JP4247820B2 - Method for manufacturing photoelectric conversion element and photoelectric conversion element - Google Patents

Method for manufacturing photoelectric conversion element and photoelectric conversion element Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸化チタン微粒子、それを用いた光電変換素子の作製方法、光電変換素子及び光電池に関し、特に光電変換素子に用いる高純度酸化チタン微粒子、色素で増感した半導体微粒子を用いた光電変換素子の作製方法、その方法により作製した光電変換素子、及びその光電変換素子を用いた光電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
光電変換素子は各種の光センサー、複写機、光発電装置等に用いられている。光電変換素子には金属を用いたもの、半導体を用いたもの、有機顔料や色素を用いたもの、これらを組み合わせたもの等の様々な方式が実用化されている。
【0003】
例えば、色素によって増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子(以下「色素増感光電変換素子」という。)、並びにこれを作製するための材料及び製造技術が開示されている(例えば、特許文献1〜9参照。)。色素増感光電変換素子の利点は二酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度に精製することなく用いることができるため、比較的安価な光電変換素子を提供できる点にある。しかしながらこのような光電変換素子は変換効率が必ずしも十分に高いとは限らず、なお一層の変換効率向上が望まれていた。
【0004】
また、二酸化チタンについては光電変換素子用の用途に限らず、その光触媒作用によって、大気、土壌、河川中等に含まれる汚染物質の分解することを目的に多くの検討がされている。これらの酸化チタンの製造方法としては、ゾル−ゲル法(例えば、非特許文献1〜2参照。)、ゲル−ゾル法(例えば、非特許文献3参照。)、Degussa社が開発した塩化物を酸水素塩中で高温加水分解により酸化物を作製する方法や塩化物の酸水素塩中での高温加水分解法、及び硫酸法又は塩素法(例えば、非特許文献4参照。)等が知られている。また、ゾル−ゲル法により酸化チタンの微粒子を作製する方法が良く知られている(例えば、非特許文献5〜6参照。)。さらに、硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料とし、過剰のアンモニアを添加したアルカリ性の条件による簡易的な製造法も知られている(例えば、特許文献10参照。)。しかしながら、より簡便で、二酸化チタンのアナターゼ型の純度が高く、さらには光電変換素子性能や光触媒活性の高い二酸化チタンの製造方法がより望まれていた。
【0005】
米国特許第4927721号明細書
【特許文献2】
米国特許第4684537号明細書
【特許文献3】
米国特許第5084365号明細書
【特許文献4】
米国特許第5350644号明細書
【特許文献5】
米国特許第5463057号明細書
【特許文献6】
米国特許第5525440号明細書
【特許文献7】
国際公開第98/50393号パンフレット
【特許文献8】
特開平7-249790号公報
【特許文献9】
特表平10-504521号公報
【特許文献10】
特開2002-47012号公報
【非特許文献1】
作花済夫著,「ゾル−ゲル法の科学」,アグネ承風社, 1998年
【非特許文献2】
「ゾル−ゲル法による薄膜コーティング技術」,技術情報協会, 1995年
【非特許文献3】
杉本忠夫著,「新合成法ゲル−ゾル法による単分散粒子の合成とサイズ形態制御」,まてりあ, 1996年, 第35巻, 第9号, p.1012〜1018
【非特許文献4】
清野学著,「酸化チタン 物性と応用技術」,技報堂出版, 1997年
【非特許文献5】
バルベ(Barbe)著,「ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・セラミック・ソサイエティ(Journal of the American Ceramic Society)」, 1997年, 第80巻, 第12号, p.3157-3171
【非特許文献6】
S.D.バーンサイド(S.D.Burnside)等著,「ケミストリー・オブ・マテリアルズ(Chemistry of Materials)」, 1998年, 第10巻, 第9号, p.2419-2425
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光電変換素子に好ましく用いることができる酸化チタン微粒子、優れた変換効率を示す色素増感光電変換素子の作製方法、その方法で作製した光電変換素子、及びその光電変換素子を用いた光電池を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は下記の構成により本発明の目的が達成できることを見出した。
(1) 少なくとも1種の色素が吸着した半導体微粒子の層と導電性支持体とを有する光電変換素子の作製方法において、色素を吸着させる前に半導体微粒子を酸化処理することを特徴とする光電変換素子の作製方法。
(2) 前記酸化処理が、過酸化水素処理、UV-オゾン処理及び酸素プラズマ処理の少なくとも1つであることを特徴とする(1)に記載の光電変換素子の作製方法。
(3) 前記半導体微粒子に過酸化水素処理を施し、次いでUV-オゾン処理及び酸素プラズマ処理の少なくとも1つの処理を施すことを特徴とする(1)又は(2)に記載の光電変換素子の作製方法。
(4) 前記半導体微粒子として酸化チタンを用いることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の光電変換素子の作製方法。
(5) 硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料として用い、前記原料に含まれる硫酸根のうち、0.01〜0.99当量の硫酸根を塩基で中和した後、酸性条件下でゾル-ゲル法により作製したことを特徴とする酸化チタン微粒子。
(6) 前記硫酸根を中和する前記塩基がアンモニア水であることを特徴とする(5)に記載の酸化チタン微粒子。
(7) 硫黄元素の含量が、蛍光X線のチタンに対する硫黄の強度比(S-Kα/Ti-Kα)で0.03以下であることを特徴とする(5)又は(6)に記載の酸化チタン微粒子。
(8) 前記半導体微粒子として上記(5)〜(7)のいずれかに記載の酸化チタン微粒子を用いることを特徴とする(4)に記載の光電変換素子の作製方法。
(9) (1)〜(4)及び(8)のいずれかに記載の方法により作製された光電変換素子。
(10) (9)に記載の光電変換素子を用いた光電池。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の光電変換素子は、導電性支持体上に感光層を有し、感光層は色素が吸着した半導体微粒子からなる。以下、半導体微粒子として用いる酸化チタン微粒子、半導体微粒子の酸化処理、光電変換素子及び該光電変換素子を用いた光電池について詳細に説明する。
【0008】
[I] 酸化チタン微粒子
本発明の酸化チタン微粒子は、硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料とし、ゾル−ゲル法によって得られる二酸化チタン微粒子である。硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料に用いて作製した二酸化チタン微粒子は、塩化物、アルコキサイド等を用いて作製した微粒子よりもアナターゼ以外の結晶型(ルチル型及びブルッカイト型)が生成しにくいという利点を有する。また、原料である硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンはそれぞれ容易に入手可能な市販の薬品を用いることができる。硫酸チタンの場合は、30%の希硫酸溶液が特に好ましい。
【0009】
本発明の酸化チタン微粒子は、硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料とするとともに、原料に含まれる硫酸根のうち、1〜99%(好ましくは、50〜95%、より好ましくは、80〜90%)の硫酸根を塩基で中和し、pH=7未満(好ましくはpH=3以下)の条件で作製した微粒子である。硫酸根を中和する塩基としては、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の水酸化物又はアルコキサイド、アンモニア、アミン、その他の有機塩基(例えば、ピリジン類、アニリン類等)等を用いることができる。中でもアンモニア水を用いるのが最も好ましい。
【0010】
上記のチタン原料と塩基を混合すると発熱とともに瞬時に水酸化チタンが沈殿するが、そのまま70〜100℃に昇温し20分〜3時間(好ましくは40分〜90分)攪拌すると、平均粒径4〜6nmの二酸化チタンのゾルを得ることができる。得られたゾルを熱時ろ過後、ろ液を150〜280℃(好ましくは180〜250℃)で6〜50時間(好ましくは8〜20時間)オートクレービングを行うことにより、平均粒径9〜15 nmの純アナターゼ結晶の二酸化チタン微粒子を得ることができる。このような方法で作製した二酸化チタン微粒子には微量の硫化物等が含まれるが、後述の酸化処理を施すと、ほとんど不純物のないアナターゼ型の微粒子を作製することができ、光電変換素子に用いる半導体のみならず、汚染物質分解等に用いる光触媒の材料としても効果の高い二酸化チタンを得ることができる。
【0011】
また、本発明の酸化チタン微粒子及びこれを用いた半導体微粒子膜には、原料の硫酸に由来する不純物が含まれる。この含硫黄不純物の含まれる量は、蛍光X線の測定によって評価することができ、通常はチタンのKα線(Ti-Kα)による強度に対する硫黄のKα線(S-Kα)による強度の比で評価できる。本発明の粒子に含まれる含硫黄不純物の量は、S-Kα/Ti-Kαの強度比で0.1以下であるのが好ましい。また、光電変換素子に用いる場合、酸化チタン微粒子及び導電性支持体に形成された酸化チタン微粒子膜に含まれる硫黄不純物の量は更に少ない方が好ましく、S-Kα/Ti-Kαの強度比で1×10-4〜0.03であるのが好ましく、1×10-3〜0.01であるのがより好ましい。
【0012】
[II] 半導体微粒子の酸化処理
本発明の光電変換素子の作製方法は、色素を吸着させる前に半導体微粒子に酸化処理を施す。これにより光電変換素子の変換効率を改善することができる。光電変換素子に用いる半導体微粒子は二酸化チタンが好ましく、特に上述の硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料として用いた二酸化チタンが好ましい。
【0013】
(A) 半導体微粒子
半導体微粒子としては種々の半導体を用いることが可能であるが、特に後述する酸化処理の効果の高い二酸化チタンが好ましい。半導体微粒子の作製方法としては、上記非特許文献1〜3等に記載のゲル−ゾル法を好ましく適用できる。また、Degussa社が開発した塩化物を酸水素塩中で高温加水分解により酸化物を作製する方法も好ましく使用できる。
【0014】
半導体微粒子が酸化チタンの場合、非特許文献1〜2に記載のゾル-ゲル法、非特許文献3に記載のゲル−ゾル法、塩化物の酸水素塩中での高温加水分解法、及び非特許文献4に記載の硫酸法又は塩素法等の方法を好ましく用いることができる。さらにゾル−ゲル法としては、非特許文献5〜6に記載の二酸化チタン微粒子を得る方法も好ましく用いることができる。本発明の方法に最も好適な半導体微粒子は、[I]に記載の硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料とし、ゾル−ゲル法によって得られる二酸化チタン微粒子である。
【0015】
(B) 半導体微粒子の酸化処理
半導体微粒子の酸化処理方法としては、酸化剤を含む溶液中での湿式酸化処理(例えば、過酸化水素処理等)、酸化性気体雰囲気中での乾式酸化処理(例えば、UV-オゾン処理、酸素プラズマ処理等)、電解酸化処理等の方法が挙げられるが、過酸化水素処理、UV-オゾン処理及び酸素プラズマ処理の少なくとも一つの方法を用いるのが好ましい。また、酸化処理は導電性支持体上に半導体微粒子層を形成した後に行うのが好ましいが、予め半導体微粒子を酸化処理した後、導電性支持体上に酸化処理した半導体微粒子の層を形成しても良い。本発明では、上記の処理方法から選ばれる幾つかの方法を好ましい順序で連続的に施すことにより、より一層の効果を引き出すことができる。以下、好ましい処理方法と処理手順について説明する。
【0016】
(1) 過酸化水素処理
過酸化水素処理は、半導体微粒子を過酸化水素水に浸漬することによって行う。処理条件としては、過酸化水素水の濃度を1〜50質量%、処理温度を20〜50℃とするのが好ましく、効果と安全性の点から過酸化水素水の濃度を5〜35質量%、処理温度を25〜40℃とするのがより好ましい。また、浸漬中は振とうするのが好ましく、処理時間は濃度と温度によって異なるが概ね1分〜12時間とし、好ましくは5分〜1時間とする。また、過酸化水素水に浸漬した半導体微粒子は水で軽く洗浄した後、80℃以上で加熱し、水分をできる限り除去するのが好ましい。
【0017】
(2) UV-オゾン処理
UV-オゾン処理は、半導体微粒子へのUV照射とオゾンによる酸化処理を同時に行う。通常、半導体微粒子又は半導体微粒子層を形成した導電性支持体を18〜50%の酸素濃度(好ましくは20〜30%の酸素濃度)を有する密閉された雰囲気中に設置し、半導体微粒子層にUVを照射することにより酸素の一部をオゾンに変換しながら半導体微粒子にUV照射とオゾンを同時に作用させる。処理温度は室温が好ましく、処理時間は1分〜2時間、好ましくは5分〜30分である。また、処理後の半導体微粒子層に対し特に洗浄、加熱等を行わず、できる限り早く色素吸着工程を施し感光層とするのが好ましい。
【0018】
(3) 酸素プラズマ処理
酸素プラズマ処理は、常温、減圧下で発生させた酸素プラズマ中に半導体微粒子を一定時間作用させる低温酸素プラズマ処理方法であり、市販の高周波プラズマ発生装置を利用できる。減圧度は1Torr以下であり、好ましくは0.5 Torr以下である。酸素プラズマの強さの指標となるRF強度は、好ましくは10〜500 W、より好ましくは20〜100 Wであり、処理時間はRF強度によって異なるが概ね30秒〜1時間であり、好ましくは5〜20分である。また、酸素プラズマ処理後は200℃以上(好ましくは450℃以上)で加熱するのが好ましい。
【0019】
(4) 処理手順
本発明では、上記3つの処理を連続的に行うことが好ましい。まず、2つの処理を連続的に行う場合は、最初に過酸化水素処理を行い、水洗及び乾燥後、UV-オゾン処理又は酸素プラズマ処理を行う。このような手順で処理することにより、それぞれ単独で処理するよりも好ましい効果が得られる。また、3つの処理を施す場合も同様に、過酸化水素処理を最初に施すのが好ましい。
【0020】
[III] 光電変換素子
本発明の光電変換素子は、上記の作製方法により作製され、好ましくは図1に示すように導電層10、感光層20、電荷輸送層30及び対極導電層40をこの順に積層してなり、感光層20を色素22によって増感した半導体微粒子21とこの半導体微粒子21の間の空隙に浸透した電荷輸送材料23とから構成する。感光層20中の電荷輸送材料23は通常、電荷輸送層30に用いる材料と同じものである。導電層10と感光層20の間には下塗り層60を設けてもよい。また、光電変換素子に強度を付与するために、導電層10及び/又は対極導電層40の下地として基板50を設けてもよい。本発明では、導電層10及び任意で設ける基板50からなる層を「導電性支持体」、対極導電層40及び任意で設ける基板50からなる層を「対極」と呼ぶ。なお、図1中の導電層10、対極導電層40、基板50はそれぞれ透明導電層10a、透明対極導電層40a、透明基板50aであってもよい。このような光電変換素子のうち、電気的仕事(発電)をさせるために外部負荷に接続したものが光電池であり、光学的情報のセンシングを目的に作られたものが光センサーである。光電池の中で、電荷輸送材料が主としてイオン輸送材料からなるものを光電気化学電池と呼び、また太陽光による発電を主目的とするものを太陽電池と呼ぶ。
【0021】
図1に示す光電変換素子において、色素22により増感した半導体微粒子21を含む感光層20に入射した光は色素22等を励起し、励起された色素22等中の高エネルギーの電子は半導体微粒子21の伝導帯に渡され、更に拡散して導電層10に到達する。このとき色素22は酸化体となっている。光電池においては、導電層10中の電子が外部回路で仕事をしながら対極導電層40及び電荷輸送層30を経て色素22の酸化体に戻り、色素22が再生する。感光層20は負極として働き、対極導電層40は正極として働く。それぞれの層の境界(例えば導電層10と感光層20との境界、感光層20と電荷輸送層30との境界、電荷輸送層30と対極導電層40との境界等)では、各層の構成成分同士が相互に拡散混合していてもよい。以下各層および構成について詳細に説明する。
【0022】
(A) 導電性支持体
導電性支持体は(1)導電層の単層又は(2)導電層及び基板の2層からなる。(1)の場合、導電層の材料としては、導電層の強度や密封性を十分に保つことができ、且つ導電性を有するもの(例えば白金、金、銀、銅、亜鉛、チタン、アルミニウム、これらを含む合金のような金属材料等)を用いることができる。(2)の場合、感光層側に導電剤からなる導電層を有する基板を導電性支持体として使用することができる。好ましい導電剤の例としては金属(白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等)、炭素及び導電性金属酸化物(インジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの等)が挙げられる。導電層の厚さは好ましくは0.02〜10μm程度である。
【0023】
導電性支持体の表面抵抗は低い程好ましい。この表面抵抗は好ましくは100Ω/□以下であり、より好ましくは40Ω/□以下である。表面抵抗の下限には特に制限はないが、通常0.1Ω/□程度である。
【0024】
導電性支持体側から光を照射する場合には、導電性支持体は実質的に透明であるのが好ましい。実質的に透明であるとは光の透過率が10%以上であることを意味する。導電性支持体の光透過率は好ましくは50%以上、特に好ましくは70%以上である。
【0025】
透明導電性支持体としては、ガラス、プラスチック等からなる透明基板の表面に導電性金属酸化物からなる透明導電層を塗布、蒸着等により形成したものが好ましく使用できる。透明導電層をなす好ましい材料の例としてはフッ素をドーピングした二酸化スズ等が挙げられる。透明基板としては、コストと強度の点で有利なソーダ石灰フロートガラスからなるガラス基板、低コストでフレキシブルな光電変換素子を得るために有用な透明ポリマーフィルム等が使用できる。透明ポリマーフィルムをなす材料の例としては、テトラアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAr)、ポリスルフォン(PSF)、ポリエステルスルフォン(PES)、ポリエーテルイミド(PEI)、環状ポリオレフィン、ブロム化フェノキシ樹脂等が挙げられる。十分な透明性を確保するためには、上記導電性金属酸化物の塗布量はガラス又はプラスチックの基板1m2当たり0.01〜100 gとするのが好ましい。
【0026】
透明導電性支持体の抵抗を下げる目的で金属リードを集電体として用いることができる。金属リードは白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀等の金属からなるのが好ましく、アルミニウム又は銀からなるのが特に好ましい。透明基板上に金属リードを蒸着、スパッタリング等で設置し、その上にフッ素をドープした酸化スズ、ITO膜等からなる透明導電層を設けるのが好ましい。また、透明導電層を透明基板に設けた後、透明導電層上に金属リードを設置することも好ましい。金属リード設置による入射光量の低下は、好ましくは10%以内、より好ましくは1〜5%とする。
