JP4363553B2 - Electrolyte composition, photoelectric conversion element and photoelectrochemical cell - Google Patents

Electrolyte composition, photoelectric conversion element and photoelectrochemical cell Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池、キャパシター、センサー、表示素子、記録素子等の電気化学的素子に用いるのに好適な電解質組成物、ならびにこの電解質組成物と半導体感光剤とを用いた光電変換素子および光電気化学電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から電池、キャパシター、センサー、表示素子、記録素子等の電気化学的素子の電解質として液状電解質が用いられてきた。しかし、液状電解質は長期間の使用や保存の間に液漏れが発生することがあり、信頼性に欠けていた。
【0003】
例えばNature(第353巻、第737〜740頁、1991年)および米国特許4927721号等は色素により増感された半導体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)およびこれを用いた光電気化学電池を開示しているが、これらにおいても電荷輸送層に液状電解質を用いているため、長期にわたる使用により電解液が漏洩または枯渇し、光電変換効率が著しく低下したり、素子として機能しなくなることが懸念されている。
【0004】
このような欠点を克服するため、国際特許93/20565号は固体電解質を用いた光電変換素子を提案しており、また特開平7-2881142号、Solid State Ionics,89, 263(1986)および特開平9-27352号は、架橋ポリエチレンオキサイド系高分子固体電解質を用いて固体化した光電変換素子を提案している。しかしながら、これらの固体電解質を用いた光電変換素子は光電変換特性、特に短絡電流密度が不十分なレベルにあるのみならず、耐久性も十分なレベルにないことが分かった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、従来の問題点を解決する光耐久性及び電荷輸送能に優れた電解質組成物を提供することである。本発明のもう1つの目的は、この電解質組成物を用いたために優れた光電変換特性および耐久性を有する光電変換素子、およびかかる光電変換素子を有する光電気化学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、本発明者は下記式(II)
【化2】
(ただしR1は水素原子またはメチル基を表し、Lは−COO-、−OCO-、−CON(R 2 )-または-N(R 3 )CO-、あるいはこれらの基の1つ以上とアルキレン基、アリーレン基および-O-から選ばれる1つ以上の2価の基とを組み合わせて得られる連結基(ただし、R 2 およびR 3 は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基である。)を表し、Zはピリジン環又はイミダゾール環を表し、Eはエチレン性不飽和基を含有する化合物から誘導される基を表わし、xおよびyは繰り返し単位の重量組成比を表わし、xは5〜100重量%、yは0〜95重量%である。)により表される高分子化合物と求電子剤として2〜4官能性を有するハロゲン化アルキルまたはハロゲン化アラルキルとを反応させて得られる架橋重合体を使用することにより耐久性及び電荷輸送能に優れた電解質組成物が得られることを発見し、本発明に想到した。
【0007】
また本発明の光電変換素子は、導電性支持体、感光層、電荷移動層および対極の順に積層されており、電荷移動層が上記電解質組成物を含むことを特徴とする。
【0008】
さらに本発明の光電気化学電池は、上記光電変換素子を有することを特徴とする。
【0009】
また下記条件を満たすことにより、一層優れた光電変換特性及び耐久性を有する電解質組成物、光電変換素子および光電気化学電池が得られる。(1) 式(II)により表される高分子化合物の架橋重合体は、塩を溶解した溶媒中で反応させて得られることが好ましい。(2) 上記の光電変換素子において、電荷移動層は上記電解質組成物を含むのが好ましい。(3)上記光電変換素子において、感光層は色素により増感された半導体微粒子と、前記色素増感半導体微粒子の間の空隙に充填された電解質組成物とからなるのが好ましい。半導体微粒子としては二酸化チタン微粒子が好ましい。また色素は金属錯体色素、フタロシアニン色素またはポリメチン色素であるのが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の光電変換素子および光電気化学電池は、側鎖末端に窒素含有複素環を有するペンダント型高分子化合物と該窒素原子に対する求電子剤との反応によって得られる架橋重合体を含む電解質組成物を用いることを特徴とする。これにより、光電変換特性に優れ、かつ特性の経時劣化を防止した光電変換素子および光電気化学電池が得られる。
【0011】
[1]電解質組成物
電解質組成物は、(A)窒素含有高分子化合物と(B)求電子剤との反応によって得られる架橋重合体を含むものである。以下これらの化合物および反応条件について詳述する。
【0012】
(A)窒素含有高分子化合物
窒素含有高分子化合物における含窒素複素環基の窒素原子が、求電子剤によりアルキル化または4級化されることにより、架橋重合体が形成される。窒素含有高分子化合物とは、側鎖末端に窒素含有複素環基を有するペンダント型高分子化合物であり、下記(I)により表すことができる。
【化3】
(ただしR1は水素原子または炭素数が1〜4個のアルキル基を表し、Lは2価の連結基を表し、Zは含窒素複素環基を表し、Eはエチレン性不飽和基を含有する化合物から誘導される基を表わし、xおよびyは繰り返し単位の重量組成比を表わし、xは5〜100重量%、yは0〜95重量%である。)
【0013】
Zにより表される含窒素複素環基中の含窒素複素環は、不飽和環でも飽和環でもよく、窒素原子以外の原子を有していてもよい。不飽和複素環としては、例えばピリジン環、イミダゾール環、チアゾール環、オキサゾール環、トリアゾール環等が挙げられる。また飽和複素環としては、モルホリン環、ピペリジン環、ピペラジン環等が挙げられる。好ましい含窒素複素環は不飽和複素環であり、さらに好ましくはピリジン環またはイミダゾール環である。これらは無置換である方が好ましいが、メチル基等のアルキル基等で置換されていてもよい。
【0014】
R1は水素原子または炭素数1〜4のアルキル基を表す。R1としては水素原子またはメチル基が好ましい。
【0015】
連結基Lは、C、O、NおよびSからなる群から選ばれた少なくとも一種の原子を有する2価の連結基なら何でもよいが、−COO-、−OCO-、−CON(R2)-または-N(R3)CO-、あるいはこれらの基の1つ以上とアルキレン基、アリーレン基および-O-から選ばれる1つ以上の2価の基とを組み合わせて得られる連結基が好ましい。ただし、R2およびR3は、水素原子または低級アルキル基であり、好ましくは水素原子または炭素数1〜6のアルキル基である。ここで、アルキレン基またはアリーレン基は、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、水酸基、アミノ基、ニトロ基、カルボキシ基、カルバモイル基、スルホン酸基、スルホンアミド基、アシル基(例えばホルミル基、アセチル基)、アシルオキシ基、アシルアミノ基(例えば、アセトアミド基、ベンズアミド基)、アルキル基、アルコキシ基(例えばメトキシ基、エトキシ基、メトキシエトキシ基)、アコキシカルボニル基、アルキルスルホニル基、アリール基、アリールオキシ基(例えばフェノキシ)、アリールスルホニル基等の置換基を有していてもよい。
【0016】
これらのうち、-COO-、-COO-(CH2CH2O)n-(nは1から30までの整数)、-COO-(C3H6O)n-(nは1から30までの整数)、-COO-(CH2)n-(nは1から10までの整数)、-COO-(CH2)n-OCO-(nは1から10までの整数)、-COO-(CH2)m-OCO-(CH2)n-(m,nは1から10までの整数)、-COO-(CH2CH2O)n-CO-(nは1から30までの整数)、-COO-(CH2CH2O)m-CO-(CH2)n-(mは1から30までの整数、nは1から10までの整数)、-COO-(C3H6O)n-CO-(nは1から30までの整数)、-COO-(C3H6O)m-CO-(CH2)n-(mは1から30までの整数、nは1から10までの整数)、-CONH-、-CON(CH3)-、-CONH-(CH2)n-(nは1から10までの整数)、-CONH-(CH2)3-O-(CH2CH2O)n-(CH2)3-NHCO-(nは1から30までの整数)、-CONH-C3H6-O-(CH2CH2O)n-C3H6-NHCO-(nは1から30までの整数)、-CONH-C3H6-O-(C3H6O)n-C3H6-NHCO-(nは1から30までの整数)、-COO-(CH2)n-O-COO-(nは1から10までの整数)、-COO-(CH2)n-NHCO-(nは1から10までの整数)、-OCO-、-OCO-(CH2)n-(nは1から10までの整数)、-O-COO-(CH2)n-(nは1から10までの整数)、-NHCO-(CH2)n-(nは1から10までの整数)、-NHCO-(CH2)n-CONH-(nは1から10までの整数)、-NHCO-(CH2)m-CONH-(CH2)n-(m,nは1から10までの整数)または-NHCO-O-(CH2)n-OCO-(nは1から10までの整数)が特に好ましい。
【0017】
Eはエチレン性不飽和基を含有する化合物から誘導される繰り返し単位を表わす。Eで表わされる繰り返し単位を誘導するエチレン性不飽和基を有する化合物の好ましい例としては、アクリル酸またはα−アルキルアクリル酸(例えばメタクリル酸など)類から誘導されるエステル類もしくはアミド類(例えば、N-iso-プロピルアクリルアミド、 N-n-ブチルアクリルアミド、 N-t-ブチルアクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N-メチルメタクリルアミド、アクリルアミド、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、メタクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、N-メチロールアクリルアミド、N-メチロールメタクリルアミド、メチルアクリレート、エチルアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、n-プロピルアクリレート、iso-プロピルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート、2-メチル-2-ニトロプロピルアクリレート、n-ブチルアクリレート、iso-ブチルアクリレート、t-ブチルアクリレート、t-ペンチルアクリレート、2-メトキシエチルアクリレート、2-エトキシエチルアクリレート、2-メトキシエトキシエチルアクリレート、2,2,2-トリフルオロエチルアクリレート、2,2-ジメチルブチルアクリレート、3-メトキシブチルアクリレート、エチルカルビトールアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、n-ペンチルアクリレート、3-ペンチルアクリレート、オクタフルオロペンチルアクリレート、n-ヘキシルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、シクロペンチルアクリレート、セチルアクリレート、ベンジルアクリレート、n-オクチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、4-メチル-2-プロピルペンチルアクリレート、ヘプタデカフルオロデシルアクリレート、n-オクタデシルアクリレート、メチルメタクリレート、2-メトキシエトキシエチルメタクリレート、エチレングリコールエチルカーボネートメタクリレート、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート、テトラグルオロプロピルメタクリレート、ヘキサフルオロプロピルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、2-ヒドロキシプロピルメタクリレート、n-ブチルメタクリレート、iso-ブチルメタクリレート、t-ブチルメタクリレート、t-ペンチルメタクリレート、2-メトキシエチルメタクリレート、2-エトキシエチルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、ヘプタデカフルオロデシルメタクリレート、n-オクタデシルメタクリレート、2-イソボルニルメタクリレート、2-ノルボルニルメチルメタクリレート、5-ノルボルネン-2-イルメチルメタクリレート、3-メチル-2-ノルボニルメチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレートなど)、ビニルエステル類(例えば、酢酸ビニルなど)、マレイン酸またはフマル酸から誘導されるエステル類(マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸ジエチルなど)、マレイン酸、フマル酸、p-スチレンスルホン酸のナトリウム塩、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、ジエン類(例えば、ブタジエン、シクロペンタジエン,イソプレンなど)、芳香族ビニル化合物(例えば、スチレン、p-クロロスチレン、t-ブチルスチレン、α−メチルスチレン、スチレンスルホン酸ナトリウムなど)、N-ビニルホルムアミド、N-ビニル-N-メチルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド、N-ビニル-N-メチルアセトアミド、ビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸ナトリウム、アリルスルホン酸ナトリウム、メタリルスルホン酸ナトリウム、ビニリデンフルオライド、ビニリデンクロライド、ビニルアルキルエーテル類(例えば、メチルビニルエーテルなど)、エチレン、プロピレン、1-ブテン、イソブテン、N-フェニルマレイミド等が挙げられる。
【0018】
上記以外のエチレン性不飽和基を有する化合物はリサーチディスクロージャーNo.1995(1980年、7月)に記載されているものを使用することができる。
【0019】
xおよびyはそれぞれ含窒素複素環基Zを含有する繰り返し単位及びエチレン性不飽和基を含有する化合物から誘導される繰り返し単位の重量組成比をあらわし、xは5〜100重量%、yは0〜95重量%が好ましい。より好ましくはxが10〜95重量%、yが5〜90重量%である。Zを含有する繰り返し単位及びエチレン性不飽和基を有する構成単位は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0020】
窒素含有高分子化合物の重量平均分子量は、1000〜100万が好ましい。より好ましくは、2000〜10万である。
【0021】
以下に式(I)で表わされる窒素含有高分子化合物の好ましい具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0022】
【化4】
【0023】
【化5】
【0024】
【化6】
【0025】
【化7】
【0026】
【化8】
【0027】
式(I)で表される窒素含有高分子化合物は、大津隆行・木下雅悦共著:高分子合成の実験法(化学同人)や大津隆行:講座重合反応論1ラジカル重合(1)(化学同人)に記載された一般的な高分子合成法であるラジカル重合によって合成することができる。窒素含有高分子化合物は、加熱、光、電子線、また電気化学的にラジカル重合することができるが、特に加熱によってラジカル重合させることが好ましい。加熱により形成される場合に好ましく使用される重合開始剤は、例えば、2,2-アゾビスイソブチロニトリル、2,2-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2-アゾビス(2-メチルプロピオネート)、ジメチル2,2-アゾビスイソブチレートなどのアゾ系開始剤、ラウリルパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド、tert-ブチルパーオクトエートなどの過酸化物系開始剤等である。
【0028】
(B)求電子剤
前記の窒素含有高分子と反応させる求電子剤は、窒素原子に対して求電子反応可能な2官能以上の化合物であれば特に限定はないが、例えば、2官能以上のハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキル、スルホン酸エステル、酸無水物、酸クロライド、イソシアネートなどが挙げられる。これらのうちより好ましいものはハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキルまたはスルホン酸エステルであり、ハロゲン化アルキルまたはハロゲン化アラルキルが特に好ましく、ハロゲン化アルキルが最も好ましい。2官能以上のハロゲン化アルキルおよびハロゲン化アラルキルのアルキレン鎖にエーテル結合を有するものが最も好ましい態様である。
【0029】
2官能以上のハロゲン化アルキル(アラルキル)としては、ヨウ化アルキル(アラルキル)、臭化アルキル(アラルキル)、塩化アルキル(アラルキル)などが挙げられる。これらのうち好ましくは、ヨウ化アルキル(アラルキル)、臭化アルキル(アラルキル)であり、ヨウ化アルキル(アラルキル)が特に好ましい。
【0030】
スルホン酸エステルとしては、メタンスルホン酸エステル、トリフルオロメタンスルホン酸エステルなどのアルキルスルホン酸エステル、p-トルエンスルホン酸エステルなどのアリールスルホン酸エステルなどが挙げられる。
【0031】
これら2官能以上の求電子剤の窒素原子との反応可能な部位の数は好ましくは、2〜10であり、より好ましくは、2〜5であり、特に好ましくは2〜4である。
【0032】
以下に求電子剤の好ましい具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0033】
【化9】
【0034】
【化10】
【0035】
【化11】
【0036】
(C)架橋反応
電解質組成物に用いる架橋重合体は、式(I)又は式(II)により表される窒素含有高分子化合物の窒素原子と求電子剤との架橋反応により得られる。架橋反応は、窒素含有高分子化合物と求電子剤の他に、塩が共存する状態で行うことが好ましい。本発明の電解質組成物において、塩は電解質として必須である。架橋後に塩を添加することもできるが、この場合架橋重合体中に塩を均一に分散させるのが困難となるので好ましくない。
【0037】
反応溶液としては、(i)窒素含有高分子化合物、求電子剤、塩を溶媒に溶解したもの、あるいは(ii)窒素含有高分子化合物を構成するモノマー類、重合開始剤、求電子剤、塩を溶媒に溶解したものを用いることができるが、(i)を用いるのが好ましい。
【0038】
塩としては、(a) I2とヨウ化物(LiI, NaI, KI, CsI, CaI2 等の金属ヨウ化物、または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のヨウ素塩等)との組み合わせ、(b) Br2と臭化物(LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr2 等の金属臭化物、または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の臭素塩等)との組み合わせ、(c)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、(d)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、(e) ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等を用いることができる。なかでも、I2とLiIや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のヨウ素塩とを組み合わせた電解質が好ましい。上記塩は混合して用いてもよい。またEP718288、WO95/18456、J. Electrochem. Soc.,Vol.143, No.10, 3099(1996)、Inorg. Chem., 35, 1168〜1178(1996)に記載された室温で溶融状態の塩(溶融塩)を使用こともできる。溶融塩を電解質として使用する場合、溶媒は使用しなくても構わない。
