酸化チタン半導体層(A)の比表面積1cm2あたりの吸着量として表に示す。
【0067】
先ず、溶媒としてアセトニトリルと炭酸エチレンの体積比が1:4の比でを混合した溶媒にテトラプロピルアンモニウムアイオダイドとヨウ素とを、それぞれの濃度が0.46モル/リットル、0.06モル/リットルとなるように溶解して電解質溶液を調製した。
【0068】
前記で調製した電極層1と導電性突設部4を形成した透明ガラス基板5を一方の電極とし、電極層2を形成した透明ガラス基板6を他方の電極として対向して配置し、側面を樹脂にてシールし、電極間に上記の電解質溶液2を封入し、さらに電極間をリード線で接続して光り電気セル(A)を作成した。
【0069】
光電気セル(A)は、ソーラーシュミレーターで100W/m2の強度の光を照射して、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定し、結果を表1に示す。
【0070】
【実施例2】
実施例1で調製した金属酸化物半導体層形成用塗布液の濃度を、濃度が1/3となるように水で希釈して金属酸化物半導体層形成用塗布液を調製した(チタニアコロイド粒子(A)を濃度3.3重量%、ヒドロキシプロピルセルロースは液中のチタンをTiO2に換算し、TiO2重量の10重量%となるように含まれている)。
【0071】
この塗布液を用いて、実施例1と同様のフッ素ドープした酸化スズからなる電極層1および導電性突設部4上に、前記調製した金属酸化物半導体層形成用塗布液を塗布したのち、急速乾燥する操作を6回に分けて実施し、実施例1と同様の金属酸化物半導体層層に侵入した電解質部を有するように酸化チタン半導体層を形成した。
【0072】
次いで、低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソ酸を分解させ、酸化チタン半導体層を硬化させた。さらに、300℃で30分間加熱してヒドロキシプロピルセルロースの分解およびアニーリングを行って金属酸化物半導体層表面が平坦である酸化チタン半導体層(B)を形成した。
【0073】
得られた酸化チタン半導体層(B)の層厚および窒素吸着法によって求めた細孔容積と平均細孔径を表1に示す。
分光増感色素の吸着
実施例1と同様にして酸化チタン層に分光増感色素の吸着を行った。
【0074】
分光増感色素の吸着量は表1に示す。
光電気セルの作成
実施例1と同様にして光電気セル(B)を作成し、Voc、Joc、FFおよびηを測定し結果を表1に示す。
【0075】
【比較例1】
透明ガラス基板5の片面上に、マグネットスパッタ装置(島津製作所(株)製:HSR-521A)を用いて、フッ素ドープ酸化スズをターゲットとして、RF Power:500W 、Arガス(10sccm) 0.04torr 、20min の条件で、厚さ0.5μmのフッ素ドープ酸化スズの電極層1を形成した。
【0076】
別の透明ガラス基板6の片面上に、マグネットスパッタ装置(島津製作所(株)製:HSR-521A)を用いて、フッ素ドープ酸化スズをターゲットとして、RF Power:500W、Arガス(10sccm) 0.04torr、20min の条件で、厚さ0.5μmのフッ素ドープ酸化スズの層を形成し、これに白金を担持して電極層3を形成した。
【0077】
電極層1が形成された透明ガラス基板を用いて、実施例1と同様にして酸化チタン半導体層(C)を形成した。
得られた酸化チタン半導体層(C)の層厚および窒素吸着法によって求めた細孔容積と平均細孔径を表1に示す。
【0078】
分光増感色素の吸着
実施例1と同様にして酸化チタン層(C)に分光増感色素の吸着を行った。
分光増感色素の吸着量は表1に示す。
【0079】
光電気セルの作成
実施例1と同様にして光り電気セル(C)を作成し、Voc、Joc、FFおよびηを測定し、結果を表1に示す。
【0080】
【実施例3】
コア−シェル構造を有する粒子の調製
エタノール200g、純水25gおよび濃度29重量%のアンモニア水60gの混合溶液に、テトラエトキシシラン7.6gとエタノール100gの混合溶液を一時に添加して平均粒子径が0.2μmの球状シリカ粒子分散液を調製した。得られた分散液は、次いでロータリーエバポレーターでシリカ濃度10重量%まで濃縮したシリカ粒子分散液を得た(コア粒子)。
【0081】
.5gの水素化チタンを1リットルの純水に懸濁し、濃度5重量%の過酸化水素液400gを30分かけて添加し、ついで80℃に加熱して溶解し、ペルオキソチタン酸の溶液を調製した。
【0082】
先に調製したシリカ粒子分散液を90℃に加熱し、これにペルオキソチタン酸の溶液を100時間で添加してコアがシリカでシェル部が酸化チタンである金属酸化物粒子(D)の分散液を調製した。得られた金属酸化物粒子(D)は、X線回折によりシェル部の酸化チタンはアナターゼ型酸化チタンであった。また、この金属酸化物粒子(D)の平均粒子径を表1に示す。
【0083】
光電気セルの形成
透明ガラス基板5の片面上に、マグネットスパッタ装置(島津製作所(株)製:HSR-521A)を用いて、フッ素ドープ酸化スズをターゲットとして、RF Power:500W、Arガス(10sccm) 0.04torr、20min の条件で、厚さ0.5μmのフッ素ドープ酸化スズの電極層1を形成した。
【0084】
別の透明ガラス基板の片面上に、マグネットスパッタ装置(島津製作所(株)製:HSR-521A)を用いて、フッ素ドープ酸化スズをターゲットとして、RF Power:500W、Arガス(10sccm) 0.04torr、20min の条件で、厚さ0.5μmのフッ素ドープ酸化スズの層を形成し、これに白金を担持して電極層3を形成した。
【0085】
電極層1上にネガ型フォトレジスト(東京応化(株)製:OMR-83)を500rpmでスピンコートして厚さ6μmのレジスト膜を形成した。ついで、アライナーで露光後現像を行い、ピッチが6μmの Line & Space のパターンニングを行った。
【0086】
次に、パターニングした電極層1を形成した透明ガラス基板を金属酸化物粒子(D)の分散液に浸漬し、対極に白金電極を用いて、透明ガラス基板に正電圧を印加し、レジスト間に金属酸化物粒子(D)を積層させた。その後、別途調製したペルオキソチタン酸を金属酸化物粒子(D)に対し酸化物としての重量比が0.15となるように金属酸化物粒子(D)層上にスピンコートし、自然乾燥し、引き続き低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソ酸を分解させ、金属酸化物半導体層を硬化させた。硬化後、O2-Ashingしてレジストを除去した。次に、インジウムコロイド粒子分散液(触媒化成製:ARS-22A、粒子径0.07μm、濃度2.5重量%)をスピンコートしてレジストを除去した箇所に金属酸化物粒子(D)層と同じ高さまでインジウムコロイド粒子を充填して導電性突設部4を形成した。
【0087】
次に、前記と同様にして得られた濃度10%の金属酸化物粒子(D)の分散液に、ペルオキソチタン酸溶液を金属酸化物粒子(D)に対し酸化物としての重量比が0.15となるように混合し、この混合液中の金属酸化物の重量に対し30重量%となるように形成助剤としてヒドロキシプロピルセルロースを添加して金属酸化物半導体層形成用塗布液を調製し、これを前記金属酸化物粒子(D)層およびインジウムコロイド粒子からなる導電性突設部4上に塗布し、再び自然乾燥し、引き続き低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソ酸を分解させ、硬化させ、さらに、300℃で30分間加熱してヒドロキシプロピルセルロースの分解およびアニーリングを行って金属酸化物半導体層表面が平坦である酸化チタン半導体層(D)を形成した。
【0088】
得られた酸化チタン半導体層(D)の厚さおよび窒素吸着法によって求めた細孔容積と平均細孔径を表1に示す。
分光増感色素の吸着
実施例1と同様にして金属酸化物半導体層(D)に分光増感色素の吸着を行った。
【0089】
分光増感色素の吸着量は表1に示す。
光電気セルの作成
実施例1と同様にして光電気セル(D)を作成し、Voc、Joc、FFおよびηを測定し結果を表1に示す。
【0090】
【表1】

Figure 0004176200

【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るに光電気セルの一実施例を示す概略断面図である。
【図2】 本発明に係るに光電気セルの導電性突設部の1例を示す拡大断面図である。
【図3】 本発明に係るに光電気セルの導電性突設部の1例を示す拡大断面図である。
【図4】 本発明に係るに光電気セルの一実施例を示す概略断面図である。
【図5】 層厚の定義を表す模式図。
【符号の説明】
1・・・・・電極層
2・・・・・金属酸化物半導体層
3・・・・・透明電極層
4・・・・・導電性突設部
5・・・・・電解質
6・・・・・絶縁性基板
7・・・・・透明絶縁性基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric cell having a high adsorption / loading amount of a spectral sensitizing dye to a metal oxide semiconductor layer, a high bonding force between the metal oxide semiconductor layer and the spectral sensitizing dye, and an improved photoelectric conversion efficiency. .
[0002]
TECHNICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
The photoelectric conversion material is a material that can continuously extract light energy as electric energy, and is a material that converts light energy into electric energy using an electrochemical reaction between electrodes. When such a photoelectric conversion material is irradiated with light, electrons are generated on one electrode side, move to the counter electrode, and the electrons moved to the counter electrode move as ions in the electrolyte and return to the one electrode. Since this energy conversion is continuous, it is used, for example, for solar cells.
[0003]