【0027】
(B)感光層
感光層において半導体微粒子は感光体として作用し、光を吸収して電荷分離を行い電子と正孔を生ずる。色素増感した半導体微粒子では光吸収及びこれによる電子及び正孔の発生は主として色素において起こり、半導体微粒子はこの電子又は正孔を受け取り、伝達する役割を担う。本発明で用いる半導体は、光励起下で伝導体電子がキャリアーとなり、アノード電流を与えるn型半導体であることが好ましい。
【0028】
(1)半導体
本発明で用いる半導体は、単体半導体(シリコン、ゲルマニウム等)、III-V族系化合物半導体、金属カルコゲナイド(酸化物、硫化物、セレン化物等)、ペロブスカイト構造を有する化合物(チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等)等であってよい。
【0029】
金属カルコゲナイドの例としては、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ又はタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン又はビスマスの硫化物、カドミウム又は鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の化合物半導体の例としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物、ガリウム−ヒ素又は銅−インジウムのセレン化物、銅−インジウムの硫化物等が挙げられる。
【0030】
本発明で用いる半導体は、好ましくはSi、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、CdTe、GaP、InP、GaAs、CuInS2又はCuInSe2であり、より好ましくはTiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、WO3、Nb2O5、CdS、PbS、CdSe、InP、GaAs、CuInS2又はCuInSe2およびこれらの組み合わせであり、特に好ましくはZnO、SnO2、WO3、TiO2又はNb2O5であり、最も好ましくはTiO2である。TiO2の結晶形系として、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型等が知られている。本発明で用いるTiO2はこれらのいずれの結晶形を有していてもよい。
【0031】
本発明に用いる半導体は単結晶でも多結晶でもよいが、製造コスト、原材料確保、エネルギーペイバックタイム等の観点からは多結晶が好ましく有利であり、多結晶の形態で用いられる場合では、半導体微粒子からなる多孔質膜が特に好ましい。また、本発明の半導体は一部アモルファス部分を含んでいてもよい。
【0032】
半導体微粒子の粒径は一般にnm〜μmのオーダーであるが、投影面積を円に近似したときの直径から求めた一次粒子の平均粒径は好ましくは5〜200 nm、より好ましくは8〜100 nmである。また、分散液中の半導体微粒子(二次粒子)の平均粒径は好ましくは0.01〜100μmである。
【0033】
粒径分布の異なる2種類以上の半導体微粒子を混合して用いてもよく、この場合、小さい粒子の平均粒径は好ましくは5〜50 nmであり、大きい粒子の平均サイズは好ましくは100〜600 nmである。小さい粒子は色素が吸着する表面の面積を増やす効果を有し、大きい粒子は入射光を散乱させて光捕獲率を向上させる効果を有する。混合比率(質量比)は小さい粒子が50〜99%且つ大きい粒子が1〜50%であるのが好ましく、小さい粒子が70〜95%且つ大きい粒子が5〜30%であるのがより好ましい。
【0034】
(2)半導体微粒子層
導電性支持体上に上記半導体微粒子からなる半導体微粒子層を形成する際には、半導体微粒子を含有する分散液又はコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法を用いるのが一般的である。光電変換素子の量産化、半導体微粒子を含有する分散液又はコロイド溶液の物性、導電性支持体の融通性等を考慮すると、湿式の製膜方法を用いるのが比較的望ましい。湿式の製膜方法としては塗布法及び印刷法が代表的である。
【0035】
半導体微粒子の分散液を作製する方法の例としては、前述のゾル−ゲル法等で調製した分散液又はコロイド溶液をそのまま用いる方法、乳鉢ですり潰す方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法等が挙げられる。
【0036】
半導体微粒子の分散液に用いる分散媒は、水又は各種有機溶媒(メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル等)であってよい。分散する際に必要に応じてポリエチレングリコールのようなポリマー、界面活性剤、酸、キレート剤等を分散助剤として用いてもよい。ポリエチレングリコールの分子量を変えることで、分散液の粘度が調節でき、また剥がれにくい半導体微粒子層を形成することができるので、ポリエチレングリコールを添加することは好ましい。
【0037】
好ましい塗布方法の例としては、アプリケーション系としてローラ法、ディップ法等、メータリング系としてエアーナイフ法、ブレード法等、またアプリケーションとメータリングを同一部分にできるものとして特公昭58-4589号公報に開示されているワイヤーバー法、米国特許第2681294号明細書、同第2761419号明細書、同第2761791号明細書等に記載のスライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法等が挙げられる。また汎用機としてスピン法やスプレー法も好ましい。湿式印刷方法としては凸版、オフセット及びグラビアの三大印刷法をはじめ、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等が好ましい。これらの中から液粘度やウェット厚さに応じて製膜方法を選択してよい。
【0038】
半導体微粒子の分散液の粘度は半導体微粒子の種類や分散性、使用溶媒種、界面活性剤やバインダー等の添加剤により大きく左右される。分散液が高粘度(例えば0.01〜500 Poise)である場合はエクストルージョン法、キャスト法又はスクリーン印刷法を用いるのが好ましい。また低粘度(例えば0.1 Poise以下)である場合は、均一な膜を形成するためにはスライドホッパー法、ワイヤーバー法又はスピン法を用いるのが好ましい。なお、塗布量がある程度多い場合は低粘度であってもエクストルージョン法による塗布が可能である。このように分散液の粘度、塗布量、支持体、塗布速度等に応じて適宜製膜方法を選択すればよい。
【0039】
半導体微粒子層は単層に限定されず、粒径の違った半導体微粒子の分散液を多層塗布したり、種類が異なる半導体微粒子(或いは異なるバインダー、添加剤等)を含有する層を多層塗布したりすることもできる。一度の塗布で膜厚が足りない場合にも多層塗布は有効である。多層塗布にはエクストルージョン法及びスライドホッパー法が適している。多層塗布する場合は同時に多層を塗布してもよいし、数回〜十数回、順次重ね塗りしてもよい。順次重ね塗りする際にはスクリーン印刷法も好ましく使用できる。
【0040】
一般に半導体微粒子層の厚さ(感光層の厚さと同じ)が厚くなるほど、単位投影面積当たりの担持色素量が増えるため光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離が増すため電荷再結合によるロスも大きくなる。従って半導体微粒子層の好ましい厚さは0.1〜100μmである。本発明の光電変換素子を太陽電池に用いる場合、半導体微粒子層の厚さは好ましくは1〜30μm、より好ましくは2〜25μmである。導電性支持体1m2当たりの半導体微粒子の塗布量は、好ましくは0.5〜400 g、より好ましくは5〜100 gである。
【0041】
半導体微粒子を導電性支持体上に塗布した後、半導体微粒子同士を電子的に接触させるとともに塗膜強度や導電性支持体との密着性を向上させるために、加熱処理するのが好ましい。加熱処理における加熱温度は好ましくは40〜700℃であり、より好ましくは100〜600℃である。また加熱時間は10分〜10時間程度である。ポリマーフィルムのように融点や軟化点の低い基板を用いる場合、高温処理は基板の劣化を招くため好ましくない。またコストの観点からもできる限り低温で加熱処理を行うのが好ましい。5nm以下の小さい半導体微粒子や鉱酸等の存在下で加熱処理を行うと、加熱温度の低温化が可能となる。
【0042】
上記加熱処理に代えて加圧処理を行っても良い。加圧処理の方法についてはリンドストロームらによる著書、「ジャーナル・オブ・フォトケミストリー・アンド・フォトバイオロジー(Journal of photochemistry and photobiology)」, 2001年(エルゼビア), 第145巻, p.107〜112に詳しく記載されている。加圧処理を行う場合、半導体微粒子塗布液にはポリマー等のバインダーを用いない。
【0043】
加熱処理、または加圧処理の後、例えば米国特許第5084365号明細書に記載されているような四塩化チタン水溶液を用いた化学メッキ処理や三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。
【0044】
半導体微粒子層は、多くの色素を吸着することができるように大きい表面積を有することが好ましい。半導体微粒子層を導電性支持体上に塗布した状態での表面積は投影面積に対して10倍以上であるのが好ましく、100倍以上であるのがより好ましい。この上限は特に制限はないが、通常1000倍程度である。
【0045】
(3)処理
本発明では、感光層に用いる半導体微粒子を金属化合物の溶液で処理してもよい。金属化合物としては、例えばスカンジウム、イットリウム、ランタノイド、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム及びスズからなる群から選ばれる金属のアルコキシド又はハロゲン化物等が使用できる。金属化合物の溶液(処理液)は通常、水溶液又はアルコール溶液である。なお、「処理」とは、半導体微粒子に色素を吸着させる前に、該半導体微粒子と上記処理液をある時間接触させる操作を意味する。接触後に半導体微粒子に上記金属化合物が吸着していても吸着していなくてもよい。処理は上記半導体微粒子層を形成した後に行うのが好ましい。
【0046】
処理の具体的方法としては、半導体微粒子を該処理液に浸漬する方法(浸漬法)が好ましい例として挙げられる。また、処理液をスプレー状に一定時間吹き付ける方法(スプレー法)も適用できる。浸漬法を行う際の処理液の温度(浸漬温度)は特に限定されないが、典型的には-10〜70℃であり、好ましくは0℃〜40℃である。処理時間も特に限定されず、典型的には1分〜24時間であり、好ましくは30分〜15時間である。浸漬の後、半導体微粒子を蒸留水等の溶媒で洗浄してもよい。また、浸漬処理によって半導体微粒子に付着した物質の結合を強めるために焼成してもよい。焼成の条件は、上述した加熱処理の条件と同様に設定すればよい。
【0047】
(4)色素
感光層に用いる増感色素は、可視域や近赤外域に吸収特性を有し半導体を増感し得るものであれば特に限定されないが、金属錯体色素、メチン色素、ポルフィリン系色素及びフタロシアニン系色素が好ましく使用でき、中でも金属錯体色素が特に好ましい。フタロシアニン、ナフタロシアニン、金属フタロシアニン、金属ナフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリンやテトラアザポルフィリン等のポルフィリン類、金属ポルフィリン、それらの誘導体等も用いることができる。色素レーザー用に用いられる色素類も本発明において使用できる。また、光電変換の波長域をできるだけ広くし、且つ変換効率を上げるために、二種類以上の色素を併用することができる。この場合、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように併用する色素とその割合を選ぶことができる。
【0048】
色素は半導体微粒子の表面に対して吸着能力の有る適当な結合基(interlocking group)を有するのが好ましい。好ましい結合基の例としては、-COOH基、-OH基、-SO2H基、-P(O)(OH)2基及び-OP(O)(OH)2基のような酸性基、並びにオキシム、ジオキシム、ヒドロキシキノリン、サリチレート及びα-ケトエノレートのようなπ伝導性を有するキレート化基が挙げられる。中でも-COOH基、-P(O)(OH)2基及び-OP(O)(OH)2基が特に好ましい。これらの結合基はアルカリ金属等と塩を形成していてもよく、また分子内塩を形成していてもよい。またポリメチン色素の場合、メチン鎖がスクアリリウム環やクロコニウム環を形成する場合のように酸性基を含有するなら、この部分を結合基としてもよい。以下、感光層に用いる好ましい増感色素を具体的に説明する。
【0049】
(a)金属錯体色素
本発明で用いる金属錯体色素の金属原子はルテニウムRuであるのが好ましい。ルテニウム錯体色素の例としては、米国特許第4927721号明細書、同第4684537号明細書、同第5084365号明細書、同第5350644号明細書、同第5463057号明細書、同第5525440号明細書、特開平7-249790号公報、特表平10-504512号公報、国際公開98/50393号パンフレット、特開2000-26487号公報等に記載のものが挙げられる。また、好ましい金属錯体色素の具体例としては、特開2001-320068号公報の段落番号0051〜0057に記載のものが挙げられる。最も典型的な金属錯体色素としては、下記D-1及びD-2が挙げられる。
【0050】
【化1】
【0051】
(b)メチン色素
好ましいメチン色素は、シアニン色素、メロシアニン色素、スクワリリウム色素等のポリメチン色素である。好ましいポリメチン色素の例としては、特開平11-35836号公報、同11-158395号公報、同11-163378号公報、同11-214730号公報、同11-214731号公報、欧州特許第892411号明細書及び同第911841号明細書に記載の色素が挙げられる。これらのポリメチン色素の合成法については、エフ・エム・ハーマー(F. M. Hamer)著「ヘテロサイクリック・コンパウンズ−シアニンダイズ・アンド・リレィティド・コンパウンズ(Heterocyclic Compounds - Cyanine Dyes and Related Compounds)」, ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(John Wiley & Sons)社, ニューヨーク, ロンドン, 1964年、デー・エム・スターマー(D. M. Sturmer)著「ヘテロサイクリック・コンパウンズ−スペシャル・トピックス・イン・ヘテロサイクリック・ケミストリー(Heterocyclic Compounds - Specialtopics in Heterocyclic Chemistry)」, ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(John Wiley & Sons)社, ニューヨーク,ロンドン, 1977年, 第18章, 第14節, p.82〜515、「ロッズ・ケミストリー・オブ・カーボン・コンパウンズ(Rodd's Chemistry of Carbon Compounds)」, 第2版, エルセビア・サイエンス・パブリック・カンパニー・インク(Elsevier Science Publishing Company Inc.)社, ニューヨーク, 1977年, 第IV巻, part B, 第15章, p.369-422、英国特許第1,077,611号明細書、「Ukrainskii Khimicheskii Zhurnal」, 第40巻, 第3号, p.253-258、「ダイズ・アンド・ピグメンツ(Dyes and Pigments)」, 第21巻, p.227-234、これらの引用文献等に記載されている。
【0052】
(5)半導体微粒子への色素の吸着
半導体微粒子に色素を吸着させる際には、色素の溶液中によく乾燥した半導体微粒子層を有する導電性支持体を浸漬する方法、又は色素の溶液を半導体微粒子層に塗布する方法を用いることができる。前者の方法の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等が利用可能である。浸漬法を用いる場合、色素の吸着は室温で行ってもよいし、特開平7-249790号に記載されているように加熱還流して行ってもよい。後者の方法の場合、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等が利用できる。また、インクジェット法等によって色素を画像状に塗布し、この画像そのものを光電変換素子とすることもできる。
【0053】
色素の溶液(吸着液)に用いる溶媒は、好ましくはアルコール類(メタノール、エタノール、t-ブチルアルコール、ベンジルアルコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル、3-メトキシプロピオニトリル等)、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素(ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、クロロベンゼン等)、エーテル類(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等)、ジメチルスルホキシド、アミド類(N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセタミド等)、N-メチルピロリドン、1,3-ジメチルイミダゾリジノン、3-メチルオキサゾリジノン、エステル類(酢酸エチル、酢酸ブチル等)、炭酸エステル類(炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等)、ケトン類(アセトン、2-ブタノン、シクロヘキサノン等)、炭化水素(へキサン、石油エーテル、ベンゼン、トルエン等)又はこれらの混合溶媒である。
【0054】
色素の吸着量は、半導体微粒子層の単位面積(1m2)当たり0.01〜100 mmolとするのが好ましい。また色素の半導体微粒子に対する吸着量は、半導体微粒子1g当たり0.01〜1mmolであるのが好ましい。このような色素の吸着量とすることにより半導体微粒子の増感効果が十分に得られる。色素の吸着量が少なすぎると増感効果が不十分となり、色素の吸着量が多すぎると半導体に付着していない色素が浮遊し、増感効果が低減する。色素の吸着量を増やすためには、吸着前に半導体微粒子を加熱処理するのが好ましい。半導体微粒子表面に水が吸着するのを避けるために、加熱処理後には常温に戻さずに半導体微粒子層の温度が60〜150℃の間で素早く色素の吸着を行うのが好ましい。
【0055】
色素間の凝集等の相互作用を低減するために、界面活性剤としての性質を持つ無色の化合物を色素吸着液に添加し、半導体微粒子に共吸着させてよい。このような無色の化合物の例としては、カルボキシル基やスルホ基を有するステロイド化合物(コール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸等)や、下記のようなスルホン酸塩類等が挙げられる。
【0056】
【化2】
【0057】
未吸着の色素は、吸着工程後、速やかに洗浄により除去するのが好ましい。洗浄は湿式洗浄槽中でアセトニトリル、アルコール系溶剤のような有機溶媒等を用いて行うのが好ましい。
【0058】
色素を吸着した後、アミン類、4級アンモニウム塩、少なくとも1つのウレイド基を有するウレイド化合物、少なくとも1つのシリル基を有するシリル化合物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を用いて半導体微粒子の表面を処理してもよい。好ましいアミン類の例としてはピリジン、4-t-ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。好ましい4級アンモニウム塩の例としてはテトラブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらは有機溶媒に溶解して用いてもよく、液体の場合はそのまま用いてもよい。