【0039】
溶媒としては、低粘度でイオン移動度が高いか、高誘電率で有効キャリアー濃度を高めるか、あるいはその両方であるために、優れたイオン伝導性を発現できる化合物を使用するのが望ましい。このような溶媒の例として、例えば下記のものが挙げられる。
【0040】
(a) 炭酸エステル類
例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等が好ましい。
【0041】
(b) ラクトン類
例えばγ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプリロラクトン、クロトラクトン、γ−カプロラクトン、δ−バレロラクトン等が好ましい。
【0042】
(c) エーテル類
例えばエチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、トリメトキシメタン、エチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、1,3-ジオキソラン、1,4-ジオキサン等が好ましい。
【0043】
(d) アルコール類
例えばメタノール、エタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、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が好ましい。
【0044】
(e) グリコール類
例えば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、グリセリン等が好ましい。
【0045】
(f) グリコールエーテル類
例えば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が好ましい。
【0046】
(g)テトラヒドロフラン類
例えばテトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン等が好ましい。
【0047】
(h) ニトリル類
例えばアセトニトリル、グルタロジニトリル、プロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、ベンゾニトリル等が好ましい。
【0048】
(i) カルボン酸エステル類
例えばギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル等が好ましい。
【0049】
(j) リン酸トリエステル類
例えばリン酸トリメチル、リン酸トリエチル等が好ましい。
【0050】
(k) 複素環化合物類
例えばN-メチルピロリドン、4-メチル-1,3-ジオキサン、2-メチル-1,3-ジオキソラン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、1,3-プロパンサルトン、スルホラン等が
好ましい。
【0051】
(l) その他
ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ニトロメタン等の非プロトン性有機溶媒、水等が好ましい。
【0052】
これらの中では、炭酸エステル系、ニトリル系、複素環化合物系の溶媒が好ましい。これらの溶媒は必要に応じて二種以上を混合して用いてもよい。
【0053】
反応溶液中の窒素含有高分子化合物の濃度は、〔溶媒+窒素含有高分子化合物+塩〕を100重量%として1〜80重量%であるのが好ましく、3〜70重量%がより好ましい。窒素含有高分子化合物が1重量%未満であると、強度が不充分となり、また80重量%を超えるとキャリアの移動度が低下するので好ましくない。なお窒素含有高分子化合物は単独で用いても2種以上を併用してもよい。
【0054】
反応溶液中の求電子剤の濃度は、窒素含有高分子化合物の被反応性窒素原子のモル数に対する求電子部位のモル比が0.02〜2となるように設定するのが好ましく、より好ましくは0.05〜1.5である。なお求電子剤は単独で用いても2種以上を併用してもよい。
【0055】
反応溶液中の塩の濃度は、0.05〜2mol/Lとするのが好ましく、0.1〜1.5mol/Lとするのがより好ましい。また電解質組成物にヨウ素(臭素塩のときは臭素)を添加して酸化還元対を予め生成させておくこともできるが、その場合の好ましいヨウ素または臭素の添加濃度は0.01〜0.3mol/Lである。
【0056】
電解質組成物において架橋重合体の占める割合は2〜80重量%であることが好ましい。
【0057】
電解質組成物からなる電解質層は、キャスト法、塗布法、浸漬法、含浸法、浸透法等により電極上に反応溶液層を形成し、次いで加熱反応により架橋せしめることにより、製造することができる。
【0058】
塗布法によって電解質層を形成する場合、窒素含有高分子、求電子剤、塩を溶解した溶媒からなる塗布溶液にレベリング剤等の塗布性改良剤などの添加剤を添加し調整した均一溶液をスピンコート法、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ローラーコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、或いは、米国特許第2681294号記載のホッパーを使用するエクストルージョンコート法、または米国特許第2761418号、同3508947号、同2761791号記載の多層同時塗布方法等の方法により塗布し、次いで加熱して架橋させる。加熱温度は色素の耐熱温度等により適当に選択されるが、好ましくは、10℃以上200℃以下であり、さらに好ましくは、30℃以上150℃以下である。また、その加熱時間は加熱温度等にもよるが、5分〜72時間程度である。
【0059】
酸化還元対を生成させるために電解質組成物にヨウ素などを導入する場合、前述の電解質溶液に添加するほか、電解質層の形成後、これをヨウ素などと共に密閉容器内に置き、電解質組成物中に拡散させる手法等により導入することができる。また、ヨウ素などは後述の対極に塗布あるいは蒸着する方法により光電気化学電池として用いる光電変換素子を組み立てたときに電解質層中に導入することができる。
【0060】
[2] 光電変換素子
光電変換素子は、導電性支持体、感光層、前述の電解質組成物を含む電荷移動層および対極の順に積層したものである。好ましくは、図1に示すように、導電性支持体10、感光層20、電荷移動層30および対極40の順に積層し、前記導電性支持体層10を基材11及び導電層12から構成し、前記感光層20を色素22によって増感された半導体微粒子21と当該半導体微粒子21の間の空隙に充填された前記電解質組成物30とから構成する。また図2に示すように、対極40として導電層42が形成された基板41を使用しても良い。それぞれの層の境界(例えば導電性支持体の導電層12と感光層20との境界、感光層20と電荷移動層30との境界、電荷移動層30と対極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。各層の組成および構造について以下詳述する。
【0061】
(I) 電荷移動層
電荷移動層は、感光層中の色素の酸化体に電子を補充する機能を有する層である。電荷移動層に前記電解質組成物を用いるが、さらに固体電解質や正孔(ホール)輸送材料を併用することもできる。
【0062】
電荷移動層を形成するには、上記と同様に、キャスト法、塗布法、浸漬法、含浸法等により感光層上に電解質溶液を塗布し、次いで加熱反応により架橋すればよい。好ましい態様によれば、図1に示すように、感光層20中の空隙を完全に埋める量より多い電解質を含有する溶液を塗布するので、得られる電解質層は実質的に導電性支持体の導電層12との境界から対極40との境界までの間に存在すると言える。ここで色素増感半導体を含む感光層20との境界から対極40との境界までの間に存在する電解質層を電荷移動層30とすると、その厚さは0.001〜200μmが好ましく、0.1〜100μm がより好ましい。電荷移動層30が0.001μmより薄いと感光層中の半導体微粒子21が対極40に接触するおそれがあり、また200μmより厚いと電荷の移動距離が大きくなりすぎ、素子の抵抗が大きくなる。なお感光層20+電荷移動層30の厚さ(実質的に電解質組成物の厚さに等しい)については、0.1〜300μmが好ましく、1〜130μm がより好ましい。
【0063】
(II)感光層
感光層は、半導体を有する層であり、半導体が光を吸収して電荷分離を行い電子と正孔を生ずる役割を担う。感光層は、図1に示すように、色素22により増感した(色素22を吸着担持した)半導体微粒子21の層の空隙に電解質組成物が充填された構造を有する層20とするのが好ましい。図1の場合、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が半導体微粒子21の伝導帯に渡され、さらに拡散により導電性支持体10に到達する。この時色素22等の分子は酸化体となっている。光電気化学電池においては、導電性支持体10中の電子が外部回路で仕事をしながら対極40および電荷移動層を経て色素22等の酸化体に戻り、色素22が再生する。感光層に好ましく用いることのできる半導体微粒子および色素について、以下詳述する。
【0064】
(A) 半導体微粒子
半導体微粒子は光電気化学電池の負極として作用する。色素増感された半導体微粒子はいわゆる感光体であり、光を吸収して電荷分離を行い電子と正孔を生ずる役割を担う。色素増感された半導体微粒子では、光吸収およびこれによる電子およ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を受け取り、伝達する役割を担う。
【0065】
半導体微粒子としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、III-V系化合物半導体、金属のカルコゲニド(例えば酸化物、硫化物、セレン化物等)、またはペロブスカイト構造を有する化合物(例えば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)等を使用することができる。
【0066】
好ましい金属のカルコゲニドとして、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、またはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、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、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等が挙げられる。
【0067】
本発明に用いる半導体の好ましい具体例は、Si、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、CdTe、GaP、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe2等であり、さらに好ましくはTiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3 、WO3、Nb2O5、CdS、PbS、CdSe、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe2であり、特に好ましくは、TiO2またはNb2O5であり、最も好ましくはTiO2である。
【0068】
本発明に用いる半導体は単結晶でも多結晶でもよい。変換効率の観点からは単結晶が好ましいが、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い。
【0069】
半導体微粒子の粒径は一般にnm〜μmのオーダーであるが、投影面積を円に換算したときの直径から求めた一次粒子の平均粒径は5〜200nmであるのが好ましく、8〜100nmがより好ましい。また分散液中の半導体微粒子(二次粒子)の平均粒径は0.01〜100μmが好ましい。
【0070】
粒径分布の異なる2種類以上の微粒子を混合してもよく、この場合小さい粒子の平均サイズは5nm以下であるのが好ましい。入射光を散乱させて光捕獲率を向上させる目的で、粒径の大きな、例えば300nm程度の半導体粒子を混合してもよい。
【0071】
半導体微粒子の作製法としては、作花済夫の「ゾル−ゲル法の科学」アグネ承風社(1998年)、技術情報協会の「ゾル−ゲル法による薄膜コーティング技術」(1995年)等に記載のゾル−ゲル法、杉本忠夫の「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」,第35巻,第9号,1012〜1018頁(1996年)に記載のゲル−ゾル法が好ましい。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い。
【0072】
半導体微粒子が酸化チタンの場合、上記ゾル-ゲル法、ゲル−ゾル法、塩化物の酸水素塩中での高温加水分解法はいずれも好ましいが、さらに清野学の「酸化チタン 物性と応用技術」技報堂出版(1997年)に記載の硫酸法および塩素法を用いることもできる。さらにゾル-ゲル法として、バーブ等の「ジャーナル・オブ・アメリカン・セラミック・ソサエティー」, 第80巻、第12号、3157〜3171頁(1997年)に記載の方法や、バーンサイド等の「ケミカル・マテリアルズ」,第10巻,第9号,2419〜2425頁に記載の方法も好ましい。
【0073】
半導体微粒子を導電性支持体上に塗布するには、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法の他に、前述のゾル-ゲル法等を使用することもできる。光電変換素子の量産化、半導体微粒子液の物性、導電性支持体の融通性等を考慮した場合、湿式の製膜方法が比較的有利である。湿式の製膜方法としては、塗布法、印刷法が代表的である。
【0074】
半導体微粒子の分散液を作製する方法としては、前述のゾル-ゲル法の他に、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、あるいは半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させそのまま使用する方法等が挙げられる。
【0075】
分散媒としては、水または各種の有機溶媒(例えばメタノール、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)が挙げられる。分散の際、必要に応じてポリマー、界面活性剤、酸、またはキレート剤等を分散助剤として用いてもよい。
【0076】
塗布方法としては、アプリケーション系としてローラ法、ディップ法、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でできるものとして、特公昭58-4589号に開示されているワイヤーバー法、米国特許2681294号、同2761419号、同2761791号等に記載のスライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテン法等が好ましい。また汎用機としてスピン法やスプレー法も好ましい。また湿式印刷方法としては、凸版、オフセットおよびグラビアの3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、好ましい製膜方法を選択する。
【0077】
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。高粘度液(例えば0.01〜500Poise)ではエクストルージョン法や、キャスト法や、スクリーン印刷法等が好ましい。また低粘度液(例えば0.1Poise以下)ではスライドホッパー法、ワイヤーバー法またはスピン法が好ましく、均一な膜にすることが可能である。なおある程度の塗布量があれば低粘度液の場合でもエクストルージョン法による塗布は可能である。このように塗布液の粘度、塗布量、支持体、塗布速度等に応じて、適宜湿式製膜方法を選択すればよい。
【0078】
半導体微粒子の層は単層に限らず、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(あるいは異なるバインダー、添加剤)を含有する塗布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不足の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またはスライドホッパー法が適している。また多層塗布をする場合は同時に多層を塗布しても良く、数回から十数回順次重ね塗りしてもよい。さらに順次重ね塗りであればスクリーン印刷法も好ましく使用できる。
【0079】
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素子の抵抗が大きくなる。したがって、半導体微粒子層の好ましい厚さは0.1〜100μmである。光電気化学電池に用いる場合、半導体微粒子層の厚さは1〜30μmが好ましく、2〜25μmがより好ましい。半導体微粒子の支持体1m2当たりの塗布量は0.5〜400gが好ましく、5〜100gがより好ましい。
【0080】
半導体微粒子を導電性支持体上に塗布した後で半導体微粒子同士を電子的に接触させるとともに、塗膜強度の向上や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。好ましい加熱温度の範囲は40℃以上700℃未満であり、より好ましくは100℃以上600℃以下である。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支持体を用いる場合、高温処理は支持体の劣化を招くため、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あるのが好ましい。低温化は、先に述べた5nm以下の小さい半導体微粒子の併用や鉱酸の存在下での加熱処理等により、可能となる。
【0081】
加熱処理後半導体微粒子の表面積を増大させたり、半導体微粒子近傍の純度を高め、色素から半導体粒子への電子注入効率を高める目的で、例えば四塩化チタン水溶液を用いた化学メッキ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。
【0082】
半導体微粒子は多くの色素を吸着することができるように表面積の大きいものが好ましい。このため半導体微粒子の層を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、さらに100倍以上であるのが好ましい。この上限は特に制限はないが、通常1000倍程度である。
【0083】
(B) 色素
感光層に使用する色素は金属錯体色素、フタロシアニン系の色素またはメチン色素が好ましい。光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ変換効率を上げるため、二種類以上の色素を混合することができる。また目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように、混合する色素とその割合を選ぶことができる。こうした色素は半導体微粒子の表面に対する適当な結合基(interlocking group)を有しているのが好ましい。好ましい結合基としては、COOH基、SO3H基、シアノ基、-P(O)(OH)2基、-OP(O)(OH)2基、またはオキシム、ジオキシム、ヒドロキシキノリン、サリチレートおよび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。なかでも、COOH基、-P(O)(OH)2基、-OP(O)(OH)2基が特に好ましい。これらの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。
【0084】
感光層に用いるのが好ましい色素を以下具体的に説明する。色素が金属錯体色素の場合、ルテニウム錯体色素が好ましく、さらに下記式(III):
(A1)pRuBabc (III)
により表される色素が好ましい。ただしpは0〜2であり、好ましくは2である。Ruはルテニウムを表す。A1はCl、SCN、H2O、Br、I、CN、NCOおよびSeCNからなる群から選ばれた少なくとも一種の配位子である。またBa、Bb、Bcはそれぞれ独立に下記のB-1〜B-8からなる群から選ばれた少なくとも一種の有機配位子であり、同一でも異なっていても良い。