In general solar cells, first a semiconductor film for photoelectric conversion material is formed on a support such as a glass plate coated with a transparent conductive film as an electrode, and then another transparent conductive film is used as a counter electrode. A support such as a coated glass plate is provided, and an electrolyte is sealed between these electrodes.
[0004]
When the spectral sensitizing dye adsorbed on the photoelectric conversion material semiconductor is irradiated with sunlight, the spectral sensitizing dye absorbs light in the visible region and is excited. The electrons generated by this excitation move to the semiconductor, then move to the transparent conductive glass electrode, move to the counter electrode through the conducting wire connecting the two electrodes, and the electrons transferred to the counter electrode are oxidized in the electrolyte. Reduce the reduction system. On the other hand, the spectral sensitizing dye having electrons transferred to the semiconductor is in an oxidant state, but this oxidant is reduced by the redox system in the electrolyte and returns to its original state. In this way, electrons flow continuously, and the photoelectric conversion material functions as a solar cell.
[0005]
As this photoelectric conversion material, a material obtained by adsorbing a spectral sensitizing dye having absorption in the visible light region on the semiconductor surface is used. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380 describes a solar cell having a spectral sensitizing dye layer made of a transition metal complex such as a ruthenium complex on the surface of a metal oxide semiconductor. JP-T-5-504023 discloses a solar cell having a spectral sensitizing dye layer made of a transition metal complex such as a ruthenium complex on the surface of a titanium oxide semiconductor layer doped with metal ions.
[0006]
In the solar cell as described above, it is important for improving the light conversion efficiency that the electron transfer from the spectral sensitizing dye layer excited by absorbing light to the titania film is important, and the electron transfer is performed quickly. Otherwise, there is a problem that the recombination of the ruthenium complex and the electrons occurs again and the light conversion efficiency is lowered.
[0007]
For this reason, it has been studied to increase the amount of adsorption between the titania film surface and the spectral sensitizing dye or to improve the mobility of electrons in the titania film.
For example, when forming a titanium oxide semiconductor film, a titania sol is applied on an electrode substrate, dried, and then fired repeatedly to form a porous thick film, and the semiconductor film is made porous. It has been proposed to increase the amount of Ru complex supported on the surface. It has also been proposed to improve conductivity by firing between titania fine particles at a temperature of 400 ° C. or higher. Further, Japanese Patent Publication No. 6-511113 proposes to immerse in an aqueous solution of titanium chloride or electrochemically deposit it on a titania film using a hydrolyzed solution of titanium chloride in order to increase the effective surface. .
[0008]
However, in these methods, the titanium oxide semiconductor film is baked in order to improve the electron mobility. For this reason, the porosity (effective surface) is lowered by the sintering of the particles, and the adsorption amount of the spectral sensitizing dye is decreased. However, the photoelectric conversion efficiency is not always sufficient, the use is limited, and further improvement has been desired.
[0009]
OBJECT OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide a photoelectric cell in which the amount of spectral sensitizing dye adsorbed in a semiconductor layer is high and the photoelectric conversion efficiency is improved.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION
The photovoltaic cell according to the present invention comprises:
An insulating substrate having an electrode layer (1) on the surface and a metal oxide semiconductor layer (2) having a spectral sensitizing dye adsorbed on the surface of the electrode layer (1);
An insulating substrate having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layers (1) and (3) are arranged so as to face each other,
In the photoelectric cell in which an electrolyte is sealed between the metal oxide semiconductor layer (2) and the electrode layer (3),
The electrode layer (1) has a conductive protrusion (4) protruding on the surface, and the metal oxide semiconductor layer is formed to cover the conductive protrusion (4) and the electrode layer (1). ,
It is characterized in that at least one of the insulating substrate and the electrode layer has transparency.
[0011]
The metal oxide semiconductor layer is preferably formed so as to follow the shape of the conductive protruding portion (4).
