JP4423735B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電変換素子に関する。更に詳細には、本発明は増感色素の担持量を増大することにより高い光電流出力を実現できる光電変換素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽電池はクリーンなエネルギー源として大きく期待されており、すでにpn接合型太陽電池などが実用化されている。一方、光励起状態の化学反応を利用して電気エネルギーを取り出す光化学電池は多くの研究者によって開発されているが、実用化に関して言えば、すでに実績の高いpn接合型太陽電池には遙かに及ばなかった。
【0003】
従来の光化学電池の中で、増感剤と電子受容体からなる酸化還元反応を利用したタイプが知られている。例えば、チオニン色素と鉄(II)イオンを組み合わせた系などがある。また、本多−藤嶋効果の発見以来、金属やその酸化物の光電荷分離を利用した光化学電池も知られている。
【0004】
半導体が金属と接触した場合、金属と半導体の仕事関数の関係によりショットキー接合ができるが、半導体と溶液が接している時も同様な接合ができる。例えば、溶液中にFe2+/Fe3+、Fe(CN)6 4-/Fe(CN)6 3-、I-/I2、Br-/Br2、ハイドロキノン/キノンなどの酸化還元系が含まれている時、n型半導体を溶液に浸けると半導体の表面付近の電子が溶液中の酸化剤へ移動し平衡状態に達する。その結果、半導体の表面付近は正に帯電し電位勾配が生じる。これにともない半導体の伝導帯および価電子帯にも勾配が生じる。
【0005】
酸化還元溶液に浸けた半導体電極の表面に光を照射すると、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光が吸収され、表面付近で伝導帯に電子を、価電子帯に正孔を生成する。伝導帯に励起された電子は上述した半導体の表面付近に存在する電位勾配により半導体内部へ伝達され、一方、価電子帯に生成された正孔は酸化還元溶液中の還元体から電子を奪う。
【0006】
酸化還元溶液に金属電極を浸して金属電極と半導体間で回路を作ると、正孔に電子を奪われた還元体は溶液中を拡散して金属電極から電子を受け取り、再び還元される。このサイクルを繰り返し、半導体電極は負極として、金属電極は正極としてそれぞれ働き、外部へ電力を供給することができる。したがって、光起電力は酸化還元溶液の酸化還元準位と半導体中のフェルミ準位との差になる。
【0007】
光起電力を大きくするためには、▲1▼酸化還元準位の低い、すなわち酸化力の強い酸化還元溶液を用いること、▲2▼酸化還元準位と半導体中のフェルミ準位との間に大きな差を作り出せる、すなわちバンドギャップの大きい半導体を用いることである。
【0008】
しかしながら、酸化還元溶液の酸化力があまり大きすぎると半導体自身の表面に酸化膜を形成し、光電流は短時間のうちにストップする。また、バンドギャップについては、一般にバンドギャップが3.0eV以下さらには2.0eV以下の半導体は光電変換の際に流れる電流により溶液中に溶解しやすい問題がある。例えば、n-Siは水中の光照射で表面に不活性な酸化物被膜を形成し、n-GaAsやn-CdSは酸化的に溶解する。
【0009】
これらの問題を解決すために、半導体に保護膜を被覆する工夫が試みられており、正孔輸送特性を有するポリピロールやポリアニリン、ポリチオフェンなどのp型導電性高分子を半導体の保護膜に使用する工夫が提案されている。しかしながら耐久性に問題があり、せいぜい数日程度しか安定しなかった。
【0010】
光溶解の問題を解決するために、バンドギャップが3eV以上ある半導体の利用が考えられるが、強度のピークが2.5eV付近にある太陽光を効率よく吸収するには大きすぎる。そのため、太陽光のうち紫外部しか吸収できず、大部分を占める可視域を全く吸収せず、光電変換効率は極めて低くなる。
【0011】
可視光域の有効利用とバンドギャップの大きな半導体の光安定性を両立させるために、半導体のバンドギャップより小さい長波長側の可視光を吸収する増感色素を半導体に担持させた色素増感太陽電池が知られている。従来の半導体を用いた湿式太陽電池と異なるところは、色素に光を照射して電子が励起され、励起電子が色素から半導体へ移動する光電荷分離過程である。
【0012】
色素増感太陽電池は光合成と関連づけてとらえられることが多い。当初、色素としては光合成と同様にクロロフィルが考えられていたが、絶えず新しい葉緑素と交換される自然のクロロフィルと違い、太陽電池に用いる色素では安定性の面で問題があり、また、太陽電池としての光電変換効率も0.5%に満たないものであった。自然界の光合成の過程をそのまま模擬し、太陽電池を構成することは非常に困難である。
【0013】
このように、色素増感太陽電池は、光合成からヒントを得て長波長の可視光を吸収しようというものであるが、実際には電子の伝導機構が複雑になったため、却って損失の増大が問題となった。固体の太陽電池では、光を吸収する層を厚くすれば吸収効率は上げることができる。しかしながら、色素増感太陽電池に関しては、半導体電極に電子を注入できるのは表面上の単分子層のみである。そのため無駄な光の吸収をなくすために、半導体表面上の色素は単分子層とすることが望ましい。
【0014】
しかも励起された色素内の電子が効率的に半導体内に注入されるためには、半導体表面と化学的に結合していることが好ましい。例えば、酸化チタンに関しては、半導体表面と化学的に結合するために、色素にカルボキシル基があることなどが重要である。
【0015】
この点に関して、重要な改善をしたのはFujihiraらのグループである。彼らはローダミンBのカルボキシル基がSnO2表面の水酸基とエステル結合することにより,光電流が従来の吸着法の10倍以上になったことを1977年に雑誌Natureに報告している。これは従来のアミド結合よりエステル結合の方が色素内で光のエネルギーを吸収した電子の存在するπ軌道が半導体の表面に近いためとしている。
【0016】
しかしながら、半導体に電子を有効に注入できたとしても伝導帯内にある電子は、色素の基底準位と再結合する可能性や、酸化還元物質と再結合する可能性などがある。このような問題点があったため、電子注入について上記の改善にも関わらず光電変換効率は低いままであった。
【0017】
以上のように、従来の色素増感太陽電池の大きな問題点として、半導体表面に単層で担持された増感色素しか半導体へ電子を注入することができないことである。すなわち、これまで半導体電極によく用いられていた単結晶や多結晶半導体は、表面が平滑で内部に細孔を持たず、増感色素が担持される有効面積は電極面積に等しく、増感色素の担持量が少ない。
【0018】
従って、このような電極を用いた場合、その電極に担持された単分子層の増感色素は最大吸収波長でも入射光の1%以下しか吸収できず、光の利用効率が極めて悪くなる。光捕集力を高めるために増感色素を多層にする試みも提案されているが、概して充分な効果が得られていない。
【0019】
グレッツェル等は、このような問題を解決する手段として、酸化チタン電極を多孔質化し、増感色素を担持させ,内部面積を著しく増大させた(例えば、特許2664196号)。ゾル・ゲル法によりこの酸化チタン多孔質膜を作製し、膜のポロシティーは約50%ほどであり、非常に高い内部表面積を有するナノ多孔性構造が形成されている。たとえば、8μmの膜厚ではラフネスファクター(基板面積に対する多孔質内部の実面積の割合)は約720にも達する。この表面を幾何学的に計算すると、増感色素の濃度は1.2×10-7mol/cm2に達し、実に、最大吸収波長で入射光の約98%が吸収されることになる。
【0020】
このグレッツェル・セルとも呼ばれる新しい色素増感太陽電池は、上述の酸化チタンの多孔質化による増感色素の飛躍的な担持量の増大と、太陽光を効率よく吸収しかつ半導体への電子注入速度が著しく速い増感色素の開発した点が大きな特徴である。
【0021】
グレッツェルらは、色素増感太陽電池のためにビス(ビピリジル)Ru(II)錯体を開発した。そのRu錯体は一般式シス−X2ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシレート)Ru(II)の構造を持つ。XはCl−,CN−,SCN−である。これらについて蛍光、可視光吸収、電気化学的および光酸化還元的挙動について系統的な研究が行われた。これらのうち、シス−(ジイソシアネート)−ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシレート)Ru(II)は、太陽光吸収剤および色素増感剤として格段に優れた性能を持つことが示された。
【0022】
この色素増感剤の可視光吸収は、金属から配位子への電荷移動遷移である。また、配位子のカルボキシル基は表面のTiイオンに直接配位して、色素増感剤と酸化チタンの間に密接な電子的接触を形成している。この電子的な接触により、色素増感剤から酸化チタンの伝導帯への電子注入が1ピコ秒以下の極めて速い速度で起こり、その逆方向の酸化された色素増感剤による酸化チタンの伝導帯へ注入された電子の再捕獲はマイクロ秒のオーダーで起こるとされている。この速度差が光励起電子の方向性を生み出し、電荷分離が極めて高い効率で行われる理由である。そして、これがpn接合面の電位勾配により電荷分離を行うpn接合太陽電池との違いであり、グレツェル・セルの本質的な特徴である。
【0023】
グレッツェル・セルの構成はフッ素ドープした酸化スズの透明導電膜をコーティングした導電ガラス基板2枚の間に、酸化還元対を含む電解質溶液を封入したサンドイッチ型のセルである。ガラス基板の一方は、透明導電膜上にコロイド状の酸化チタン超微粒子から構成される多孔質膜を積層し、さらに増感色素を吸着させて作用電極としたものである。他方は、透明導電膜上に少量の白金をコーティングして対極としたものである。2枚のガラス基板の間にスペーサを挟み、その間のごくわずかの隙間に毛細管現象を利用して電解質溶液を注入する。電解質溶液は、エチレンカーボネートとアセトニトリルの混合溶媒を使用し、ヨウ化テトラ-n-プロピルアンモニウムとヨウ素を溶質としたもので、I-/I3-の酸化還元対を含む。対極にコーティングされた白金はこの酸化還元対のI3-をI-に陰極還元する触媒作用がある。
【0024】
グレッツェル・セルの動作原理は、基本的に従来の半導体を用いた湿式太陽電池と変わらない。ただし、グレッツェル・セルのような多孔質電極のどの部分においても光電荷分離応答が均一かつ効率的に行われるのは、主に電解質層が液体であるためである。すなわち、色素担持多孔質電極を溶液に浸すだけで溶液が均一に多孔質内に拡散し、理想的な電気化学的界面を形成できるからである。
【0025】
しかし、このホール移動層が液層ということは、太陽電池の安定性という観点からは好ましくなく、実際多くの場合、電池を作製しても電解質溶液の液漏れが他の電池構成要素の劣化に先行して起こり、太陽電池の性能を低下させてしまうことが知られている。グレッツェル・セルの実用化のためには、電解質を一例に挙げたように、グレッツェル・セルを構成する各要素について詳細な検討を加えていかなければならない。