【0085】
【化12】
【0086】
ここで、Raは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜12の置換または無置換のアルキル基、炭素数7〜12の置換または無置換のアラルキル基、または炭素数6〜12の置換または無置換のアリール基を表す。上記アルキル基、アラルキル基のアルキル部分は直鎖状でも分岐状でもよく、またアリール基およびアラルキル基のアリール部分は単環でも多環(縮合環、環集合)でもよい。
【0087】
ルテニウム錯体色素としては、例えば米国特許4927721号、同4684537号、同5084365号、同5350644号、同5463057号、同5525440号および特開平7-249790号に記載の錯体色素が挙げられる。
【0088】
金属錯体色素の好ましい具体例を以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0089】
【化13】
【0090】
【化14】
【0091】
【化15】
【0092】
色素がメチン色素である場合、下記式(IV)、式(V)、式(VI)または式(VII)で表される色素が好ましい。
【0093】
(1) 式(IV)により表される色素
【化16】
ただし、RbおよびRfは各々水素原子、アルキル基、アリール基または複素環基を表し、Rc〜Reは各々水素原子または置換基を表す。Rb〜Rfは互いに結合して環を形成してもよい。X11およびX12は各々窒素、酸素、硫黄、セレン、テルルを表す。n11およびn13は各々0〜2の整数を表し、n12は1〜6の整数を表す。式(IV)で表される化合物は分子全体の電荷に応じて対イオンを有してもよい。
【0094】
上記アルキル基、アリール基および複素環基は置換基を有していてもよい。アルキル基は直鎖であっても分岐鎖であってもよく、またアリール基および複素環基は、単環でも、多環(縮合環、環集合)でもよい。またRb〜Rfにより形成される環は置換基を有していてもよく、また単環でも縮合環でもよい。
【0095】
(2) 式(V)により表される色素
【化17】
ただし、Zaは含窒素複素環を形成するに必要な非金属原子群を表す。Rgはアルキル基またはアリール基である。Qaは式(V)で表される化合物がメチン色素を形成するのに必要なメチン基またはポリメチン基を表す。X13は電荷均衡対イオンを表し、n14は分子の電荷を中和するのに必要な電荷均衡対イオンX13の当量を表し、0〜10の数である。
【0096】
上記Zaで形成される含窒素複素環は置換基を有していてもよく、単環であっても縮合環であってもよい。またアルキル基およびアリール基は置換基を有していてもよく、アルキル基は直鎖でも分岐鎖でもよく、またアリール基は単環でも多環(縮合環、環集合)でもよい。
【0097】
式(V)により表される色素のうち、下記式(V-a)〜(V-d)で表される色素が好ましい。
【化18】
ただし、R11〜R15、R21〜R24、R31〜R33、およびR41〜R43はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アリール基または複素環基を表し、Y11、Y12、Y21、Y22、Y31〜Y35およびY41〜Y46はそれぞれ独立に酸素、硫黄、セレン、テルル、−CR1617−または−NR18−を表す。R16〜R18はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アリール基または複素環基を表す。Y23はO‐、S‐、Se‐、Te‐または−NR18‐を表す。
【0098】
11、V12、V21、V22、V31およびV41はそれぞれ独立に置換基を表し、n15、n31およびn41はそれぞれ独立に1〜6の整数を表す。式(V-a)〜(V-d)で表される化合物は、分子全体の電荷に応じて対イオンを有していてもよい。
【0099】
上記アルキル基、アリール基および複素環基は置換基を有していてもよく、またアルキル基は直鎖でも分岐鎖でもよく、さらにアリール基および複素環基は単環でも多環(縮合環、環集合)でもよい。
【0100】
以上のようなポリメチン色素の具体例は、M.Okawara,T. Kitao,T.Hirasima, M.Matuoka著のOrganic Colorants(Elsevier)等に詳しく記載されている。
【0101】
(3) 式(VI)により表される色素
【化19】
ただし、Qbは5員または6員の含窒素ヘテロ環を完成するために必要な原子団を表し、Qbは縮環していてもよく、また置換基を有していてもよい。
【0102】
bで完成される含窒素ヘテロ環の好ましい例としては、ベンゾチアゾール核、ベンゾオキサゾール核、ベンゾセレナゾール核、ベンゾテルラゾール核、2-キノリン核、4-キノリン核、ベンゾイミダゾール核、チアゾリン核、インドレニン核、オキサジアゾール核、チアゾール核、イミダゾール核が挙げられる、さらに好ましくはベンゾチアゾール核、ベンゾオキサゾール核、ベンズイミダゾール核、ベンゾセレナゾール核、2-キノリン核、4-キノリン核、インドレニン核であり、特に好ましくはベンゾチアゾール核、ベンゾオキサゾール核、2-キノリン核、4-キノリン核、インドレニン核である。含窒素ヘテロ環上の置換基としては、カルボン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、ハロゲン原子(F,Cl,Br,I)、シアノ基、アルコキシ基(メトキシ、エトキシ、メトキシエトキシ等)、アリーロキシ基(フェノキシ等)、アルキル基(メチル、エチル、シクロプロピル、シクロへキシル、トリフルオロメチル、メトキシエチル、アリル、ベンジル等)、アルキルチオ基(メチルチオ、エチルチオ等)、アルケニル基(ビニル、1-プロペニル等)、アリール基ないし複素環基(フェニル、チエニル、トルイル、クロロフェニル等)等が挙げられる。
【0103】
bは3〜9員環を完成するのに必要な原子団であって、炭素原子、酸素原子、窒素原子、硫黄原子および水素原子から選ばれる原子により構成される。Zbにより完成される環として好ましくは4〜6個の炭素により骨格が形成される環であり、より好ましくは以下の(ア)〜(オ)で表されるものであり、最も好ましくは(ア)である。
【0104】
【化20】
【0105】
1、L2、L3、L4およびL5はそれぞれ独立に置換基を有していてもよいメチン基を表す。置換基としては、置換または無置換のアルキル基(好ましくは炭素数1〜12、さらに好ましくは1〜7のものであり、例えばメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、シクロプロピル、ブチル、2-カルボキシエチル、ベンジル等)、置換または無置換のアリール基(好ましくは炭素数6ないし10、さらに好ましくは6ないし8のものであり、例えばフェニル、トルイル、クロロフェニル、o-カルボキシフェニル等)、複素環基(例えばピリジル、チエニル、フラニル、ピリジル、バルビツール酸等)、ハロゲン原子(例えば塩素、臭素)、アルコキシ基(例えばメトキシ、エトキシ等)、アミノ基(好ましくは炭素数1〜12、さらに好ましくは6〜12のものであり、例えばジフェニルアミノ、メチルフェニルアミノ、4-アセチルピペラジン-1-イル等)、オキソ基等が挙げられる。これらのメチン基上の置換基は互いに連結してシクロペンテン環、シクロヘキセン環、スクアリリウム環等の環を形成してもよく、あるいは助色団と環を形成しても良い。なお-L2=L3-の数を表すn51は0〜4の整数であり、好ましくは0〜3である。また -L4=L5-の数を表すn52は0または1である。
【0106】
5は置換基を表す。好ましい置換基は芳香族基(置換基を有してもよい)、または脂肪族基(置換基を有してもよい)であり、芳香族基の炭素数は好ましくは1〜16、さらに好ましくは5〜6である。脂肪族基の炭素数は好ましくは1〜10、さらに好ましくは1〜6である。無置換の脂肪族基および芳香族基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、フェニル基、ナフチル基等が挙げられる。
【0107】
1は電荷を中和させるのに対イオンが必要な場合の対イオンを表す。色素が陽イオンまたは陰イオンであるか、あるいは正味のイオン電荷を持つかどうかは、その助色団および置換基に依存する。置換基が解離性基を有する場合、解離して負電荷を有しても良く、この場合にも分子全体の電荷はW1により中和される。典型的な陽イオンは無機または有機のアンモニウムイオン(例えばテトラアルキルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン等)およびアルカリ金属イオンであり、一方、陰イオンは無機または有機の陰イオンのいずれであってもよく、例えばハロゲン陰イオン(例えばフッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン等)、置換アリールスルホン酸イオン(例えばp-トルエンスルホン酸イオン、p-クロロベンゼンスルホン酸イオン等)、アリールジスルホン酸イオン(例えば1,3-ベンゼンジスルホン酸イオン、1,5-ナフタレンジスルホン酸イオン、2,6-ナフタレンジスルホン酸イオン等)、アルキル硫酸イオン(例えばメチル硫酸イオン等)、硫酸イオン、チオシアン酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ピクリン酸イオン、酢酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン等が挙げられる。
【0108】
さらに電荷均衡対イオンとして、イオン性ポリマー、あるいは色素と逆電荷を有する他の色素を用いてもよいし、例えばビスベンゼン-1,2-ジチオラトニッケル(III)のような金属錯イオンを使用してもよい。
【0109】
(4) 式(VII)により表される色素
【化21】
【0110】
ただし、Dは少なくとも4官能以上の芳香族基を表し、X1、X2はそれぞれ硫黄原子、セレン原子またはCR6364(ただしR63およびR64はそれぞれ水素原子またはアルキル基である。)であって、同一でも異なっていも良く、好ましくは硫黄原子またはCR6364であり、より好ましくはCR6364である。またR61およびR62はそれぞれアルキル基または芳香族基を表し、P1およびP2はそれぞれ独立にポリメチン色素を形成するのに必要な非金属原子群を表す。W2は電荷を中和させるのに対イオンが必要な場合の対イオンを表す。
【0111】
少なくとも四官能以上の芳香族基Dの例としては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン等の芳香族炭化水素から誘導されるものや、アントラキノン、カルバゾール、ピリジン、キノリン、チオフェン、フラン、キサンテン、チアントレン等の芳香族へテロ環から誘導されるものが挙げられ、これらは連結部分以外に置換基を有していても良い。Dで表される芳香族基は好ましくは芳香族炭化水素の誘導基であり、さらに好ましくはベンゼンまたはナフタレンの誘導基である。
【0112】
1およびP2はそれぞれ独立にポリメチン色素を形成するのに必要な非金属原子群を表す。P1およびP2によりいかなるメチン色素を形成することも可能であるが、好ましくはシアニン色素、メロシアニン色素、ロダシアニン色素、3核メロシアニン色素、アロポーラー色素、ヘミシアニン色素、スチリル色素等が挙げられる。シアニン色素には色素を形成するメチン鎖上の置換基がスクアリウム環やクロコニウム環を形成したものも含まれる。これらの色素の詳細については、エフ・エム・ハーマー(F.M.Harmer)著の「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年刊、デー・エム・スターマー(D.M.Sturme r)著の「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-Special Topics in Heterocyclic Chemistry)」、第18章、第14節、482〜515頁等に記載されている。またシアニン色素、メロシアニン色素およびロダシアニン色素は、米国特許第5,340,694号,第21〜22頁の(XI), (XII), (XIII)に示されているものが好ましい。またP1およびP2により形成されるポリメチン色素の少なくともいずれか一方のメチン鎖部分にスクアリリウム環を有するものが好ましく、両方に有するものがさらに好ましい。
【0113】
61およびR62は芳香族基または脂肪族基であり、これらは置換基を有していてもよい。芳香族基の炭素原子数は好ましくは5〜16、さらに好ましくは5〜6である。脂肪族基の炭素原子数は好ましくは1〜10、さらに好ましくは1〜6である。無置換の脂肪族基、芳香族基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、フェニル基、ナフチル基等が挙げられる。
【0114】
61、R62、P1およびP2のうち少なくとも一つは酸性基を有するのが好ましい。ここで酸性基とは解離性のプロトンを有する置換基であり、例としてはカルボン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、ホウ酸基等が挙げられ、好ましくはカルボン酸基である。またこのような酸性基はプロトンを放出して解離した形を採っていても良い。なおW2は式(VI)のW1と同義である。
【0115】
式(IV)〜(VII)により表されるポリメチン色素の好ましい具体例を以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0116】
【化22】
【0117】
【化23】
【0118】
【化24】
【0119】
【化25】
【0120】
【化26】
【0121】
【化27】
【0122】
【化28】
【0123】
【化29】
【0124】
【化30】
【0125】
【化31】
【0126】
【化32】
【0127】
【化33】
【0128】
【化34】
【0129】
【化35】
【0130】
【化36】
【0131】
【化37】
【0132】
【化38】
【0133】
【化39】
【0134】
【化40】
【0135】
【化41】
【0136】
【化42】
【0137】
式(IV)および式(V)で表される化合物は、エフ・エム・ハーマー(F.M.Harmer)著の「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年刊、デー・エム・スターマー(D.M.Sturmer)著の「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-Special Topics in Heterocyclic Chemistry)」、第18章、第14節、第482〜515頁、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年刊、「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)」, 2nd.Ed. vol.IV, partB, 1977刊,第15章,第369〜422頁、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.)社刊、ニューヨーク、英国特許第1,077,611号等に記載の方法に基づいて合成することができる。
【0138】
式(VI)により表される化合物は、Dyes and Pigments,第21巻,227〜234頁等の記載を参考にして合成することができる。また式(VII)により表される化合物は、Ukrainskii Khimicheskii Zhurnal,第40巻,第3号,第253〜258頁、Dyes and Pigments,第21巻,第227〜234頁およびこれらの文献中に引用された文献の記載を参考にして合成することができる。
【0139】
(C) 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には、色素の溶液中に良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か、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。前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等が使用可能である。なお浸漬法の場合、錯体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。また後者の塗布方法としては、ワイヤーバー法、スライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等があり、印刷方法としては、凸版、オフセット、グラビア、スクリーン印刷等がある。溶媒は、色素の溶解性に応じて適宜選択できる。例えば、アルコール類(メタノール、エタノール、t-ブタノール、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)やこれらの混合溶媒が挙げられる。
【0140】
色素の溶液の粘度についても、半導体微粒子層の形成時と同様に、高粘度液(例えば0.01〜500Poise)ではエクストルージョン法の他に各種印刷法が適当であり、また低粘度液(例えば0.1Poise以下)ではスライドホッパー法、ワイヤーバー法またはスピン法が適当であり、いずれも均一な膜にすることが可能である。
【0141】
このように色素の塗布液の粘度、塗布量、導電性支持体、塗布速度等に応じて、適宜色素の吸着方法を選択すればよい。塗布後の色素吸着に要する時間は、量産化を考えた場合、なるべく短い方がよい。
【0142】
未吸着の色素の存在は素子性能の外乱になるため、吸着後速やかに洗浄により除去するのが好ましい。湿式洗浄槽を使い、アセトニトリル等の極性溶剤、アルコール系溶剤のような有機溶媒で洗浄を行うのが好ましい。また色素の吸着量を増大させるため、吸着前に加熱処理を行うのが好ましい。加熱処理後、半導体微粒子表面に水が吸着するのを避けるため、常温に戻さずに40〜80℃の間で素早く色素を吸着させるのが好ましい。
【0143】
色素の全使用量は、導電性支持体の単位表面積(1m2)当たり0.01〜100mmolが好ましい。また色素の半導体微粒子に対する吸着量は、半導体微粒子の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、半導体における増感効果が十分に得られる。これに対し、色素が少なすぎると増感効果が不十分となり、また色素が多すぎると、半導体に付着していない色素が浮遊し、増感効果を低減させる原因となる。
【0144】
会合のような色素同士の相互作用を低減する目的で、無色の化合物を半導体微粒子に共吸着させてもよい。共吸着させる疎水性化合物としてはカルボキシル基を有するステロイド化合物(例えばケノデオキシコール酸)等が挙げられる。また紫外線吸収剤を併用することもできる。
【0145】
余分な色素の除去を促進する目的で、色素を吸着した後にアミン類を用いて半導体微粒子の表面を処理してもよい。好ましいアミン類としてはピリジン、4-tert-ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。これらが液体の場合はそのまま用いてもよいし、有機溶媒に溶解して用いてもよい。
【0146】
(III)導電性支持体
導電性支持体としては、金属のように支持体そのものに導電性があるものか、図1に示すように感光層側に導電剤を含む導電層12を有するガラスまたはプラスチック製の基板11を使用することができる。後者の場合、好ましい導電剤としては金属(例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等)、炭素、または導電性金属酸化物(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0.02〜10μm程度が好ましい。
【0147】
導電性支持体は表面抵抗が低い程よい。好ましい表面抵抗の範囲は100Ω/□以下であり、さらに好ましくは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。
【0148】