The metal oxide semiconductor layer may include at least one or more metal oxides selected from titanium oxide, lanthanum oxide, zirconium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, strontium oxide, zinc oxide, tin oxide, and indium oxide. It is preferable that spherical particles are included.
[0012]
The average particle diameter of the spherical particles is preferably in the range of 5 to 600 nm. Such spherical particles are preferably made of anatase-type titanium oxide. The spherical particles may be spherical particles having a core-shell structure in which a shell portion made of a metal oxide is formed on the surface of a metal oxide core particle having an average particle diameter of 0.1 to 500 nm. In the spherical particles having such a core-shell structure, the shell portion is particularly preferably anatase type titanium oxide.
[0013]
The anatase-type titanium oxide is preferably obtained by heating and aging peroxotitanic acid.
Further, the metal oxide semiconductor layer may contain a titanium oxide binder together with the metal oxide spherical particles.
[0014]
Furthermore, the metal oxide semiconductor layer is made of O2, N2, H2In addition, it is preferable that the gas is annealed after implanting ions of at least one gas selected from an inert gas belonging to Group 0 of the periodic table.
[0015]
In the photoelectric cell according to the present invention, the formed metal oxide semiconductor layer preferably has a pore volume of 0.05 to 0.8 ml / g and an average pore diameter of 2 to 250 nm.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
[Photoelectric cell]
The photoelectric cell of the present invention has an electrode layer (1) on the surface, and an insulating property formed by forming a metal oxide semiconductor layer (2) adsorbing a spectral sensitizing dye on the surface of the electrode layer (1) A substrate,
An insulating substrate having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layers (1) and (3) are arranged so as to face each other,
In the photoelectric cell in which an electrolyte is sealed between the metal oxide semiconductor layer (2) and the electrode layer (3),
The electrode layer (1) has a conductive protrusion (4) protruding on the surface, and the metal oxide semiconductor layer is formed so as to cover the conductive protrusion (4).
It is characterized in that at least one of the insulating substrate and the electrode layer has transparency.
[0017]
An example of such a photoelectric cell is shown in FIG.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a photovoltaic cell according to the present invention, which has an electrode layer 1 on the surface of an insulating substrate 6 and a conductive protruding portion protruding on the surface of the electrode layer 1. 4 and an insulating substrate formed by covering the conductive protrusion 4 with the metal oxide semiconductor layer 2 having adsorbed the spectral sensitizing dye,
A transparent insulating substrate having the transparent electrode layer 3 on the surface of the transparent insulating substrate 7;
The electrode layers 1 and 3 are arranged so as to face each other,
Further, an electrolyte 5 is sealed between the metal oxide semiconductor layer 2 and the transparent electrode layer 3.
[0018]
The insulating substrate 6 is not particularly limited as long as it has insulating properties, and can be used.
Further, as the transparent insulating substrate 7, a transparent and insulating substrate such as a glass substrate or a polymer substrate such as PET can be used.
[0019]
Examples of the material constituting the electrode layer 1 formed on the surface of the insulating substrate 6 and the conductive protrusion 4 protruding from the surface of the electrode layer 1 include tin oxide, tin oxide doped with Sb, F or P, and indium oxide. Conventionally known conductive materials such as noble metals such as indium oxide, antimony oxide and platinum doped with Sn and / or F can be used. The electrode layer 1 and the conductive protrusion 4 may be formed from the same conductive material or different conductive materials.
[0020]
The shape of the conductive projecting portion is not limited to a rectangular parallelepiped shape as shown in FIG. 1, and may be a belt shape, a mesh shape, or the like.
The electrode layer 1 and the conductive protrusion 4 are electrically connected. The formation method of such an electrode layer 1 and the conductive protrusion 4 is not particularly limited. For example, after forming an electrode film on an insulating substrate by a thermal decomposition method, a CVD method, a vapor deposition method, etc., the film A method of etching the resist by applying a resist on the surface, patterning the conductive protrusions 4 and the like can be mentioned.
[0021]
Moreover, after forming the electrode layer 1 by CVD method, vapor deposition method, etc., the coating liquid containing the conductive particles made of the conductive material is applied to form the conductive particle layer, thereby forming the conductive protrusion 4. You may do it (FIG. 2). After applying a coating liquid containing conductive particles made of the above conductive material and forming a conductive particle layer so as to be densely packed, a resist is applied to the surface of the layer, and patterning of the conductive protrusion 4 is performed. Then, the conductive protrusion 4 can be formed by etching the resist (FIG. 3).
[0022]
It is preferable that the conductive protrusions 4 are located apart from each other by at least twice the average thickness of the metal oxide semiconductor layer 2. Moreover, it is desirable that the height of the conductive protrusion 4 is in the range of 20% to 98% of the thickness of the metal oxide semiconductor layer including the conductive protrusion 4. Within such a range, the electrons in the metal oxide semiconductor layer quickly move to the electrode layer 1 without recombining with the spectral sensitizing dye, so that the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric cell increases. If it is less than 20%, the effect of improving the electron transfer rate to the electrode layer 1 is insufficient, and if it exceeds 98%, it may be electrically connected to the electrolyte.
[0023]
The transparent electrode layer 3 formed on the surface of the transparent insulating substrate 7 includes tin oxide, tin oxide doped with Sb, F or P, indium oxide, indium oxide doped with Sn and / or F, oxide A transparent electrode such as antimony can be used. As a method for forming the transparent electrode layer 3, a known method such as a thermal decomposition method, a CVD method, or a vapor deposition method can be employed.
[0024]
The visible light transmittance of the insulating substrate 6 and the electrode layer 3 is preferably as high as possible, specifically 50% or more, particularly preferably 90% or more. When the visible light transmittance is less than 50%, the photoelectric conversion efficiency is low, which is not preferable.
[0025]
In the photoelectric cell according to the present invention, it is only necessary that at least one of the insulating substrate and the electrode layer is transparent. For this reason, it is not limited to the photoelectric cell as shown in FIG. 1, and for example, the insulating substrate 6, the electrode layer 1 and the conductive protrusion 4 may be transparent, and the insulating substrates 6 and 7, the electrodes The layers 1 and 3 and the conductive protruding portion 4 may all be transparent.
[0026]
The resistance values of the electrode layers 1 and 3 and the conductive protrusion 4 are usually 50 Ω / cm, respectively.2The following is preferable. The resistance value of the electrode layer is 50 Ω / cm2Similarly, the photoelectric conversion efficiency may be lowered when the value is higher than the above value.
[0027]
In the photoelectric cell according to the present invention, the metal oxide semiconductor layer 2 is formed so as to cover the electrode layer 1 and the conductive protrusion 4.
The metal oxide semiconductor layer 2 may have the conductive projecting portion 4 embedded therein or may be formed so as to follow the shape formed of the electrode layer 1 and the conductive projecting portion 4.