【0026】
グレッツェル・セルの大きな特徴は増感色素の担持量を飛躍的に増大させるために、超微粒子の酸化チタンを使って表面積を稼いだことにある。したがって、酸化チタンの表面積をより大きくすれば、増感色素の担持量も増え、その結果得られる光電流がより大きくなると当然予想される。これまでにも、表面積を大きくするために、酸化チタン薄膜の基板の表面を粗面化したり(例えば、特開平10−112337号公報参照)、酸化チタン薄膜にポリマーを添加して空孔を作ったりする方法(三木等、太陽/風力エネルギー講演論文集1998、147-150参照)が知られている。
【0027】
しかし、前者の方法はチタン金属を陽極酸化する方法を採るため、酸化チタン薄膜は多孔質ではなく、その結果、超微粒子の酸化チタンからなる薄膜に比べ光電流が小さくなる。また、後者の方法は空孔制御できるなどの特徴はあるが、空孔径が大きすぎ、かえって色素担持量の減少を導いてしまっている。このように、従来の技術では、酸化チタンの超微粒子を使った薄膜より優れたものは発明されていない。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、表面積の大きな半導体層を配設することで増感色素の担持量を増やし、その結果、大きな光電流出力を得ることができる光電変換素子を提供することである。
【0029】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、少なくとも、一方の面上に半導体層が被着された電極と、この電極の前記半導体層と対峙する対電極と、該電極の前記半導体層と対電極との間に配置された電解質層を有する光電変換素子において、前記半導体層を形成する半導体粒子は細孔を有し、該半導体粒子はその外表面及び前記細孔内に増感色素を担持しており、前記半導体粒子の粒径は10nm〜30nmの範囲内であると共に前記細孔の内径は3nm〜10nmの範囲内であり、前記半導体粒子への増感色素の担持量が10−8〜10−6mol/cmの範囲である光電変換素子により解決される。
【0030】
【発明の実施の形態】
酸化チタンの表面積をより大きくする一手段として、超微粒子の酸化チタンの一次粒子径を小さくすることが考えられる。本発明者らは、一次粒子径の小さい超微粒子の酸化チタンを使って、多孔質酸化チタン薄膜を作製し、色素担持量を測定したところ、確かに一次粒子径の大きいものより色素担持量は増加したものの、その増加分に比べ、得られる光電流はほとんど増加しないか、逆に減少してしまうという知見を得た。そしてさらに、この原因が、一次粒子径の小さい超微粒子酸化チタンを使った多孔質膜は、一次粒子径の大きなそれと比べ、表面積は増加したが、多孔質膜中の空孔径が減少したことにあることを突き止めた。すなわち、多孔質膜中の空孔径が小さくなると、電解質溶液中の酸化還元物質の移動が困難になるからである。
【0031】
そこで、本発明者らは、多孔質膜中の空孔径を小さくすることなく、表面積を増加させることができれば、色素担持量の増大に応じて、得られる光電流も増加するような多孔質酸化チタン薄膜が作製できるのではないかと考え、鋭意研究を続けた結果、内部に細孔を有する適切な一次粒子径の酸化チタン粒子からなる多孔質薄膜を作製することで、従来の多孔質酸化チタン薄膜よりも色素担持量が多く、その色素担持量に応じた光電流が得られることを発見し、本発明を完成させた。
【0032】
本発明の光電変換素子とグレッツェル・セルとの相違点は、本発明の光電変換素子における半導体層を形成する半導体粒子はその内部に細孔を有し、該細孔内に増感色素を担持することができることである。グレッツェル・セルは半導体膜を半導体粒子のみで多孔質化したものであり、半導体粒子自体はその内部に細孔を有さず、中実のままである。従って、従来のグレッツェル・セルの増感色素担持量に比べて、本発明の光電変換素子の増感色素担持量は著しく大きい。このため、本発明の光電変換素子の光電流出力は従来のグレッツェル・セルの光電流出力よりも遙かに高い。
【0033】
以下、図面を参照しながら本発明の光電変換素子の一例について具体的に説明する。図1は本発明の光電変換素子の一例の概要断面図である。図示されているように、本発明の光電変換素子1は、基板3の一方の表面に形成された電極5を有する。この電極5の一方の表面には色素増感半導体層7が形成されている。更に、この色素増感半導体層7に対峙して対電極9が存在する。対電極9は別の基板11の一方の表面に形成されている。色素増感半導体層7と対電極9との間には電解質層13が存在する。
【0034】
基板3及び11としては、ガラス又はプラスチックなどを使用できる。プラスチックは可撓性なので、柔軟性を必要とする用途に適する。基板3は光入射側基板として機能するので透明であることが好ましい。一方、基板11は透明でも、不透明でもよいが、両側の基板から光を入射させることができるので、透明であることが好ましい。
【0035】
基板3の一方の面に成膜される電極5は、金属そのものか、またはガラスもしくはプラスチック上に導電剤層を有するものである。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、もしくは導電性の金属酸化物(インジウム−錫複合酸化物、フッ素をドープした酸化錫等)が挙げられる。
【0036】
電極5は、表面抵抗が低い程よい。好ましい表面抵抗の範囲としては50Ω/□以下であり、より好ましくは30Ω/□以下である。下限に特に制限はないが、通常0.1Ω/□である。
【0037】
電極5は、光透過率が高い程よい。好ましい光透過率としては50%以上であり、より好ましくは80%である。電極5としてはガラスもしくはプラスチック上に導電剤層を有するものが好ましい。電極5の膜厚は0.1〜10μmが好ましい。電極5の膜厚が0.1μm未満の場合、均一な膜厚の電極膜を形成することが困難になる。一方、膜厚が10μm超の場合、光透過性が低下し、十分な光が色素増感半導体層7に入射されなくなる。透明電極5を使用する場合、光は色素増感半導体層7が被着される側の電極5から入射させることが好ましい。
【0038】
対電極9は光電変換素子1の正極として機能し、前記の色素増感半導体層7が被着される側の電極5と同義である。本発明における光電変換素子1の対電極9としては、光電変換素子1の正極として効率よく作用するために、電解質の還元体に電子を与える触媒作用を有する素材が好ましい。このような素材は例えば、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)、グラファイト、もしくは導電性の金属酸化物(インジウム−錫複合酸化物、フッ素をドープした酸化錫等)などである。これらのうち、白金やグラファイトなどが特に好ましい。対電極9が配設される側の基板11は、対電極9の被着面側に透明導電膜(図示されていない)を有することもできる。この透明導電膜は例えば、前記の電極5と同じ材料から成膜することができる。この場合、対電極9も透明であることが好ましい。
【0039】
図2は図1に示された光電変換素子1の基板3側に被着された色素増感半導体層7の部分拡大概要断面図である。図示されているように、色素増感半導体層7は、半導体粒子15と、この粒子に担持された増感色素17とから構成されている。増感色素17は半導体粒子15の外表面の他に、粒子内に形成された細孔19の内部にも担持される。半導体粒子15に増感色素17を担持させることにより、光電変換効率の高い光電変換素子を得ることができる。
【0040】
色素増感半導体層7の膜厚は0.1μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。色素増感半導体層7の膜厚が0.1μm未満の場合には、十分な光電変換効果が得られない可能性がある。一方、膜厚が100μm超の場合には、可視光および近赤外光に対する透過性が著しく悪化するなどの不都合が生じるので好ましくない。半導体層7の膜厚の一層好ましい範囲は、1μm〜50μmであり、特に好ましい範囲は5μm〜30μmであり、最も好ましい範囲は10μm〜20μmである。
【0041】
半導体粒子15の粒径は10nm〜30nmの範囲内である。半導体粒子15の粒径が10nmより小さいと、色素増感半導体層7の空孔径が小さくなり、電解質溶液中の酸化還元物質の移動が困難になって、得られる光電流が低下してしまうからである。この観点から、色素増感半導体層7の空孔径は10nm以上であることが好ましく、半導体粒子15の粒径が10nmより小さいと、色素増感半導体層7の空孔径が10nm未満になってしまう。また、半導体粒子15の粒径が30nmより大きくなると、半導体層7の表面積がそれほど大きくないため、充分な増感色素の担持量を得ることができず、その結果、得られる光電流も期待する程のものでないためである。
【0042】
半導体粒子15の内部に形成される細孔19の内径は3nm〜10nmの範囲内であ。細孔19の内径が3nmより小さいと、細孔内部へ増感色素を担持することが困難になる。一方、細孔19の内径が10nmより大きい場合、従来の細孔のない半導体粒子を使っても、10nm以上の空孔を色素増感半導体層7内に十分に作ることができるので、細孔を設ける意味が無くなる。細孔19の形状は不定形であり、貫通孔もあれば、窪み状の孔もある。従って、増感色素を収容するのに十分な形状と内容積を有する細孔であれば本発明の要件を満たすことができる。
【0043】
なお、半導体粒子15内部の細孔19の内径や色素増感半導体層7の空孔径の測定は、窒素ガスやクリプトンガスの吸着―脱離等温曲線の測定結果から得ることができる。例えば、ASAP2010(マイクロメリティックス社製)による測定で得られた細孔分布曲線から細孔径を求めることができる。
【0044】
細孔19を有する半導体粒子15は、ポリ(アルキレンオキサイド)ブロックコポリマーを添加した半導体材料のゾル溶液から調製することからなる公知の方法を用いて生成することができる。半導体材料のゾル溶液は、金属塩を加水分解したり、アルコールと金属塩や金属との反応などによって得られる金属のアルコキシドを加水分解したり、金属のアルコキシドに溶解した金属塩を加水分解することからなる公知の方法によって調製される。例えば、チタンのアルコキシドとして、テトライソプロピルチタネート、テトラブチルチタネート、ブチルチタネートダイマー、テトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタン、テトラステアリルチタネート、トリエタノールアミンチタネート、ジイソプロポキシ・ビス(アセチルアセトナト)チタン、チタニウムエチルアセトアセテート、チタニウムイソプロポキシオクチレングリコレート、チタニウムラクテートなどがある。
【0045】