【0059】
(C)電荷輸送層
電荷輸送層は、色素の酸化体に電子を補充する機能を有する電荷輸送材料を含有する。本発明で用いる電荷輸送材料は、(i)イオンが関わる電荷輸送材料であっても、(ii)固体中のキャリアー移動が関わる電荷輸送材料であってもよい。(i)イオンが関わる電荷輸送材料としては、酸化還元対イオンを含有する溶融塩電解質組成物、酸化還元対のイオンが溶解した溶液(電解液)、酸化還元対の溶液をポリマーマトリクスのゲルに含浸したいわゆるゲル電解質組成物、固体電解質組成物等が挙げられ、(ii)固体中のキャリアー移動が関わる電荷輸送材料としては、電子輸送材料や正孔(ホール)輸送材料等が挙げられる。これらの電荷輸送材料は複数併用してもよい。本発明では、電荷輸送層に溶融塩電解質組成物又はゲル電解質組成物を用いるのが好ましい。
【0060】
(1)溶融塩電解質組成物
溶融塩電解質組成物は溶融塩を含む。溶融塩電解質組成物は常温で液体であるのが好ましい。主成分である溶融塩は室温において液状であるか、又は低融点の電解質であり、その一般的な例としては国際公開第95/18456号パンフレット、特開平8-259543号公報、「電気化学」, 1997年, 第65巻, 第11号, p.923等に記載のピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等が挙げられる。溶融塩の融点は50℃以下であるのが好ましく、25℃以下であるのが特に好ましい。溶融塩の具体例は特開2001-320068号公報の段落番号0066〜0082に詳しく記載されている。
【0061】
溶融塩は単独で使用しても2種以上混合して使用してもよい。また、LiI、NaI、KI、LiBF4、CF3COOLi、CF3COONa、LiSCN、NaSCN等のアルカリ金属塩を併用することもできる。アルカリ金属塩の添加量は、組成物全体に対して2質量%以下であるのが好ましく、1質量%以下がさらに好ましい。また、溶融塩電解質組成物に含まれるアニオンの50モル%以上がヨウ化物イオンであることが好ましい。
【0062】
通常、溶融塩電解質組成物はヨウ素を含有する。ヨウ素の含有量は、溶融塩電解質組成物全体に対して0.1〜20質量%であるのが好ましく、0.5〜5質量%であるのがより好ましい。
【0063】
溶融塩電解質組成物の揮発性は低いことが好ましく、溶媒を含まないことが好ましい。溶媒を添加する場合でも、溶媒の添加量は溶融塩電解質組成物全体に対して30質量%以下に留めることが好ましい。溶融塩電解質組成物は後述のようにゲル化して使用してもよい。
【0064】
(2)電解液
電解液は電解質、溶媒及び添加物から構成されることが好ましい。電解液に用いる電解質の例としては、I2とヨウ化物(LiI、NaI、KI、CsI、CaI2等の金属ヨウ化物、テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物ヨウ素塩等)の組み合わせ、Br2と臭化物(LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2等の金属臭化物、テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の4級アンモニウム化合物臭素塩等)の組み合わせ、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等が挙げられる。中でも、I2とLiI又はピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物ヨウ素塩を組み合わせた電解質が好ましい。電解質は混合して用いてもよい。
【0065】
電解液中の電解質濃度は好ましくは0.1〜10 Mであり、より好ましくは0.2〜4Mである。また、電解液にヨウ素を添加する場合の好ましいヨウ素の添加濃度は0.01〜0.5 Mである。
【0066】
電解液に使用する溶媒は、粘度が低くイオン移動度を向上したり、若しくは誘電率が高く有効キャリアー濃度を向上したりして、優れたイオン伝導性を発現できる化合物であることが望ましい。このような溶媒の例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物、3-メチル-2-オキサゾリジノン等の複素環化合物、ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル化合物、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等の鎖状エーテル類、メタノール、エタノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類、アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル化合物、ジメチルスルホキシド、スルフォラン等の非プロトン極性物質、水等が挙げられる。これらの溶媒は混合して用いることもできる。
【0067】
また、「ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・セラミック・ソサイエティ(Journal of the American Ceramic Society)」,1997年,第80巻,第12号,p.3157-3171に記載されているようなtert-ブチルピリジンや、2-ピコリン、2,6-ルチジン等の塩基性化合物を前述の溶融塩電解質組成物や電解液に添加することが好ましい。塩基性化合物を電解液に添加する場合の好ましい濃度範囲は0.05〜2Mである。溶融塩電解質組成物に添加する場合、塩基性化合物はイオン性基を有することが好ましい。溶融塩電解質組成物全体に対する塩基性化合物の質量比は好ましくは1〜40質量%であり、より好ましくは5〜30質量%である。
【0068】
(3)ゲル電解質組成物
本発明では、ポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法により、前述の溶融塩電解質組成物や電解液をゲル化(固体化)させて使用することもできる。ポリマー添加によりゲル化する場合は、「ポリマー・エレクトロライト・レビューズ(Polymer Electrolyte Reviews)-1及び2」(J. R. MacCallumとC. A. Vincentの共編、ELSEVIER APPLIED SCIENCE)に記載された化合物を使用することができるが、特にポリアクリロニトリル及びポリフッ化ビニリデンが好ましく使用できる。オイルゲル化剤添加によりゲル化する場合は「工業科学雑誌(Journal of the Chemical Society of Japan, Industrial Chemistry Sections)」, 1943年, 第46巻, p.779、「ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサイエティ(Journal of the American Chemical Society)」, 1989年, 第111巻, p.5542、「ジャーナル・オブ・ザ・ケミカル・ソサイエティ, ケミカル・コミュニケーションズ(Journal of the Chemical Society, Chemical Communications)」, 1993年, p.390、「Angewandte Chemie International Edition in English」, 1996年, 第35巻, p.1949、「ケミストリー・レターズ(Chemistry Letters)」, 1996年, p.885、及び「ジャーナル・オブ・ザ・ケミカル・ソサイエティ, ケミカル・コミュニケーションズ(Journal of the Chemical Society, Chemical Communications)」, 1997年, p.545に記載されている化合物を使用することができるが、アミド構造を有する化合物を使用するのが好ましい。電解液をゲル化した例は特開平11-185863号公報に、溶融塩電解質をゲル化した例は特開2000-58140号公報にも記載されており、これらも本発明に適用できる。
【0069】
また、ポリマーの架橋反応によりゲル化させる場合、架橋可能な反応性基を含有するポリマー及び架橋剤を併用することが望ましい。この場合、好ましい架橋可能な反応性基は、アミノ基、含窒素複素環(ピリジン環、イミダゾール環、チアゾール環、オキサゾール環、トリアゾール環、モルホリン環、ピペリジン環、ピペラジン環等)であり、好ましい架橋剤は、窒素原子に対して求電子反応可能な2官能以上の試薬(ハロゲン化アルキル類、ハロゲン化アラルキル類、スルホン酸エステル類、酸無水物、酸クロライド類、イソシアネート化合物、α,β-不飽和スルホニル化合物、α,β-不飽和カルボニル化合物、α,β-不飽和ニトリル化合物等)である。特開2000-17076号公報及び同2000-86724号公報に記載されている架橋技術も適用できる。
【0070】
(4)正孔輸送材料
本発明では、溶融塩等のイオン伝導性電解質のかわりに、有機固体正孔輸送材料、無機固体正孔輸送材料、或いはこの両者を組み合わせた材料を使用することができる。
【0071】
(a)有機正孔輸送材料
本発明において好ましく使用できる有機正孔輸送材料の例としては、ジェイ・ハーゲン(J. Hagen)等著, 「シンセティック・メタル(Synthetic Metal)」, 1997年, 第89巻, p.215-220、「ネイチャー(Nature)」, 1998年, 第395巻, 第8号 Oct., p583-585、国際公開第97/10617号パンフレット、特開昭59-194393号公報、特開平5-234681号公報、米国特許第4,923,774号明細書、特開平4-308688号公報、米国特許第4,764,625号明細書、特開平3-269084号公報、同4-129271号公報、同4-175395号公報、同4-264189号公報、同4-290851号公報、同4-364153号公報、同5-25473号公報、同5-239455号公報、同5-320634号公報、同6-1972号公報、同7-138562号公報、同7-252474号公報、同11-144773号公報等に記載の芳香族アミン類、特開平11-149821号公報、同11-148067号公報、同11-176489号公報等に記載のトリフェニレン誘導体類等が挙げられる。また、「アドバンスド・マテリアルズ(Advanced Materials)」, 1997年, 第9巻, 第7号, p.557、「Angewandte Chemie International Edition in English」, 1995年, 第34巻, 第3号, p.303-307、「ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサイエティ(Journal of the American Chemical Society)」, 1998年, 第120巻, 第4号, p.664-672等に記載のオリゴチオフェン化合物、K. Murakoshi, et al., 「ケミストリー・レターズ(Chemistry Letters)」, 1997年, p.471に記載のポリピロール、NALWA著「ハンドブック・オブ・オーガニック・コンダクティブ・モレキュールズ・アンド・ポリマーズ(Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers)」, 第1,2,3,4巻, WILEY出版に記載のポリアセチレン及びその誘導体、ポリ(p-フェニレン)及びその誘導体、ポリ(p-フェニレンビニレン)及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリトルイジン及びその誘導体等の導電性高分子も好ましく使用することができる。
【0072】
「ネイチャー(Nature)」, 1998年, 第395巻, 第8号 Oct., p.583-585に記載されているように、ドーパントレベルをコントロールするためにトリス(4-ブロモフェニル)アミニウムヘキサクロロアンチモネートのようなカチオンラジカルを含有する化合物を正孔輸送材料に添加してもよい。また、酸化物半導体表面のポテンシャル制御(空間電荷層の補償)を行うためにLi[(CF3SO2)2N]のような塩を添加してもよい。
【0073】
(b)無機正孔輸送材料
無機正孔輸送材料としてはp型無機化合物半導体を用いることができ、そのバンドギャップは好ましくは2eV以上、より好ましくは2.5eV以上である。また、p型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルは、色素の正孔を還元するためには色素吸着電極のイオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。使用する色素によってp型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なるが、一般に好ましくは4.5〜5.5 eV、より好ましくは4.7〜5.3 eVである。好ましいp型無機化合物半導体は1価の銅を含む化合物半導体であり、その例としてはCuI、CuSCN、CuInSe2、Cu(In,Ga)Se2、CuGaSe2、Cu2O、CuS、CuGaS2、CuInS2、CuAlSe2等が挙げられる。中でも、CuI及びCuSCNが好ましく、CuIが最も好ましい。他のp型無機化合物半導体の例としては、GaP、NiO、CoO、FeO、Bi2O3、MoO2、Cr2O3等が挙げられる。
【0074】
(5)電荷輸送層の形成
電荷輸送層は2通りの方法のいずれかにより形成できる。1つは感光層の上に先に対極を貼り合わせておき、その間隙に液状の電荷輸送層を挟み込む方法である。もう1つは感光層上に直接電荷輸送層を付与する方法で、対極はその後付与することになる。
【0075】
前者の方法の場合、電荷輸送層を挟み込む際には、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセス又は常圧より低い圧力にして間隙の気相を液相に置換する真空プロセスを利用できる。
【0076】
後者の方法において、湿式の電荷輸送層を用いる場合は、通常未乾燥のまま対極を付与しエッジ部の液漏洩防止措置を施す。またゲル電解質組成物を用いる場合には、これを湿式で塗布した後で重合等の方法により固体化してよい。固体化は対極を付与する前に行っても後に行ってもよい。電解液、湿式有機正孔輸送材料、ゲル電解質組成物等からなる電荷輸送層を形成する場合は、前述の半導体微粒子層の形成方法と同様の方法を利用できる。
【0077】
固体電解質組成物や固体正孔輸送材料を用いる場合には、真空蒸着法やCVD法等のドライ成膜処理で電荷輸送層を形成し、その後対極を付与することもできる。有機正孔輸送材料は真空蒸着法、キャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解重合法、光電解重合法等により電極内部に導入することができる。無機固体化合物はキャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解析出法、無電解メッキ法等により電極内部に導入することができる。
【0078】
(D)対極
対極は前述の導電性支持体と同様に、導電性材料からなる対極導電層の単層構造でもよいし、対極導電層と支持基板から構成されていてもよい。対極導電層に用いる導電剤の例としては、金属(白金、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等)、炭素、導電性金属酸化物(インジウム−スズ複合酸化物、フッ素ドープ酸化スズ等)等が挙げられる。この中でも白金、金、銀、銅、アルミニウム及びマグネシウムが好ましい。対極に用いる基板は、好ましくはガラス基板又はプラスチック基板であり、これに上記の導電剤を塗布又は蒸着して用いることができる。対極導電層の厚さは特に制限されないが、好ましくは3nm〜10μmである。対極導電層の表面抵抗は低い程よく、好ましくは50Ω/□以下、より好ましくは20Ω/□以下である。
【0079】
導電性支持体と対極のいずれか一方又は両方から光を照射してよいので、感光層に光が到達するためには、導電性支持体と対極の少なくとも一方が実質的に透明であればよい。発電効率の向上の観点からは導電性支持体を透明にして光を導電性支持体側から入射させるのが好ましい。この場合、対極は光を反射する性質を有するのが好ましい。このような性質を得るためには、対極として金属又は導電性酸化物を蒸着したガラス又はプラスチック、或いは金属薄膜を使用してよい。
【0080】
対極は電荷輸送層上に直接導電剤を塗布、メッキ又は蒸着(PVD、CVD)するか、導電層を有する基板の導電層側を貼り付けて設置すればよい。導電性支持体の場合と同様に、特に対極が透明の場合には、対極の抵抗を下げる目的で金属リードを用いるのが好ましい。金属リードの好ましい態様は導電性支持体の場合と同じである。
【0081】
(E)その他の層
対極と導電性支持体の短絡を防止するため、導電性支持体と感光層の間には緻密な半導体の薄膜層を下塗り層として予め塗設しておくことが好ましい。この下塗り層により短絡を防止する方法は、電荷輸送層に電子輸送材料や正孔輸送材料を用いる場合は特に有効である。下塗り層は好ましくはTiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO又はNb2O5からなり、さらに好ましくはTiO2からなる。下塗り層は、例えば「Electrochim. Acta」, 1995年, 第40巻, p.643-652に記載のスプレーパイロリシス法や、スパッタ法等により塗設することができる。下塗り層の膜厚は好ましくは5〜1000 nmであり、より好ましくは10〜500 nmである。
【0082】
また、導電性支持体と対極の一方又は両方の外側表面、導電層と基板の間又は基板の中間に、保護層、反射防止層等の機能性層を設けてもよい。これらの機能性層の形成方法は、その材質に応じて塗布法、蒸着法、貼り付け法等から適宜選択できる。
【0083】
(F)光電変換素子の内部構造の具体例
上述のように、光電変換素子の内部構造は目的に合わせ様々な形態が可能である。大きく2つに分ければ、両面から光の入射が可能な構造と、片面からのみ可能な構造が可能である。本発明の光電変換素子の好ましい内部構造の例を、前述の図1及び図2〜図9に示す。
【0084】
図2に示す構造は、透明導電層10aと透明対極導電層40aとの間に、感光層20と電荷輸送層30とを介在させたものであり、両面から光が入射する構造となっている。図3に示す構造は、透明基板50a上に一部金属リード11を設け、その上に透明導電層10aを設け、下塗り層60、感光層20、電荷輸送層30及び対極導電層40をこの順で設け、更に支持基板50を配置したものであり、導電層側から光が入射する構造となっている。図4に示す構造は、支持基板50上に導電層10を有し、下塗り層60を介して感光層20を設け、更に電荷輸送層30と透明対極導電層40aとを設け、一部に金属リード11を設けた透明基板50aを金属リード11側を内側にして配置したものであり、対極側から光が入射する構造である。図5に示す構造は、透明基板50a上に一部金属リード11を設け、更に透明導電層10a(又は40a)を設けたもの1組の間に下塗り層60、感光層20及び電荷輸送層30を介在させたものであり、両面から光が入射する構造である。図6に示す構造は、透明基板50a上に透明導電層10a、下塗り層60、感光層20、電荷輸送層30及び対極導電層40を設け、この上に支持基板50を配置したものであり、導電層側から光が入射する構造である。図7に示す構造は、支持基板50上に導電層10を有し、下塗り層60を介して感光層20を設け、更に電荷輸送層30及び透明対極導電層40aを設け、この上に透明基板50aを配置したものであり、対極側から光が入射する構造である。図8に示す構造は、透明基板50a上に透明導電層10aを有し、下塗り層60を介して感光層20を設け、更に電荷輸送層30及び透明対極導電層40aを設け、この上に透明基板50aを配置したものであり、両面から光が入射する構造となっている。図9に示す構造は、支持基板50上に導電層10を設け、下塗り層60を介して感光層20を設け、更に固体の電荷輸送層30を設け、この上に一部対極導電層40又は金属リード11を有するものであり、対極側から光が入射する構造となっている。