[0028]
In particular, as shown in FIG. 4, it is desirable that the metal oxide semiconductor layer is formed so as to follow a shape including the electrode layer 1 and the conductive protrusion 4. When formed in this manner, the electrolyte intrudes into the metal oxide semiconductor layer, increasing the contact area between the metal oxide semiconductor layer and the electrolyte, increasing the amount of received light, and the amount of spectral sensitizing dye adsorption. The photoelectric conversion efficiency is increased due to an increase.
[0029]
The thickness of the metal oxide semiconductor layer including the conductive protrusion 4 is preferably in the range of 0.1 μm to 500 μm, and the metal oxide formed on the conductive protrusion or on the electrode layer surface The thickness of the semiconductor layer is preferably in the range of 0.1 to 50 μm.
[0030]
Note that, as shown in FIG. 5, the average thickness of the metal oxide semiconductor layer means an average value of the thickness of the metal oxide semiconductor layer including the conductive protrusions, and is a film of the metal oxide semiconductor layer. The thickness is the thickness of the oxide semiconductor layer provided on the surface of the electrode layer 1 and the conductive protrusion 4. Moreover, it is preferable that the depth (the depth of the electrolyte penetration portion) where the electrolyte enters the metal oxide semiconductor layer is within a range of 20% to 90% of the thickness of the metal oxide semiconductor layer. If the depth of the electrolyte intrusion is less than 20%, the effect of increasing the amount of received light is not sufficient, and if it exceeds 90%, the strength of the metal oxide semiconductor layer may be insufficient.
[0031]
Examples of such metal oxide semiconductor layers include metal oxides composed of spherical particles of metal oxides such as titanium oxide, lanthanum oxide, zirconium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, strontium oxide, zinc oxide, tin oxide, and indium oxide. A semiconductor layer is preferred.
[0032]
Such metal oxide spherical particles preferably have an average particle diameter in the range of 5 to 600 nm. In the case of spherical particles, when the particles are densely packed, a uniform pore structure based on the particle diameter is formed. Furthermore, a uniform surface state can be obtained with spherical particles. For this reason, electron transfer from the spectral sensitizing dye to the metal oxide semiconductor layer is efficiently performed, and as a result, electron mobility is improved. The particle diameter of the metal oxide particles can be measured with a laser Doppler particle size measuring instrument (manufactured by Nikkiso Co., Ltd .: Microtrac). When the average particle diameter of the metal oxide particles is less than 5 nm, the formed metal oxide semiconductor layer is likely to crack, and the metal oxide semiconductor layer is formed in a small number of times without cracks. In some cases, the pore diameter and pore volume of the metal oxide semiconductor layer are lowered, and the amount of adsorption of the spectral sensitizing dye may be lowered. In addition, when the average particle diameter of the metal oxide particles is larger than 600 nm, the strength of the metal oxide semiconductor layer may be insufficient.
[0033]
As such metal oxide spherical particles, spherical particles made of anatase-type titanium oxide are preferable.
Anatase-type titanium oxide particles can be obtained by adding alkali to peroxotitanic acid, preferably ammonia and / or amine to make it alkaline, and then heating and aging in a temperature range of 80 to 350 ° C. In addition, after adding peroxotitanic acid using the obtained anatase-type titanium colloidal particles as seed particles, it is possible to repeat the above-mentioned process, and the method of growing seed particles in this way is crystalline by X-ray diffraction. This is preferable because colloidal particles of high anatase type titanium can be obtained. “Peroxotitanic acid” is prepared by adding hydrogen peroxide to a titanium compound such as titanium hydride, titanium alkoxide, titanic acid, or a hydrous titanic acid gel or sol, and heating as necessary.
[0034]
The hydrated titanium oxide sol or gel is obtained by adding an acid or alkali to an aqueous solution of a titanium compound to hydrolyze it, and washing, heating and aging as necessary. Although there is no restriction | limiting in particular as a titanium compound used, Titanium compounds, such as titanium halides, such as a halogenated titanium and a titanyl sulfate, titanium alkoxides, such as tetraalkoxy titanium, and a titanium hydride can be used.
[0035]
Further, in the present invention, as the metal oxide spherical particles, there are also spherical particles having a core-shell structure having cells made of the metal oxide on the surface of the metal oxide core particles having an average particle diameter in the range of 0.1 to 500 nm. Preferably used. In the case of a spherical particle having a core-shell structure, the core particle is not particularly limited as long as it is a spherical particle, but a silica particle or the like from which a true spherical particle can be easily obtained is preferably used. In the metal oxide particles having such a core-shell structure, the shell portion is made of the above-described metal oxide, and the shell portion is preferably made of titanium oxide, and particularly preferably anatase type titanium oxide.
[0036]
The spherical particles having such a core-shell structure can be obtained by gradually adding peroxotitanic acid to a dispersion of core particles in the particle diameter range, if necessary, by heating.
[0037]
If the particles are anatase-type titanium oxide or the shell part is anatase-type titanium oxide, the adsorption amount of the spectral sensitizing dye is higher than other metal oxide particles, and the metal oxidization from the spectral sensitizing dye It has excellent characteristics such as high electron mobility to a physical semiconductor and high electron mobility in a metal oxide semiconductor layer, and further stability, safety, and film formation.
[0038]
The preferable range of the crystallite size of such anatase type titanium oxide is 5 to 50 nm, and the more preferable range is 7 to 30 nm. The crystallite size of anatase-type titanium oxide is obtained by measuring the full width at half maximum of the (1.0.1) plane peak by X-ray diffraction and calculating the Debye-Scherrer equation. When the crystallite size of the anatase-type titanium oxide particle is less than 5 nm, the electron mobility in the particle is lowered, and when it is larger than 50 nm, the adsorption amount of the spectral sensitizing dye is lowered and the photoelectric conversion efficiency is lowered. Sometimes.
[0039]
The metal oxide semiconductor layer may contain a binder component together with the spherical particles of the metal oxide.
Examples of such binder components include amorphous titanium oxide obtained by the sol-gel method, peroxotitanic acid obtained by dissolving particles obtained by the sol-gel method with hydrogen peroxide, and hydrolyzing / condensing this peroxotitanic acid. Examples thereof include amorphous titanium oxide obtained by polymerization. Of these, amorphous titanium oxide obtained by hydrolysis / condensation polymerization of the peroxotitanic acid is particularly preferable. When spherical particles having an anatase-type titanium oxide particle or a core-shell structure in which the shell portion is formed of anatase-type titanium acid are used as the spherical particles, such hydrolyzed / condensed polymer of peroxotitanic acid is A dense and uniform adsorption layer is formed on the surface of the anatase-type titanium oxide particles. For this reason, the metal oxide semiconductor layer obtained can improve adhesiveness with an electrode. Furthermore, when such peroxotitanic acid is used as a binder component, contact between anatase-type titanium oxide particles is changed from point contact to surface contact, and electron mobility can be improved.