半導体材料のゾル溶液に添加するポリ(アルキレンオキサイド)ブロックコポリマーはポリプロピレングリコールにエチレンオキサイドを付加したものが好ましい。特に、立体的に規則性を持って空孔を作ることができるABA型、AB型のブロック共重合体が好ましい。例えば、BASF社製のPluronicシリーズや三洋化成工業社製のニューポールPEシリーズなどが挙げられる。
【0046】
半導体材料のゾル溶液の溶媒としては、金属塩や金属のアルコキシドと相溶性のある溶媒であれば何でもよく、単独でも混合物でも制限なく使用できる。例えば、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、N−ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、トリクレン、プロピレンジクロライドなどがある。特に、急激な加水分解反応を抑えるために、非水系溶媒が好ましい。
【0047】
上記の半導体材料のゾル溶液を加水分解して得られた半導体粒子を焼成することで、ポリ(アルキレンオキサイド)ブロックコポリマーを取り除き、細孔を有する半導体粒子を得ることができる。焼成温度の範囲は400℃〜600℃が好ましい。400℃より低いと、ポリマーを完全に燃焼することができない恐れがある。600℃より高いと、半導体粒子の焼結が進行し、細孔が塞がってしまう問題が生じる。
【0048】
このようにして得られた細孔を有する半導体粒子のスラリー液を公知慣用の方法(例えば、ドクターブレードやバーコータなどの使う塗布方法や、スプレー法、ディップコーティング法、スクリーン印刷法、スピンコート法など)により、電極5を有する基板3の表面に塗布し、その後、400℃〜600℃の範囲内の温度で加熱焼結して多孔質な色素増感半導体層7を形成することができる。
【0049】
半導体材料としては、Cd、Zn、In、Pb、Mo、W、Sb、Bi、Cu、Hg、Ti、Ag、Mn、Fe、V、Sn、Zr、Sr、Ga、Si、Crの酸化物、SrTiO3、CaTiO3のようなペロブスカイト、または、CdS、ZnS、In23、PbS、Mo2S、WS2、Sb23、Bi23、ZnCdS2、Cu2Sの硫化物、CdSe、In2Se3、WSe2、HgS、PbSe、CdTeの金属カルコゲナイド、その他GaAs、Si、Se、Cd23、Zn23、InP、AgBr、PbI2、HgI2、BiI3が好ましい。または、前記半導体から選ばれる少なくとも一種以上を含む複合体、例えば、CdS/TiO2、CdS/AgI、Ag2S/AgI、CdS/ZnO、CdS/HgS、CdS/PbS、ZnO/ZnS、ZnO/ZnSe、CdS/HgS、CdSx/CdSe1-x、CdSx/Te1-x、CdSex/Te1-x、ZnS/CdSe、ZnSe/CdSe、CdS/ZnS、TiO2/Cd32、CdS/CdSeCdyZn1-yS、CdS/HgS/CdSが好ましい。
【0050】
半導体粒子15に担持させる増感色素17としては、従来の色素増感性光電変換素子で常用される色素であれば全て使用できる。このような色素は当業者に公知である。このような色素は例えば、RuL2(H2O)2タイプのルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体又はルテニウム−トリス(RuL3)、ルテニウム−ビス(RuL2)、オスニウム−トリス(OsL3)、オスニウム−ビス(OsL2)タイプの遷移金属錯体若しくは、亜鉛−テトラ(4−カルボキシフェニル)ポルフィリン、鉄−ヘキサシアニド錯体、フタロシアニンなどが挙げられる。有機色素としては、9-フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素、アクリジン系色素、トリフェニルメタン系色素、テトラフェニルメタン系色素、キノン系色素、アゾ系色素、インジゴ系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素などが挙げられる。この中でもルテニウム−ビス(RuL2)誘導体が好ましい。
【0051】
図2に示されるような、細孔19を有する半導体粒子15へ増感色素17を担持させる方法は、例えば、増感色素を溶かした溶液に、半導体粒子層を被着させた電極付基板3を浸漬させる方法が挙げられる。この溶液の溶媒としては、水、アルコール、トルエン、ジメチルホルムアミドなど増感色素を溶解可能なものであれば全て使用できる。また、浸漬方法として増感色素溶液に、半導体粒子層を被着させた電極付基板3を一定時間浸漬させている時に、加熱還流をしたり、超音波を印加したりすることもできる。半導体粒子15への色素担持後、担持せずに色素増感半導体層7に残ってしまった増感色素を取り除くために、アルコールで洗浄あるいは加熱還流したりするとよい。さらに、増感色素17が担持されてない半導体粒子15の部分がないようにするために、アルコール中にt-ブチルピリジンを溶かしておくことが好ましい。アルコール中にt-ブチルピリジンが存在すると、半導体粒子/電解質界面では、増感色素及びt−ブチルピリジンによって半導体粒子表面と電解質とをセパレートすることができ、漏れ電流を抑制することが可能なため、光電変換素子の特性を著しく向上させることができる。
【0052】
半導体粒子15への増感色素17の担持量としては、10-8〜10-6mol/cm2の範囲にあればよく、特に0.1〜9.0×10-7mol/cm2が好ましい。増感色素17の担持量が10-8mol/cm2未満の場合、光電変換効率向上効果が不十分となる。一方、増感色素17の担持量が10-6mol/cm2超の場合、光電変換効率向上効果が飽和し、不経済となるだけである。
【0053】
本発明の光電変換素子1における電解質層13で使用される電解質としては、酸化体と還元体からなる一対の酸化還元系構成物質が溶媒中に含まれていれば、特に限定されないが、酸化体と還元体が同一電荷を持つ酸化還元系構成物質が好ましい。この明細書における、酸化還元系構成物質とは、酸化還元反応において、可逆的に酸化体及び還元体の形で存在する一対の物質を意味する。このような酸化還元系構成物質自体は当業者に公知である。本発明で使用できる酸化還元系構成物質は例えば、塩素化合物−塩素、ヨウ素化合物−ヨウ素、臭素化合物−臭素、タリウムイオン(III)−タリウムイオン(I)、水銀イオン(II)−水銀イオン(I)、ルテニウムイオン(III)−ルテニウムイオン(II)、銅イオン(II)−銅イオン(I)、鉄イオン(III)−鉄イオン(II)、バナジウムイオン(III)−バナジウムイオン(II)、マンガン酸イオン−過マンガン酸イオン、フェリシアン化物−フェロシアン化物、キノン−ヒドロキノン、フマル酸−コハク酸などが挙げられる。言うまでもなく、その他の酸化還元系構成物質も使用できる。中でも、ヨウ素化合物−ヨウ素が好ましく、ヨウ素化合物としては、ヨウ化リチウム、ヨウ化カリウム等の金属ヨウ化物、テトラアルキルアンモニウムヨージド、ピリジニウムヨージド等のヨウ化4級アンモニウム塩化合物、ヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウム等のヨウ化ジイミダゾリウム化合物が特に好ましい。
【0054】
電解質を溶解するために使用される溶媒は、酸化還元系構成物質を溶解しイオン伝導性に優れた化合物が好ましい。溶媒としては水性溶媒及び有機溶媒の何れも使用できるが、酸化還元系構成物質をより安定するため、有機溶媒が好ましい。例えば、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、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネ−ト化合物、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、ガンマーブチロラクトン等のエステル化合物、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソシラン、テトラヒドロフラン、2−メチルーテトラヒドラフラン等のエーテル化合物、3−メチル−2−オキサゾジリノン、2−メチルピロリドン等の複素環化合物、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル化合物、スルフォラン、ジジメチルスルフォキシド、ジメチルフォルムアミド等の非プロトン性極性化合物などが挙げられる。これらはそれぞれ単独で用いることもできるし、また、2種類以上を混合して併用することもできる。中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネ−ト化合物、3−メチル−2−オキサゾジリノン、2−メチルピロリドン等の複素環化合物、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル化合物が特に好ましい。
【0055】
電解質層13としては、液体、固体、あるいは、ゲル状電解質のいずれも使用することができる。特に光電変換効率の向上には液体電解質が好ましい。また、液体電解質を多孔質支持体(図示されていない)に充填することにより、電解質溶液の漏液を完全に防止することができる。
【0056】
このような目的に使用可能な多孔質支持体は例えば、濾過フィルター(メンブランフィルタ)あるいは一次電池や二次電池などに用いられるセパレーター又は不織布などを好適に使用できる。特に、多孔質支持体面に対し法線方向に貫通した空隙をもつ場合、多孔質支持体自体が酸化還元対の移動を阻害する作用が少ないため高い光電変換効率が得られる。
【0057】
多孔質支持体として使用される濾過フィルターの材質としては、ガラス繊維、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン類、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル類などからなるものが好ましい。
【0058】
多孔質支持体として使用されるセパレーター又は不織布の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン類、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル類、ポリアミド類、ポリフェリレンスルフィド、ビニヨン(塩化ビニルと酢酸ビニルの共重合物)、ポリイミド、ビニロン(アセタール化ポリビニルアルコール)などが好ましい。これらの材質のセパレーター又は不織布を単独でも、あるいは2種以上の材質のセパレーター又は不織布を複合化して使用することもできる。ここで、「複合化した不織布」とは、上記2種類の材料をブレンド後に溶融紡糸/延伸したブレンド延伸型不織布、または上記2種類の材料の一方を芯とし、他方がその周囲を被覆してなる複合繊維(コンジュゲート型繊維)を熱融着してなる芯鞘構造型の不織布である。例えば、芯成分に高融点のポリプロピレンを用い、鞘成分に低融点のポリエチレンを用いた熱融着タイプの不織布がよく知られている。
【0059】