【0085】
[IV]光電池
本発明の光電池は、上記本発明の光電変換素子に外部負荷で仕事をさせるようにしたものである。光電池のうち、電荷輸送材料が主としてイオン輸送材料からなる場合を特に光電気化学電池と呼び、また、太陽光による発電を主目的とする場合を太陽電池と呼ぶ。
【0086】
光電池の側面は、構成物の劣化や内容物の揮散を防止するためにポリマーや接着剤等で密封するのが好ましい。導電性支持体及び対極にリードを介して接続する外部回路自体は公知のものでよい。
【0087】
本発明の光電変換素子を太陽電池に適用する場合も、そのセル内部の構造は基本的に上述した光電変換素子の構造と同じである。また、本発明の光電変換素子を用いた色素増感型太陽電池は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様のモジュール構造をとりうる。太陽電池モジュールは、一般的には金属、セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造をとるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込む構造とすることも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ、ポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造、アモルファスシリコン太陽電池等で用いられる基板一体型モジュール構造等が知られており、本発明の光電変換素子を用いた色素増感型太陽電池も使用目的や使用場所及び環境により、適宜モジュール構造を選択できる。具体的には、特願平11-8457号、特開2000-268892号公報等に記載の構造や態様とすることが好ましい。
【0088】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0089】
実施例1
二酸化チタン微粒子の作製
30%硫酸チタン溶液(和光純薬工業(株)製)32 gと水20 mlの混合液中に25%アンモニア水(和光純薬工業(株)製)16 mlを添加すると、約50℃まで発熱し、瞬時に白色の水酸化チタンが沈殿した。そのまま70℃に昇温し1時間攪拌すると、反応液が淡青白に変化し、二酸化チタンのゾル分散液を得た。このゾル分散液を熱時ろ過し、ろ液をオートクレーブの容器に移し、225℃で12時間オートクレービングを行った。容器を冷却後、得られた二酸化チタンの微粒子を遠心分離機により分離した。硫酸アンモニウム等の不純物を取り除くことを目的に、再度水を加え遠心分離する操作を4回繰り返し、二酸化チタン微粒子の分散物(T-1)を得た。得られた二酸化チタンの粒子は蛍光X線(XRD)の測定から、平均粒径が約11 nmの純アナターゼ結晶であり、二酸化チタンの濃度は25質量%であった。また、非特許文献5に記載の方法において、オートクレーブ温度を225℃にした以外は非特許文献5と同様の方法によって二酸化チタン濃度17質量%の二酸化チタン分散物(T-2)を得た。得られた粒子の蛍光X線(XRD)の測定から平均粒径はT-1と同様に約11 nmであったが、結晶型はアナターゼの他にブルッカイト型及びルチル型の存在が認められた。
【0090】
実施例2
1.二酸化チタン粒子含有塗布液の作製
実施例1で得られた二酸化チタンの分散物(T-1)に二酸化チタンに対して40質量%のポリエチレングリコール(分子量20000、和光純薬工業(株))を添加し、混合して塗布液(B-1)を得た。T-2の二酸化チタンについても同様にして塗布液(B-2)を得た。
【0091】
2.二酸化チタン電極の作製
フッ素をドープした酸化スズをコーティングした透明導電性ガラス(日本板硝子(株)製、表面抵抗:約10Ω/cm2)の導電面側に、上記塗布液(B-1)をドクターブレードにより120μmの厚さで塗布し、25℃で30分間乾燥した後、電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP-32型)を用いて450℃で30分間焼成した。冷却後の二酸化チタンの塗布量は18 g/m2であり、塗布層の膜厚は12μmであった。この二酸化チタン電極を電極(E-1)とした。同様にB-2の塗布液を用いて二酸化チタンの塗布量が18 g/m2、塗布層の膜厚が12μmの二酸化チタン電極(E-2)を作製した。
【0092】
3.酸化処理法および酸化処理電極の作製
上記二種の半導体微粒子電極に対し、以下の酸化処理を表1に示す手順で施し、酸化処理電極(S-1)〜(S-18)を得た。
【0093】
(1) 過酸化水素処理
30%過酸化水素水(精密分析用、和光純薬工業(株)製)中に電極を完全に浸漬し、25℃で20分間振とうした。電極を注意深く取り出した後、純水で洗浄し、450℃で15分焼成した。
【0094】
(2) UV-オゾン処理
UV-オゾン洗浄装置(東京三容真空(株)製)に半導体電極を設置し、酸素ガスを供給しながら酸素濃度25%の雰囲気中、室温、大気圧下でUV照射を20分間行った。装置から電極を取り出した後、焼成等の処理を行わず、直ちに次の色素吸着工程に進めた。
【0095】
(3) 酸素プラズマ処理
高周波(RF)プラズマ発生装置(BP-1、SAMCO製)中のプレート上に被処理電極を設置し、酸素ガスを20ml/分の流量で流しながら0.5 Torrまで減圧し、次いでRFパワーを50 Wまで上昇させることにより酸素プラズマを発生させ、そのまま15分間電極を酸素プラズマで処理した。装置を順次停止後電極を取り出し、更に450℃で15分間焼成した。
【0096】
【表1】
【0097】
4.色素の吸着
作製した電極E-1、E-2、及び酸化処理電極S-1〜S-18を、それぞれルテニウム錯体色素シス-(ジチオシアネート)-N,N'-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシリックアシッド)ルテニウム(II)錯体(D-1)の吸着液に16時間浸漬した。吸着温度を25℃、吸着液の溶媒をエタノール:t-ブタノール:アセトニトリル=1:1:2(体積比)の混合溶媒とし、色素の濃度を3×10-4モル/リットルとした。色素の染着した二酸化チタン電極をアセトニトリルで洗浄した。
【0098】
5.光電変換素子の作製
(電荷輸送材料に電解液を用いた光電変換素子)
上述のようにして作製した色増感した電極(2cm×2cm)をこれと同じ大きさの白金蒸着ガラスと重ね合わせた(図10参照)。次に、両ガラスの隙間に毛細管現象を利用して電解液(0.65モル/リットルのヨウ化1,3-ジメチルイミダゾリウム、及び0.05モル/リットルのヨウ素を含むアセトニトリル溶液)をしみこませてTiO2電極中に導入することにより、表2に示す光電変換素子CT-1,2およびCS-1〜CS-18を得た。得られた光電変換素子は、図10に示すように導電性ガラス1(ガラス2上に導電層3を設置したもの)、色素を吸着させたTiO2層4、電荷輸送層(電解液)5、白金層6及びガラス7が順に積層された構造を有する。
【0099】
6.光電変換効率の測定
500 Wのキセノンランプ(ウシオ(株)製)の光を分光フィルター(Oriel社製AM1.5)を通すことにより模擬太陽光を発生させた。この光の強度は垂直面において100 mW/cm2であった。光電変換素子の導電性ガラスの端部に銀ペーストを塗布して負極とし、この負極と白金蒸着ガラス(正極)を電流電圧測定装置(ケースレーSMU238型)に接続した。模擬太陽光を垂直に照射しながら、電流電圧特性を測定し、変換効率を求めた。以下の表2に各光電変換素子の変換効率を示す。
【0100】
【表2】
【0101】
表2より、硫酸チタンを原料とする酸化チタン微粒子を用いた光電変換素子(CS-1〜9)は、従来のゾルゲル法による酸化チタン微粒子を用いた光電変換素子(CS-10〜18)よりも、変換効率が高いことがわかる。酸化チタン電極に酸化処理を施すとどちらの光電変換素子も全て変換効率が向上するが、変換効率の差の比較から硫酸チタンを原料とする電極(E-1)の方がより効果が大きいことがわかる。また、酸化処理は、先に過酸化水素処理を行い、次いでUV-オゾン処理及び/又は酸素プラズマ処理を行う方が、効果が高いことがわかる(CS-4,5、CS-8,9、CS-13,14及びCS-17,18)。
【0102】
実施例3
1.処理条件の異なる酸化処理電極の作製
実施例2と同様にして作製した二酸化チタン電極(E-1)に対し、表3に示す処理条件で酸化処理を施し、酸化処理電極(S-19〜S-21)を得た。
【0103】
【表3】
【0104】
2.チタン元素に対する硫黄元素の含有量の測定
硫酸チタンを原料として作製した二酸化チタン電極E-1に種々の異なる条件で酸化処理を施した酸化処理電極(S-1〜S-3、S-9及びS-19〜S-21)と、比較例として酸化処理を施さない二酸化チタン電極E-1及びチタンイソプロポキサイドを原料として作製した二酸化チタン電極E-2を用い、それぞれ3cm×3cmの大きさにカットした後、蛍光X線測定装置(島津製作所製、XRF-1700)を用い、チタン及び硫黄の含量を測定した。測定は、管球Rh、40 KV及び95 mAの条件で行い、どちらの元素もKα線で測定した。それぞれの電極の強度及び強度比を表4にす。
【0105】
3.光電変換素子の作製と変換効率の測定
実施例2と同様の方法で、表4に示す電極を用いて光電変換素子を作製し、各光電変換素子の変換効率を測定した。結果を表4に示す。
【0106】
【表4】
【0107】
表4から、硫酸チタンを原料とする酸化チタン微粒子を用いた電極(E-1)では、比較例のチタンアルコキシドを原料とする酸化チタン微粒子を用いた電極(E-2)よりも、半導体微粒子に含まれる硫黄元素の量が多いが、酸化処理によりその量が減少し、また同じ処理法であってもその条件を強くすることにより、又はその回数を増やすことにより更に硫黄の量が減少し、変換効率の向上に繋がることがわかる。また、異なる酸化処理を連続的に繰り返したS-9電極では、原料に硫黄を含まない比較電極(E-2)と同等の量まで不純物の量を低減でき、かつ純アナターゼ型の二酸化チタン電極が得られることがわかる。
【0108】
実施例4
ルテニウム錯体色素(D-1)の代わりに、長波のルテニウム色素(D-2)、メロシアニン色素、及びスクワリリウム色素を用いた以外実施例2と同様にして光電変換素子を作製した。得られた各光電変換素子の変換効率を実施例2と同様に測定したところ、ルテニウム錯体色素(D-1)を用いた場合と同様の優れた変換効率を示した。
【0109】
【発明の効果】
以上詳述したように、色素吸着前に酸化処理を施した半導体微粒子を半導体電極として用いることにより、従来よりも変換効率に優れた色素増感光電変換素子を得ることができる。特に、過酸化水素処理、UV-オゾン処理及び酸素プラズマ処理の少なくとも一つの酸化処理を施すことにより光電変換素子の変換効率を改善し、これらを好適な手順で連続的に処理することにより更に変換効率を改善することができる。硫酸チタンを用いた二酸化チタンにおいては、酸化処理を施すことにより、高純度の純アナターゼ型の二酸化チタン微粒子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の好ましい一実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図2】 本発明の好ましい別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図3】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図4】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図5】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図6】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図7】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図8】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図9】 本発明の好ましいさらに別の実施例による光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【図10】 実施例2で作製した光電変換素子の構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
10・・・導電層
10a・・・透明導電層
11・・・金属リード
20・・・感光層
21・・・半導体微粒子
22・・・色素
23・・・電荷輸送材料
30・・・電荷輸送層
40・・・対極導電層
40a・・・透明対極導電層
50・・・基板
50a・・・透明基板
60・・・下塗り層
1・・・導電性ガラス
2・・・ガラス
3・・・導電層
4・・・TiO2
5・・・電解液
6・・・白金層
7・・・ガラス
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to titanium oxide fine particles, a method for producing a photoelectric conversion element using the same, a photoelectric conversion element, and a photovoltaic cell, and in particular, a high-purity titanium oxide fine particle used for a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion element using semiconductor fine particles sensitized with a dye. The present invention relates to a manufacturing method of the above, a photoelectric conversion element manufactured by the method, and a photovoltaic cell using the photoelectric conversion element.
[0002]
[Prior art]
Photoelectric conversion elements are used in various optical sensors, copiers, photovoltaic power generation devices and the like. Various systems such as those using metals, semiconductors, organic pigments and dyes, and combinations of these have been put to practical use as photoelectric conversion elements.
[0003]
For example, a photoelectric conversion element using semiconductor fine particles sensitized with a dye (hereinafter referred to as “dye-sensitized photoelectric conversion element”), and a material and a manufacturing technique for producing the photoelectric conversion element are disclosed (for example, patents). References 1-9.) The advantage of the dye-sensitized photoelectric conversion element is that an inexpensive oxide semiconductor such as titanium dioxide can be used without being purified with high purity, so that a relatively inexpensive photoelectric conversion element can be provided. However, such a photoelectric conversion element does not necessarily have a sufficiently high conversion efficiency, and further improvement in conversion efficiency has been desired.
[0004]
Titanium dioxide is not limited to the use for photoelectric conversion elements, and many studies have been made for the purpose of decomposing pollutants contained in the atmosphere, soil, rivers, etc. by its photocatalytic action. As a production method of these titanium oxides, a sol-gel method (for example, refer to Non-patent Documents 1 and 2), a gel-sol method (for example, refer to Non-patent Document 3), a chloride developed by Degussa, Inc. Known are a method for producing an oxide by high-temperature hydrolysis in an oxyhydrogen salt, a high-temperature hydrolysis method in an oxyhydrogen salt of a chloride, a sulfuric acid method or a chlorine method (for example, see Non-Patent Document 4), and the like. ing. In addition, a method of producing titanium oxide fine particles by a sol-gel method is well known (for example, see Non-Patent Documents 5 to 6). Furthermore, a simple production method based on alkaline conditions using titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material and adding excess ammonia is also known (see, for example, Patent Document 10). However, there has been a demand for a method for producing titanium dioxide that is simpler, has a high anatase purity of titanium dioxide, and has high photoelectric conversion element performance and high photocatalytic activity.