[0040]
The ratio of amorphous titanium oxide to metal oxide spherical particles in the metal oxide semiconductor layer is 0.05 to 0.7, preferably by weight ratio in terms of oxide (amorphous titanium oxide / metal oxide spherical particles), preferably It is preferable to be in the range of 0.1 to 0.5. When the weight ratio is less than 0.05, the strength of the metal oxide semiconductor layer may be insufficient, or the adhesion between the electrode and the metal oxide semiconductor layer may be insufficient. When the weight ratio is higher than 0.7, the pore diameter of the generated pores is too small, so that the transfer of electrons between the electrolyte and the spectral sensitizing dye tends to be suppressed. May not improve.
[0041]
The metal oxide semiconductor layer preferably has a pore volume of 0.05 to 0.8 ml / g and an average pore diameter of 2 to 250 nm. When the pore volume is smaller than 0.05 ml / g, the spectral sensitizing dye adsorption amount is low, and when it is higher than 0.8 ml / g, the electron mobility in the layer is lowered and the photoelectric conversion efficiency is reduced. May decrease. Further, when the average pore diameter is less than 2 nm, the adsorption amount of the spectral sensitizing dye decreases, and when it exceeds 250 nm, the electron mobility may decrease and the photoelectric conversion efficiency may decrease.
[0042]
Such a metal oxide semiconductor layer is formed by applying a coating liquid for forming a metal oxide semiconductor layer for photoelectric cells containing metal oxide spherical particles, a dispersion medium, and, if necessary, a binder, and then drying. Can be formed.
[0043]
The dispersion medium can be used without particular limitation as long as it can disperse the metal oxide particles and the binder component and can be removed when dried, but alcohols are particularly preferable.
[0044]
Further, this coating solution may contain a forming aid as required. Examples of the forming aid include polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, hydroxypropyl cellulose, polyacrylic acid, and polyvinyl alcohol.
[0045]
When such a forming aid is contained in the coating solution, the viscosity of the coating solution becomes high, whereby a uniformly dried layer is obtained, and the anatase-type titanium oxide particles are densely packed, and the electrode It is possible to obtain a metal oxide semiconductor layer having high adhesiveness.
[0046]
The coating solution is preferably applied such that the finally formed metal oxide semiconductor layer has a thickness of 0.1 to 50 μm. As a coating method of the coating solution, it can be applied by a conventionally known method such as a dipping method, a spinner method, a spray method, a roll coater method, flexographic printing, or a transfer method.
[0047]
The drying temperature may be any temperature that can remove the dispersion medium. After drying, if necessary, ultraviolet rays may be further irradiated to cure peroxotitanic acid contained as a binder component. Although the irradiation amount of ultraviolet rays varies depending on the content of peroxotitanic acid and the like, it is sufficient to irradiate the amount necessary to decompose and cure peroxotitanic acid. In addition, when the shaping | molding adjuvant is contained, you may decompose | disassemble a formation adjuvant by heat-processing after hardening.
[0048]
In addition, the formed metal oxide semiconductor layer includes O2, N2, H2It is preferable to implant ions of at least one gas selected from an inert gas of Group 0 of the periodic table such as neon, argon, krypton, and then anneal. As an ion implantation method, a known method can be employed as a method of implanting B or P into a silicon wafer at a certain amount and a certain depth when manufacturing an IC or LSI.
[0049]
Annealing is performed by heating at a temperature of 200 ° C. to 500 ° C., preferably 250 ° C. to 400 ° C., for 10 minutes to 20 hours.
As the ions to be irradiated, ions having no reactivity with the metal oxide described above are preferable. Depending on the ion implantation of these gases, these ions do not remain in the metal oxide semiconductor layer, and many defects are generated on the surface of the metal oxide particles, and the crystallinity after annealing is improved and Bonding is promoted, which increases the binding force with the spectral sensitizing dye and increases the amount of adsorption. In the case of titanium oxide particles, the crystal mobility is improved and the electron mobility is improved by promoting the bonding of the particles. Since photoelectric conversion efficiency improves, it is preferable.
[0050]
In the photoelectric cell according to the present invention, the metal oxide semiconductor layer adsorbs the spectral sensitizing dye.
The spectral sensitizing dye is not particularly limited as long as it absorbs and excites light in the visible light region and / or infrared light region. For example, an organic dye or a metal complex can be used.
[0051]
As the organic dye, a conventionally known organic dye having a functional group such as a carboxyl group, a hydroxyalkyl group, a hydroxyl group, a sulfone group, or a carboxyalkyl group in the molecule can be used. Specific examples include metal-free phthalocyanines, cyanine dyes, methocyanine dyes, triphenylmethane dyes, and xanthene dyes such as uranin, eosin, rose bengal, rhodamine B, and dibromofluorescein. These organic dyes have the property that the adsorption rate to the metal oxide semiconductor is fast.
[0052]
Examples of the metal complex include metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and titanyl phthalocyanine described in JP-A-1-220380 and JP-A-5-504023, chlorophyll, hemin, ruthenium-tris (2,2 ′ -Bispyridyl-4,4'-dicarboxylate), ruthenium-cis-diaqua-bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate), which ruthenium-cis-diaqua-bipyridyl complex, zinc-tetra Examples include porphyrins such as (4-carboxyphenyl) porphine, and ruthenium, osmium, iron, zinc and the like complexes such as iron-hexocyanide complexes. These metal complexes are excellent in the effect of spectral sensitization and durability.
[0053]
The above organic dyes and metal complexes may be used singly or in combination of two or more, and organic dyes and metal complexes may be used in combination.
Such a method for adsorbing spectral sensitizing dyes is not particularly limited, and a general method such as absorption of a solution obtained by dissolving spectral sensitizing dyes in a solvent into a metal oxide semiconductor layer and then drying can be employed. Furthermore, you may repeat the said process as needed. Further, the spectral sensitizing dye solution can be adsorbed by being brought into contact with the substrate while being heated and refluxed.
[0054]
Any solvent may be used as long as it can dissolve spectral sensitizing dyes. Specifically, water, alcohols, toluene, dimethylformamide, chloroform, ethyl cellosolve, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, and the like can be used. .
[0055]
The amount of spectral sensitizing dye adsorbed on the metal oxide semiconductor layer is 1 cm of the specific surface area of the metal oxide semiconductor layer.2It is preferably 100 μg or more per unit. When the amount of the spectral sensitizing dye is less than 100 μg, the photoelectric conversion efficiency may be insufficient.