導電性支持体側から光を照射する場合には、導電性支持体は光電気化学的に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し、50%以上であるのが好ましく、70%以上が特に好ましい。透明導電性支持体としては、ガラスまたはプラスチック等の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または蒸着等により形成したものが好ましい。なかでもフッ素をドーピングした二酸化スズからなる導電層を低コストのソーダ石灰フロートガラスでできた透明基板上に堆積した導電性ガラスが好ましい。また低コストでフレキシブルな光電変換素子または太陽電池とするには、透明ポリマーフィルムに導電層を設けたものを用いるのがよい。透明ポリマーフィルムには、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)、シンジオクタチックポリステレン(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等がある。十分な透明性を確保するために、導電性金属酸化物の塗布量はガラスまたはプラスチックの支持体1m2当たり0.01〜100gとするのが好ましい。
【0149】
透明導電性支持体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。金属リードの材質はアルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル等の金属が好ましく、特にアルミニウムおよび銀が好ましい。金属リードは透明基板に蒸着、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、またはITO膜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のも好ましい。金属リード設置による入射光量の低下は10%以内、より好ましくは1〜5%である。
【0150】
(IV)対極
対極は、光電変換素子を光電気化学電池としたとき、光電気化学電池の正極として作用するものである。対極としては、通常導電性支持体と同様に導電層を有する基板を用いることもできるが、強度や密封性が十分に保たれるような金属板を使用すれば、基板は必ずしも必要でない。対極に用いる導電材としては、金属(例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等)、炭素、または導電性金属酸化物(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。好ましい対極の例は、ガラスまたはプラスチックに塗布または蒸着した金属または導電性金属酸化物の薄膜である。対極の厚さは特に制限されないが、3nm〜10μmが好ましい。導電層が金属製である場合は、その厚さは好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは5nm〜3μmの範囲である。
【0151】
導電性支持体と対極のいずれか一方または両方から光を照射して良いので、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良い。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。このような対極としては、金属または導電性の酸化物を蒸着したガラスまたはプラスチック、あるいは金属薄膜を使用できる。
【0152】
対極を設ける手順としては、(イ)電荷移動層を形成した後でその上に設ける場合と、(ロ)色素増感半導体微粒子の層の上にスペーサーを介して対極を配置した後でその空隙に電解質溶液を充填し、架橋する場合の2通りある。(イ)の場合、電荷移動層上に直接導電材を塗布、メッキまたは蒸着(PVD、CVD)するか、導電層を有する基板の導電層側を貼り付ける。また(ロ)の場合、色素増感半導体微粒子層の上にスペーサーを介して対極を組み立てて固定し、得られた組立体の開放端を電解質溶液に浸漬し、毛細管現象または減圧を利用して色素増感半導体微粒子層と対極との空隙に電解質溶液を浸透させ、次いで加熱により架橋させる。
【0153】
(V)その他の層
電極として作用する導電性支持体および対極の一方または両方に、保護層、反射防止膜等の機能性層を設けても良い。このような機能性層を多層に形成する場合、同時多層塗布法や逐次塗布法を利用できるが、生産性の観点からは同時多層塗布法が好ましい。同時多層塗布法では、生産性および塗膜の均一性を考えた場合、スライドホッパー法やエクストルージョン法が適している。これらの機能性層の形成には、その材質に応じて蒸着法や貼り付け法等を用いることができる。
【0154】
[3] 光電気化学電池
光電気化学電池は、上記光電変換素子に外部回路で仕事をさせるようにしたものである。光電気化学電池は構成物の劣化や内容物の揮散を防止するために、側面をポリマーや接着剤等で密封するのが好ましい。導電性支持体および対極にリードを介して接続される外部回路自体は公知のもので良い。
【0155】
【実施例】
本発明を以下の実施例および比較例によりさらに詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0156】
1.二酸化チタン分散液の調製
内側をテフロンコーティングした内容積200mlのステンレス製容器に二酸化チタン微粒子(日本アエロジル(株)製,Degussa P-25)15g、水45g、分散剤(アルドリッチ社製、Triron X-100)1g、直径0.5mmのジルコニアビーズ(ニッカトー社製)30gを入れ、サンドグラインダーミル(アイメックス社製)を用いて1500rpmで2時間分散処理した。得られた分散液からジルコニアビーズを濾別した。得られた分散液中の二酸化チタン微粒子の平均粒径は2.5μm であった。なお粒径はMALVERN社製のマスターサイザーにより測定した。
【0157】
2.色素を吸着したTiO2微粒子層(電極A)の作製
フッ素をドープした酸化スズを被覆した20mm×20mmの導電性ガラス板(旭ガラス(株)製,TCOガラス-U,表面抵抗:約30Ω/□)を準備し、その導電層側の両端(端から3mmの幅の部分)にスペーサー用粘着テープを張った後で、導電層上にガラス棒を用いて上記分散液を塗布した。分散液の塗布後、粘着テープを剥離し、室温で1日間風乾した。次にこの半導体塗布ガラス板を電気炉(ヤマト科学(株)製マッフル炉FP-32型)に入れ、450℃で30分間焼成した。半導体塗布ガラス板を取り出し冷却した後、表1に示す色素のエタノール溶液(濃度:3×10-4mol/L)に3時間浸漬した。色素が吸着した半導体塗布ガラス板を4-tert-ブチルピリジンに15分間浸漬した後、エタノールで洗浄し、自然乾燥させた。このようにして得られた色素増感TiO2微粒子層の厚さは10μm であり、TiO2微粒子の塗布量は20g/m2であった。また色素の吸着量は、その種類に応じて0.1〜10mmol/m2の範囲内であった。
【0158】
3.光電気化学電池の作製
表1に示す溶媒を使用して、0.5mol/Lの電解質塩および0.05mol/Lのヨウ素を含んだ溶液を調製した。この溶液に表1に記載の重量組成比(溶媒+窒素含有高分子化合物+塩を100wt%とした場合の重量組成比)で窒素含有高分子化合物(1-1)を加え、さらに表1に記載のモル比(窒素含有高分子化合物の反応性窒素原子に対する求電子部位のモル比)で求電子剤(2-6)を混合し、均一な反応溶液とした。
【0159】
一方、導電性ガラス板上に形成された色素増感TiO2微粒子層の上にスペーサーを介して白金を蒸着したガラス板からなる対極の白金薄膜側を載置し、導電性ガラス板と白金蒸着ガラス板とを固定した。得られた組立体の開放端を上記電解質溶液に浸漬し、毛細管現象により色素増感TiO2微粒子層中に反応溶液を浸透させた。次いで80℃で30分間加熱して、架橋反応を行った。このようにして、図2に示す通り、導電性ガラス板10の導電層12上に、色素増感TiO2微粒子層20、電解質層30、および白金薄膜42およびガラス板41からなる対極40が順に積層された本発明の光電気化学電池(サンプルNo.1)を得た。
【0160】
また色素と電解質組成物の組成の組み合わせを表1に示すように変更した以外上記工程を繰り返すことにより、異なる感光層20および/または電荷移動層30を有する本発明の光電気化学電池(サンプルNo.2〜15)を得た。
【0161】
【表1】
注:(1) 色素の記号は上記[2](II)(B)の色素の欄に記載のものと同じ。
(2) 窒素含有高分子の記号は上記[1](A)の窒素含有高分子化合物の欄に記載のものと同じ。
(3)電解質塩
MHIm:1-メチル-3-ヘキシルイミダゾリウムのヨウ素塩
MBIm:1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムのヨウ素塩
(4) 溶媒
AN:アセトニトリル。
PC:プロピレンカーボネート。
NMO:3-メチル-2-オキサゾリジノン。
(5) 求電子剤の記号は上記[1](B)の求電子剤の欄に記載のものと同じ。
【0162】
4.比較用光電気化学電池A、Bの作製
(1) 比較用光電気化学電池A
前述のようにして色素R-1により色素増感されたTiO2微粒子層からなる電極A(20mm×20mm)を同じ大きさの白金蒸着ガラス板にスペーサーを介して重ねあわせた。次に両ガラス板の隙間に毛細管現象を利用して電解液(アセトニトリルと3-メチル-2-オキサゾリジノンとの体積比90/10の混合物を溶媒としたヨウ素0.05mol/L、ヨウ化リチウム0.5mol/Lの溶液)を浸透させて、比較用光電気化学電池Aを作成した。
【0163】
(2)比較用光電気化学電池B(特開平9-27352号に記載の電解質)
前述のようにして色素R-1により色素増感されたTiO2微粒子層からなる電極A(20mm×20mm)上に、電解液を塗布し、含浸させた。なお電解液は、ヘキサエチレングリコールメタクリル酸エステル(日本油脂化学(株)製,ブレンマーPE-350)1gと、エチレングリコール1gと、重合開始剤として2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-プロバン-1-オン(日本チバガイギー(株)製,ダロキュア1173)20mgを含有した混合液に、ヨウ化リチウム500mgを溶解し10分間真空脱気することにより得た。次に前記混合溶液を含浸させた多孔性TiO2層を減圧下に置くことにより、多孔性TiO2層中の気泡を除き、モノマーの浸透を促した後、紫外光照射により重合して高分子化合物の均一なゲルを多孔性TiO2層の微細空孔内に充填した。このようにして得られたものをヨウ素雰囲気に30分間曝して、高分子化合物中にヨウ素を拡散させた後、白金蒸着ガラス板を重ね合わせ、比較用光電気化学電池Bを得た。
【0164】
5.光電変換効率の測定
500Wのキセノンランプ(ウシオ電機(株)製)の光をAM1.5フィルター(Oriel社製)およびシャープカットフィルター(Kenko L-42)を通すことにより、紫外線を含まない模擬太陽光とした。光強度は89mW/cm2に調整した。
【0165】
前述の光電気化学電池の導電性ガラス板10と白金蒸着ガラス板40にそれぞれワニ口クリップを接続し、各ワニ口クリップを電流電圧測定装置(ケースレーSMU238型)に接続した。これに導電性ガラス板10側から模擬太陽光を照射し、発生した電気を電流電圧測定装置により測定した。これにより求められた光電気化学電池の開放電圧(Voc)、短絡電流密度(Jsc)、形状因子(FF)、変換効率(η)、および360時間連続照射時の短絡電流密度および短絡電流密度の低下率をまとめて表2に示す。
【0166】
【表2】
【0167】
比較用光電気化学電池Aと比べ、本発明の光電気化学電池では光電変換特性の劣化が少ないことがわかる。また、比較用光電気化学電池Bと比べ本発明の光電気化学電池では短絡電流密度が大きく、光電変換特性に優れていることが明らかである。
【0168】
【発明の効果】
本発明により、耐久性および電荷輸送能に優れた電解質組成物を提供できる。また、この電解質組成物を用いた光電変換特性に優れ、経時での特性劣化が少ない光電変換素子および光電気化学電池を提供できる。
【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】 本発明の好ましい他の実施例による光電気化学電池の構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
10・・・導電性支持体
11・・・基板
12・・・導電層
20・・・感光層
21・・・半導体微粒子
22・・・色素
30・・・電解質層
40・・・対極
41・・・基板
42・・・導電層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrolyte composition suitable for use in an electrochemical element such as a battery, a capacitor, a sensor, a display element, and a recording element, and a photoelectric conversion element and a photoelectric element using the electrolyte composition and a semiconductor photosensitive agent. It relates to chemical batteries.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, liquid electrolytes have been used as electrolytes for electrochemical elements such as batteries, capacitors, sensors, display elements, and recording elements. However, the liquid electrolyte may be leaked during long-term use and storage, and lacks reliability.
[0003]
For example, Nature (Vol. 353, pages 737 to 740, 1991) and US Pat. No. 4927721 are photoelectric conversion elements using semiconductor particles sensitized with a dye (hereinafter referred to as “dye-sensitized photoelectric conversion element”) and Although the photoelectrochemical cell using this is disclosed, since the liquid electrolyte is also used in the charge transport layer in these, the electrolyte solution leaks or is exhausted by long-term use, and the photoelectric conversion efficiency is remarkably lowered. There is a concern that it will not function as an element.
[0004]
In order to overcome such drawbacks, International Patent No. 93/20565 proposes a photoelectric conversion element using a solid electrolyte, and also disclosed in JP-A-7-2881142, Solid State Ionics, 89, 263 (1986) and Kaihei 9-27352 proposes a photoelectric conversion element solidified using a crosslinked polyethylene oxide polymer solid electrolyte. However, it has been found that photoelectric conversion elements using these solid electrolytes are not only at an insufficient level of photoelectric conversion characteristics, particularly short-circuit current density, but also at an insufficient level of durability.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrolyte composition excellent in light durability and charge transport ability that solves the conventional problems. Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion characteristics and durability due to the use of this electrolyte composition, and a photoelectrochemical cell having such a photoelectric conversion element.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of diligent research in view of the above object, the present inventor has obtained the following formula (II)
[Chemical formula 2]
(However, R1Is a hydrogen atom orMethyl groupWhere L is-COO-, -OCO-, -CON (R 2 )-Or -N (R Three ) CO- or a linking group obtained by combining one or more of these groups with one or more divalent groups selected from an alkylene group, an arylene group and -O- (provided that R 2 And R Three Is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. )Z representsPyridine ring or imidazole ringE represents a group derived from a compound containing an ethylenically unsaturated group, x and y represent a weight composition ratio of repeating units, x is 5 to 100% by weight, and y is 0 to 95% by weight. It is. And a polymer compound represented byAlkyl halides or aralkyl halides having 2-4 functionalities as electrophilesIt was discovered that an electrolyte composition excellent in durability and charge transportability can be obtained by using a cross-linked polymer obtained by reacting with the present invention.
[0007]
The photoelectric conversion device of the present invention is characterized in that a conductive support, a photosensitive layer, a charge transfer layer, and a counter electrode are laminated in this order, and the charge transfer layer contains the above electrolyte composition.