多孔質支持体の厚みは半導体層と対電極との面間隔で規定される。しかし、一般的に、多孔質支持体の厚みは、1mm以下が好ましい。多孔質支持体の厚みが1mm超の場合、電解質層13中の酸化還元対の移動距離が長くなり、酸化還元対を媒介とした電子の授受反応が律速となり光電変換効率が低下する。
【0060】
半導体層と対電極との空間を無くすことは、多孔質支持体による保持機構の働かない電解質層13部分を無くすことになり、そのこと自体は液漏れ防止および信頼性向上につながる。しかしながら、半導体層と対電極との空間を無くすために、その組立工程おいて両極を互いに強く押しつけ合うことは、半導体層および対電極を機械的に破壊し、光電変換効率を低下させる要因となることもある。そのため、半導体層と対電極との間には少なくとも1μm以上の間隔を設け、前記半導体層および対電極の機械的破壊を防ぐことが好ましい。従って、半導体層と対電極との間に設ける多孔質支持体の厚みとしては1μm以上とすることが好ましい。
【0061】
本発明の半導体層と対電極との間の電解質層13を構成するために使用される多孔質支持体は、半導体層と対電極との間に充填される電解液の酸化還元対の移動を妨げないばかりか、これら電解液を液漏れしないように保持しなければならない。従って、本発明の多孔質支持体は、光電変換素子の形成に必要な電解液の酸化還元対の移動を妨げず、しかも、液漏れを起こさないように電解液を保持するのに必要十分なポロシティー(気孔率)を有しなければならない。
【0062】
このため、本発明の光電変換素子1における電解質層13を構成するために多孔質支持体を使用する場合、その多孔質支持体としては、ポロシティー(気孔率)が30%〜80%の範囲内である多孔質素材を使用することが好ましい。ポロシティーが30%より小さい多孔質支持体を用いた場合、多孔質支持体が酸化還元対の移動を妨げる効果が大きくなり、酸化還元対を媒介とした電子の授受反応が律速となり光電変換効率が低くなる。一方、ポロシティーが80%より大きい多孔質支持体を用いた場合、孔径が大きくなり、毛管作用による電解質溶液保持能力が低下し、十分な液漏れ抑制効果が得られなくなる。
【0063】
【実施例】
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。
【0064】
実施例1
脱水エタノールに10wt%のニューポールPE−108(三洋化成工業社製)を溶解させた。次に、四塩化チタン0.01molをこの脱水エタノール溶液に添加し、激しく1時間攪拌し、酸化チタンのゾル溶液を調製した。酸化チタンのゾル溶液10gをシャーレに移し、シャーレを40℃に設定したオーブンに入れて、脱水エタノールが完全に無くなるまで放置した。シャーレに残った酸化チタンゲルを400℃で4時間焼成し、ニューポールPE−108を完全に取り除いた。得られた酸化チタンの粉末をSEMで観察した結果、粒径が約30nmであった。また、X線回折の結果から得られた酸化チタンはアナターゼ型であった。さらに、TEM観察と窒素ガスの吸着-脱離等温曲線から酸化チタン粒子の内部に8nmの細孔が作られていることを確認した。
【0065】
ノニポール100(三洋化成工業社製)0.2mlを含む水とアセチルアセトンとの混合液(容量混合比=20/1)20ml中に上記の酸化チタン粒子を濃度約1wt%で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラリー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(F−SnO2,10Ω/sq,旭硝子製)上に塗布し、乾燥し、得られた乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、多孔質酸化チタン膜を形成した。次に、多孔質酸化チタン薄膜を備えた導電性ガラスを、[Ru(4,4'-ジカルボキシル-2,2'-ビピリジン)2(NCS)2]で表される増感色素溶液中に浸漬し80℃で還流を行いながら色素吸着処理を行った。
【0066】
前記のようにして得た半導体電極とその対電極とを電解質溶液に接触させて光電変換素子を構成した。この場合、対電極としては、白金を20nm厚さで蒸着した導電性ガラスを用いた。両電極間の距離は0.1mmとした。電解質溶液としては、テトラプロピルアンモニウムヨーダイド(0.5M)とヨウ素(0.04M)を含むエチレンカーボネートとアセトニトリルとの混合液(容量混合比=80/20)を用いた。
【0067】
前記のようにして得られた半導体電極に担持された増感色素の担持量、および組み立てた光電変換素子の光短絡電流を下記の表1に示す。増感色素の担持量の測定は、増感色素が担持した半導体電極をアルカリ性のエタノール溶液に浸漬させて増感色素を溶出後、そのエタノール溶液の吸光度変化から算出した。また、光電変換素子の光短絡電流は、光照射時の電流−電圧特性から求めた。
【0068】
比較例1
ノニポール100(三洋化成工業社製)0.2mlを含む水とアセチルアセトンとの混合液(容量混合比=20/1)20ml中に酸化チタン粒子(日本アエロジル社製,P25,平均粒径20nm)を濃度約1wt%で分散させてスラリー液を調製した。次に、このスラリー液を厚さ1mmの導電性ガラス基板(旭硝子製,F−SnO2,10Ω/sq)上に塗布し、乾燥し、得られた乾燥物を500℃で30分間、空気中で焼成し、多孔質酸化チタン膜を形成した。次に、この多孔質酸化チタン膜を設けた基板とともに、[Ru(4,4'−ジカルボキシル-2,2'-ビピリジン)2(NCS)2]で表される増感色素溶液中に浸漬し、80℃で還流を行いながら色素吸着処理を行った。このようにして得た半導体電極を用いて、実施例1と同様な方法で光電変換素子を組み立てた。
【0069】
前記の実施例1及び比較例1で得られた各光電変換素子における、半導体電極に担持された増感色素の担持量、および組み立てた光電変換素子の光短絡電流を測定した。増感色素の担持量の測定は、増感色素が担持した半導体電極をアルカリ性のエタノール溶液に浸漬させて増感色素を溶出後、そのエタノール溶液の吸光度変化から算出した。また、光電変換素子の光短絡電流は、光照射時の電流−電圧特性から求めた。測定結果を下記の表1に示す。
【0070】
【表1】

Figure 0004423735
【0071】
実施例1と比較例1の色素増感半導体層の膜厚はほぼ同じであるにもかかわらず、色素担持量は実施例1の方が2.6倍多い。すなわち、酸化チタン粒子内部に細孔があるため、増感色素の担持量が多くなったことを示し、その結果、短絡光電流も色素担持量の増大に応じた増加を示した。
【0072】
実施例2
脱水エタノールに10wt%のPluronic P−123(BASF社製)を溶解させた。次に、四塩化チタン0.01molをこの脱水エタノール溶液に添加し、激しく1時間攪拌し、酸化チタンのゾル溶液を調製した。この酸化チタンのゾル溶液50mlに厚さ1mmの導電性ガラス基板(F−SnO2,10Ω/sq,旭硝子製)を浸漬後、5mm/minの速さで導電ガラスを引き上げた。続いて、40℃に設定したオーブンに入れて、脱水エタノールを飛ばした後、450℃で30分間焼成した。この浸漬−焼成を繰り返して得られた酸化チタンの膜厚は2.3μmであった。得られた酸化チタン薄膜の表面をSEMで観察した結果、粒径が約15nmの酸化チタン粒子からなることを確認した。また、X線回折の結果から得られた酸化チタンはアナターゼ型であり、さらに、TEM観察と窒素ガスの吸着-脱離等温曲線から酸化チタン粒子の内部に6nmの細孔が生成されていることを確認した。
【0073】
上記の多孔質酸化チタン薄膜が堆積した導電ガラスを[Ru(4,4'-ジカルボキシル-2,2'-ビピリジン)2(NCS)2]で表される増感色素溶液中に浸漬し80℃で還流を行いながら色素吸着処理を行った。このようにして得た半導体電極を実施例1と同様な方法で光電変換素子を組み立てた。前記と同様な方法で半導体電極に担持された増感色素の担持量、および組み立てた光電変換素子の光短絡電流を測定した。半導体電極に担持された増感色素の担持量は0.038μmol/cm2、光電変換素子の光短絡電流は6.4mA/cm2であった。
【0074】
実施例3
脱水エタノールに10wt%のPluronic P−123(BASF社製)を溶解させた。次に、チタンテトライソプロポキシド0.05molをこの脱水エタノール溶液に添加し、激しく1時間攪拌し、酸化チタンのゾル溶液を調製した。実施例2と同様に、この酸化チタンのゾル溶液50mlに厚さ1mmの導電性ガラス基板(F−SnO2,10Ω/sq,旭硝子製)を浸漬後、5mm/minの速さで導電ガラスを引き上げた。続いて、80℃に設定したオーブンに入れて、1時間放置後、450℃で30分間焼成した。この浸漬−焼成を繰り返して得られた酸化チタンの膜厚は1.6μmであった。得られた酸化チタン薄膜の表面をSEMで観察した結果、粒径が約20nmの酸化チタン粒子からなることを確認した。また、X線回折の結果から得られた酸化チタンはアナターゼ型であり、さらに、TEM観察と窒素ガスの吸着-脱離等温曲線から酸化チタン粒子の内部に8nmの細孔が生成されていることを確認した。
【0075】
上記の多孔質酸化チタン薄膜が堆積した導電ガラスを[Ru(4,4'-ジカルボキシル-2,2'-ビピリジン)2(NCS)2]で表される増感色素溶液中に浸漬し80℃で還流を行いながら色素吸着処理を行った。このようにして得た半導体電極を実施例1と同様な方法で光電変換素子を組み立てた。前記と同様な方法で半導体電極に担持された増感色素の担持量、および組み立てた光電変換素子の光短絡電流を測定した。半導体電極に担持された増感色素の担持量は0.025μmol/cm2、光電変換素子の光短絡電流は5.3mA/cm2であった。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体粒子内部に細孔を生成し、半導体粒子の外表面だけでなく、粒子の細孔内部にも増感色素を担持させることにより、色素増感半導体層全体の増感色素担持量が増大され、その結果、非常に高い光電流出力を示す光電変換素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電変換素子の一例の概要断面図である。
【図2】図1に示された光電変換素子の部分拡大概要断面図である。
【符号の説明】
1 本発明の光電変換素子
3,11 基板
5 電極
7 色素増感半導体層
9 対電極
13 電解質層
15 半導体粒子
17 増感色素
19 細孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion element. More specifically, the present invention relates to a photoelectric conversion element capable of realizing a high photocurrent output by increasing the amount of sensitizing dye supported.