[0005]
U.S. Pat.No. 4,927,721
[Patent Document 2]
US Pat. No. 4,684,537
[Patent Document 3]
US Patent No. 5084365
[Patent Document 4]
U.S. Pat.No. 5,350,644
[Patent Document 5]
US Pat. No. 5463057
[Patent Document 6]
U.S. Pat.No. 5,525,440
[Patent Document 7]
WO 98/50393 pamphlet
[Patent Document 8]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-249790
[Patent Document 9]
Japanese National Patent Publication No. 10-504521
[Patent Document 10]
JP 2002-47012 A
[Non-Patent Document 1]
Sakuo Sakuo, "Science of Sol-Gel Method", Agne Jofusha, 1998
[Non-Patent Document 2]
"Thin-gel coating technology by sol-gel", Technical Information Association, 1995
[Non-Patent Document 3]
Sugimoto Tadao, "Synthesis and size control of monodisperse particles by new synthetic gel-sol method", Materia, 1996, 35, 9, p.1012-1018
[Non-Patent Document 4]
Manabu Kiyono, "Titanium oxide properties and applied technology", Gihodo Publishing, 1997
[Non-Patent Document 5]
Barbe, "Journal of the American Ceramic Society", 1997, 80, 12, p.3157-3171
[Non-Patent Document 6]
S.D.Burnside et al., “Chemistry of Materials”, 1998, Vol. 10, No. 9, p.2419-2425
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide titanium oxide fine particles that can be preferably used for a photoelectric conversion element, a method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element exhibiting excellent conversion efficiency, a photoelectric conversion element produced by the method, and the photoelectric conversion element. It is to provide a used photovoltaic cell.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of the above object, the present inventor has found that the object of the present invention can be achieved by the following constitution.
(1) In a method for producing a photoelectric conversion element having a layer of semiconductor fine particles adsorbed with at least one dye and a conductive support, the semiconductor fine particles are subjected to oxidation treatment before adsorbing the dye. A method for manufacturing the element.
(2) The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to (1), wherein the oxidation treatment is at least one of hydrogen peroxide treatment, UV-ozone treatment, and oxygen plasma treatment.
(3) Production of the photoelectric conversion element according to (1) or (2), wherein the semiconductor fine particles are subjected to hydrogen peroxide treatment and then subjected to at least one of UV-ozone treatment and oxygen plasma treatment. Method.
(4) The method for producing a photoelectric conversion element according to any one of (1) to (3), wherein titanium oxide is used as the semiconductor fine particles.
(5) Using titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material, among sulfate radicals contained in the raw material, 0.01-0.99 equivalents of sulfate radicals were neutralized with a base, and then prepared by a sol-gel method under acidic conditions Titanium oxide fine particles characterized by that.
(6) The titanium oxide fine particles according to (5), wherein the base that neutralizes the sulfate radical is ammonia water.
(7) The titanium oxide according to (5) or (6), wherein the content of elemental sulfur is 0.03 or less in terms of the intensity ratio of sulfur to titanium in fluorescent X-rays (S-Kα / Ti-Kα) Fine particles.
(8) The method for producing a photoelectric conversion element according to (4), wherein the titanium oxide fine particles according to any one of (5) to (7) are used as the semiconductor fine particles.
(9) A photoelectric conversion device produced by the method according to any one of (1) to (4) and (8).
(10) A photovoltaic cell using the photoelectric conversion element according to (9).
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The photoelectric conversion element of the present invention has a photosensitive layer on a conductive support, and the photosensitive layer is composed of semiconductor fine particles adsorbed with a dye. Hereinafter, the titanium oxide fine particles used as the semiconductor fine particles, the oxidation treatment of the semiconductor fine particles, the photoelectric conversion element, and the photovoltaic cell using the photoelectric conversion element will be described in detail.
[0008]
[I] Titanium oxide fine particles
The titanium oxide fine particles of the present invention are titanium dioxide fine particles obtained from titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material by a sol-gel method. Titanium dioxide fine particles produced using titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material have the advantage that crystal forms (rutile and brookite types) other than anatase are less likely to be produced than fine particles produced using chloride, alkoxide, etc. Have. Moreover, the commercially available chemical | medical agent can be used for the titanium sulfate or titanium oxysulfate which is a raw material, respectively easily. In the case of titanium sulfate, a 30% dilute sulfuric acid solution is particularly preferred.
[0009]
The titanium oxide fine particles of the present invention use titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material, and 1 to 99% (preferably 50 to 95%, more preferably 80 to 90%) of sulfate radicals contained in the raw material. ) Sulfate radicals are neutralized with a base, and the particles are prepared under conditions of pH = less than 7 (preferably pH = 3 or less). As the base for neutralizing the sulfate radical, hydroxides or alkoxides of alkali metals and alkaline earth metals, ammonia, amines, other organic bases (for example, pyridines, anilines, etc.) and the like can be used. Of these, ammonia water is most preferably used.
[0010]
When the above titanium raw material and base are mixed, titanium hydroxide precipitates instantly with heat generation, but when heated to 70-100 ° C. and stirred for 20 minutes to 3 hours (preferably 40 minutes to 90 minutes), the average particle size A sol of 4 to 6 nm titanium dioxide can be obtained. The obtained sol is filtered while hot, and the filtrate is subjected to autoclaving at 150 to 280 ° C. (preferably 180 to 250 ° C.) for 6 to 50 hours (preferably 8 to 20 hours) to obtain an average particle size of 9 Titanium dioxide fine particles having a pure anatase crystal of ˜15 nm can be obtained. The titanium dioxide fine particles produced by such a method contain a small amount of sulfides and the like, but when subjected to the oxidation treatment described later, anatase-type fine particles having almost no impurities can be produced and used for photoelectric conversion elements. Titanium dioxide that is highly effective not only as a semiconductor but also as a photocatalyst material used for pollutant decomposition and the like can be obtained.
[0011]
Moreover, the titanium oxide fine particles of the present invention and the semiconductor fine particle film using the same contain impurities derived from the raw material sulfuric acid. The amount of sulfur-containing impurities can be evaluated by measuring X-ray fluorescence, and is usually the ratio of the intensity of sulfur Kα rays (S-Kα) to the intensity of titanium Kα rays (Ti-Kα). Can be evaluated. The amount of sulfur-containing impurities contained in the particles of the present invention is preferably 0.1 or less in terms of the intensity ratio of S-Kα / Ti-Kα. In addition, when used in a photoelectric conversion element, it is preferable that the amount of sulfur impurities contained in the titanium oxide fine particles and the titanium oxide fine particle film formed on the conductive support is smaller, with an intensity ratio of S-Kα / Ti-Kα. 1 × 10-Four~ 0.03 is preferred, 1 × 10-3More preferably, it is -0.01.
[0012]
[II] Oxidation treatment of semiconductor fine particles
In the method for producing a photoelectric conversion element of the present invention, the semiconductor fine particles are oxidized before adsorbing the dye. Thereby, the conversion efficiency of a photoelectric conversion element can be improved. The semiconductor fine particles used for the photoelectric conversion element are preferably titanium dioxide, and particularly titanium dioxide using the above-mentioned titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material.
[0013]
(A) Semiconductor fine particles
Various semiconductors can be used as the semiconductor fine particles. In particular, titanium dioxide having a high effect of oxidation treatment described later is preferable. As a method for producing semiconductor fine particles, the gel-sol method described in Non-Patent Documents 1 to 3 and the like can be preferably applied. In addition, a method developed by Degussa in which an oxide is produced by high-temperature hydrolysis of a chloride in an oxyhydrogen salt can be preferably used.
[0014]
When the semiconductor fine particles are titanium oxide, the sol-gel method described in Non-Patent Documents 1 and 2, the gel-sol method described in Non-Patent Document 3, the high-temperature hydrolysis method in an oxyhydrogen salt of chloride, A method such as a sulfuric acid method or a chlorine method described in Patent Document 4 can be preferably used. Furthermore, as a sol-gel method, the method of obtaining the titanium dioxide fine particle of a nonpatent literature 5-6 can also be used preferably. The most suitable semiconductor fine particles for the method of the present invention are titanium dioxide fine particles obtained by the sol-gel method using the titanium sulfate or titanium oxysulfate described in [I] as a raw material.
[0015]
(B) Oxidation treatment of semiconductor fine particles
As the method for oxidizing semiconductor fine particles, wet oxidation treatment in a solution containing an oxidizing agent (for example, hydrogen peroxide treatment), dry oxidation treatment in an oxidizing gas atmosphere (for example, UV-ozone treatment, oxygen plasma) Treatment), electrolytic oxidation treatment and the like, and it is preferable to use at least one of hydrogen peroxide treatment, UV-ozone treatment and oxygen plasma treatment. The oxidation treatment is preferably performed after the semiconductor fine particle layer is formed on the conductive support. However, after the semiconductor fine particles are oxidized in advance, an oxidized semiconductor fine particle layer is formed on the conductive support. Also good. In the present invention, by applying several methods selected from the above-described processing methods successively in a preferable order, a further effect can be obtained. Hereinafter, preferable processing methods and processing procedures will be described.
[0016]
(1) Hydrogen peroxide treatment
The hydrogen peroxide treatment is performed by immersing semiconductor fine particles in hydrogen peroxide water. As treatment conditions, it is preferable that the concentration of the hydrogen peroxide solution is 1 to 50% by mass and the treatment temperature is 20 to 50 ° C. The concentration of the hydrogen peroxide solution is 5 to 35% by mass from the viewpoint of the effect and safety. The treatment temperature is more preferably 25 to 40 ° C. Shaking is preferably performed during immersion, and the treatment time varies depending on the concentration and temperature, but is generally 1 minute to 12 hours, preferably 5 minutes to 1 hour. Further, it is preferable that the semiconductor fine particles immersed in the hydrogen peroxide solution are lightly washed with water and then heated at 80 ° C. or higher to remove moisture as much as possible.
[0017]
(2) UV-ozone treatment
In UV-ozone treatment, semiconductor particles are irradiated with UV and oxidized with ozone at the same time. Usually, a conductive support on which semiconductor fine particles or a semiconductor fine particle layer is formed is placed in a sealed atmosphere having an oxygen concentration of 18 to 50% (preferably an oxygen concentration of 20 to 30%), and UV is applied to the semiconductor fine particle layer. UV irradiation and ozone are simultaneously applied to semiconductor fine particles while converting a part of oxygen into ozone by irradiation. The treatment temperature is preferably room temperature, and the treatment time is 1 minute to 2 hours, preferably 5 minutes to 30 minutes. In addition, it is preferable that the processed semiconductor fine particle layer is not particularly washed or heated, and is subjected to a dye adsorption step as soon as possible to form a photosensitive layer.
[0018]
(3) Oxygen plasma treatment
The oxygen plasma treatment is a low-temperature oxygen plasma treatment method in which semiconductor fine particles are allowed to act in oxygen plasma generated at room temperature and under reduced pressure, and a commercially available high-frequency plasma generator can be used. The degree of vacuum is 1 Torr or less, preferably 0.5 Torr or less. The RF intensity serving as an index of the intensity of the oxygen plasma is preferably 10 to 500 W, more preferably 20 to 100 W, and the treatment time varies depending on the RF intensity, but is generally 30 seconds to 1 hour, preferably 5 ~ 20 minutes. Further, it is preferable to heat at 200 ° C. or higher (preferably 450 ° C. or higher) after the oxygen plasma treatment.
[0019]
(4) Processing procedure
In the present invention, it is preferable to perform the above three processes continuously. First, when performing two processes continuously, a hydrogen peroxide process is performed first, and after washing and drying, a UV-ozone process or an oxygen plasma process is performed. By processing in such a procedure, a preferable effect can be obtained rather than processing each alone. Similarly, when the three treatments are performed, it is preferable to perform the hydrogen peroxide treatment first.
[0020]
[III] Photoelectric conversion element
The photoelectric conversion element of the present invention is produced by the above production method, and preferably comprises a conductive layer 10, a photosensitive layer 20, a charge transport layer 30, and a counter electrode conductive layer 40 laminated in this order as shown in FIG. The layer 20 is composed of semiconductor fine particles 21 sensitized with a dye 22 and a charge transport material 23 that has penetrated into the gaps between the semiconductor fine particles 21. The charge transport material 23 in the photosensitive layer 20 is usually the same material used for the charge transport layer 30. An undercoat layer 60 may be provided between the conductive layer 10 and the photosensitive layer 20. Further, a substrate 50 may be provided as a base for the conductive layer 10 and / or the counter electrode conductive layer 40 in order to impart strength to the photoelectric conversion element. In the present invention, the layer composed of the conductive layer 10 and the optionally provided substrate 50 is referred to as “conductive support”, and the layer composed of the counter electrode conductive layer 40 and the optionally provided substrate 50 is referred to as “counter electrode”. Note that the conductive layer 10, the counter electrode conductive layer 40, and the substrate 50 in FIG. 1 may be the transparent conductive layer 10a, the transparent counter electrode conductive layer 40a, and the transparent substrate 50a, respectively. Among such photoelectric conversion elements, a photoelectric cell is connected to an external load to perform electrical work (power generation), and an optical sensor is formed for the purpose of sensing optical information. Among photovoltaic cells, those in which the charge transport material is mainly composed of an ion transport material are called photoelectrochemical cells, and those whose main purpose is power generation by sunlight are called solar cells.
[0021]
In the photoelectric conversion element shown in FIG. 1, the light incident on the photosensitive layer 20 containing the semiconductor fine particles 21 sensitized by the dye 22 excites the dye 22 and the like, and the high energy electrons in the excited dye 22 and the like are the semiconductor fine particles. It is passed to the conduction band 21 and further diffuses to reach the conductive layer 10. At this time, the dye 22 is an oxidant. In the photovoltaic cell, the electrons in the conductive layer 10 return to the oxidized form of the dye 22 through the counter electrode conductive layer 40 and the charge transport layer 30 while working in the external circuit, and the dye 22 is regenerated. The photosensitive layer 20 functions as a negative electrode, and the counter electrode conductive layer 40 functions as a positive electrode. At each layer boundary (for example, the boundary between the conductive layer 10 and the photosensitive layer 20, the boundary between the photosensitive layer 20 and the charge transport layer 30, the boundary between the charge transport layer 30 and the counter conductive layer 40, etc.) They may be diffusively mixed with each other. Each layer and configuration will be described in detail below.
[0022]
(A) Conductive support
The conductive support is composed of (1) a single layer of a conductive layer or (2) two layers of a conductive layer and a substrate. In the case of (1), as the material of the conductive layer, the conductive layer can have sufficient strength and hermeticity and has conductivity (for example, platinum, gold, silver, copper, zinc, titanium, aluminum, A metal material such as an alloy containing these can be used. In the case of (2), a substrate having a conductive layer made of a conductive agent on the photosensitive layer side can be used as the conductive support. Examples of preferable conductive agents include metals (platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon and conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, tin oxide doped with fluorine, etc.) Is mentioned. The thickness of the conductive layer is preferably about 0.02 to 10 μm.
[0023]
The lower the surface resistance of the conductive support, the better. This surface resistance is preferably 100Ω / □ or less, more preferably 40Ω / □ or less. The lower limit of the surface resistance is not particularly limited, but is usually about 0.1Ω / □.
[0024]
When irradiating light from the conductive support side, the conductive support is preferably substantially transparent. Substantially transparent means that the light transmittance is 10% or more. The light transmittance of the conductive support is preferably 50% or more, particularly preferably 70% or more.
[0025]
As the transparent conductive support, one formed by applying a transparent conductive layer made of a conductive metal oxide on the surface of a transparent substrate made of glass, plastic, or the like by vapor deposition or the like can be preferably used. Examples of a preferable material for forming the transparent conductive layer include fluorine-doped tin dioxide. As the transparent substrate, a glass substrate made of soda lime float glass advantageous in terms of cost and strength, a transparent polymer film useful for obtaining a flexible photoelectric conversion element at low cost, and the like can be used. Examples of the material forming the transparent polymer film include tetraacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), syndiotactic polystyrene (SPS), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), Examples include polyarylate (PAr), polysulfone (PSF), polyester sulfone (PES), polyetherimide (PEI), cyclic polyolefin, and brominated phenoxy resin. In order to ensure sufficient transparency, the amount of the conductive metal oxide applied is 1 m of glass or plastic substrate.2It is preferably 0.01 to 100 g per unit.