[0008]
Furthermore, the photoelectrochemical cell of the present invention has the above-described photoelectric conversion element.
[0009]
Moreover, by satisfying the following conditions, an electrolyte composition, a photoelectric conversion element, and a photoelectrochemical cell having further excellent photoelectric conversion characteristics and durability can be obtained.(1) Formula (II)Is preferably obtained by reacting in a solvent in which a salt is dissolved.(2) In the photoelectric conversion element, the charge transfer layer isThe electrolyte compositionIs preferably included.(3)In the above photoelectric conversion element, the photosensitive layer is preferably composed of semiconductor fine particles sensitized with a dye and an electrolyte composition filled in a gap between the dye-sensitized semiconductor fine particles. The semiconductor fine particles are preferably titanium dioxide fine particles. The dye is preferably a metal complex dye, a phthalocyanine dye or a polymethine dye.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The photoelectric conversion element and the photoelectrochemical cell of the present invention comprise an electrolyte composition comprising a cross-linked polymer obtained by a reaction of a pendant polymer compound having a nitrogen-containing heterocycle at a side chain end and an electrophile for the nitrogen atom. It is characterized by using. Thereby, it is possible to obtain a photoelectric conversion element and a photoelectrochemical cell which are excellent in photoelectric conversion characteristics and prevent deterioration of characteristics over time.
[0011]
[1] Electrolyte composition
Electrolyte compositionIncludes a cross-linked polymer obtained by the reaction of (A) a nitrogen-containing polymer compound and (B) an electrophile. Hereinafter, these compounds and reaction conditions will be described in detail.
[0012]
(A) Nitrogen-containing polymer compound
In nitrogen-containing polymer compoundsNitrogen-containing heterocyclic groupThe nitrogen atom is alkylated or quaternized with an electrophile to form a crosslinked polymer. Nitrogen-containing polymer is a side chain terminalNitrogen-containing heterocyclic groupIs a pendant type polymer compound having the following formula (I).
[Chemical 3]
(However, R1Represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, L represents a divalent linking group, Z represents a nitrogen-containing heterocyclic group, and E represents a compound containing an ethylenically unsaturated group. X and y represent the weight composition ratio of the repeating unit, x is 5 to 100% by weight, and y is 0 to 95% by weight. )
[0013]
The nitrogen-containing heterocyclic ring in the nitrogen-containing heterocyclic group represented by Z may be an unsaturated ring or a saturated ring, and may have an atom other than a nitrogen atom. Examples of the unsaturated heterocyclic ring include a pyridine ring, an imidazole ring, a thiazole ring, an oxazole ring, and a triazole ring. Examples of saturated heterocycles include morpholine ring, piperidine ring, piperazine ring and the like. Preferred nitrogen-containing heterocycles are unsaturated heterocycles, more preferably pyridine rings or imidazole rings. These are preferably unsubstituted, but may be substituted with an alkyl group such as a methyl group.
[0014]
R1Represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. R1Is preferably a hydrogen atom or a methyl group.
[0015]
The linking group L may be any divalent linking group having at least one atom selected from the group consisting of C, O, N and S, but —COO—, —OCO—, —CON (R2)-Or -N (RThreeCO- or a linking group obtained by combining one or more of these groups with one or more divalent groups selected from an alkylene group, an arylene group and -O- is preferred. However, R2And RThreeIs a hydrogen atom or a lower alkyl group, preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. Here, an alkylene group or an arylene group is a halogen atom (for example, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, iodine atom), hydroxyl group, amino group, nitro group, carboxy group, carbamoyl group, sulfonic acid group, sulfonamide group, acyl Group (for example, formyl group, acetyl group), acyloxy group, acylamino group (for example, acetamido group, benzamide group), alkyl group, alkoxy group (for example, methoxy group, ethoxy group, methoxyethoxy group), acoxycarbonyl group, alkylsulfonyl May have a substituent such as a group, an aryl group, an aryloxy group (for example, phenoxy), and an arylsulfonyl group.
[0016]
Of these, -COO-, -COO- (CH2CH2O)n-(N is an integer from 1 to 30), -COO- (CThreeH6O)n-(N is an integer from 1 to 30), -COO- (CH2)n-(N is an integer from 1 to 10), -COO- (CH2)n-OCO- (n is an integer from 1 to 10), -COO- (CH2)m-OCO- (CH2)n-(M and n are integers from 1 to 10), -COO- (CH2CH2O)n-CO- (n is an integer from 1 to 30), -COO- (CH2CH2O)m-CO- (CH2)n-(M is an integer from 1 to 30, n is an integer from 1 to 10), -COO- (CThreeH6O)n-CO- (n is an integer from 1 to 30), -COO- (CThreeH6O)m-CO- (CH2)n-(M is an integer from 1 to 30, n is an integer from 1 to 10), -CONH-, -CON (CHThree)-, -CONH- (CH2)n-(N is an integer from 1 to 10), -CONH- (CH2)Three-O- (CH2CH2O)n-(CH2)Three-NHCO- (n is an integer from 1 to 30), -CONH-CThreeH6-O- (CH2CH2O)n-CThreeH6-NHCO- (n is an integer from 1 to 30), -CONH-CThreeH6-O- (CThreeH6O)n-CThreeH6-NHCO- (n is an integer from 1 to 30), -COO- (CH2)n-O-COO- (n is an integer from 1 to 10), -COO- (CH2)n-NHCO- (n is an integer from 1 to 10), -OCO-, -OCO- (CH2)n-(N is an integer from 1 to 10), -O-COO- (CH2)n-(N is an integer from 1 to 10), -NHCO- (CH2)n-(N is an integer from 1 to 10), -NHCO- (CH2)n-CONH- (n is an integer from 1 to 10), -NHCO- (CH2)m-CONH- (CH2)n-(M and n are integers from 1 to 10) or -NHCO-O- (CH2)n-OCO- (n is an integer from 1 to 10) is particularly preferred.
[0017]
E represents a repeating unit derived from a compound containing an ethylenically unsaturated group. Preferable examples of the compound having an ethylenically unsaturated group for deriving the repeating unit represented by E include esters or amides derived from acrylic acid or α-alkylacrylic acid (for example, methacrylic acid) (for example, N-iso-propylacrylamide, Nn-butylacrylamide, Nt-butylacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N-methylmethacrylamide, acrylamide, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, acrylamidopropyltrimethylammonium chloride, methacryl Amides, diacetone acrylamide, N-methylol acrylamide, N-methylol methacrylamide, methyl acrylate, ethyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, n-propyl acrylate, iso-propyl acrylate 2-hydroxypropyl acrylate, 2-methyl-2-nitropropyl acrylate, n-butyl acrylate, iso-butyl acrylate, t-butyl acrylate, t-pentyl acrylate, 2-methoxyethyl acrylate, 2-ethoxyethyl acrylate, 2 -Methoxyethoxyethyl acrylate, 2,2,2-trifluoroethyl acrylate, 2,2-dimethylbutyl acrylate, 3-methoxybutyl acrylate, ethyl carbitol acrylate, phenoxyethyl acrylate, n-pentyl acrylate, 3-pentyl acrylate, Octafluoropentyl acrylate, n-hexyl acrylate, cyclohexyl acrylate, cyclopentyl acrylate, cetyl acrylate, benzyl acrylate, n-octyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate 4-methyl-2-propylpentyl acrylate, heptadecafluorodecyl acrylate, n-octadecyl acrylate, methyl methacrylate, 2-methoxyethoxyethyl methacrylate, ethylene glycol ethyl carbonate methacrylate, 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate , Tetraglutoropropyl methacrylate, hexafluoropropyl methacrylate, hydroxyethyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, t-butyl methacrylate, t-pentyl methacrylate, 2-methoxyethyl methacrylate, 2- Ethoxyethyl methacrylate, benzyl methacrylate, heptadecafluorodecyl methacrylate, n-octadecyl methacrylate, 2-isobo Nyl methacrylate, 2-norbornylmethyl methacrylate, 5-norbornen-2-ylmethyl methacrylate, 3-methyl-2-norbornylmethyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, etc.), vinyl esters (for example, vinyl acetate, etc.), Esters derived from maleic acid or fumaric acid (dimethyl maleate, dibutyl maleate, diethyl fumarate, etc.), maleic acid, fumaric acid, sodium salt of p-styrenesulfonic acid, acrylonitrile, methacrylonitrile, dienes ( For example, butadiene, cyclopentadiene, isoprene, etc.), aromatic vinyl compounds (eg, styrene, p-chlorostyrene, t-butylstyrene, α-methylstyrene, sodium styrenesulfonate), N-vinylformamide, N-vinyl -N-Mech Formamide, N-vinylacetamide, N-vinyl-N-methylacetamide, vinyl sulfonic acid, sodium vinyl sulfonate, sodium allyl sulfonate, sodium methallyl sulfonate, vinylidene fluoride, vinylidene chloride, vinyl alkyl ethers (for example, Methyl vinyl ether), ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, N-phenylmaleimide and the like.
[0018]
As compounds having an ethylenically unsaturated group other than the above, those described in Research Disclosure No. 1995 (1980, July) can be used.
[0019]
x and y represent the weight composition ratio of the repeating unit derived from a compound containing a nitrogen-containing heterocyclic group Z and a compound containing an ethylenically unsaturated group, respectively, x is 5 to 100% by weight, and y is 0 -95 wt% is preferred. More preferably, x is 10 to 95% by weight and y is 5 to 90% by weight. The repeating unit containing Z and the structural unit having an ethylenically unsaturated group may be used in combination of two or more.
[0020]
The weight average molecular weight of the nitrogen-containing polymer compound is preferably 1,000,000 to 1,000,000. More preferably, it is 2000-100,000.
[0021]
Preferred specific examples of the nitrogen-containing polymer compound represented by the formula (I) are shown below, but the present invention is not limited thereto.
[0022]
[Formula 4]
[0023]
[Chemical formula 5]
[0024]
[Chemical 6]
[0025]
[Chemical 7]
[0026]
[Chemical 8]
[0027]
Nitrogen-containing polymer compounds represented by formula (I) are written by Takayuki Otsu and Masaaki Kinoshita: Experimental methods for polymer synthesis (Chemical Doujin) and Takatsu Otsu: Lecture Polymerization Reaction Theory 1 Radical Polymerization (1) (Chemical Doujin) ) Can be synthesized by radical polymerization, which is a general polymer synthesis method described in (1). The nitrogen-containing polymer compound can be radically polymerized by heating, light, electron beam, or electrochemically, but is particularly preferably radically polymerized by heating. Polymerization initiators preferably used when formed by heating are, for example, 2,2-azobisisobutyronitrile, 2,2-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2,2-azobis (2-methylpropionate), azo initiators such as dimethyl 2,2-azobisisobutyrate, peroxide initiators such as lauryl peroxide, benzoyl peroxide, tert-butyl peroctoate, etc. is there.
[0028]
(B) Electrophile
The electrophile to be reacted with the nitrogen-containing polymer is not particularly limited as long as it is a bifunctional or higher functional compound capable of electrophilic reaction with a nitrogen atom. For example, a bifunctional or higher alkyl halide or halogenated Examples include aralkyl, sulfonic acid ester, acid anhydride, acid chloride, and isocyanate. Of these, alkyl halides, halogenated aralkyls or sulfonic acid esters are more preferred, alkyl halides or halogenated aralkyls are particularly preferred, and alkyl halides are most preferred. The most preferable embodiment is one having an ether bond in the alkylene chain of a bifunctional or higher alkyl halide and a halogenated aralkyl.
[0029]
Examples of the bifunctional or higher functional alkyl halide (aralkyl) include alkyl iodide (aralkyl), alkyl bromide (aralkyl), alkyl chloride (aralkyl) and the like. Of these, alkyl iodide (aralkyl) and alkyl bromide (aralkyl) are preferable, and alkyl iodide (aralkyl) is particularly preferable.
[0030]
Examples of the sulfonic acid ester include alkyl sulfonic acid esters such as methane sulfonic acid ester and trifluoromethane sulfonic acid ester, and aryl sulfonic acid esters such as p-toluene sulfonic acid ester.
[0031]
The number of sites capable of reacting with the nitrogen atom of these bifunctional or higher electrophiles is preferably 2 to 10, more preferably 2 to 5, and particularly preferably 2 to 4.
[0032]
Although the preferable specific example of an electrophile is shown below, this invention is not limited to these.
[0033]
[Chemical 9]
[0034]
Embedded image
[0035]
Embedded image
[0036]
(C) Cross-linking reaction
Electrolyte compositionThe crosslinked polymer used for the formula (I)Or formula (II)It is obtained by a crosslinking reaction between a nitrogen atom of the nitrogen-containing polymer compound represented by The cross-linking reaction is preferably performed in a state in which a salt is present in addition to the nitrogen-containing polymer compound and the electrophile. In the electrolyte composition of the present invention, a salt is essential as an electrolyte. A salt may be added after crosslinking, but in this case, it is difficult to uniformly disperse the salt in the crosslinked polymer, which is not preferable.
[0037]
The reaction solution includes (i) a nitrogen-containing polymer compound, an electrophile, a salt dissolved in a solvent, or (ii) monomers constituting the nitrogen-containing polymer compound, a polymerization initiator, an electrophile, and a salt. Can be used, but it is preferable to use (i).
[0038]
As salt, (a) I2And iodide (LiI, NaI, KI, CsI, CaI2(B) Br in combination with a metal iodide such as tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, quaternary ammonium compounds such as imidazolium iodide, etc.2And bromide (LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr2(C) Metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, etc., in combination with metal bromides such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide, etc. (D) Sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol-alkyldisulfides, (e) viologen dyes, hydroquinone-quinones and the like can be used. Above all, I2An electrolyte in which LiI, a pyridinium iodide, an iodine salt of a quaternary ammonium compound such as imidazolium iodide is combined is preferable. You may mix and use the said salt. Further, a salt in a molten state at room temperature described in EP718288, WO95 / 18456, J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 10, 3099 (1996), Inorg. Chem., 35, 1168-1178 (1996) (Molten salt) can also be used. When using a molten salt as an electrolyte, the solvent may not be used.
[0039]
As the solvent, it is desirable to use a compound that can exhibit excellent ionic conductivity because it has low viscosity and high ion mobility, or has a high dielectric constant and increases effective carrier concentration, or both. Examples of such solvents include the following.
[0040]
(a) Carbonates
For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dipropyl carbonate and the like are preferable.
[0041]
(b) Lactones
For example, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, crotolactone, γ-caprolactone, δ-valerolactone and the like are preferable.
[0042]
(c) Ethers
For example, ethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, trimethoxymethane, ethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether, 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane and the like are preferable.
[0043]
(d) Alcohols
For example, methanol, ethanol, ethylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether and the like are preferable.
[0044]
(e) Glycols
For example, ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin and the like are preferable.
[0045]
(f) Glycol ethers
For example, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether and the like are preferable.
[0046]
(g) Tetrahydrofurans
For example, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and the like are preferable.
[0047]
(h) Nitriles
For example, acetonitrile, glutarodinitrile, propionitrile, methoxyacetonitrile, benzonitrile and the like are preferable.
[0048]
(i) Carboxylic acid esters
For example, methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate and the like are preferable.
[0049]
(j) Phosphoric acid triesters
For example, trimethyl phosphate and triethyl phosphate are preferable.