[0056]
The photoelectric cell according to the present invention is formed by disposing the metal oxide semiconductor layer 2 and the transparent electrode layer 3 so as to face each other, sealing the side surfaces with a resin or the like, and enclosing an electrolyte between the electrodes. As the electrolyte 5, a mixture with at least one compound that forms a redox system with an electrochemically active salt is used.
[0057]
Examples of the electrochemically active salt include quaternary ammonium salts such as tetrapropylammonium iodide. Examples of the compound forming the redox system include quinone, hydroquinone, iodine, potassium iodide, bromine, and potassium bromide.
[0058]
Moreover, in this invention, it can be set as electrolyte solution using a solvent for the said electrolyte 5 as needed. The solvent used at this time is preferably a solvent having a low solubility of the spectral sensitizing dye to such an extent that the spectral sensitizing dye adsorbed on the metal oxide semiconductor layer is not desorbed and dissolved. Specific examples of solvents include water, alcohols, oligoethers, carbonates such as propion carbonate, phosphate esters, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone, sulfolane 66, sulfur compounds, and carbonic acid. Examples include ethylene and acetonitrile.
[0059]
In such a photoelectric cell of the present invention, since the specific conductive protrusion is provided on the electrode surface, the generated electrons can quickly move to the electrode. Also, the electrons do not recombine with the spectral sensitizing dye. Furthermore, the photoelectric cell according to the present invention has a high adsorption amount of the spectral sensitizing dye, and the generated electrons can move smoothly. For this reason, the photoelectric cell according to the present invention is excellent in photoelectric conversion efficiency.
【The invention's effect】
According to the present invention, a photoelectric cell having high photoelectric conversion efficiency and useful for various photoelectric conversion applications such as a solar battery can be obtained.
[0060]
【Example】
Hereinafter, although an example explains, the present invention is not limited by these examples.
[0061]
[Example 1]
Preparation of coating solution
Suspend 5 g of titanium hydride in 1 liter of pure water, add 400 g of hydrogen peroxide solution with a concentration of 5% by weight over 30 minutes, and then dissolve by heating to 80 ° C. to prepare a solution of peroxotitanic acid did. 90% by volume was taken from the total amount of this solution, adjusted to pH 9 by adding concentrated aqueous ammonia, placed in an autoclave, hydrothermally treated at 250 ° C. for 5 hours under saturated vapor pressure, and titania colloidal particles (A) Was prepared. The obtained titania colloidal particles were anatase type titanium oxide having high crystallinity by X-ray diffraction. Table 1 shows the average particle diameter of the anatase-type titanium oxide particles.
[0062]
Next, the titania colloidal particles (A) obtained above are concentrated to a concentration of 10% by weight, the peroxotitanic acid solution is mixed, and the titanium in the mixture is converted to TiO2.2Converted to TiO2Hydroxypropyl cellulose was added as a forming aid so as to be 30% by weight of the weight to prepare a coating solution for forming a metal oxide semiconductor layer.
[0063]
Electrode formation
The photoelectric cell shown in FIG. 1 was formed.
Using a magnet sputtering device (manufactured by Shimadzu Corporation: HSR-521A) on one side of the transparent glass substrate 5, with fluorine-doped tin oxide as a target, RF Power: 500 W, Ar gas (10 sccm), 0.04 torr, A fluorine-doped tin oxide film having a thickness of 5 μm was formed under the conditions of 200 min and a substrate temperature of 250 ° C. Next, a resist (manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd .: OFPR-800) was applied on this film, and then patterning of Line & Space with a pitch of 2 μm was performed. Next, using a reactive ion etching RIE system (Anelva DEM451T), RF Power: 500W, BClThree (40 sccm) and Ar (10 sccm) gas 10 Pa is etched, and then the resist is removed by ashing to form an electrode layer 1 having a thickness of 0.5 μm and a conductive protrusion 4 having a height of 4.5 μm. Formed.
[0064]
On one side of another transparent glass substrate 6, using a magnet sputtering device (manufactured by Shimadzu Corporation: HSR-521A), with fluorine-doped tin oxide as a target, RF Power: 500 W, Ar gas (10 sccm), 0.04 Under the conditions of torr and 20 min, a fluorine-doped tin oxide layer having a thickness of 0.5 μm was formed, and platinum was supported thereon to form the electrode layer 3.
[0065]
Next, the prepared coating liquid for forming a metal oxide semiconductor layer is applied onto the electrode layer 1 made of fluorine-doped tin oxide and the conductive projecting portion 4, dried naturally, and subsequently 6000 mJ using a low-pressure mercury lamp. /cm2The ultraviolet rays were irradiated to decompose the peroxoacid and the layer was cured. Furthermore, it decomposed | disassembled and annealed by heating for 30 minutes at 300 degreeC, and the titanium oxide semiconductor layer (A) whose metal oxide semiconductor layer surface is flat was formed.
[0066]
Table 1 shows the layer thickness of the obtained titanium oxide semiconductor layer (A) and the pore volume and average pore diameter determined by the nitrogen adsorption method.
Spectral sensitizing dye adsorption
Next, as a spectral sensitizing dye, cis- (SCN-) -Bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II)-FourA mol / liter ethanol solution was prepared. This spectral sensitizing dye solution was applied onto the titanium oxide semiconductor layer (A) using an rpm 100 spinner and dried. This coating and drying process was performed five times. The adsorption amount of the spectral sensitizing dye of the obtained titanium oxide semiconductor layer (A) is 1 cm in specific surface area of the titanium oxide semiconductor layer (A).2The adsorption amount per unit is shown in the table.
[0067]
First, tetrapropylammonium iodide and iodine are mixed in a solvent in which acetonitrile and ethylene carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 4, and the respective concentrations are 0.46 mol / liter and 0.06 mol / liter. The electrolyte solution was prepared by dissolving so as to be.
[0068]
The electrode layer 1 prepared as described above and the transparent glass substrate 5 on which the conductive protrusions 4 are formed are used as one electrode, the transparent glass substrate 6 on which the electrode layer 2 is formed are arranged as the other electrode, and the side surfaces are arranged. The electrode was sealed with resin, the electrolyte solution 2 was sealed between the electrodes, and the electrodes were connected with lead wires to prepare a light electric cell (A).
[0069]
Photoelectric cell (A) is a solar simulator, 100 W / m2Is irradiated with light of the intensity Voc(Open circuit voltage), Joc(Density of current flowing when the circuit is short-circuited), FF (curve factor) and η (conversion efficiency) were measured, and the results are shown in Table 1.