[0026]
For the purpose of reducing the resistance of the transparent conductive support, a metal lead can be used as a current collector. The metal lead is preferably made of a metal such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, or silver, and particularly preferably made of aluminum or silver. It is preferable that a metal lead is disposed on the transparent substrate by vapor deposition, sputtering, or the like, and a transparent conductive layer made of tin oxide doped with fluorine, ITO film, or the like is disposed thereon. It is also preferable that a metal lead is provided on the transparent conductive layer after the transparent conductive layer is provided on the transparent substrate. The decrease in the amount of incident light due to the installation of the metal lead is preferably within 10%, more preferably 1 to 5%.
[0027]
(B) Photosensitive layer
In the photosensitive layer, the semiconductor fine particles act as a photoconductor, absorb light and separate charges to generate electrons and holes. In the dye-sensitized semiconductor fine particles, light absorption and generation of electrons and holes thereby occur mainly in the dye, and the semiconductor fine particles play a role of receiving and transmitting these electrons or holes. The semiconductor used in the present invention is preferably an n-type semiconductor which gives an anode current by conducting electrons as carriers under photoexcitation.
[0028]
(1) Semiconductor
The semiconductors used in the present invention are simple semiconductors (silicon, germanium, etc.), III-V group compound semiconductors, metal chalcogenides (oxides, sulfides, selenides, etc.), compounds having a perovskite structure (strontium titanate, titanate) Calcium, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate, etc.).
[0029]
Examples of metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxide, cadmium, zinc, lead, silver, antimony or Examples thereof include bismuth sulfide, cadmium or lead selenide, and cadmium telluride. Examples of other compound semiconductors include phosphides such as zinc, gallium, indium, and cadmium, gallium-arsenic or copper-indium selenides, and copper-indium sulfides.
[0030]
The semiconductor used in the present invention is preferably Si, TiO2, SnO2, Fe2OThree, WOThree, ZnO, Nb2OFive, CdS, ZnS, PbS, Bi2SThree, CdSe, CdTe, GaP, InP, GaAs, CuInS2Or CuInSe2And more preferably TiO2, ZnO, SnO2, Fe2OThree, WOThree, Nb2OFive, CdS, PbS, CdSe, InP, GaAs, CuInS2Or CuInSe2And combinations thereof, particularly preferably ZnO, SnO2, WOThree, TiO2Or Nb2OFiveAnd most preferably TiO2It is. TiO2As the crystal form system, anatase type, rutile type, brookite type and the like are known. TiO used in the present invention2May have any of these crystal forms.
[0031]
The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystal, but polycrystal is preferred and advantageous from the viewpoint of production cost, securing raw materials, energy payback time, etc. A porous membrane is particularly preferred. In addition, the semiconductor of the present invention may partially include an amorphous part.
[0032]
The particle size of the semiconductor fine particles is generally on the order of nm to μm, but the average particle size of the primary particles obtained from the diameter when the projected area is approximated to a circle is preferably 5 to 200 nm, more preferably 8 to 100 nm. It is. Moreover, the average particle diameter of the semiconductor fine particles (secondary particles) in the dispersion is preferably 0.01 to 100 μm.
[0033]
Two or more kinds of semiconductor fine particles having different particle size distributions may be mixed and used. In this case, the average particle size of small particles is preferably 5 to 50 nm, and the average size of large particles is preferably 100 to 600. nm. Small particles have the effect of increasing the surface area on which the dye is adsorbed, and large particles have the effect of improving the light capture rate by scattering incident light. The mixing ratio (mass ratio) is preferably 50 to 99% for small particles and 1 to 50% for large particles, more preferably 70 to 95% for small particles and 5 to 30% for large particles.
[0034]
(2) Semiconductor fine particle layer
When forming a semiconductor fine particle layer composed of the above-mentioned semiconductor fine particles on a conductive support, it is common to use a method in which a dispersion or colloid solution containing semiconductor fine particles is applied on the conductive support. Considering mass production of photoelectric conversion elements, physical properties of a dispersion or colloidal solution containing semiconductor fine particles, flexibility of a conductive support, etc., it is relatively desirable to use a wet film forming method. As a wet film forming method, a coating method and a printing method are typical.
[0035]
Examples of methods for preparing a dispersion of semiconductor fine particles include a method of using the dispersion or colloidal solution prepared by the sol-gel method as described above, a method of grinding with a mortar, and a method of dispersing while grinding using a mill. Etc.
[0036]
The dispersion medium used for the dispersion of semiconductor fine particles may be water or various organic solvents (methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, etc.). When dispersing, if necessary, a polymer such as polyethylene glycol, a surfactant, an acid, a chelating agent, or the like may be used as a dispersion aid. By changing the molecular weight of polyethylene glycol, the viscosity of the dispersion can be adjusted and a semiconductor fine particle layer that is difficult to peel off can be formed. Therefore, it is preferable to add polyethylene glycol.
[0037]
Examples of preferable coating methods include the roller method and dip method as application systems, the air knife method and blade method as metering systems, and Japanese Patent Publication No. 58-4589 as the application and metering can be made the same part. Examples thereof include the disclosed wire bar method, the slide hopper method, the extrusion method, the curtain method and the like described in US Pat. Nos. 2,681,294, 2,714,419, 2,767,911, and the like. Moreover, a spin method and a spray method are also preferable as a general purpose machine. As the wet printing method, intaglio, rubber plate, screen printing and the like are preferred, including the three major printing methods of letterpress, offset and gravure. A film forming method may be selected from these according to the liquid viscosity and the wet thickness.
[0038]
The viscosity of the dispersion of semiconductor fine particles greatly depends on the type and dispersibility of the semiconductor fine particles, the type of solvent used, and additives such as surfactants and binders. When the dispersion has a high viscosity (for example, 0.01 to 500 Poise), it is preferable to use an extrusion method, a casting method, or a screen printing method. When the viscosity is low (for example, 0.1 Poise or less), it is preferable to use a slide hopper method, a wire bar method, or a spin method in order to form a uniform film. When the coating amount is large to some extent, it is possible to apply the extrusion method even if the viscosity is low. Thus, a film forming method may be appropriately selected according to the viscosity of the dispersion, the coating amount, the support, the coating speed, and the like.
[0039]
The semiconductor fine particle layer is not limited to a single layer, and a multilayer coating of semiconductor fine particle dispersions having different particle diameters or a multilayer coating containing different types of semiconductor fine particles (or different binders, additives, etc.) You can also Multi-layer coating is also effective when the film thickness is insufficient with a single coating. The extrusion method and slide hopper method are suitable for multilayer coating. In the case of applying multiple layers, the multiple layers may be applied at the same time, or may be successively applied several times to several dozen times. A screen printing method can also be preferably used for successive overcoating.
[0040]
In general, as the semiconductor fine particle layer thickness (same as the photosensitive layer thickness) increases, the amount of supported dye increases per unit projected area and thus the light capture rate increases. Loss due to coupling also increases. Therefore, the preferred thickness of the semiconductor fine particle layer is 0.1 to 100 μm. When using the photoelectric conversion element of this invention for a solar cell, the thickness of a semiconductor fine particle layer becomes like this. Preferably it is 1-30 micrometers, More preferably, it is 2-25 micrometers. Conductive support 1m2The coating amount of the semiconductor fine particles is preferably 0.5 to 400 g, more preferably 5 to 100 g.
[0041]
After coating the semiconductor fine particles on the conductive support, it is preferable to heat-treat the semiconductor fine particles to bring them into electronic contact and improve the coating strength and the adhesion to the conductive support. The heating temperature in the heat treatment is preferably 40 to 700 ° C, more preferably 100 to 600 ° C. The heating time is about 10 minutes to 10 hours. When using a substrate having a low melting point or softening point such as a polymer film, high temperature treatment is not preferable because it causes deterioration of the substrate. Also from the viewpoint of cost, it is preferable to perform the heat treatment at the lowest possible temperature. When the heat treatment is performed in the presence of small semiconductor fine particles of 5 nm or less, mineral acid, or the like, the heating temperature can be lowered.
[0042]
A pressure treatment may be performed instead of the heat treatment. The pressure treatment method is written by Lindstrom et al., “Journal of photochemistry and photobiology”, 2001 (Elsevier), 145, p.107-112. Are described in detail. When the pressure treatment is performed, a binder such as a polymer is not used in the semiconductor fine particle coating solution.
[0043]
After the heat treatment or pressure treatment, for example, a chemical plating treatment using a titanium tetrachloride aqueous solution or an electrochemical plating treatment using a titanium trichloride aqueous solution as described in US Pat. No. 5,844,365 is performed. May be.
[0044]
The semiconductor fine particle layer preferably has a large surface area so that a large amount of dye can be adsorbed. The surface area of the semiconductor fine particle layer applied on the conductive support is preferably 10 times or more, more preferably 100 times or more the projected area. The upper limit is not particularly limited, but is usually about 1000 times.
[0045]
(3) Processing
In the present invention, the semiconductor fine particles used for the photosensitive layer may be treated with a solution of a metal compound. As the metal compound, for example, a metal alkoxide or halide selected from the group consisting of scandium, yttrium, lanthanoid, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, gallium, indium, germanium, and tin can be used. The metal compound solution (treatment liquid) is usually an aqueous solution or an alcohol solution. Note that “treatment” means an operation of bringing the semiconductor fine particles into contact with the treatment liquid for a certain period of time before adsorbing the pigment to the semiconductor fine particles. The metal compound may or may not be adsorbed on the semiconductor fine particles after contact. The treatment is preferably performed after the semiconductor fine particle layer is formed.
[0046]
As a specific method for the treatment, a method of immersing semiconductor fine particles in the treatment liquid (immersion method) is a preferred example. Moreover, the method (spray method) which sprays a process liquid in a spray form for a fixed time is also applicable. The temperature of the treatment liquid (immersion temperature) when performing the immersion method is not particularly limited, but is typically -10 to 70 ° C, preferably 0 to 40 ° C. The treatment time is also not particularly limited, and is typically 1 minute to 24 hours, preferably 30 minutes to 15 hours. After the immersion, the semiconductor fine particles may be washed with a solvent such as distilled water. Moreover, you may bake in order to strengthen the coupling | bonding of the substance adhering to semiconductor fine particle by the immersion process. The firing conditions may be set similarly to the above-described heat treatment conditions.
[0047]
(4) Dye
The sensitizing dye used in the photosensitive layer is not particularly limited as long as it has absorption characteristics in the visible range and near-infrared range and can sensitize a semiconductor. However, a metal complex dye, a methine dye, a porphyrin dye, and a phthalocyanine dye Can be preferably used, and among them, metal complex dyes are particularly preferable. Phthalocyanines, naphthalocyanines, metal phthalocyanines, metal naphthalocyanines, porphyrins such as tetraphenylporphyrin and tetraazaporphyrin, metal porphyrins, derivatives thereof, and the like can also be used. Dyes used for dye lasers can also be used in the present invention. Moreover, in order to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible and increase the conversion efficiency, two or more kinds of dyes can be used in combination. In this case, it is possible to select the dye to be used in combination and its ratio so as to match the wavelength range and intensity distribution of the target light source.
[0048]
The dye preferably has a suitable interlocking group having an adsorption ability to the surface of the semiconductor fine particles. Examples of preferred linking groups include -COOH group, -OH group, -SO2H group, -P (O) (OH)2Group and -OP (O) (OH)2And chelating groups having π conductivity such as oximes, dioximes, hydroxyquinolines, salicylates and α-ketoenolates. -COOH group, -P (O) (OH)2Group and -OP (O) (OH)2The group is particularly preferred. These bonding groups may form a salt with an alkali metal or the like, or may form an internal salt. In the case of a polymethine dye, if the methine chain contains an acidic group as in the case where the methine chain forms a squarylium ring or a croconium ring, this part may be used as a linking group. Hereinafter, preferred sensitizing dyes used in the photosensitive layer will be specifically described.
[0049]
(a) Metal complex dye
The metal atom of the metal complex dye used in the present invention is preferably ruthenium Ru. Examples of ruthenium complex dyes include U.S. Pat.Nos. 4,927,721, 4,684,537, 5,844,365, 5,350,644, 5,630,57, 5,525,440. JP-A-7-249790, JP-T-10-504512, WO98 / 50393 pamphlet, JP-A-2000-26487, and the like. Specific examples of preferable metal complex dyes include those described in paragraph numbers 0051 to 0057 of JP-A-2001-320068. The most typical metal complex dyes include D-1 and D-2 below.
[0050]
[Chemical 1]
[0051]
(b) Methine dye
Preferred methine dyes are polymethine dyes such as cyanine dyes, merocyanine dyes and squarylium dyes. Examples of preferred polymethine dyes include JP-A Nos. 11-35836, 11-158395, 11-163378, 11-214730, 11-214731, and European Patent No. 892411. And dyes described in U.S. Pat. No. 911841. For the synthesis of these polymethine dyes, see FM Hamer “Heterocyclic Compounds-Cyanine Dyes and Related Compounds”, John Willie. John Wiley & Sons, New York, London, 1964, DM Sturmer, "Heterocyclic Compounds-Special Topics in Heterocyclic Chemistry" -Specialtopics in Heterocyclic Chemistry ”, John Wiley & Sons, New York, London, 1977, Chapter 18, Section 14, pp.82-515,“ Rods Chemistry of・ Rodd's Chemistry of Carbon Compounds ”, 2nd edition, D Elsevier Science Publishing Company Inc., New York, 1977, Volume IV, Part B, Chapter 15, p.369-422, British Patent 1,077,611, “ Ukrainskii Khimicheskii Zhurnal ”, Vol. 40, No. 3, p.253-258,“ Dyes and Pigments ”, Vol. 21, p.227-234, these references, etc. ing.
[0052]
(5) Dye adsorption on semiconductor fine particles
When adsorbing the dye to the semiconductor fine particles, a method of immersing a conductive support having a well-dried semiconductor fine particle layer in a dye solution or a method of applying a dye solution to the semiconductor fine particle layer can be used. . In the case of the former method, a dipping method, a dip method, a roller method, an air knife method, etc. can be used. When the immersion method is used, the adsorption of the dye may be performed at room temperature or may be performed by heating and refluxing as described in JP-A-7-249790. In the case of the latter method, a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, a spray method, or the like can be used. In addition, a dye can be applied in an image form by an inkjet method or the like, and the image itself can be used as a photoelectric conversion element.
[0053]
Solvents used in the dye solution (adsorption solution) are preferably alcohols (methanol, ethanol, t-butyl alcohol, benzyl alcohol, etc.), nitriles (acetonitrile, propionitrile, 3-methoxypropionitrile, etc.), nitromethane , Halogenated hydrocarbons (dichloromethane, dichloroethane, chloroform, chlorobenzene, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), dimethyl sulfoxide, amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, etc.), N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, esters (ethyl acetate, butyl acetate, etc.), carbonates (diethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), ketones (acetone, 2-butanone, cyclohexanone Etc.), hydrocarbons (hexane, petroleum ether, benzene, toluene, etc.) or a mixed solvent thereof.
[0054]
The amount of dye adsorbed is the unit area of the semiconductor fine particle layer (1 m2) Is preferably 0.01 to 100 mmol. The amount of the dye adsorbed on the semiconductor fine particles is preferably 0.01 to 1 mmol per 1 g of the semiconductor fine particles. By using such an amount of adsorbed dye, the effect of sensitizing the semiconductor fine particles can be sufficiently obtained. If the amount of dye adsorbed is too small, the sensitizing effect will be insufficient, and if the amount of dye adsorbed is too large, the dye not attached to the semiconductor will float and the sensitizing effect will be reduced. In order to increase the adsorption amount of the dye, it is preferable to heat-treat the semiconductor fine particles before the adsorption. In order to avoid water adsorbing on the surface of the semiconductor fine particles, it is preferable to quickly adsorb the dye when the temperature of the semiconductor fine particle layer is between 60 to 150 ° C. without returning to room temperature after the heat treatment.
[0055]
In order to reduce the interaction such as aggregation between the dyes, a colorless compound having properties as a surfactant may be added to the dye adsorbing liquid and co-adsorbed on the semiconductor fine particles. Examples of such colorless compounds include steroid compounds having a carboxyl group or a sulfo group (cholic acid, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, taurodeoxycholic acid, etc.), sulfonates as described below, and the like. .