[0002]
[Prior art]
Solar cells are highly expected as clean energy sources, and pn junction solar cells have already been put into practical use. On the other hand, photochemical cells that take out electrical energy by utilizing a chemical reaction in a photoexcited state have been developed by many researchers. However, when it comes to practical use, it is far more than the already proven pn junction solar cells. There wasn't.
[0003]
Among conventional photochemical cells, a type utilizing a redox reaction comprising a sensitizer and an electron acceptor is known. For example, there is a system in which a thionine dye and iron (II) ion are combined. In addition, since the discovery of the Honda-Fujishima effect, photochemical cells utilizing photocharge separation of metals and their oxides are also known.
[0004]
When the semiconductor is in contact with a metal, Schottky bonding can be performed depending on the work function of the metal and the semiconductor, but similar bonding can also be performed when the semiconductor and the solution are in contact. For example, Fe in solution2+/ Fe3+, Fe (CN)6 Four-/ Fe (CN)6 3-, I-/ I2, Br-/ Br2When a redox system such as hydroquinone / quinone is included, when an n-type semiconductor is immersed in a solution, electrons near the surface of the semiconductor move to the oxidizing agent in the solution and reach an equilibrium state. As a result, the vicinity of the semiconductor surface is positively charged and a potential gradient is generated. As a result, a gradient also occurs in the conduction band and valence band of the semiconductor.
[0005]
When the surface of the semiconductor electrode immersed in the redox solution is irradiated with light, light having energy higher than the band gap of the semiconductor is absorbed, generating electrons in the conduction band and holes in the valence band near the surface. Electrons excited in the conduction band are transferred to the inside of the semiconductor by the above-described potential gradient existing near the surface of the semiconductor, while holes generated in the valence band take electrons from the reductant in the redox solution.
[0006]
When a metal electrode is immersed in an oxidation-reduction solution to form a circuit between the metal electrode and the semiconductor, the reductant from which electrons have been taken by holes diffuses in the solution, receives electrons from the metal electrode, and is reduced again. By repeating this cycle, the semiconductor electrode functions as a negative electrode and the metal electrode functions as a positive electrode, respectively, and power can be supplied to the outside. Therefore, the photovoltaic power is the difference between the redox level of the redox solution and the Fermi level in the semiconductor.
[0007]
In order to increase the photovoltaic power, (1) use a redox solution having a low redox level, that is, a strong oxidizing power, and (2) between the redox level and the Fermi level in the semiconductor. It is possible to create a large difference, that is, to use a semiconductor with a large band gap.
[0008]
However, if the oxidizing power of the redox solution is too great, an oxide film is formed on the surface of the semiconductor itself, and the photocurrent stops within a short time. As for the band gap, a semiconductor having a band gap of 3.0 eV or less, further 2.0 eV or less generally has a problem of being easily dissolved in a solution due to a current flowing during photoelectric conversion. For example, n-Si forms an inactive oxide film on the surface by light irradiation in water, and n-GaAs and n-CdS dissolve oxidatively.
[0009]
In order to solve these problems, attempts have been made to cover a semiconductor with a protective film, and p-type conductive polymers such as polypyrrole, polyaniline, and polythiophene having hole transport properties are used for the semiconductor protective film. Ingenuity has been proposed. However, there was a problem with durability, and it was stable only for a few days at most.
[0010]
In order to solve the problem of photodissolution, use of a semiconductor having a band gap of 3 eV or more can be considered, but it is too large to efficiently absorb sunlight having an intensity peak in the vicinity of 2.5 eV. Therefore, only the ultraviolet part of sunlight can be absorbed, the visible region occupying the majority is not absorbed at all, and the photoelectric conversion efficiency becomes extremely low.
[0011]
In order to achieve both effective use of the visible light region and light stability of semiconductors with a large band gap, a dye-sensitized solar in which a sensitizing dye that absorbs visible light on the longer wavelength side, which is smaller than the semiconductor band gap, is supported on the semiconductor. Batteries are known. The difference from a conventional wet solar cell using a semiconductor is a photocharge separation process in which electrons are excited by irradiating light to the dye and the excited electrons move from the dye to the semiconductor.
[0012]
Dye-sensitized solar cells are often viewed in connection with photosynthesis. At first, chlorophyll was considered as a pigment as in the case of photosynthesis, but unlike natural chlorophyll, which is constantly replaced with new chlorophyll, there is a problem in terms of stability with pigments used in solar cells. The photoelectric conversion efficiency was less than 0.5%. It is very difficult to construct a solar cell by simulating the process of natural photosynthesis as it is.
[0013]
In this way, dye-sensitized solar cells are designed to absorb long-wavelength visible light based on hints from photosynthesis. However, since the electron conduction mechanism is actually complicated, the increase in loss is a problem. It became. In a solid solar cell, the absorption efficiency can be increased by increasing the thickness of the light absorbing layer. However, for dye-sensitized solar cells, only the monolayer on the surface can inject electrons into the semiconductor electrode. Therefore, it is desirable that the dye on the semiconductor surface be a monomolecular layer in order to eliminate useless light absorption.
[0014]
Moreover, in order for the electrons in the excited dye to be efficiently injected into the semiconductor, it is preferably chemically bonded to the semiconductor surface. For example, regarding titanium oxide, it is important that the dye has a carboxyl group in order to chemically bond to the semiconductor surface.
[0015]
In this regard, the Fujihira group has made significant improvements. They say that the carboxyl group of Rhodamine B is SnO2It was reported in the journal Nature in 1977 that the photocurrent has become more than 10 times that of the conventional adsorption method due to ester bonding with hydroxyl groups on the surface. This is due to the fact that the ester bond is closer to the surface of the semiconductor than the conventional amide bond, in which the π orbit where the electrons that absorbed the energy of light in the dye exist.
[0016]
However, even if electrons can be effectively injected into the semiconductor, electrons in the conduction band may recombine with the ground level of the dye or may recombine with the redox material. Because of such problems, the photoelectric conversion efficiency remained low despite the above-described improvements in electron injection.
[0017]
As described above, a major problem with conventional dye-sensitized solar cells is that only sensitizing dyes supported on a semiconductor surface as a single layer can inject electrons into the semiconductor. That is, single crystals and polycrystalline semiconductors that have been often used for semiconductor electrodes until now have a smooth surface and no pores inside, and the effective area on which the sensitizing dye is carried is equal to the electrode area. Is less loaded.
[0018]
Therefore, when such an electrode is used, the monomolecular sensitizing dye supported on the electrode can absorb only 1% or less of the incident light even at the maximum absorption wavelength, and the light utilization efficiency becomes extremely poor. Attempts have been made to make the sensitizing dye multilayer in order to increase the light collecting ability, but generally a sufficient effect has not been obtained.
[0019]
Gretzell et al., As a means for solving such problems, made the titanium oxide electrode porous, loaded a sensitizing dye, and significantly increased the internal area (for example, Japanese Patent No. 2664196). This titanium oxide porous film is produced by the sol-gel method, and the porosity of the film is about 50%, and a nanoporous structure having a very high internal surface area is formed. For example, at a film thickness of 8 μm, the roughness factor (ratio of the actual area inside the porous to the substrate area) reaches about 720. When this surface is calculated geometrically, the concentration of the sensitizing dye is 1.2 × 10-7mol / cm2In fact, about 98% of the incident light is absorbed at the maximum absorption wavelength.
[0020]
This new dye-sensitized solar cell, also called the Gretzel cell, has a dramatic increase in the amount of sensitizing dye supported by the porous titanium oxide mentioned above, and absorbs sunlight efficiently and the rate of electron injection into the semiconductor. The development of a sensitizing dye that is significantly faster is a major feature.
[0021]
Have developed a bis (bipyridyl) Ru (II) complex for dye-sensitized solar cells. The Ru complex has the structure of the general formula cis-X2 bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) Ru (II). X is Cl-, CN-, SCN-. These have been systematically studied for fluorescence, visible light absorption, electrochemical and photoredox behavior. Among these, cis- (diisocyanate) -bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) Ru (II) has remarkably superior performance as a solar absorber and a dye sensitizer. It was shown to have.
[0022]
The visible light absorption of this dye sensitizer is a charge transfer transition from metal to ligand. In addition, the carboxyl group of the ligand is directly coordinated to the Ti ion on the surface, forming an intimate electronic contact between the dye sensitizer and titanium oxide. Due to this electronic contact, electron injection from the dye sensitizer into the conduction band of titanium oxide occurs at a very fast rate of 1 picosecond or less, and the conduction band of titanium oxide by the oxidized dye sensitizer in the opposite direction. The recapture of electrons injected into the nuclei is said to occur on the order of microseconds. This speed difference creates the directionality of photoexcited electrons, which is why charge separation is performed with extremely high efficiency. This is a difference from a pn junction solar cell that performs charge separation by the potential gradient of the pn junction surface, and is an essential feature of the Gretzel cell.
[0023]
The structure of the Gretzel cell is a sandwich type cell in which an electrolyte solution containing a redox pair is enclosed between two conductive glass substrates coated with a fluorine-doped tin oxide transparent conductive film. One of the glass substrates is obtained by laminating a porous film composed of colloidal titanium oxide ultrafine particles on a transparent conductive film, and further adsorbing a sensitizing dye to form a working electrode. The other is a counter electrode obtained by coating a small amount of platinum on a transparent conductive film. A spacer is sandwiched between two glass substrates, and an electrolyte solution is injected into a very small gap between them using a capillary phenomenon. The electrolyte solution uses a mixed solvent of ethylene carbonate and acetonitrile and solutes tetra-n-propylammonium iodide and iodine.-/ I3-The redox couple of The platinum coated on the counter electrode is the redox pair I3-I-Has a catalytic action of cathodic reduction.