[0050]
(k) Heterocyclic compounds
For example, N-methylpyrrolidone, 4-methyl-1,3-dioxane, 2-methyl-1,3-dioxolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-propane sultone, sulfolane, etc.
preferable.
[0051]
(l) Other
Preferred are aprotic organic solvents such as dimethyl sulfoxide, formamide, N, N-dimethylformamide, nitromethane, and water.
[0052]
Of these, carbonate-based solvents, nitrile-based solvents, and heterocyclic compound-based solvents are preferable. These solvents may be used as a mixture of two or more if necessary.
[0053]
The concentration of the nitrogen-containing polymer compound in the reaction solution is preferably 1 to 80% by weight, more preferably 3 to 70% by weight, with [solvent + nitrogen-containing polymer compound + salt] being 100% by weight. If the nitrogen-containing polymer compound is less than 1% by weight, the strength is insufficient, and if it exceeds 80% by weight, the mobility of the carrier decreases, which is not preferable. The nitrogen-containing polymer compound may be used alone or in combination of two or more.
[0054]
The concentration of the electrophile in the reaction solution is preferably set so that the molar ratio of the electrophilic site to the number of moles of the reactive nitrogen atom in the nitrogen-containing polymer compound is 0.02 to 2, more preferably 0.05. ~ 1.5. In addition, an electrophile may be used independently or may use 2 or more types together.
[0055]
The salt concentration in the reaction solution is preferably 0.05 to 2 mol / L, more preferably 0.1 to 1.5 mol / L. AlsoElectrolyte compositionIt is also possible to add iodine (bromine in the case of a bromine salt) to form a redox couple in advance, but in this case, the preferred concentration of iodine or bromine is 0.01 to 0.3 mol / L.
[0056]
Electrolyte compositionThe proportion of the cross-linked polymer is preferably 2 to 80% by weight.
[0057]
Electrolyte compositionThe electrolyte layer can be produced by forming a reaction solution layer on the electrode by a casting method, a coating method, a dipping method, an impregnation method, an infiltration method, etc., and then crosslinking by a heating reaction.
[0058]
When an electrolyte layer is formed by a coating method, spin a homogeneous solution prepared by adding additives such as a leveling agent to a coating solution consisting of a nitrogen-containing polymer, electrophile, and a salt-dissolved solvent. Coating method, dip coating method, air knife coating method, curtain coating method, roller coating method, wire bar coating method, gravure coating method, or extrusion coating method using a hopper described in US Pat. No. 2681294, or a US patent It is applied by a method such as the multilayer simultaneous application method described in Nos. 2761418, 3508947, and 2771191, and then heated to be crosslinked. The heating temperature is appropriately selected depending on the heat-resistant temperature of the dye, etc., but is preferably 10 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. Further, the heating time is about 5 minutes to 72 hours although it depends on the heating temperature and the like.
[0059]
When iodine or the like is introduced into the electrolyte composition to form a redox couple, in addition to the electrolyte solution described above, after formation of the electrolyte layer, this is placed in a sealed container together with iodine and the like in the electrolyte composition. It can be introduced by a diffusion method or the like. In addition, iodine or the like can be introduced into the electrolyte layer when a photoelectric conversion element used as a photoelectrochemical cell is assembled by a method of applying or vapor-depositing to a counter electrode described later.
[0060]
[2] photoelectric conversion elements
Photoelectric conversion elementIs formed by laminating a conductive support, a photosensitive layer, a charge transfer layer containing the above-described electrolyte composition, and a counter electrode in this order. Preferably, as shown in FIG. 1, a conductive support 10, a photosensitive layer 20, a charge transfer layer 30 and a counter electrode 40 are laminated in this order, and the conductive support layer 10 is composed of a substrate 11 and a conductive layer 12. The photosensitive layer 20 is composed of semiconductor fine particles 21 sensitized by the dye 22 and the electrolyte composition 30 filled in the gaps between the semiconductor fine particles 21. As shown in FIG. 2, a substrate 41 on which a conductive layer 42 is formed may be used as the counter electrode 40. At the boundary of each layer (for example, the boundary between the conductive layer 12 and the photosensitive layer 20 of the conductive support, the boundary between the photosensitive layer 20 and the charge transfer layer 30, the boundary between the charge transfer layer 30 and the counter electrode 40, etc.) These components may be diffusively mixed with each other. The composition and structure of each layer will be described in detail below.
[0061]
(I) Charge transfer layer
The charge transfer layer is a layer having a function of replenishing electrons to the oxidant of the dye in the photosensitive layer. In charge transfer layerAboveAlthough an electrolyte composition is used, a solid electrolyte or a hole transport material can be used in combination.
[0062]
In order to form the charge transfer layer, as described above, an electrolyte solution may be applied on the photosensitive layer by a casting method, a coating method, a dipping method, an impregnation method or the like, and then crosslinked by a heating reaction. According to a preferred embodiment, as shown in FIG. 1, a solution containing more electrolyte than the amount that completely fills the voids in the photosensitive layer 20 is applied, so that the resulting electrolyte layer is substantially conductive on the conductive support. It can be said that it exists between the boundary with the layer 12 and the boundary with the counter electrode 40. Here, when the electrolyte layer existing between the boundary with the photosensitive layer 20 containing the dye-sensitized semiconductor and the boundary with the counter electrode 40 is the charge transfer layer 30, its thickness is preferably 0.001 to 200 μm, and 0.1 to 100 μm. More preferred. If the charge transfer layer 30 is thinner than 0.001 μm, the semiconductor fine particles 21 in the photosensitive layer may come into contact with the counter electrode 40. If the charge transfer layer 30 is thicker than 200 μm, the charge transfer distance becomes too long and the resistance of the device increases. The thickness of the photosensitive layer 20 + charge transfer layer 30 (substantially equal to the thickness of the electrolyte composition) is preferably 0.1 to 300 μm, more preferably 1 to 130 μm.
[0063]
(II) Photosensitive layer
The photosensitive layer is a layer having a semiconductor, and the semiconductor absorbs light and performs charge separation to generate electrons and holes. As shown in FIG. 1, the photosensitive layer is preferably a layer 20 having a structure in which the voids in the layer of the semiconductor fine particles 21 sensitized by the dye 22 (adsorbed and supported by the dye 22) are filled with the electrolyte composition. . In the case of FIG. 1, the incident light excites the dye 22 and the like, and high-energy electrons in the excited dye 22 and the like are passed to the conduction band of the semiconductor fine particles 21 and further reach the conductive support 10 by diffusion. . At this time, the molecule such as the dye 22 is an oxidant. In the photoelectrochemical cell, electrons in the conductive support 10 return to an oxidant such as the dye 22 through the counter electrode 40 and the charge transfer layer while working in an external circuit, and the dye 22 is regenerated. The semiconductor fine particles and dyes that can be preferably used in the photosensitive layer are described in detail below.
[0064]
(A) Semiconductor fine particles
The semiconductor fine particles act as the negative electrode of the photoelectrochemical cell. The dye-sensitized semiconductor fine particle is a so-called photoconductor, which absorbs light and separates 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 the electrons.
[0065]
Semiconductor fine particles include simple semiconductors such as silicon and germanium, III-V compound semiconductors, metal chalcogenides (eg oxides, sulfides, selenides, etc.), or compounds having a perovskite structure (eg strontium titanate, titanium). Calcium oxide, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate, etc.) can be used.
[0066]
Preferred metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxides, cadmium, zinc, lead, silver, antimony, Bismuth sulfide, cadmium, lead selenide, cadmium telluride and the like. Other compound semiconductors include phosphides such as zinc, gallium, indium, cadmium, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, and the like.
[0067]
Preferred specific examples of the semiconductor used in the present invention include Si and TiO.2, SnO2, Fe2OThree, WOThree, ZnO, Nb2OFive, CdS, ZnS, PbS, Bi2SThree, CdSe, CdTe, GaP, InP, GaAs, CuInS2, CuInSe2More preferably, TiO2, ZnO, SnO2, Fe2OThree, WOThree, Nb2OFive, CdS, PbS, CdSe, InP, GaAs, CuInS2, CuInSe2And particularly preferably TiO2Or Nb2OFiveAnd most preferably TiO2It is.
[0068]
The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystalline. Single crystals are preferable from the viewpoint of conversion efficiency, but polycrystals are preferable from the viewpoints of manufacturing cost, securing raw materials, energy payback time, and the like.
[0069]
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 converted into a circle is preferably 5 to 200 nm, more preferably 8 to 100 nm. preferable. The average particle size of the semiconductor fine particles (secondary particles) in the dispersion is preferably 0.01 to 100 μm.
[0070]
Two or more kinds of fine particles having different particle size distributions may be mixed. In this case, the average size of the small particles is preferably 5 nm or less. For the purpose of improving the light capture rate by scattering incident light, semiconductor particles having a large particle diameter, for example, about 300 nm may be mixed.
[0071]
Semiconductor fine particles are prepared by Sakuo Sakuo's "Sol-gel Method Science" Agne Jofusha (1998), Technical Information Association "Sol-gel Method Thin Film Coating Technology" (1995), etc. The described sol-gel method, Tadao Sugimoto, “Synthesis and size control of monodisperse particles by the new synthetic gel-sol method”, “Materia”, Vol. 35, No. 9, pp. 1012-1018 (1996) The gel-sol method described in the "year" is preferred. Also preferred is a method developed by Degussa to produce an oxide by high-temperature hydrolysis of chloride in an oxyhydrogen salt.
[0072]
When the semiconductor fine particles are titanium oxide, the sol-gel method, gel-sol method, and high-temperature hydrolysis method in oxyhydrogen salt of chloride are all preferred, but Kiyoshi Manabu's “Titanium oxide properties and applied technology” The sulfuric acid method and the chlorine method described in Gihodo Publishing (1997) can also be used. Furthermore, as a sol-gel method, the method described in “Journal of American Ceramic Society” such as Barb, Vol. 80, No. 12, pp. 3157-3171 (1997), and “Chemicals such as Burnside” The method described in “Materials”, Vol. 10, No. 9, pages 2419-2425 is also preferable.
[0073]
In order to apply the semiconductor fine particles on the conductive support, in addition to the method of applying a dispersion or colloidal solution of semiconductor fine particles on the conductive support, the above-described sol-gel method or the like can also be used. In consideration of mass production of photoelectric conversion elements, physical properties of semiconductor fine particle liquid, flexibility of conductive support, etc., a wet film forming method is relatively advantageous. As a wet film forming method, a coating method and a printing method are typical.
[0074]
In addition to the sol-gel method described above, a method for preparing a dispersion of semiconductor fine particles includes a method of grinding with a mortar, a method of dispersing while grinding using a mill, or a fine particle in a solvent when synthesizing a semiconductor. The method of depositing and using as it is is mentioned.
[0075]
Examples of the dispersion medium include water or various organic solvents (for example, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, and the like). During dispersion, a polymer, surfactant, acid, chelating agent, or the like may be used as a dispersion aid as necessary.
[0076]
The application method is disclosed in Japanese Patent Publication No. 58-4589 as a roller method, a dip method as an application system, an air knife method, a blade method, etc. as a metering system, and the application and metering can be performed in the same part. The wire bar method, the slide hopper method, the extrusion method, the curtain method and the like described in U.S. Pat. Nos. 2,681,294, 2,714,419 and 2,767,911, are preferred. Moreover, a spin method and a spray method are also preferable as a general purpose machine. Further, 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. From these, a preferred film forming method is selected according to the liquid viscosity and the wet thickness.
[0077]
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. For a high viscosity liquid (for example, 0.01 to 500 Poise), an extrusion method, a casting method, a screen printing method, or the like is preferable. For low-viscosity liquids (for example, 0.1 Poise or less), the slide hopper method, wire bar method, or spin method is preferable, and a uniform film can be obtained. If there is a certain amount of coating, coating by the extrusion method is possible even in the case of a low viscosity liquid. Thus, a wet film forming method may be selected as appropriate according to the viscosity of the coating solution, the coating amount, the support, the coating speed, and the like.
[0078]
The semiconductor fine particle layer is not limited to a single layer, but a multi-layer coating of a dispersion of semiconductor fine particles having different particle diameters, or a multi-layer coating of a coating layer containing different types of semiconductor fine particles (or different binders and additives) You can also Multi-layer coating is also effective when the film thickness is insufficient with a single coating. For multilayer coating, an extrusion method or a slide hopper method is suitable. 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. Further, screen printing can be preferably used as long as it is sequentially overcoated.
[0079]
In general, as the thickness of the semiconductor fine particle layer (same as the thickness of the photosensitive layer) increases, the amount of supported dye increases per unit projected area, so that the light capture rate increases. Resistance increases. Therefore, the preferable thickness of the semiconductor fine particle layer is 0.1 to 100 μm. When used in a photoelectrochemical cell, the thickness of the semiconductor fine particle layer is preferably 1 to 30 μm, and more preferably 2 to 25 μm. Semiconductor fine particle support 1m2The coating amount per unit is preferably 0.5 to 400 g, more preferably 5 to 100 g.
[0080]
After the semiconductor fine particles are applied on the conductive support, the semiconductor fine particles are preferably brought into contact with each other electronically, and heat treatment is preferably performed in order to improve the coating strength and the adhesion to the support. A preferable heating temperature range is 40 ° C. or higher and lower than 700 ° C., and more preferably 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. The heating time is about 10 minutes to 10 hours. When using a support 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 support. Moreover, it is preferable that it is as low as possible also from a viewpoint of cost. The temperature can be lowered by using a combination of small semiconductor fine particles of 5 nm or less or heat treatment in the presence of a mineral acid as described above.
[0081]
In order to increase the surface area of the semiconductor fine particles after heat treatment, increase the purity near the semiconductor fine particles, and increase the efficiency of electron injection from the dye to the semiconductor particles, for example, chemical plating using a titanium tetrachloride aqueous solution or a titanium trichloride aqueous solution is used. The electrochemical plating process used may be performed.
[0082]
The semiconductor fine particles preferably have a large surface area so that many dyes can be adsorbed. For this reason, the surface area of the semiconductor fine particle layer coated on the 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.
[0083]
(B) Dye
The dye used in the photosensitive layer is preferably a metal complex dye, a phthalocyanine dye or a methine dye. 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 mixed. Further, the dye to be mixed and its ratio can be selected so as to match the wavelength range and intensity distribution of the target light source. Such a dye preferably has a suitable interlocking group for the surface of the semiconductor fine particles. Preferred linking groups include COOH groups and SOThreeH group, cyano group, -P (O) (OH)2Group, -OP (O) (OH)2Groups or chelating groups with π-conductivity such as oximes, dioximes, hydroxyquinolines, salicylates and α-ketoenolates. Among them, COOH group, -P (O) (OH)2Group, -OP (O) (OH)2The group is particularly preferred. These 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.
[0084]
Dyes that are preferably used in the photosensitive layer will be specifically described below. When the dye is a metal complex dye, a ruthenium complex dye is preferable, and further the following formula (III):
(A1)pRuBaBbBc(III)
Is preferred. However, p is 0-2, Preferably it is 2. Ru represents ruthenium. A1Is Cl, SCN, H2It is at least one ligand selected from the group consisting of O, Br, I, CN, NCO and SeCN. Also Ba, Bb, BcAre each independently at least one organic ligand selected from the group consisting of B-1 to B-8, which may be the same or different.
[0085]
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[0086]
Where RaIs a hydrogen atom, a halogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aralkyl group having 7 to 12 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 12 carbon atoms. To express. The alkyl part of the alkyl group and aralkyl group may be linear or branched, and the aryl part and the aryl part of the aralkyl group may be monocyclic or polycyclic (fused ring, ring assembly).