[0070]
[Example 2]
The concentration of the coating solution for forming a metal oxide semiconductor layer prepared in Example 1 was diluted with water so that the concentration would be 1/3 to prepare a coating solution for forming a metal oxide semiconductor layer (titania colloidal particles ( A) concentration 3.3% by weight, hydroxypropylcellulose is titanium in the liquid TiO2Converted to TiO210% by weight of the weight).
[0071]
After applying the prepared coating liquid for forming a metal oxide semiconductor layer on the electrode layer 1 made of fluorine-doped tin oxide and the conductive projecting portion 4 as in Example 1, using this coating liquid, The operation of rapid drying was carried out in six steps, and a titanium oxide semiconductor layer was formed so as to have an electrolyte part that had penetrated into the same metal oxide semiconductor layer as in Example 1.
[0072]
Next, using a low-pressure mercury lamp, 6000 mJ / cm2Was irradiated with UV light to decompose the peroxo acid, and the titanium oxide semiconductor layer was cured. Furthermore, the titanium oxide semiconductor layer (B) having a flat metal oxide semiconductor layer surface was formed by heating and heating at 300 ° C. for 30 minutes to decompose and anneal hydroxypropylcellulose.
[0073]
Table 1 shows the layer thickness of the obtained titanium oxide semiconductor layer (B) and the pore volume and average pore diameter determined by the nitrogen adsorption method.
Spectral sensitizing dye adsorption
In the same manner as in Example 1, the spectral sensitizing dye was adsorbed on the titanium oxide layer.
[0074]
The adsorption amount of the spectral sensitizing dye is shown in Table 1.
Photoelectric cell creation
A photoelectric cell (B) was prepared in the same manner as in Example 1, and Voc, Joc, FF and η were measured and the results are shown in Table 1.
[0075]
[Comparative Example 1]
Using a magnet sputtering device (manufactured by Shimadzu Corp .: HSR-521A) on one side of the transparent glass substrate 5, with fluorine-doped tin oxide as a target, RF Power: 500 W, Ar gas (10 sccm) 0.04 torr, 20 min Under the conditions, an electrode layer 1 of fluorine-doped tin oxide having a thickness of 0.5 μm was formed.
[0076]
On one side of another transparent glass substrate 6, RF power: 500 W, Ar gas (10 sccm) using a magnet sputtering apparatus (manufactured by Shimadzu Corporation: HSR-521A) and targeting fluorine-doped tin oxide. Under the conditions of 04 torr and 20 min, a 0.5 μm-thick fluorine-doped tin oxide layer was formed, and platinum was supported thereon to form an electrode layer 3.
[0077]
Using the transparent glass substrate on which the electrode layer 1 was formed, a titanium oxide semiconductor layer (C) was formed in the same manner as in Example 1.
Table 1 shows the layer thickness of the obtained titanium oxide semiconductor layer (C) and the pore volume and average pore diameter determined by the nitrogen adsorption method.
[0078]
Spectral sensitizing dye adsorption
In the same manner as in Example 1, the spectral sensitizing dye was adsorbed on the titanium oxide layer (C).
The adsorption amount of the spectral sensitizing dye is shown in Table 1.
[0079]
Photoelectric cell creation
A light electric cell (C) is prepared in the same manner as in Example 1, and Voc, Joc, FF and η were measured and the results are shown in Table 1.
[0080]
[Example 3]
Preparation of particles having a core-shell structure
Dispersion of spherical silica particles having an average particle size of 0.2 μm by adding a mixed solution of 7.6 g of tetraethoxysilane and 100 g of ethanol to a mixed solution of 200 g of ethanol, 25 g of pure water and 60 g of ammonia water having a concentration of 29% by weight. A liquid was prepared. The obtained dispersion liquid was then used to obtain a silica particle dispersion liquid (core particles) concentrated to a silica concentration of 10% by weight using a rotary evaporator.
[0081]
5.Suspend 5 g of titanium hydride in 1 liter of pure water, add 400 g of hydrogen peroxide solution with a concentration of 5% by weight over 30 minutes, and then dissolve by heating to 80 ° C. to prepare a solution of peroxotitanic acid did.
[0082]
The previously prepared silica particle dispersion is heated to 90 ° C., and a solution of peroxotitanic acid is added to this in 100 hours to disperse the metal oxide particles (D) in which the core is silica and the shell is titanium oxide. Was prepared. As for the obtained metal oxide particle (D), the titanium oxide of the shell part was anatase type titanium oxide by X-ray diffraction. In addition, Table 1 shows the average particle diameter of the metal oxide particles (D).
[0083]
Photoelectric cell formation
Using a magnet sputtering device (manufactured by Shimadzu Corporation: HSR-521A) on one side of the transparent glass substrate 5, with a fluorine-doped tin oxide target, RF Power: 500 W, Ar gas (10 sccm) 0.04 torr, The electrode layer 1 of fluorine-doped tin oxide having a thickness of 0.5 μm was formed under the condition of 20 min.
[0084]
On one side of another transparent glass substrate, RF power: 500 W, Ar gas (10 sccm) 0.04 torr using a magnet sputtering device (manufactured by Shimadzu Corporation: HSR-521A) and targeting fluorine-doped tin oxide Then, a fluorine-doped tin oxide layer having a thickness of 0.5 μm was formed under the condition of 20 min, and platinum was supported on this layer to form the electrode layer 3.
[0085]
A negative photoresist (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd .: OMR-83) was spin-coated at 500 rpm on the electrode layer 1 to form a resist film having a thickness of 6 μm. Subsequently, development was performed after exposure with an aligner, and patterning of Line & Space with a pitch of 6 μm was performed.
[0086]
Next, the transparent glass substrate on which the patterned electrode layer 1 is formed is immersed in a dispersion of metal oxide particles (D), a platinum electrode is used as a counter electrode, a positive voltage is applied to the transparent glass substrate, and Metal oxide particles (D) were laminated. Then, spin-coating peroxotitanic acid prepared separately on the metal oxide particle (D) layer so that the weight ratio as an oxide with respect to the metal oxide particle (D) is 0.15, and naturally drying, Continue using a low-pressure mercury lamp to 6000mJ / cm2Was irradiated with UV light to decompose the peroxo acid, and the metal oxide semiconductor layer was cured. After curing, O2-Ashing to remove the resist. Next, an indium colloidal particle dispersion (catalyst conversion: ARS-22A, particle size 0.07 μm, concentration 2.5 wt%) is spin coated and removed at the same height as the metal oxide particle (D) layer. The conductive protrusion 4 was formed by filling indium colloidal particles.