[0024]
The principle of operation of a grettzel cell is basically the same as a wet solar cell using a conventional semiconductor. However, the reason why the photocharge separation response is uniformly and efficiently performed in any part of the porous electrode such as a Gretzel cell is mainly because the electrolyte layer is liquid. That is, simply immersing the dye-carrying porous electrode in the solution allows the solution to uniformly diffuse into the porous and form an ideal electrochemical interface.
[0025]
However, the fact that the hole transport layer is a liquid layer is not preferable from the viewpoint of the stability of the solar cell. In fact, in many cases, leakage of the electrolyte solution causes deterioration of other battery components even when the battery is manufactured. It is known to occur in advance and reduce the performance of the solar cell. In order to put the Gretzel cell into practical use, it is necessary to make a detailed study of each element constituting the Gretzel cell, as exemplified by the electrolyte.
[0026]
A major feature of the Gretzel cell is that it uses ultrafine titanium oxide to increase the surface area in order to dramatically increase the amount of sensitizing dye supported. Therefore, if the surface area of titanium oxide is made larger, it is naturally expected that the amount of sensitizing dye carried increases and the resulting photocurrent becomes larger. In the past, in order to increase the surface area, the surface of the titanium oxide thin film was roughened (for example, see JP-A-10-112337), or a polymer was added to the titanium oxide thin film to create pores. (See Miki et al., Solar / Wind Energy Lectures 1998, 147-150).
[0027]
However, since the former method employs a method of anodizing titanium metal, the titanium oxide thin film is not porous, and as a result, the photocurrent is smaller than a thin film made of ultrafine titanium oxide. In addition, the latter method has a feature that the pores can be controlled, but the pore diameter is too large, leading to a decrease in the amount of dye supported. Thus, in the prior art, nothing superior to a thin film using titanium oxide ultrafine particles has been invented.
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element capable of increasing the amount of a sensitizing dye carried by disposing a semiconductor layer having a large surface area and, as a result, obtaining a large photocurrent output.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
  The subject is disposed at least between an electrode having a semiconductor layer deposited on one surface, a counter electrode facing the semiconductor layer of the electrode, and the semiconductor layer and the counter electrode of the electrode. In the photoelectric conversion element having an electrolyte layer, the semiconductor particles forming the semiconductor layer have pores, and the semiconductor particles carry a sensitizing dye on the outer surface and in the pores. Particle size is 10nm ~30In addition, the inner diameter of the pores is in the range of 3 nm to 10 nm, and the loading of the sensitizing dye on the semiconductor particles is 10-8-10-6mol / cm2It is solved by the photoelectric conversion element which is the range.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As a means for increasing the surface area of titanium oxide, it is conceivable to reduce the primary particle diameter of titanium oxide of ultrafine particles. The inventors of the present invention made a porous titanium oxide thin film using ultrafine titanium oxide having a small primary particle size and measured the amount of the dye supported. Although it increased, it was found that the photocurrent obtained hardly increased or decreased compared with the increase. Furthermore, the cause of this is that the porous membrane using ultrafine titanium oxide with a small primary particle diameter has an increased surface area compared with that with a large primary particle diameter, but the pore diameter in the porous film has decreased. I found out. That is, if the pore diameter in the porous membrane is reduced, it becomes difficult to transfer the redox material in the electrolyte solution.
[0031]
Therefore, the present inventors have proposed a porous oxidation that increases the photocurrent as the amount of dye supported increases, if the surface area can be increased without reducing the pore size in the porous membrane. As a result of continual research, thinking that a titanium thin film could be produced, conventional porous titanium oxide was produced by producing a porous thin film consisting of titanium oxide particles of appropriate primary particle diameter with pores inside. It was discovered that the amount of dye supported was larger than that of the thin film, and a photocurrent corresponding to the amount of dye supported was obtained, and the present invention was completed.
[0032]
The difference between the photoelectric conversion element of the present invention and the Gretzel cell is that the semiconductor particles forming the semiconductor layer in the photoelectric conversion element of the present invention have pores therein and carry a sensitizing dye in the pores. Is what you can do. The Gretzel cell is obtained by making a semiconductor film porous only with semiconductor particles, and the semiconductor particles themselves do not have pores inside and remain solid. Therefore, the amount of the sensitizing dye supported by the photoelectric conversion element of the present invention is significantly larger than the amount of the sensitizing dye supported by the conventional Gretzel cell. For this reason, the photocurrent output of the photoelectric conversion element of the present invention is much higher than the photocurrent output of the conventional Gretzel cell.
[0033]
Hereinafter, an example of the photoelectric conversion element of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of the photoelectric conversion element of the present invention. As shown in the drawing, the photoelectric conversion element 1 of the present invention has an electrode 5 formed on one surface of a substrate 3. A dye-sensitized semiconductor layer 7 is formed on one surface of the electrode 5. Further, a counter electrode 9 is present opposite to the dye-sensitized semiconductor layer 7. The counter electrode 9 is formed on one surface of another substrate 11. An electrolyte layer 13 exists between the dye-sensitized semiconductor layer 7 and the counter electrode 9.
[0034]
As the substrates 3 and 11, glass or plastic can be used. Since plastic is flexible, it is suitable for applications that require flexibility. Since the board | substrate 3 functions as a light-incidence side board | substrate, it is preferable that it is transparent. On the other hand, the substrate 11 may be transparent or opaque, but it is preferable that the substrate 11 be transparent because light can be incident from the substrates on both sides.
[0035]
The electrode 5 formed on one surface of the substrate 3 is a metal itself, or has a conductive agent layer on glass or plastic. Preferred conductive agents include metals (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, or conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, fluorine-doped tin oxide, etc.). Can be mentioned.
[0036]
The electrode 5 is better as the surface resistance is lower. The range of the surface resistance is preferably 50Ω / □ or less, more preferably 30Ω / □ or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually 0.1Ω / □.
[0037]
The electrode 5 is better as the light transmittance is higher. A preferable light transmittance is 50% or more, and more preferably 80%. The electrode 5 preferably has a conductive agent layer on glass or plastic. The film thickness of the electrode 5 is preferably 0.1 to 10 μm. When the film thickness of the electrode 5 is less than 0.1 μm, it becomes difficult to form an electrode film having a uniform film thickness. On the other hand, when the film thickness exceeds 10 μm, the light transmittance is lowered, and sufficient light is not incident on the dye-sensitized semiconductor layer 7. When the transparent electrode 5 is used, light is preferably incident from the electrode 5 on the side on which the dye-sensitized semiconductor layer 7 is applied.
[0038]
The counter electrode 9 functions as a positive electrode of the photoelectric conversion element 1 and has the same meaning as the electrode 5 on the side on which the dye-sensitized semiconductor layer 7 is deposited. As the counter electrode 9 of the photoelectric conversion element 1 in the present invention, a material having a catalytic action for giving electrons to a reductant of the electrolyte is preferable in order to efficiently act as the positive electrode of the photoelectric conversion element 1. Examples of such materials include metals (eg, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), graphite, or conductive metal oxides (indium-tin composite oxide, fluorine-doped tin oxide, etc. ) Etc. Of these, platinum and graphite are particularly preferred. The substrate 11 on the side on which the counter electrode 9 is provided can also have a transparent conductive film (not shown) on the surface to which the counter electrode 9 is attached. For example, the transparent conductive film can be formed from the same material as the electrode 5. In this case, the counter electrode 9 is also preferably transparent.
[0039]
FIG. 2 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the dye-sensitized semiconductor layer 7 deposited on the substrate 3 side of the photoelectric conversion element 1 shown in FIG. As shown in the figure, the dye-sensitized semiconductor layer 7 is composed of semiconductor particles 15 and a sensitizing dye 17 carried on the particles. The sensitizing dye 17 is supported not only on the outer surface of the semiconductor particle 15 but also inside the pores 19 formed in the particle. By carrying the sensitizing dye 17 on the semiconductor particles 15, a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency can be obtained.
[0040]
The film thickness of the dye-sensitized semiconductor layer 7 is preferably in the range of 0.1 μm to 100 μm. When the film thickness of the dye-sensitized semiconductor layer 7 is less than 0.1 μm, a sufficient photoelectric conversion effect may not be obtained. On the other hand, when the film thickness is more than 100 μm, it is not preferable because inconveniences such as remarkable deterioration of the transmittance for visible light and near infrared light occur. A more preferable range of the film thickness of the semiconductor layer 7 is 1 μm to 50 μm, a particularly preferable range is 5 μm to 30 μm, and a most preferable range is 10 μm to 20 μm.
[0041]
  The particle size of the semiconductor particles 15 is 10 nm to30It is in the range of nm. If the particle diameter of the semiconductor particles 15 is smaller than 10 nm, the pore diameter of the dye-sensitized semiconductor layer 7 becomes small, and it becomes difficult to move the redox substance in the electrolyte solution, and the obtained photocurrent is reduced. It is. From this viewpoint, the pore diameter of the dye-sensitized semiconductor layer 7 is preferably 10 nm or more. When the particle diameter of the semiconductor particles 15 is smaller than 10 nm, the pore diameter of the dye-sensitized semiconductor layer 7 is less than 10 nm. . The particle size of the semiconductor particles 15 is30If it is larger than nm, the surface area of the semiconductor layer 7 is not so large, so that a sufficient amount of sensitizing dye cannot be obtained, and as a result, the obtained photocurrent is not as expected.
[0042]
  The inner diameter of the pores 19 formed inside the semiconductor particles 15 is,Within the range of 3 nm to 10 nmRu. When the inner diameter of the pore 19 is smaller than 3 nm, it becomes difficult to carry the sensitizing dye inside the pore. On the other hand, when the inner diameter of the pores 19 is larger than 10 nm, pores of 10 nm or more can be sufficiently formed in the dye-sensitized semiconductor layer 7 even if conventional semiconductor particles without pores are used. The meaning of providing The shape of the pores 19 is indefinite, and there are through-holes and recessed holes. Accordingly, the pores having a shape and an internal volume sufficient to accommodate the sensitizing dye can satisfy the requirements of the present invention.