[0056]
[Chemical formula 2]
[0057]
It is preferable to remove the unadsorbed dye by washing immediately after the adsorption step. Cleaning is preferably performed in a wet cleaning tank using an organic solvent such as acetonitrile or an alcohol solvent.
[0058]
After adsorbing the dye, the fine particles of the semiconductor particles are formed using amines, quaternary ammonium salts, ureido compounds having at least one ureido group, silyl compounds having at least one silyl group, alkali metal salts, alkaline earth metal salts, etc. The surface may be treated. Examples of preferred amines include pyridine, 4-t-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. Examples of preferable quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium iodide and tetrahexylammonium iodide. These may be used by dissolving in an organic solvent, or may be used as they are in the case of a liquid.
[0059]
(C) Charge transport layer
The charge transport layer contains a charge transport material having a function of replenishing electrons to the oxidant of the dye. The charge transport material used in the present invention may be (i) a charge transport material related to ions, or (ii) a charge transport material related to carrier movement in a solid. (i) Charge transport materials involving ions include molten salt electrolyte compositions containing redox counter ions, solutions in which redox pair ions are dissolved (electrolytic solutions), and redox couple solutions in polymer matrix gels. Examples of so-called gel electrolyte compositions and solid electrolyte compositions impregnated include (ii) charge transport materials that involve carrier movement in solids, such as electron transport materials and hole transport materials. A plurality of these charge transport materials may be used in combination. In the present invention, it is preferable to use a molten salt electrolyte composition or a gel electrolyte composition for the charge transport layer.
[0060]
(1) Molten salt electrolyte composition
The molten salt electrolyte composition includes a molten salt. The molten salt electrolyte composition is preferably liquid at room temperature. The molten salt as the main component is a liquid at room temperature or is an electrolyte having a low melting point, and general examples thereof include WO 95/18456, JP-A-8-259543, “Electrochemistry”. , 1997, Vol. 65, No. 11, p. 923, and the like, and pyridinium salts, imidazolium salts, triazolium salts, and the like. The melting point of the molten salt is preferably 50 ° C. or less, and particularly preferably 25 ° C. or less. Specific examples of the molten salt are described in detail in paragraph numbers 0066 to 0082 of JP-A-2001-320068.
[0061]
The molten salt may be used alone or in combination of two or more. Also, LiI, NaI, KI, LiBFFour, CFThreeCOOLi, CFThreeAlkali metal salts such as COONa, LiSCN and NaSCN can also be used in combination. The addition amount of the alkali metal salt is preferably 2% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, based on the entire composition. Moreover, it is preferable that 50 mol% or more of the anions contained in the molten salt electrolyte composition are iodide ions.
[0062]
Usually, the molten salt electrolyte composition contains iodine. The iodine content is preferably 0.1 to 20% by mass and more preferably 0.5 to 5% by mass with respect to the entire molten salt electrolyte composition.
[0063]
The molten salt electrolyte composition preferably has low volatility and preferably does not contain a solvent. Even when a solvent is added, the amount of the solvent added is preferably 30% by mass or less based on the entire molten salt electrolyte composition. The molten salt electrolyte composition may be used after gelation as described below.
[0064]
(2) Electrolyte
The electrolytic solution is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. Examples of electrolytes used in the electrolyte include I2And iodide (LiI, NaI, KI, CsI, CaI2A combination of metal iodides such as tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide and other quaternary ammonium compound iodine salts), Br2And bromide (LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr2A combination of metal bromides such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide, etc., metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, sodium polysulfide, alkyl Examples thereof include sulfur compounds such as thiol-alkyl disulfides, viologen dyes, hydroquinone-quinones, and the like. Above all, I2An electrolyte in which LiI or a quaternary ammonium compound iodine salt such as pyridinium iodide or imidazolium iodide is combined is preferable. The electrolyte may be used as a mixture.
[0065]
The electrolyte concentration in the electrolytic solution is preferably 0.1 to 10M, more preferably 0.2 to 4M. Moreover, the preferable addition density | concentration of iodine when adding iodine to electrolyte solution is 0.01-0.5M.
[0066]
The solvent used in the electrolytic solution is preferably a compound that has low viscosity and improved ion mobility, or has a high dielectric constant and improved effective carrier concentration, and can exhibit excellent ion conductivity. Examples of such solvents include carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, ether compounds such as dioxane and diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether , Chain ethers such as polyethylene glycol dialkyl ether and polypropylene glycol dialkyl ether, alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether and polypropylene glycol monoalkyl ether, ethylene Glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol Lumpur, polyhydric alcohols such as glycerin, acetonitrile, glutarodinitrile, methoxy acetonitrile, propionitrile, nitrile compounds such as benzonitrile, dimethyl sulfoxide, aprotic polar substances such as sulfolane, water and the like. These solvents can also be used as a mixture.
[0067]
Also, tert-butyl as described in “Journal of the American Ceramic Society”, 1997, Vol. 80, No. 12, p.3157-3171. It is preferable to add a basic compound such as pyridine, 2-picoline, or 2,6-lutidine to the aforementioned molten salt electrolyte composition or electrolytic solution. A preferable concentration range when adding the basic compound to the electrolytic solution is 0.05 to 2M. When added to the molten salt electrolyte composition, the basic compound preferably has an ionic group. The mass ratio of the basic compound to the entire molten salt electrolyte composition is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 5 to 30% by mass.
[0068]
(3) Gel electrolyte composition
In the present invention, the molten salt electrolyte composition or the electrolytic solution is gelated (solidified) by a method such as addition of a polymer, addition of an oil gelling agent, polymerization including polyfunctional monomers, or a crosslinking reaction of the polymer. You can also. When gelation occurs due to polymer addition, the compounds described in “Polymer Electrolyte Reviews-1 and 2” (JR MacCallum and CA Vincent, ELSEVIER APPLIED SCIENCE) may be used. In particular, polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride can be preferably used. In the case of gelation by adding oil gelling agent, “Journal of the Chemical Society of Japan, Industrial Chemistry Sections”, 1943, 46, p.779, “Journal of the American Chemical”・ Journal of the American Chemical Society ”, 1989, Vol. 111, p.5542,“ Journal of the Chemical Society, Chemical Communications ”, 1993 Year, p. 390, “Angewandte Chemie International Edition in English”, 1996, Volume 35, p. 1949, “Chemistry Letters”, 1996, p. 885, and “Journal of the The compounds described in “Chemical Society, Chemical Communications”, 1997, p.545 can be used. It preferred to use a compound having a de structure. An example of gelling the electrolyte is described in JP-A-11-185863, and an example of gelling the molten salt electrolyte is also described in JP-A 2000-58140, which can also be applied to the present invention.
[0069]
Moreover, when making it gelatinize by the crosslinking reaction of a polymer, it is desirable to use together the polymer and crosslinking agent containing the reactive group which can be bridge | crosslinked. In this case, preferred crosslinkable reactive groups are amino groups and nitrogen-containing heterocycles (pyridine ring, imidazole ring, thiazole ring, oxazole ring, triazole ring, morpholine ring, piperidine ring, piperazine ring, etc.), and preferred bridges. The agent is a bifunctional or higher functional reagent capable of electrophilic reaction with nitrogen atom (halogenated alkyls, halogenated aralkyls, sulfonic acid esters, acid anhydrides, acid chlorides, isocyanate compounds, α, β Saturated sulfonyl compounds, α, β-unsaturated carbonyl compounds, α, β-unsaturated nitrile compounds, etc.). The crosslinking techniques described in JP-A-2000-17076 and 2000-86724 can also be applied.
[0070]
(4) Hole transport material
In the present invention, instead of an ion conductive electrolyte such as a molten salt, an organic solid hole transport material, an inorganic solid hole transport material, or a material in which both are combined can be used.
[0071]
(a) Organic hole transport material
Examples of organic hole transport materials that can be preferably used in the present invention include J. Hagen et al., “Synthetic Metal”, 1997, Vol. 89, p.215-220. “Nature”, 1998, Vol. 395, No. 8, Oct., p583-585, pamphlet of International Publication No. 97/10617, JP-A-59-194393, JP-A-5-234681, U.S. Pat.No. 4,923,774, JP-A-4-308688, U.S. Pat.No. 4,764,625, JP-A-3-269084, 4-129271, 4-175395, 4-264189 Gazette, 4-90851 gazette, 4-364153 gazette, 5-5-2473 gazette, 5-239455 gazette, 5-320634 gazette, 6-1972 gazette, 7-138562 gazette. Aromatic amines described in JP-A-11-252474, JP-A-11-144773, etc., triphenylene described in JP-A Nos. 11-149821, 11-148067, 11-176489, etc. Derivatives etc. It is. Also, “Advanced Materials”, 1997, Vol. 9, No. 7, p.557, “Angewandte Chemie International Edition in English”, 1995, Vol. 34, No. 3, p. 303-307, “Journal of the American Chemical Society”, 1998, Vol. 120, No. 4, p. 664-672, etc., Polypyrrole described in K. Murakoshi, et al., “Chemistry Letters”, 1997, p.471, “Handbook of Organic Conductive Moleculees and Polymers” by NALWA. Molecules and Polymers), 1,2,3,4, published by WILEY, polyacetylene and its derivatives, poly (p-phenylene) and its derivatives, poly (p-phenylenevinylene) and its derivatives, polythienylene Bini Emissions and its derivatives, polythiophene and its derivatives, polyaniline and derivatives thereof, conductive polymers such as poly-toluidine and derivatives thereof can also be preferably used.
[0072]
Tris (4-bromophenyl) aminium hexachloro to control dopant levels as described in “Nature”, 1998, Vol. 395, No. 8, Oct., p.583-585 A compound containing a cation radical such as antimonate may be added to the hole transport material. Li [(CF is also used to control the potential of the oxide semiconductor surface (space charge layer compensation).ThreeSO2)2A salt such as N] may be added.
[0073]
(b) Inorganic hole transport material
A p-type inorganic compound semiconductor can be used as the inorganic hole transport material, and the band gap is preferably 2 eV or more, more preferably 2.5 eV or more. In addition, the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor needs to be smaller than the ionization potential of the dye adsorption electrode in order to reduce the holes of the dye. Although the preferred range of the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor varies depending on the dye used, it is generally preferably 4.5 to 5.5 eV, more preferably 4.7 to 5.3 eV. A preferred p-type inorganic compound semiconductor is a compound semiconductor containing monovalent copper, and examples thereof include CuI, CuSCN, and CuInSe.2, Cu (In, Ga) Se2, CuGaSe2, Cu2O, CuS, CuGaS2, CuInS2, CuAlSe2Etc. Among these, CuI and CuSCN are preferable, and CuI is most preferable. Examples of other p-type inorganic compound semiconductors include GaP, NiO, CoO, FeO, Bi2OThree, MoO2, Cr2OThreeEtc.
[0074]
(5) Formation of charge transport layer
The charge transport layer can be formed by one of two methods. One is a method in which a counter electrode is first bonded onto the photosensitive layer, and a liquid charge transport layer is sandwiched between the gaps. The other is a method in which a charge transport layer is directly provided on the photosensitive layer, and the counter electrode is subsequently provided.
[0075]
In the case of the former method, when the charge transport layer is sandwiched, a normal pressure process using capillary action due to immersion or the like, or a vacuum process in which the gas phase in the gap is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure can be used.
[0076]
In the latter method, when a wet charge transport layer is used, a counter electrode is usually applied in an undried state to prevent liquid leakage at the edge. Moreover, when using a gel electrolyte composition, you may solidify by methods, such as superposition | polymerization, after apply | coating this with a wet process. Solidification may be performed before or after applying the counter electrode. In the case of forming a charge transport layer made of an electrolytic solution, a wet organic hole transport material, a gel electrolyte composition, or the like, the same method as the method for forming a semiconductor fine particle layer described above can be used.
[0077]
When a solid electrolyte composition or a solid hole transport material is used, a charge transport layer can be formed by a dry film forming process such as a vacuum deposition method or a CVD method, and then a counter electrode can be provided. The organic hole transport material can be introduced into the electrode by a vacuum deposition method, a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, an electrolytic polymerization method, a photoelectrolytic polymerization method, or the like. The inorganic solid compound can be introduced into the electrode by a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, an electrolytic deposition method, an electroless plating method, or the like.
[0078]
(D) Counter electrode
Similar to the conductive support described above, the counter electrode may have a single-layer structure of a counter electrode conductive layer made of a conductive material, or may be composed of a counter electrode conductive layer and a support substrate. Examples of the conductive agent used for the counter electrode conductive layer include metal (platinum, gold, silver, copper, aluminum, magnesium, indium, etc.), carbon, conductive metal oxide (indium-tin composite oxide, fluorine-doped tin oxide, etc.) ) And the like. Among these, platinum, gold, silver, copper, aluminum and magnesium are preferable. The substrate used for the counter electrode is preferably a glass substrate or a plastic substrate, and can be used by applying or vapor-depositing the above-mentioned conductive agent. The thickness of the counter electrode conductive layer is not particularly limited, but is preferably 3 nm to 10 μm. The surface resistance of the counter electrode conductive layer is preferably as low as possible, preferably 50Ω / □ or less, more preferably 20Ω / □ or less.
[0079]
Since light may be irradiated from either or both of the conductive support and the counter electrode, in order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive support and the counter electrode may be substantially transparent. . From the viewpoint of improving power generation efficiency, it is preferable to make the conductive support transparent so that light is incident from the conductive support side. In this case, the counter electrode preferably has a property of reflecting light. In order to obtain such properties, glass or plastic on which a metal or a conductive oxide is deposited or a metal thin film may be used as a counter electrode.
[0080]
The counter electrode may be installed by directly applying, plating or vapor-depositing (PVD, CVD) a conductive agent on the charge transport layer, or attaching the conductive layer side of the substrate having the conductive layer. As in the case of the conductive support, it is preferable to use a metal lead for the purpose of reducing the resistance of the counter electrode, particularly when the counter electrode is transparent. The preferred embodiment of the metal lead is the same as that of the conductive support.
[0081]
(E) Other layers
In order to prevent a short circuit between the counter electrode and the conductive support, it is preferable that a dense semiconductor thin film layer is preliminarily applied as an undercoat layer between the conductive support and the photosensitive layer. This method of preventing a short circuit by the undercoat layer is particularly effective when an electron transport material or a hole transport material is used for the charge transport layer. The undercoat layer is preferably TiO2, SnO2, Fe2OThree, WOThree, ZnO or Nb2OFiveMore preferably TiO2Consists of. The undercoat layer can be applied by, for example, a spray pyrolysis method described in “Electrochim. Acta”, 1995, Vol. 40, p.643-652, a sputtering method, or the like. The thickness of the undercoat layer is preferably 5 to 1000 nm, more preferably 10 to 500 nm.
[0082]
In addition, a functional layer such as a protective layer or an antireflection layer may be provided on the outer surface of one or both of the conductive support and the counter electrode, between the conductive layer and the substrate, or in the middle of the substrate. The method for forming these functional layers can be appropriately selected from a coating method, a vapor deposition method, a pasting method, and the like according to the material.
[0083]
(F) Specific example of internal structure of photoelectric conversion element
As described above, the internal structure of the photoelectric conversion element can take various forms depending on the purpose. If roughly divided into two, a structure that allows light to enter from both sides and a structure that allows only one side are possible. Examples of a preferable internal structure of the photoelectric conversion element of the present invention are shown in FIG. 1 and FIGS.