[0087]
Next, in the dispersion of the metal oxide particles (D) having a concentration of 10% obtained in the same manner as described above, the weight ratio of the peroxotitanic acid solution to the metal oxide particles (D) as an oxide is 0.00. 15 is mixed, and hydroxypropyl cellulose is added as a forming aid so as to be 30% by weight with respect to the weight of the metal oxide in the mixed solution to prepare a coating solution for forming a metal oxide semiconductor layer. Then, this is applied onto the conductive protrusion 4 made of the metal oxide particle (D) layer and the indium colloidal particles, dried again naturally, and subsequently 6000 mJ / cm using a low-pressure mercury lamp.2The titanium oxide semiconductor layer (the surface of the metal oxide semiconductor layer having a flat surface is obtained by decomposing and curing the peroxo acid by irradiation with ultraviolet rays of, and further heating and heating at 300 ° C. for 30 minutes to decompose and anneal the hydroxypropyl cellulose. D) was formed.
[0088]
Table 1 shows the thickness of the obtained titanium oxide semiconductor layer (D) and the pore volume and average pore diameter determined by the nitrogen adsorption method.
Spectral sensitizing dye adsorption
In the same manner as in Example 1, the spectral sensitizing dye was adsorbed on the metal oxide semiconductor layer (D).
[0089]
The adsorption amount of the spectral sensitizing dye is shown in Table 1.
Photoelectric cell creation
A photoelectric cell (D) was prepared in the same manner as in Example 1, and Voc, Joc, FF and η were measured and the results are shown in Table 1.
[0090]
[Table 1]
Figure 0004176200

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of a photoelectric cell according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an example of a conductive projecting portion of a photoelectric cell according to the present invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an example of a conductive projecting portion of a photoelectric cell according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a photoelectric cell according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the definition of layer thickness.
[Explanation of symbols]
1 ... Electrode layer
2 ... Metal oxide semiconductor layer
3. Transparent electrode layer
4 ... Conductive protrusion
5 ... Electrolyte
6. Insulating substrate
7: Transparent insulating substrate

Claims (12)

表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に分光増感色素を吸着した金属酸化物半導体層(2)が形成されてなる絶縁性基板と、表面に電極層(3)を有する絶縁性基板とが、前記電極層(1)および(3)が対向するように配置してなり、金属酸化物半導体層(2)と電極層(3)との間に電解質が封入してなる光電気セルにおいて、
電極層(1)表面には導電性突設部 (4) が突出して形成されてなり、該導電性突設部 (4)
高さは、導電性突設部4を含めた金属酸化物半導体層の厚さの20%〜98%の範囲にあり、
かつ金属酸化物半導体層が導電性突設部および電極層(1)を覆うように形成されてなり

少なくとも一方の絶縁性基板および電極層が透明性を有していることを特徴とする光電気セル。
An insulating substrate having an electrode layer (1) on the surface and a metal oxide semiconductor layer (2) having a spectral sensitizing dye adsorbed on the surface of the electrode layer (1), and an electrode layer ( 3) is disposed such that the electrode layers (1) and (3) face each other, and an electrolyte is provided between the metal oxide semiconductor layer (2) and the electrode layer (3). In an encapsulated photoelectric cell,
Electrode layer (1) electrically conductive projecting portion (4) is formed to protrude on the surface, the conductive projecting portion (4)
The height is in the range of 20% to 98% of the thickness of the metal oxide semiconductor layer including the conductive protrusions 4;
And the metal oxide semiconductor layer is formed so as to cover the conductive protrusion and the electrode layer (1),
A photovoltaic cell, wherein at least one of the insulating substrate and the electrode layer has transparency.
金属酸化物半導体層が導電性突設部(4)の形状に沿うように形成されてな
る請求項1に記載の光電気セル。
The photoelectric cell according to claim 1, wherein the metal oxide semiconductor layer is formed so as to follow the shape of the conductive protrusion (4).
前記金属酸化物半導体層が、酸化チタン、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化タングステン、酸化ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムから選ばれる少なくとも1種または2種以上の金属酸化物の球状粒子を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の光電気セル。  The metal oxide semiconductor layer is a sphere of at least one or two or more metal oxides selected from titanium oxide, lanthanum oxide, zirconium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, strontium oxide, zinc oxide, tin oxide, and indium oxide. Photoelectric cell according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises particles. 前記球状粒子の平均粒子径が、5〜600nmの範囲にあることを特徴とする請求項3に記載の光電気セル。  The photoelectric cell according to claim 3, wherein the spherical particles have an average particle diameter in the range of 5 to 600 nm. 前記球状粒子がアナターゼ型酸化チタンからなることを特徴とする請求項4に記載の光電気セル。  The photoelectric cell according to claim 4, wherein the spherical particles are made of anatase-type titanium oxide. 前記球状粒子が、平均粒子径が0.1〜500nmのコア粒子の表面に、シェル部が形成されたコア−シェル構造を有する球状粒子であることを特徴とする請求項4に記載の光電気セル。  5. The photoelectric device according to claim 4, wherein the spherical particles are spherical particles having a core-shell structure in which a shell portion is formed on a surface of a core particle having an average particle diameter of 0.1 to 500 nm. cell. 前記コア−シェル構造を有する球状粒子のシェル部がアナターゼ型酸化チタンからなることを特徴とする請求項6に記載の光電気セル。  The photoelectric cell according to claim 6, wherein the shell part of the spherical particles having the core-shell structure is made of anatase type titanium oxide. 前記アナターゼ型酸化チタンが、ペルオキソチタン酸を加熱・熟成して得られるものであることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の光電気セル。  The photoelectric cell according to claim 5, wherein the anatase-type titanium oxide is obtained by heating and aging peroxotitanic acid. 前記金属酸化物半導体層が、金属酸化物球状粒子とともに、酸化チタンバインダーとを含むことを特徴とする請求項3〜8のいずれかに記載の光電気セル。  The photoelectric cell according to claim 3, wherein the metal oxide semiconductor layer includes a titanium oxide binder together with metal oxide spherical particles. 前記金属酸化物半導体層が、O2、N2、H2および周期律表第0族の不
活性ガスから選択される少なくとも1種のガスのイオンを注入したのち、アニーリングされたものであることを特徴とする請求項3〜9のいずれかに記載の光電気セル。
The metal oxide semiconductor layer is annealed after implanting ions of at least one gas selected from O 2 , N 2 , H 2 and an inert gas of Group 0 of the periodic table. The photoelectric cell according to claim 3, wherein:
前記金属酸化物半導体層の細孔容積が0.05〜0.8ml/g、平均細孔径が2〜250nmの範囲にあることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の光電気セル。  The photoelectricity according to any one of claims 1 to 10, wherein the metal oxide semiconductor layer has a pore volume of 0.05 to 0.8 ml / g and an average pore diameter of 2 to 250 nm. cell. 絶縁性基板が、透明ガラス基板であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の光電気セル。  12. The photoelectric cell according to claim 1, wherein the insulating substrate is a transparent glass substrate.
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