[0043]
The measurement of the inner diameter of the pores 19 inside the semiconductor particles 15 and the pore diameter of the dye-sensitized semiconductor layer 7 can be obtained from the measurement results of adsorption-desorption isotherm curves of nitrogen gas and krypton gas. For example, the pore diameter can be determined from the pore distribution curve obtained by measurement with ASAP2010 (manufactured by Micromeritics).
[0044]
The semiconductor particles 15 having the pores 19 can be generated using a known method comprising preparing from a sol solution of a semiconductor material to which a poly (alkylene oxide) block copolymer is added. The sol solution of a semiconductor material can hydrolyze a metal salt, hydrolyze a metal alkoxide obtained by reaction of an alcohol with a metal salt or a metal, or hydrolyze a metal salt dissolved in a metal alkoxide. It is prepared by a known method consisting of: For example, titanium alkoxides include tetraisopropyl titanate, tetrabutyl titanate, butyl titanate dimer, tetrakis (2-ethylhexyloxy) titanium, tetrastearyl titanate, triethanolamine titanate, diisopropoxy bis (acetylacetonato) titanium, titanium Examples include ethyl acetoacetate, titanium isopropoxyoctylene glycolate, and titanium lactate.
[0045]
The poly (alkylene oxide) block copolymer added to the sol solution of the semiconductor material is preferably one in which ethylene oxide is added to polypropylene glycol. In particular, ABA type and AB type block copolymers capable of forming pores with three-dimensional regularity are preferable. Examples thereof include Pluronic series manufactured by BASF and New Pole PE series manufactured by Sanyo Chemical Industries.
[0046]
The solvent for the sol solution of the semiconductor material may be any solvent that is compatible with the metal salt or metal alkoxide, and can be used alone or in a mixture without limitation. For example, there are ethanol, 1-propanol, 2-propanol, N-hexane, benzene, toluene, xylene, trichrene, propylene dichloride and the like. In particular, a non-aqueous solvent is preferable in order to suppress a rapid hydrolysis reaction.
[0047]
By baking the semiconductor particles obtained by hydrolyzing the sol solution of the above semiconductor material, the poly (alkylene oxide) block copolymer can be removed to obtain semiconductor particles having pores. The range of the firing temperature is preferably 400 ° C to 600 ° C. If it is lower than 400 ° C., the polymer may not be burned completely. When the temperature is higher than 600 ° C., sintering of the semiconductor particles proceeds, causing a problem that the pores are blocked.
[0048]
The thus-obtained semiconductor particle slurry liquid having the pores thus obtained is applied by a known method (for example, a coating method using a doctor blade or a bar coater, a spray method, a dip coating method, a screen printing method, a spin coating method, etc. ), The porous dye-sensitized semiconductor layer 7 can be formed by applying to the surface of the substrate 3 having the electrode 5 and then heating and sintering at a temperature in the range of 400 ° C. to 600 ° C.
[0049]
Semiconductor materials include Cd, Zn, In, Pb, Mo, W, Sb, Bi, Cu, Hg, Ti, Ag, Mn, Fe, V, Sn, Zr, Sr, Ga, Si, Cr oxides, SrTiOThree, CaTiOThreePerovskite such as CdS, ZnS, In2SThree, PbS, Mo2S, WS2, Sb2SThree, Bi2SThreeZnCdS2, Cu2S sulfide, CdSe, In2SeThree, WSe2, HgS, PbSe, CdTe metal chalcogenides, other GaAs, Si, Se, Cd2PThree, Zn2PThree, InP, AgBr, PbI2, HgI2, BiIThreeIs preferred. Alternatively, a composite containing at least one selected from the semiconductors, for example, CdS / TiO2, CdS / AgI, Ag2S / AgI, CdS / ZnO, CdS / HgS, CdS / PbS, ZnO / ZnS, ZnO / ZnSe, CdS / HgS, CdSx/ CdSe1-x, CdSx/ Te1-x, CdSex/ Te1-xZnS / CdSe, ZnSe / CdSe, CdS / ZnS, TiO2/ CdThreeP2, CdS / CdSeCdyZn1-yS and CdS / HgS / CdS are preferred.
[0050]
As the sensitizing dye 17 to be carried on the semiconductor particles 15, any dye that is commonly used in conventional dye-sensitized photoelectric conversion elements can be used. Such dyes are known to those skilled in the art. Such dyes are, for example, RuL2(H2O)2Ruthenium-cis-diaqua-bipyridyl complexes or ruthenium-tris (RuLThree), Ruthenium-bis (RuL2), Osnium-Tris (OsLThree), Osmium-bis (OsL2) Type transition metal complex, zinc-tetra (4-carboxyphenyl) porphyrin, iron-hexocyanide complex, phthalocyanine, and the like. Organic dyes include 9-phenylxanthene dyes, coumarin dyes, acridine dyes, triphenylmethane dyes, tetraphenylmethane dyes, quinone dyes, azo dyes, indigo dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes Examples thereof include dyes and xanthene dyes. Of these, ruthenium-bis (RuL2) Derivatives are preferred.
[0051]
As shown in FIG. 2, the method for supporting the sensitizing dye 17 on the semiconductor particles 15 having the pores 19 is, for example, a substrate 3 with an electrode in which a semiconductor particle layer is deposited in a solution in which a sensitizing dye is dissolved. The method of immersing is mentioned. Any solvent can be used as the solvent for the solution as long as it can dissolve the sensitizing dye, such as water, alcohol, toluene, and dimethylformamide. Further, as the dipping method, heating and refluxing or applying ultrasonic waves can be performed when the electrode-attached substrate 3 on which the semiconductor particle layer is applied is dipped in the sensitizing dye solution for a certain period of time. In order to remove the sensitizing dye remaining on the dye-sensitized semiconductor layer 7 without being supported after the dye is supported on the semiconductor particles 15, it may be washed with alcohol or heated to reflux. Further, it is preferable to dissolve t-butylpyridine in alcohol so that there is no portion of the semiconductor particles 15 on which the sensitizing dye 17 is not supported. When t-butylpyridine is present in the alcohol, the semiconductor particle surface and the electrolyte can be separated by the sensitizing dye and t-butylpyridine at the semiconductor particle / electrolyte interface, and the leakage current can be suppressed. The characteristics of the photoelectric conversion element can be remarkably improved.
[0052]
The amount of the sensitizing dye 17 supported on the semiconductor particles 15 is 10-8-10-6mol / cm2In the range of 0.1 to 9.0 × 10 in particular.-7mol / cm2Is preferred. The carrying amount of the sensitizing dye 17 is 10-8mol / cm2If it is less than 1, the effect of improving the photoelectric conversion efficiency becomes insufficient. On the other hand, the loading amount of the sensitizing dye 17 is 10-6mol / cm2If it is too high, the effect of improving the photoelectric conversion efficiency is saturated and only uneconomical.
[0053]
The electrolyte used in the electrolyte layer 13 in the photoelectric conversion element 1 of the present invention is not particularly limited as long as a pair of redox constituents composed of an oxidant and a reductant are contained in the solvent. And redox constituents having the same charge in the reductant are preferred. In this specification, the redox-system constituent substance means a pair of substances that are present reversibly in the form of an oxidant and a reductant in an oxidation-reduction reaction. Such redox constituents are known to those skilled in the art. Examples of the redox component that can be used in the present invention include chlorine compound-chlorine, iodine compound-iodine, bromine compound-bromine, thallium ion (III) -thallium ion (I), mercury ion (II) -mercury ion (I ), Ruthenium ion (III) -ruthenium ion (II), copper ion (II) -copper ion (I), iron ion (III) -iron ion (II), vanadium ion (III) -vanadium ion (II), Manganate ion-permanganate ion, ferricyanide-ferrocyanide, quinone-hydroquinone, fumaric acid-succinic acid and the like can be mentioned. Needless to say, other redox constituents can also be used. Among them, iodine compound-iodine is preferable. Examples of the iodine compound include metal iodides such as lithium iodide and potassium iodide, quaternary ammonium iodide compounds such as tetraalkylammonium iodide and pyridinium iodide, and dimethylpropyl iodide. Particularly preferred are diimidazolium iodide compounds such as imidazolium.
[0054]
The solvent used for dissolving the electrolyte is preferably a compound that dissolves the redox constituent and has excellent ion conductivity. As the solvent, any of an aqueous solvent and an organic solvent can be used, but an organic solvent is preferable in order to make the redox constituent material more stable. For example, carbonate compounds such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, ester compounds such as methyl acetate, methyl propionate, gamma-butyrolactone, diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, 1, Ether compounds such as 3-dioxosilane, tetrahydrofuran and 2-methyl-tetrahydrafuran, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazodilinone and 2-methylpyrrolidone, nitrile compounds such as acetonitrile, methoxyacetonitrile and propionitrile, sulfolane And aprotic polar compounds such as didimethyl sulfoxide and dimethylformamide. These can be used alone or in combination of two or more. Of these, carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazozirinone and 2-methylpyrrolidone, and nitrile compounds such as acetonitrile, methoxyacetonitrile and propionitrile are particularly preferable.
[0055]
As the electrolyte layer 13, any of liquid, solid, or gel electrolyte can be used. In particular, a liquid electrolyte is preferable for improving the photoelectric conversion efficiency. Further, by filling the liquid electrolyte in a porous support (not shown), it is possible to completely prevent the electrolyte solution from leaking.
[0056]
As the porous support that can be used for such purposes, for example, a filtration filter (membrane filter), or a separator or a nonwoven fabric used for a primary battery or a secondary battery can be preferably used. In particular, when there is a void penetrating in the normal direction with respect to the porous support surface, high photoelectric conversion efficiency can be obtained because the porous support itself has little effect of inhibiting the movement of the redox couple.
[0057]
The material of the filtration filter used as the porous support is preferably made of glass fibers, polyolefins such as polypropylene and polyethylene, polyesters such as polyethylene terephthalate, and the like.