[0084]
In the structure shown in FIG. 2, the photosensitive layer 20 and the charge transport layer 30 are interposed between the transparent conductive layer 10a and the transparent counter electrode conductive layer 40a, and light is incident from both sides. . In the structure shown in FIG. 3, a metal lead 11 is partially provided on a transparent substrate 50a, a transparent conductive layer 10a is provided thereon, and an undercoat layer 60, a photosensitive layer 20, a charge transport layer 30, and a counter electrode conductive layer 40 are arranged in this order. In addition, a support substrate 50 is arranged, and light is incident from the conductive layer side. The structure shown in FIG. 4 has a conductive layer 10 on a support substrate 50, a photosensitive layer 20 provided through an undercoat layer 60, a charge transport layer 30 and a transparent counter electrode conductive layer 40a, and a metal in part. The transparent substrate 50a provided with the leads 11 is disposed with the metal lead 11 side inward, and has a structure in which light enters from the counter electrode side. In the structure shown in FIG. 5, the subbing layer 60, the photosensitive layer 20 and the charge transport layer 30 are provided between a pair of metal leads 11 provided on a transparent substrate 50a and further provided with a transparent conductive layer 10a (or 40a). In this structure, light enters from both sides. In the structure shown in FIG. 6, a transparent conductive layer 10a, an undercoat layer 60, a photosensitive layer 20, a charge transport layer 30 and a counter electrode conductive layer 40 are provided on a transparent substrate 50a, and a support substrate 50 is disposed thereon. In this structure, light enters from the conductive layer side. The structure shown in FIG. 7 has a conductive layer 10 on a support substrate 50, a photosensitive layer 20 provided through an undercoat layer 60, a charge transport layer 30 and a transparent counter electrode conductive layer 40a, and a transparent substrate thereon. 50a is arranged, and light is incident from the counter electrode side. In the structure shown in FIG. 8, a transparent conductive layer 10a is provided on a transparent substrate 50a, a photosensitive layer 20 is provided via an undercoat layer 60, a charge transport layer 30 and a transparent counter electrode conductive layer 40a are provided, and a transparent layer is provided thereon. The substrate 50a is disposed, and light is incident from both sides. In the structure shown in FIG. 9, the conductive layer 10 is provided on the support substrate 50, the photosensitive layer 20 is provided via the undercoat layer 60, and the solid charge transport layer 30 is further provided. It has a metal lead 11 and has a structure in which light is incident from the counter electrode side.
[0085]
[IV] Photocell
The photovoltaic cell of the present invention is one in which the photoelectric conversion element of the present invention is caused to work with an external load. Among photocells, the case where the charge transport material is mainly composed of an ion transport material is particularly called a photoelectrochemical cell, and the case where the main purpose is power generation by sunlight is called a solar cell.
[0086]
The side surface of the photovoltaic cell is preferably sealed with a polymer, an adhesive or the like in order to prevent deterioration of the constituents and volatilization of the contents. The external circuit itself connected to the conductive support and the counter electrode via a lead may be a known one.
[0087]
Even when the photoelectric conversion element of the present invention is applied to a solar cell, the structure inside the cell is basically the same as the structure of the photoelectric conversion element described above. Moreover, the dye-sensitized solar cell using the photoelectric conversion element of the present invention can basically have the same module structure as a conventional solar cell module. The solar cell module generally has a structure in which cells are formed on a support substrate such as metal or ceramic, and the cell is covered with a filling resin or protective glass, and light is taken in from the opposite side of the support substrate. It is also possible to use a transparent material such as tempered glass for the support substrate, configure a cell thereon, and take in light from the transparent support substrate side. Specifically, a module structure called a super straight type, a substrate type, a potting type, a substrate integrated module structure used in amorphous silicon solar cells, and the like are known, and dye sensitization using the photoelectric conversion element of the present invention is known. As for the type solar cell, the module structure can be appropriately selected according to the purpose of use, the place of use and the environment. Specifically, the structures and embodiments described in Japanese Patent Application Nos. 11-8457 and 2000-268892 are preferable.
[0088]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0089]
Example 1
Preparation of titanium dioxide fine particles
When 16 ml of 25% ammonia water (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added to a mixed solution of 32 g of 30% titanium sulfate solution (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 20 ml of water, the temperature is approximately 50 ° C. Heat was generated and white titanium hydroxide precipitated instantly. When the temperature was raised to 70 ° C. and the mixture was stirred for 1 hour, the reaction solution turned light blue and white, and a sol dispersion of titanium dioxide was obtained. This sol dispersion was filtered while hot, and the filtrate was transferred to an autoclave container and autoclaved at 225 ° C. for 12 hours. After cooling the container, the obtained titanium dioxide fine particles were separated by a centrifuge. For the purpose of removing impurities such as ammonium sulfate, the operation of adding water again and centrifuging was repeated four times to obtain a dispersion (T-1) of fine titanium dioxide particles. The obtained titanium dioxide particles were pure anatase crystals having an average particle diameter of about 11 nm as measured by fluorescent X-ray (XRD), and the concentration of titanium dioxide was 25% by mass. Further, in the method described in Non-Patent Document 5, a titanium dioxide dispersion (T-2) having a titanium dioxide concentration of 17% by mass was obtained by the same method as Non-Patent Document 5 except that the autoclave temperature was 225 ° C. From the measurement of fluorescent X-ray (XRD) of the obtained particles, the average particle size was about 11 nm as in the case of T-1, but the presence of brookite type and rutile type in addition to anatase was recognized as the crystal type. .
[0090]
Example 2
1. Preparation of coating solution containing titanium dioxide particles
40% by mass of polyethylene glycol (molecular weight 20000, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) with respect to titanium dioxide was added to the titanium dioxide dispersion (T-1) obtained in Example 1 and mixed to obtain a coating solution. (B-1) was obtained. A coating solution (B-2) was similarly obtained for T-2 titanium dioxide.
[0091]
2. Production of titanium dioxide electrode
Transparent conductive glass coated with tin oxide doped with fluorine (Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance: approx. 10Ω / cm2) Apply the above coating liquid (B-1) to the conductive surface side with a doctor blade at a thickness of 120μm and dry it at 25 ° C for 30 minutes, then use an electric furnace (Yamato Scientific muffle furnace FP-32 type). Used and calcined at 450 ° C. for 30 minutes. The coating amount of titanium dioxide after cooling is 18 g / m2The coating layer thickness was 12 μm. This titanium dioxide electrode was designated as an electrode (E-1). Similarly, the coating amount of titanium dioxide using the coating solution of B-2 is 18 g / m2A titanium dioxide electrode (E-2) having a coating layer thickness of 12 μm was prepared.
[0092]
3. Oxidation method and production of oxidation electrode
The following two kinds of semiconductor fine particle electrodes were subjected to the following oxidation treatment according to the procedure shown in Table 1 to obtain oxidation treatment electrodes (S-1) to (S-18).
[0093]
(1) Hydrogen peroxide treatment
The electrode was completely immersed in 30% aqueous hydrogen peroxide (for precision analysis, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and shaken at 25 ° C. for 20 minutes. The electrode was carefully taken out, washed with pure water, and baked at 450 ° C. for 15 minutes.
[0094]
(2) UV-ozone treatment
A semiconductor electrode was placed in a UV-ozone cleaning device (Tokyo Sanyo Vacuum Co., Ltd.), and UV irradiation was performed for 20 minutes at room temperature and atmospheric pressure in an atmosphere with an oxygen concentration of 25% while supplying oxygen gas. After the electrode was taken out from the apparatus, it was immediately advanced to the next dye adsorption step without performing a treatment such as baking.
[0095]
(3) Oxygen plasma treatment
An electrode to be treated is placed on a plate in a high-frequency (RF) plasma generator (BP-1, manufactured by SAMCO), the pressure is reduced to 0.5 Torr while flowing oxygen gas at a flow rate of 20 ml / min, and then the RF power is 50 W The electrode was treated with oxygen plasma for 15 minutes. After stopping the apparatus in sequence, the electrode was taken out and further baked at 450 ° C. for 15 minutes.
[0096]
[Table 1]
[0097]
4). Dye adsorption
The prepared electrodes E-1, E-2 and oxidation-treated electrodes S-1 to S-18 were respectively converted to ruthenium complex dye cis- (dithiocyanate) -N, N′-bis (2,2′-bipyridyl-4 , 4'-Dicarboxylic acid) ruthenium (II) complex (D-1) was immersed for 16 hours. The adsorption temperature is 25 ° C, the solvent of the adsorbent is a mixed solvent of ethanol: t-butanol: acetonitrile = 1: 1: 2 (volume ratio), and the dye concentration is 3 × 10.-FourMole / liter. The dyed titanium dioxide electrode was washed with acetonitrile.
[0098]
5). Production of photoelectric conversion element
(Photoelectric conversion element using electrolyte as charge transport material)
The color-sensitized electrode (2 cm × 2 cm) produced as described above was superposed on a platinum-deposited glass of the same size (see FIG. 10). Next, an electrolyte solution (0.65 mol / liter 1,3-dimethylimidazolium iodide and 0.05 mol / liter iodine solution containing acetonitrile) is impregnated into the gap between the two glasses using capillary action.2By introducing into the electrode, photoelectric conversion elements CT-1 and 2 and CS-1 to CS-18 shown in Table 2 were obtained. As shown in FIG. 10, the obtained photoelectric conversion element is composed of conductive glass 1 (with conductive layer 3 placed on glass 2), TiO adsorbed with dye.2The layer 4, the charge transport layer (electrolytic solution) 5, the platinum layer 6, and the glass 7 are stacked in this order.
[0099]
6). Measurement of photoelectric conversion efficiency
Simulated sunlight was generated by passing light from a 500 W xenon lamp (USHIO Co., Ltd.) through a spectral filter (AM1.5 manufactured by Oriel). The intensity of this light is 100 mW / cm in the vertical plane2Met. A silver paste was applied to the end of the conductive glass of the photoelectric conversion element to form a negative electrode, and the negative electrode and platinum-deposited glass (positive electrode) were connected to a current-voltage measuring device (Keutley SMU238 type). The current-voltage characteristics were measured while irradiating simulated sunlight vertically, and the conversion efficiency was obtained. Table 2 below shows the conversion efficiency of each photoelectric conversion element.
[0100]
[Table 2]
[0101]
According to Table 2, photoelectric conversion elements (CS-1 to 9) using titanium oxide fine particles made of titanium sulfate as a raw material are more than photoelectric conversion elements (CS-10 to 18) using titanium oxide fine particles by a conventional sol-gel method. It can also be seen that the conversion efficiency is high. When the titanium oxide electrode is oxidized, both photoelectric conversion elements improve the conversion efficiency. From the comparison of differences in conversion efficiency, the electrode made from titanium sulfate (E-1) is more effective. I understand. In addition, it is understood that the oxidation treatment is more effective when the hydrogen peroxide treatment is performed first, followed by the UV-ozone treatment and / or the oxygen plasma treatment (CS-4,5, CS-8,9, CS-13,14 and CS-17,18).
[0102]
Example 3
1. Production of oxidation electrodes with different processing conditions
The titanium dioxide electrode (E-1) produced in the same manner as in Example 2 was subjected to oxidation treatment under the treatment conditions shown in Table 3 to obtain oxidation treatment electrodes (S-19 to S-21).
[0103]
[Table 3]
[0104]
2. Measurement of sulfur element content relative to titanium element
Oxidation electrodes (S-1 to S-3, S-9 and S-19 to S-21) obtained by subjecting titanium dioxide electrode E-1 produced using titanium sulfate as a raw material to oxidation treatment under various different conditions; As comparative examples, a titanium dioxide electrode E-1 not subjected to oxidation treatment and a titanium dioxide electrode E-2 produced using titanium isopropoxide as a raw material were cut into a size of 3 cm × 3 cm, respectively. (Shimadzu Corporation, XRF-1700) was used to measure the contents of titanium and sulfur. Measurement was performed under the conditions of tube Rh, 40 KV, and 95 mA, and both elements were measured with Kα rays. Table 4 shows the strength and strength ratio of each electrode.
[0105]
3. Production of photoelectric conversion element and measurement of conversion efficiency
In the same manner as in Example 2, photoelectric conversion elements were produced using the electrodes shown in Table 4, and the conversion efficiency of each photoelectric conversion element was measured. The results are shown in Table 4.
[0106]
[Table 4]
[0107]
From Table 4, the electrode (E-1) using titanium oxide fine particles made of titanium sulfate as a raw material has a semiconductor fine particle more than the electrode (E-2) using titanium oxide fine particles made of a titanium alkoxide of a comparative example as a raw material. Although the amount of elemental sulfur contained in is large, the amount is reduced by oxidation treatment, and even if the same treatment method is used, the amount of sulfur is further reduced by strengthening the conditions or increasing the number of times. It can be seen that this leads to improvement in conversion efficiency. In addition, the S-9 electrode, which is continuously subjected to different oxidation treatments, can reduce the amount of impurities to the same level as the reference electrode (E-2) that does not contain sulfur, and is a pure anatase-type titanium dioxide electrode. It can be seen that
[0108]
Example 4
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2 except that a long wave ruthenium dye (D-2), a merocyanine dye, and a squarylium dye were used instead of the ruthenium complex dye (D-1). When the conversion efficiency of each obtained photoelectric conversion element was measured in the same manner as in Example 2, the same excellent conversion efficiency as in the case of using the ruthenium complex dye (D-1) was shown.
[0109]
【The invention's effect】
As described above in detail, a dye-sensitized photoelectric conversion element having a conversion efficiency superior to that of the prior art can be obtained by using, as a semiconductor electrode, semiconductor fine particles that have been subjected to oxidation treatment before dye adsorption. In particular, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element is improved by performing at least one oxidation treatment of hydrogen peroxide treatment, UV-ozone treatment, and oxygen plasma treatment, and further conversion is performed by continuously treating them with a suitable procedure. Efficiency can be improved. In titanium dioxide using titanium sulfate, high-purity pure anatase-type titanium dioxide fine particles can be obtained by performing an oxidation treatment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion element according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion element according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing the structure of a photoelectric conversion device according to still another preferred embodiment of the present invention.
10 is a partial cross-sectional view illustrating a structure of a photoelectric conversion element manufactured in Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
10 ... conductive layer
10a ・ ・ ・ Transparent conductive layer
11 ... Metal lead
20 ... Photosensitive layer
21 ... Semiconductor fine particles
22 ... Dye
23 ... Charge transport material
30 ... Charge transport layer
40 ... Counterelectrode conductive layer
40a ・ ・ ・ Transparent counter electrode conductive layer
50 ... Board
50a ・ ・ ・ Transparent substrate
60 ... Undercoat layer
1 ... conductive glass
2 ... Glass
3. Conductive layer
4 ... TiO2layer
5 ... Electrolyte
6 ... Platinum layer
7 ... Glass

Claims (7)

少なくとも1種の色素が吸着した半導体微粒子の層と導電性支持体とを有する光電変換素子の作製方法において、色素を吸着させる前に半導体微粒子を過酸化水素処理し、次いでUV−オゾン処理及び酸素プラズマ処理の少なくとも1つの処理をすることを特徴とする光電変換素子の作製方法。In a method for manufacturing a photoelectric conversion element having a layer of semiconductor fine particles to which at least one dye is adsorbed and a conductive support, the semiconductor fine particles are treated with hydrogen peroxide before adsorbing the dye , and then UV-ozone treatment and oxygen are performed. A method for manufacturing a photoelectric conversion element, comprising performing at least one of plasma treatments . 請求項1に記載の光電変換素子の作製方法において、前記半導体微粒子として酸化チタンを用いることを特徴とする光電変換素子の作製方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 1 , wherein titanium oxide is used as the semiconductor fine particles. 請求項2に記載の光電変換素子の作製方法において、前記酸化チタンが、硫酸チタン又はオキシ硫酸チタンを原料として用い、前記原料に含まれる硫酸根のうち、0.01〜0.99当量の硫酸根を塩基で中和した後、酸性条件下でゾル−ゲル法により作製したものであることを特徴とする光電変換素子の作製方法 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the titanium oxide uses titanium sulfate or titanium oxysulfate as a raw material, and 0.01 to 0.99 equivalents of sulfuric acid among sulfate radicals contained in the raw material. after neutralizing the roots with a base, a sol under acidic conditions - a method for manufacturing a photoelectric conversion element characterized in that which was produced by gel method. 請求項3に記載の光電変換素子の作製方法において、前記硫酸根を中和する前記塩基がアンモニア水であることを特徴とする光電変換素子の作製方法 In the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 3, the method for manufacturing a photoelectric conversion element, wherein the base to neutralize the sulfate radical is ammonia water. 請求項3又は4に記載の光電変換素子の作製方法において、前記酸化チタン微粒子の硫黄元素の含量が、蛍光X線のチタンに対する硫黄の強度比(S−Kα/Ti−Kα)で0.03以下であることを特徴とする光電変換素子の作製方法 5. The method for producing a photoelectric conversion device according to claim 3, wherein a content of sulfur element in the titanium oxide fine particles is 0.03 in terms of an intensity ratio of sulfur to titanium (S-Kα / Ti-Kα) of fluorescent X-rays. The manufacturing method of the photoelectric conversion element characterized by the following. 請求項1〜5のいずれかに記載の方法により作製された光電変換素子。 The photoelectric conversion element produced by the method in any one of Claims 1-5 . 請求項6に記載の光電変換素子を用いた光電池。A photovoltaic cell using the photoelectric conversion element according to claim 6 .
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