[0087]
Examples of the ruthenium complex dye include complex dyes described in U.S. Pat.
[0088]
Although the preferable specific example of a metal complex dye is shown below, this invention is not limited to these.
[0089]
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[0090]
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[0091]
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[0092]
When the dye is a methine dye, a dye represented by the following formula (IV), formula (V), formula (VI) or formula (VII) is preferred.
[0093]
(1) Dye represented by formula (IV)
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However, RbAnd RfEach represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, and Rc~ ReEach represents a hydrogen atom or a substituent. Rb~ RfMay combine with each other to form a ring. X11And X12Represents nitrogen, oxygen, sulfur, selenium and tellurium, respectively. n11And n13Each represents an integer from 0 to 2;12Represents an integer of 1-6. The compound represented by the formula (IV) may have a counter ion according to the charge of the whole molecule.
[0094]
The alkyl group, aryl group and heterocyclic group may have a substituent. The alkyl group may be linear or branched, and the aryl group and heterocyclic group may be monocyclic or polycyclic (fused ring, ring assembly). Also Rb~ RfThe ring formed by may have a substituent and may be a single ring or a condensed ring.
[0095]
(2) Dye represented by formula (V)
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However, ZaRepresents a nonmetallic atom group necessary for forming a nitrogen-containing heterocycle. RgIs an alkyl group or an aryl group. QaRepresents a methine group or polymethine group necessary for the compound represented by the formula (V) to form a methine dye. X13Represents a charge balanced counter ion and n14Is the charge-balanced counter ion X necessary to neutralize the charge of the molecule13Represents an equivalent weight of 0 to 10.
[0096]
Z aboveaThe nitrogen-containing heterocyclic ring formed by may have a substituent and may be a monocyclic ring or a condensed ring. The alkyl group and aryl group may have a substituent, the alkyl group may be linear or branched, and the aryl group may be monocyclic or polycyclic (fused ring, ring assembly).
[0097]
Of the dyes represented by the formula (V), dyes represented by the following formulas (Va) to (Vd) are preferable.
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However, R11~ R15, Rtwenty one~ Rtwenty four, R31~ R33, And R41~ R43Each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group;11, Y12, Ytwenty one, Ytwenty two, Y31~ Y35And Y41~ Y46Are independently oxygen, sulfur, selenium, tellurium, -CR16R17-Or -NR18-Represents. R16~ R18Each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group. Ytwenty threeIs O-, S-, Se-, Te- or -NR18-Represents.
[0098]
V11, V12, Vtwenty one, Vtwenty two, V31And V41Each independently represents a substituent, and n15, N31And n41Each independently represents an integer of 1-6. The compounds represented by the formulas (Va) to (Vd) may have a counter ion depending on the charge of the whole molecule.
[0099]
The alkyl group, aryl group and heterocyclic group may have a substituent, the alkyl group may be linear or branched, and the aryl group and heterocyclic group may be monocyclic or polycyclic (fused ring, Ring assembly).
[0100]
Specific examples of the polymethine dye as described above are described in detail in Organic Colorants (Elsevier) by M. Okawara, T. Kitao, T. Hirasima, and M. Matuoka.
[0101]
(3) Dye represented by formula (VI)
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However, QbRepresents an atomic group necessary to complete a 5- or 6-membered nitrogen-containing heterocycle, and QbMay be condensed and may have a substituent.
[0102]
QbPreferred examples of the nitrogen-containing heterocycle completed in benzothiazole nucleus, benzoxazole nucleus, benzoselenazole nucleus, benzotelrazole nucleus, 2-quinoline nucleus, 4-quinoline nucleus, benzimidazole nucleus, thiazoline nucleus, India Examples include a renin nucleus, an oxadiazole nucleus, a thiazole nucleus, and an imidazole nucleus, more preferably a benzothiazole nucleus, a benzoxazole nucleus, a benzimidazole nucleus, a benzoselenazole nucleus, a 2-quinoline nucleus, a 4-quinoline nucleus, and an indolenine nucleus. Particularly preferred are a benzothiazole nucleus, a benzoxazole nucleus, a 2-quinoline nucleus, a 4-quinoline nucleus, and an indolenine nucleus. Examples of the substituent on the nitrogen-containing heterocycle include a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonic acid group, a halogen atom (F, Cl, Br, I), a cyano group, an alkoxy group (methoxy, ethoxy, methoxyethoxy, etc.), Aryloxy groups (phenoxy, etc.), alkyl groups (methyl, ethyl, cyclopropyl, cyclohexyl, trifluoromethyl, methoxyethyl, allyl, benzyl, etc.), alkylthio groups (methylthio, ethylthio, etc.), alkenyl groups (vinyl, 1- Propenyl etc.), aryl groups or heterocyclic groups (phenyl, thienyl, toluyl, chlorophenyl etc.) and the like.
[0103]
ZbIs an atomic group necessary for completing a 3- to 9-membered ring, and is composed of atoms selected from a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom and a hydrogen atom. ZbThe ring completed by is preferably a ring having a skeleton formed of 4 to 6 carbons, more preferably those represented by the following (a) to (e), most preferably (a) It is.
[0104]
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[0105]
L1, L2, LThree, LFourAnd LFiveEach independently represents a methine group optionally having a substituent. As the substituent, a substituted or unsubstituted alkyl group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 7 carbon atoms such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclopropyl, butyl, 2-carboxyethyl) Benzyl, etc.), substituted or unsubstituted aryl groups (preferably having 6 to 10 carbon atoms, more preferably 6 to 8 carbon atoms such as phenyl, toluyl, chlorophenyl, o-carboxyphenyl, etc.), heterocyclic groups ( For example, pyridyl, thienyl, furanyl, pyridyl, barbituric acid, etc.), halogen atom (eg, chlorine, bromine), alkoxy group (eg, methoxy, ethoxy, etc.), amino group (preferably having 1 to 12 carbon atoms, more preferably 6 to 6). For example, diphenylamino, methylphenylamino, 4-acetylpiperazine-1-yl Etc.), oxo group, and the like. These substituents on the methine group may be linked to each other to form a ring such as a cyclopentene ring, a cyclohexene ring, or a squarylium ring, or may form a ring with an auxiliary color group. Note that n represents the number of -L2 = L3-51Is an integer of 0-4, preferably 0-3. N representing the number of -L4 = L5-52Is 0 or 1.
[0106]
RFiveRepresents a substituent. A preferred substituent is an aromatic group (which may have a substituent) or an aliphatic group (which may have a substituent), and the aromatic group preferably has 1 to 16 carbon atoms, and more preferably Is 5-6. The number of carbon atoms of the aliphatic group is preferably 1-10, more preferably 1-6. Examples of the unsubstituted aliphatic group and aromatic group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, a phenyl group, and a naphthyl group.
[0107]
W1Represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge. Whether a dye is a cation or an anion or has a net ionic charge depends on its auxiliary color groups and substituents. When the substituent has a dissociable group, it may be dissociated and have a negative charge. In this case, the charge of the entire molecule is W1Neutralized by Typical cations are inorganic or organic ammonium ions (eg, tetraalkylammonium ions, pyridinium ions, etc.) and alkali metal ions, while anions can be either inorganic or organic anions, for example Halogen anion (eg fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion etc.), substituted aryl sulfonate ion (eg p-toluene sulfonate ion, p-chlorobenzene sulfonate ion etc.), aryl disulfonate ion ( For example, 1,3-benzenedisulfonate ion, 1,5-naphthalenedisulfonate ion, 2,6-naphthalenedisulfonate ion, alkyl sulfate ion (for example, methyl sulfate ion), sulfate ion, thiocyanate ion, perchlorine Acid ion, tetrafluoroborate ion, Examples thereof include acrylate ion, acetate ion, trifluoromethanesulfonate ion and the like.
[0108]
Furthermore, an ionic polymer or another dye having a charge opposite to that of the dye may be used as the charge balance counter ion, or a metal complex ion such as bisbenzene-1,2-dithiolatonickel (III) is used. May be.
[0109]
(4) Dye represented by formula (VII)
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[0110]
However, D represents an aromatic group having at least four functional groups, and X1, X2Are sulfur atom, selenium atom or CR respectively63R64(However, R63And R64Are each a hydrogen atom or an alkyl group. And may be the same or different, preferably a sulfur atom or CR63R64And more preferably CR63R64It is. Also R61And R62Each represents an alkyl group or an aromatic group, and P1And P2Each independently represents a group of nonmetallic atoms necessary to form a polymethine dye. W2Represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge.
[0111]
Examples of at least tetrafunctional or higher aromatic groups D include those derived from aromatic hydrocarbons such as benzene, naphthalene, anthracene, phenanthrene, anthraquinone, carbazole, pyridine, quinoline, thiophene, furan, xanthene, thianthrene, etc. These may be derived from an aromatic heterocycle, and these may have a substituent in addition to the linking moiety. The aromatic group represented by D is preferably an aromatic hydrocarbon derivative group, more preferably a benzene or naphthalene derivative group.
[0112]
P1And P2Each independently represents a group of nonmetallic atoms necessary to form a polymethine dye. P1And P2It is possible to form any methine dye, preferably cyanine dye, merocyanine dye, rhodacyanine dye, trinuclear merocyanine dye, allopolar dye, hemicyanine dye, styryl dye and the like. Cyanine dyes include those in which a substituent on the methine chain forming the dye forms a squalium ring or a croconium ring. For more information on these dyes, see FMHarmer, “Heterocyclic Compounds-Cyanine Dyes and Related Compounds,” John Willie, "Heterocyclic Compounds-Special Topics in Heterocyclic Chemistry" by John Wiley & Sons, New York, London, 1964, DMSturmer Compounds-Special Topics in Heterocyclic Chemistry), Chapter 18, Section 14, pages 482-515. The cyanine dyes, merocyanine dyes and rhodacyanine dyes are preferably those shown in (XI), (XII) and (XIII) of US Pat. No. 5,340,694, pages 21-22. P1And P2Those having a squarylium ring in at least one methine chain portion of the polymethine dye formed by the above are preferred, and those having both are more preferred.
[0113]
R61And R62Is an aromatic group or an aliphatic group, and these may have a substituent. The number of carbon atoms in the aromatic group is preferably 5 to 16, more preferably 5 to 6. The number of carbon atoms of the aliphatic group is preferably 1 to 10, more preferably 1 to 6. Examples of the unsubstituted aliphatic group and aromatic group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, a phenyl group, and a naphthyl group.
[0114]
R61, R62, P1And P2At least one of them preferably has an acidic group. Here, the acidic group is a substituent having a dissociable proton, and examples thereof include a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonic acid group, and a boric acid group, and a carboxylic acid group is preferable. Further, such an acidic group may take a form of releasing a proton and dissociating. W2Is W in formula (VI)1It is synonymous with.
[0115]
Although the preferable specific example of the polymethine pigment | dye represented by Formula (IV)-(VII) is shown below, this invention is not limited to these.
[0116]
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[0117]
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[0118]
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[0119]
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[0136]
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[0137]
The compounds represented by formula (IV) and formula (V) are described in “Heterocyclic Compounds-Cyanine Dyes and Related” by FM Harmer. Compounds), John Wiley & Sons (New York, London, 1964), DMSturmer's "Heterocyclic Compounds-Special Topics in Heterocyclic Compounds-Special Topics in Heterocyclic Chemistry, Chapter 18, Section 14, pp. 482-515, John Wiley & Sons-New York, London, 1977, “Rodd's Chemistry of Carbon Compounds”, 2nd.Ed. vol.IV, partB, 197 7th, Chapter 15, pp. 369-422, synthesized based on the method described in Elsevier Science Publishing Company Inc., New York, British Patent No. 1,077,611, etc. be able to.
[0138]
The compound represented by the formula (VI) can be synthesized with reference to the description of Dyes and Pigments, Vol. 21, pp. 227-234. The compound represented by the formula (VII) is cited in Ukrainskii Khimicheskii Zhurnal, Vol. 40, No. 3, pp. 253-258, Dyes and Pigments, Vol. 21, pp. 227-234 and these references. It can be synthesized with reference to the description in the published literature.
[0139]
(C) Dye adsorption on semiconductor fine particles
In order to adsorb the dye to the semiconductor fine particles, a method of immersing a conductive support having a well-dried semiconductor fine particle layer in the dye solution or applying a dye solution to the semiconductor fine particle layer can be used. In the former case, an immersion method, a dip method, a roller method, an air knife method or the like can be used. In the case of the immersion method, the complex dye may be adsorbed at room temperature or may be heated to reflux as described in JP-A-7-249790. Examples of the latter application method include a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method. Examples of the printing method include letterpress, offset, gravure, and screen printing. The solvent can be appropriately selected according to the solubility of the dye. For example, alcohols (methanol, ethanol, t-butanol, 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, ben Zen, toluene, etc.) and mixed solvents thereof.
[0140]
As for the viscosity of the dye solution, as in the formation of the semiconductor fine particle layer, various printing methods other than the extrusion method are suitable for the high-viscosity liquid (for example, 0.01 to 500 poise), and the low-viscosity liquid (for example, 0.1 poise) In the following, a slide hopper method, a wire bar method, or a spin method is suitable, and any of them can form a uniform film.
[0141]
Thus, the dye adsorption method may be appropriately selected according to the viscosity of the dye coating solution, the coating amount, the conductive support, the coating speed, and the like. The time required for the dye adsorption after coating is preferably as short as possible when mass production is considered.
[0142]
Since the presence of unadsorbed dye causes disturbance in device performance, it is preferable to remove it by washing immediately after adsorption. It is preferable to use a wet cleaning tank and perform cleaning with a polar solvent such as acetonitrile or an organic solvent such as an alcohol solvent. In order to increase the adsorption amount of the dye, it is preferable to perform a heat treatment before the adsorption. In order to avoid water adsorbing on the surface of the semiconductor fine particles after the heat treatment, it is preferable to quickly adsorb the dye between 40 to 80 ° C. without returning to normal temperature.
[0143]
The total amount of dye used is the unit surface area of the conductive support (1 m2) Is preferably from 0.01 to 100 mmol. Moreover, it is preferable that the adsorption amount with respect to the semiconductor fine particle of a pigment | dye is 0.01-1 mmol per 1g of semiconductor fine particle. By setting such an amount of dye adsorption, a sensitizing effect in a semiconductor can be sufficiently obtained. On the other hand, if the amount of the dye is too small, the sensitizing effect becomes insufficient, and if the amount of the dye is too large, the dye not attached to the semiconductor floats, which causes a reduction in the sensitizing effect.
[0144]
For the purpose of reducing the interaction between dyes such as association, a colorless compound may be co-adsorbed on the semiconductor fine particles. Examples of the hydrophobic compound to be co-adsorbed include steroid compounds having a carboxyl group (for example, chenodeoxycholic acid). An ultraviolet absorber can also be used in combination.
[0145]
For the purpose of promoting the removal of excess dye, the surface of the semiconductor fine particles may be treated with amines after adsorbing the dye. Preferable amines include pyridine, 4-tert-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. When these are liquids, they may be used as they are, or may be used after being dissolved in an organic solvent.
[0146]
(III) Conductive support
As the conductive support, use is made of a glass or plastic substrate 11 having a conductive layer 12 containing a conductive agent on the photosensitive layer side as shown in FIG. can do. In the latter case, preferred conductive agents are metals (eg, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, or conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, tin oxide doped with fluorine) Etc.). The thickness of the conductive layer is preferably about 0.02 to 10 μm.
[0147]
The lower the surface resistance of the conductive support, the better. The range of the 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 / □.
[0148]
When light is irradiated from the conductive support side, the conductive support is preferably photoelectrochemically substantially transparent. “Substantially transparent” means that the light transmittance is 10% or more, preferably 50% or more, and particularly preferably 70% or more. The transparent conductive support is preferably formed by applying or vapor-depositing a transparent conductive layer made of a conductive metal oxide on the surface of a transparent substrate such as glass or plastic. In particular, conductive glass in which a conductive layer made of tin dioxide doped with fluorine is deposited on a transparent substrate made of low-cost soda-lime float glass is preferable. In order to obtain a flexible photoelectric conversion element or solar cell at low cost, it is preferable to use a transparent polymer film provided with a conductive layer. Transparent polymer films include tetraacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), syndioctaic polyester (SPS), polyphenylene sulfide (PPS), polycarbonate (PC), polyarylate (PAr). ), Polysulfone (PSF), polyester sulfone (PES), polyetherimide (PEI), cyclic polyolefin, brominated phenoxy and the like. In order to ensure sufficient transparency, the amount of conductive metal oxide applied is 1 m of glass or plastic support.2The amount is preferably 0.01 to 100 g.
[0149]
It is preferable to use a metal lead for the purpose of reducing the resistance of the transparent conductive support. The material of the metal lead is preferably a metal such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, nickel, and particularly preferably aluminum and silver. The metal lead is preferably installed on a transparent substrate by vapor deposition, sputtering or the like, and a transparent conductive layer made of tin oxide doped with fluorine or an ITO film is preferably provided thereon. Moreover, it is also preferable to install a metal lead on the transparent conductive layer after providing the transparent conductive layer on the transparent substrate. The decrease in the amount of incident light due to the metal lead installation is within 10%, more preferably 1 to 5%.
[0150]
(IV) Counter electrode
The counter electrode acts as a positive electrode of the photoelectrochemical cell when the photoelectric conversion element is a photoelectrochemical cell. As the counter electrode, a substrate having a conductive layer can be used in the same manner as the conductive support, but a substrate is not necessarily required if a metal plate that can maintain sufficient strength and sealability is used. As the conductive material used for the counter electrode, metal (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, or conductive metal oxide (indium-tin composite oxide, tin oxide doped with fluorine) Etc.). An example of a preferred counter electrode is a thin film of metal or conductive metal oxide applied or deposited on glass or plastic. The thickness of the counter electrode is not particularly limited, but is preferably 3 nm to 10 μm. When the conductive layer is made of metal, the thickness is preferably 5 μm or less, and more preferably in the range of 5 nm to 3 μm.
[0151]
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, it is sufficient that at least one of the conductive support and the counter electrode is substantially transparent. . From the viewpoint of improving the 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. As such a counter electrode, glass or plastic on which a metal or a conductive oxide is deposited, or a metal thin film can be used.
[0152]
As a procedure for providing the counter electrode, (a) when the charge transfer layer is formed and then provided thereon, and (b) after the counter electrode is disposed on the dye-sensitized semiconductor fine particle layer via a spacer, the gap There are two ways in which the electrolyte solution is filled in and crosslinked. In the case of (a), a conductive material is directly applied, plated or vapor deposited (PVD, CVD) on the charge transfer layer, or the conductive layer side of the substrate having the conductive layer is attached. In the case of (b), the counter electrode is assembled and fixed on the dye-sensitized semiconductor fine particle layer via a spacer, and the open end of the obtained assembly is immersed in an electrolyte solution, and capillary action or reduced pressure is used. The electrolyte solution is infiltrated into the gap between the dye-sensitized semiconductor fine particle layer and the counter electrode, and then crosslinked by heating.
[0153]
(V) Other layers
A functional layer such as a protective layer or an antireflection film may be provided on one or both of the conductive support and the counter electrode acting as an electrode. When such a functional layer is formed in multiple layers, a simultaneous multilayer coating method or a sequential coating method can be used, but the simultaneous multilayer coating method is preferable from the viewpoint of productivity. In the simultaneous multilayer coating method, the slide hopper method and the extrusion method are suitable in view of productivity and coating film uniformity. For forming these functional layers, an evaporation method, a bonding method, or the like can be used depending on the material.
[0154]
[3] photoelectrochemical cells
Photoelectrochemical cellIs to cause the photoelectric conversion element to work in an external circuit. In order to prevent deterioration of components and volatilization of the contents of the photoelectrochemical cell, it is preferable to seal the side surface with a polymer or an adhesive. The external circuit itself connected to the conductive support and the counter electrode via a lead may be a known one.
[0155]
【Example】
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the examples.
[0156]
1. Preparation of titanium dioxide dispersion
Inside a Teflon-coated stainless steel container with an inner volume of 200 ml, titanium dioxide fine particles (Nippon Aerosil Co., Ltd., Degussa P-25) 15 g, water 45 g, dispersant (Aldrich Triron X-100) 1 g, diameter 0.5 30 g of zirconia beads having a size of mm (manufactured by Nikkato Co., Ltd.) were added, and dispersion treatment was performed at 1500 rpm for 2 hours using a sand grinder mill (manufactured by Imex). Zirconia beads were filtered off from the resulting dispersion. The average particle diameter of the titanium dioxide fine particles in the obtained dispersion was 2.5 μm. The particle size was measured with a master sizer manufactured by MALVERN.
[0157]
2. TiO with adsorbed dye2Preparation of fine particle layer (electrode A)
Prepare a 20mm x 20mm conductive glass plate coated with fluorine-doped tin oxide (Asahi Glass Co., Ltd., TCO glass-U, surface resistance: about 30Ω / □). Then, a spacer pressure-sensitive adhesive tape was stretched over a portion having a width of 3 mm to 3 mm, and then the dispersion was applied onto the conductive layer using a glass rod. After application of the dispersion, the adhesive tape was peeled off and air-dried at room temperature for 1 day. Next, this semiconductor-coated glass plate was placed in an electric furnace (muffle furnace FP-32 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) and baked at 450 ° C. for 30 minutes. After the semiconductor-coated glass plate was taken out and cooled, an ethanol solution of the dyes shown in Table 1 (concentration: 3 × 10-Fourmol / L) for 3 hours. The semiconductor-coated glass plate on which the dye was adsorbed was immersed in 4-tert-butylpyridine for 15 minutes, washed with ethanol, and air dried. The dye-sensitized TiO obtained in this way2The thickness of the fine particle layer is 10μm and TiO2Fine particle application amount is 20g / m2Met. The amount of dye adsorbed is 0.1 to 10 mmol / m depending on the type.2It was in the range.
[0158]
3. Production of photoelectrochemical cell
Using the solvent shown in Table 1, a solution containing 0.5 mol / L electrolyte salt and 0.05 mol / L iodine was prepared. Nitrogen-containing polymer compound (1-1) was added to this solution at the weight composition ratio shown in Table 1 (solvent + nitrogen-containing polymer compound + weight composition ratio when the salt was 100 wt%). The electrophile (2-6) was mixed at the described molar ratio (molar ratio of the electrophilic site to the reactive nitrogen atom of the nitrogen-containing polymer compound) to obtain a uniform reaction solution.
[0159]
On the other hand, dye-sensitized TiO formed on conductive glass plate2The platinum thin film side of the counter electrode made of a glass plate on which platinum was vapor-deposited via a spacer was placed on the fine particle layer, and the conductive glass plate and the platinum vapor-deposited glass plate were fixed. The open end of the resulting assembly is immersed in the electrolyte solution and dye-sensitized TiO by capillary action2The reaction solution was infiltrated into the fine particle layer. Subsequently, it was heated at 80 ° C. for 30 minutes to carry out a crosslinking reaction. Thus, as shown in FIG. 2, the dye-sensitized TiO 2 is formed on the conductive layer 12 of the conductive glass plate 10.2A photoelectrochemical cell (sample No. 1) of the present invention in which the fine particle layer 20, the electrolyte layer 30, and the counter electrode 40 composed of the platinum thin film 42 and the glass plate 41 were sequentially laminated was obtained.
[0160]
In addition, the photoelectrochemical cell of the present invention having a different photosensitive layer 20 and / or charge transfer layer 30 (sample No.) was obtained by repeating the above steps except that the combination of the composition of the dye and the electrolyte composition was changed as shown in Table 1. .2-15) were obtained.
[0161]
[Table 1]
Note: (1) The symbol of the pigment is the same as that described in the column of pigment in [2] (II) (B) above.
(2) The symbol of the nitrogen-containing polymer is the same as that described in the column of nitrogen-containing polymer compound in [1] (A) above.
(3) Electrolyte salt
MHIm: 1-methyl-3-hexylimidazolium iodine salt
MBIm: 1-butyl-3-methylimidazolium iodine salt
(4) Solvent
AN: acetonitrile.
PC: Propylene carbonate.
NMO: 3-methyl-2-oxazolidinone.
(5) Symbols for electrophiles are the same as those described in the column of electrophiles in the above [1] (B).
[0162]
4). Preparation of comparative photoelectrochemical cells A and B
(1) Comparative photoelectrochemical cell A
TiO dye-sensitized with dye R-1 as described above2Electrode A (20 mm × 20 mm) composed of a fine particle layer was superimposed on a platinum-deposited glass plate of the same size via a spacer. Next, using a capillary phenomenon in the gap between the two glass plates, electrolyte solution (0.05 mol / L of iodine and 0.5 mol of lithium iodide using a 90/10 volume ratio mixture of acetonitrile and 3-methyl-2-oxazolidinone as a solvent) / L solution) was infiltrated to produce a comparative photoelectrochemical cell A.
[0163]
(2) Comparative photoelectrochemical cell B (electrolyte described in JP-A-9-27352)
TiO dye-sensitized with dye R-1 as described above2On the electrode A (20 mm × 20 mm) composed of a fine particle layer, an electrolytic solution was applied and impregnated. The electrolyte was 1 g of hexaethylene glycol methacrylate (Nippon Yushi Chemical Co., Ltd., Bremer PE-350), 1 g of ethylene glycol, and 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-propane as a polymerization initiator. It was obtained by dissolving 500 mg of lithium iodide in a mixed solution containing 20 mg of -1-one (manufactured by Ciba Geigy Japan, Darocur 1173) and vacuum degassing for 10 minutes. Next, porous TiO impregnated with the mixed solution2Porous TiO by placing the layer under reduced pressure2After removing bubbles in the layer and promoting the penetration of the monomer, polymerize by ultraviolet light irradiation to form a uniform gel of the polymer compound with porous TiO2Filled into the fine pores of the layer. The product thus obtained was exposed to an iodine atmosphere for 30 minutes to diffuse iodine in the polymer compound, and then a platinum-deposited glass plate was overlaid to obtain a comparative photoelectrochemical cell B.
[0164]
5). Measurement of photoelectric conversion efficiency
The light from a 500 W xenon lamp (USHIO INC.) Was passed through an AM1.5 filter (Oriel) and a sharp cut filter (Kenko L-42) to obtain simulated sunlight that did not contain UV light. Light intensity is 89mW / cm2Adjusted.
[0165]
Alligator clips were connected to the conductive glass plate 10 and platinum-deposited glass plate 40 of the photoelectrochemical cell described above, and each alligator clip was connected to a current-voltage measuring device (Keutley SMU238 type). This was irradiated with simulated sunlight from the conductive glass plate 10 side, and the generated electricity was measured with a current-voltage measuring device. The open-circuit voltage (Voc), short-circuit current density (Jsc), form factor (FF), conversion efficiency (η), and short-circuit current density and short-circuit current density for 360 hours continuous irradiation were calculated. The reduction rates are summarized in Table 2.
[0166]
[Table 2]
[0167]
Compared with the comparative photoelectrochemical cell A, it can be seen that the photoelectrochemical cell of the present invention is less deteriorated in photoelectric conversion characteristics. Moreover, it is clear that the photoelectrochemical cell of the present invention has a large short-circuit current density and is superior in photoelectric conversion characteristics as compared with the comparative photoelectrochemical cell B.
[0168]
【The invention's effect】
According to the present invention, an electrolyte composition excellent in durability and charge transport ability can be provided. Moreover, it is possible to provide a photoelectric conversion element and a photoelectrochemical cell that are excellent in photoelectric conversion characteristics using the electrolyte composition and have little characteristic deterioration with time.
[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 photoelectrochemical cell according to another preferred embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Conductive support
11 ... Board
12 ... conductive layer
20 ... Photosensitive layer
21 ... Semiconductor fine particles
22 ... Dye
30 ... Electrolyte layer
40 ... Counter electrode
41 ... Board
42 ... conductive layer

Claims (5)

下記式(II)
(ただしR1は水素原子またはメチル基を表し、Lは−COO-、−OCO-、−CON(R 2 )-または-N(R 3 )CO-、あるいはこれらの基の1つ以上とアルキレン基、アリーレン基および-O-から選ばれる1つ以上の2価の基とを組み合わせて得られる連結基(ただし、R 2 およびR 3 は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基である。)を表し、Zはピリジン環又はイミダゾール環を表し、Eはエチレン性不飽和基を含有する化合物から誘導される基を表わし、xおよびyは繰り返し単位の重量組成比を表わし、xは5〜100重量%、yは0〜95重量%である。)により表される高分子化合物に求電子剤として2〜4官能性を有するハロゲン化アルキルまたはハロゲン化アラルキルを反応させて得られる架橋重合体を含むことを特徴とする電解質組成物。
Following formula (II)
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group , L represents —COO—, —OCO—, —CON (R 2 ) — or —N (R 3 ) CO—, or one or more of these groups and alkylene) A linking group obtained by combining one or more divalent groups selected from a group, an arylene group and —O— (wherein R 2 and R 3 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms) .) represents, Z is represents a pyridine ring or an imidazole ring, E is a radical derived from a compound containing an ethylenically unsaturated group, x and y represent weight compositional ratio of the repeating units, x is 5 To 100% by weight, y is 0 to 95% by weight.) The crosslinkable weight obtained by reacting the alkyl compound having 2 to 4 functionality or halogenated aralkyl as an electrophile with the polymer compound represented by An electrolyte composition comprising a coalescence.
導電性支持体、感光層、電荷移動層、対極の順に積層された光電変換素子において、前記電荷移動層が請求項1に記載の電解質組成物を含むことを特徴とする光電変換素子。The photoelectric conversion element laminated | stacked in order of the electroconductive support body, the photosensitive layer, the charge transfer layer, and the counter electrode WHEREIN: The said charge transfer layer contains the electrolyte composition of Claim 1, The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned. 請求項2に記載の光電変換素子において、前記感光層が色素によって増感された微粒子半導体からなることを特徴とする光電変換素子。3. The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the photosensitive layer is made of a fine particle semiconductor sensitized with a dye. 請求項2または3に記載の光電変換素子において、前記感光層が、半導体微粒子と当該半導体微粒子の間の空隙に充填された前記電解質組成物とからなることを特徴とする光電変換素子。4. The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the photosensitive layer is composed of semiconductor fine particles and the electrolyte composition filled in a space between the semiconductor fine particles. 5. 請求項2〜4のいずれかに記載の光電変換素子を用いたことを特徴とする光電気化学電池。A photoelectrochemical cell using the photoelectric conversion element according to claim 2.
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