[0058]
The material of the separator or non-woven fabric used as the porous support includes polyolefins such as polypropylene and polyethylene, polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamides, polyferylene sulfide, and vinylon (a copolymer of vinyl chloride and vinyl acetate). ), Polyimide, vinylon (acetalized polyvinyl alcohol) and the like are preferable. These separators or nonwoven fabrics can be used alone or in combination with two or more separators or nonwoven fabrics. Here, the “composite nonwoven fabric” means a blend stretch-type nonwoven fabric obtained by blending and spinning / stretching the above two kinds of materials, or one of the two kinds of materials as a core and the other covering the periphery thereof. The core-sheath structure type non-woven fabric is obtained by heat-sealing a composite fiber (conjugate fiber). For example, a heat fusion type nonwoven fabric using a high melting point polypropylene as a core component and a low melting point polyethylene as a sheath component is well known.
[0059]
  The thickness of the porous support is the semiconductor layer7And counter electrode9And is defined by the surface spacing. However, in general, the thickness of the porous support is preferably 1 mm or less. When the thickness of the porous support is more than 1 mm, the electrolyte layer13The moving distance of the oxidation-reduction pair becomes longer, the electron transfer reaction mediated by the oxidation-reduction pair becomes rate-limiting, and the photoelectric conversion efficiency decreases.
[0060]
  Semiconductor layer7And counter electrode9Eliminating the space between the electrolyte layer and the electrolyte layer where the holding mechanism by the porous support does not work13This eliminates the portion, which in turn leads to prevention of liquid leakage and improved reliability. However, the semiconductor layer7And counter electrode9The assembly process to eliminate the space withInThe semiconductor layer is strongly pressed against each other7And counter electrode9May be mechanically destroyed, which may cause a decrease in photoelectric conversion efficiency. Therefore, the semiconductor layer7And counter electrode9At least 1 μm or more between the semiconductor layer and the semiconductor layer7And counter electrode9It is preferable to prevent mechanical destruction. Therefore, the semiconductor layer7And counter electrode9The thickness of the porous support provided between and 1 is preferably 1 μm or more.
[0061]
  Semiconductor layer of the present invention7And counter electrode9Electrolyte layer between13The porous support used to constitute the semiconductor layer7And counter electrode9In addition to preventing the movement of the redox pair of the electrolyte filled between the two, the electrolyte must be kept from leaking. Therefore, the porous support of the present invention is necessary and sufficient to hold the electrolytic solution so as not to hinder the movement of the redox couple of the electrolytic solution necessary for the formation of the photoelectric conversion element and to prevent liquid leakage. Must have porosity.
[0062]
  For this reason, the electrolyte layer in the photoelectric conversion element 1 of the present invention13In the case of using a porous support for constituting the porous support, it is preferable to use a porous material having a porosity (porosity) in the range of 30% to 80%. When a porous support having a porosity of less than 30% is used, the effect of the porous support to hinder the movement of the redox couple is increased, and the electron transfer reaction mediated by the redox pair becomes rate-limiting, resulting in photoelectric conversion efficiency. Becomes lower. On the other hand, when a porous support having a porosity of more than 80% is used, the pore size is increased, the electrolyte solution holding ability by capillary action is lowered, and a sufficient liquid leakage suppressing effect cannot be obtained.
[0063]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, this invention is not limited only to those Examples.
[0064]
Example 1
10% by weight of New Pole PE-108 (manufactured by Sanyo Chemical Industries) was dissolved in dehydrated ethanol. Next, 0.01 mol of titanium tetrachloride was added to this dehydrated ethanol solution and stirred vigorously for 1 hour to prepare a sol solution of titanium oxide. 10 g of the titanium oxide sol solution was transferred to a petri dish, placed in an oven set at 40 ° C., and allowed to stand until dehydrated ethanol was completely eliminated. The titanium oxide gel remaining in the petri dish was baked at 400 ° C. for 4 hours to completely remove New Pole PE-108. As a result of observing the obtained titanium oxide powder by SEM, the particle size was about 30 nm. Moreover, the titanium oxide obtained from the result of X-ray diffraction was anatase type. Furthermore, it was confirmed from the TEM observation and nitrogen gas adsorption-desorption isothermal curves that 8 nm pores were formed inside the titanium oxide particles.
[0065]
The above-mentioned titanium oxide particles are dispersed at a concentration of about 1 wt% in 20 ml of a mixed solution of water and acetylacetone (volume mixing ratio = 20/1) containing 0.2 ml of Nonipol 100 (manufactured by Sanyo Chemical Industry Co., Ltd.). Prepared. Next, this slurry liquid was added to a 1 mm thick conductive glass substrate (F-SnO).2, 10Ω / sq, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and dried, and the resulting dried product was baked in air at 500 ° C. for 30 minutes to form a porous titanium oxide film. Next, the conductive glass provided with the porous titanium oxide thin film is [Ru (4,4′-dicarboxyl-2,2′-bipyridine)2(NCS)2In the sensitizing dye solution represented by the formula, the dye adsorption treatment was performed while refluxing at 80 ° C.
[0066]
The semiconductor electrode obtained as described above and its counter electrode were brought into contact with an electrolyte solution to constitute a photoelectric conversion element. In this case, as the counter electrode, conductive glass in which platinum was deposited with a thickness of 20 nm was used. The distance between both electrodes was 0.1 mm. As the electrolyte solution, a mixed solution (volume mixing ratio = 80/20) of ethylene carbonate and acetonitrile containing tetrapropylammonium iodide (0.5 M) and iodine (0.04 M) was used.
[0067]
Table 1 below shows the amount of the sensitizing dye carried on the semiconductor electrode obtained as described above and the short-circuit current of the assembled photoelectric conversion element. The amount of the sensitizing dye carried was measured by immersing the semiconductor electrode carrying the sensitizing dye in an alkaline ethanol solution to elute the sensitizing dye, and then calculating the change in absorbance of the ethanol solution. Moreover, the optical short circuit current of the photoelectric conversion element was calculated | required from the current-voltage characteristic at the time of light irradiation.
[0068]
Comparative Example 1
Titanium oxide particles (Nippon Aerosil Co., Ltd., P25, average particle diameter 20 nm) in 20 ml of a mixture of water and acetylacetone (0.2 ml) containing 0.2 ml of Nonipol 100 (Sanyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) A slurry liquid was prepared by dispersing at a concentration of about 1 wt%. Next, this slurry liquid is made into a 1 mm thick conductive glass substrate (Asahi Glass, F-SnO2, 10Ω / sq) and dried, and the obtained dried product was baked in the air at 500 ° C. for 30 minutes to form a porous titanium oxide film. Next, together with the substrate provided with this porous titanium oxide film, [Ru (4,4′-dicarboxyl-2,2′-bipyridine)2(NCS)2The dye adsorption treatment was carried out while refluxing at 80 ° C. A photoelectric conversion element was assembled in the same manner as in Example 1 using the semiconductor electrode thus obtained.
[0069]
In each of the photoelectric conversion elements obtained in Example 1 and Comparative Example 1, the amount of the sensitizing dye supported on the semiconductor electrode and the optical short-circuit current of the assembled photoelectric conversion element were measured. The amount of the sensitizing dye carried was measured by immersing the semiconductor electrode carrying the sensitizing dye in an alkaline ethanol solution to elute the sensitizing dye, and then calculating the change in absorbance of the ethanol solution. Moreover, the optical short circuit current of the photoelectric conversion element was calculated | required from the current-voltage characteristic at the time of light irradiation. The measurement results are shown in Table 1 below.
[0070]
[Table 1]
Figure 0004423735
[0071]
Although the film thicknesses of the dye-sensitized semiconductor layers of Example 1 and Comparative Example 1 are substantially the same, the amount of dye supported is 2.6 times greater in Example 1. That is, since there were pores inside the titanium oxide particles, it was shown that the carrying amount of the sensitizing dye was increased, and as a result, the short-circuit photocurrent also increased with the increase in the carrying amount of the dye.
[0072]
Example 2
10 wt% Pluronic P-123 (BASF) was dissolved in dehydrated ethanol. Next, 0.01 mol of titanium tetrachloride was added to this dehydrated ethanol solution and stirred vigorously for 1 hour to prepare a sol solution of titanium oxide. A conductive glass substrate (F-SnO) having a thickness of 1 mm was added to 50 ml of this sol solution of titanium oxide.2, 10Ω / sq, manufactured by Asahi Glass), the conductive glass was pulled up at a speed of 5 mm / min. Then, after putting in the oven set to 40 degreeC, dehydrated ethanol was skipped, it baked at 450 degreeC for 30 minutes. The film thickness of titanium oxide obtained by repeating this immersion-firing was 2.3 μm. As a result of observing the surface of the obtained titanium oxide thin film with SEM, it was confirmed that the titanium oxide thin film was composed of titanium oxide particles having a particle size of about 15 nm. Moreover, the titanium oxide obtained from the result of X-ray diffraction is anatase type, and further, 6 nm pores are generated inside the titanium oxide particles from TEM observation and nitrogen gas adsorption-desorption isotherm curve. It was confirmed.
[0073]
Conductive glass deposited with the above porous titanium oxide thin film [Ru (4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine)2(NCS)2In the sensitizing dye solution represented by the formula, the dye adsorption treatment was performed while refluxing at 80 ° C. A photoelectric conversion element was assembled from the semiconductor electrode thus obtained in the same manner as in Example 1. The amount of the sensitizing dye supported on the semiconductor electrode and the short-circuit current of the assembled photoelectric conversion element were measured by the same method as described above. The amount of the sensitizing dye supported on the semiconductor electrode is 0.038 μmol / cm.2The photoelectric short-circuit current of the photoelectric conversion element is 6.4 mA / cm.2Met.
[0074]
Example 3
10 wt% Pluronic P-123 (BASF) was dissolved in dehydrated ethanol. Next, 0.05 mol of titanium tetraisopropoxide was added to this dehydrated ethanol solution and stirred vigorously for 1 hour to prepare a sol solution of titanium oxide. As in Example 2, a conductive glass substrate (F-SnO) having a thickness of 1 mm was added to 50 ml of the sol solution of titanium oxide.2, 10Ω / sq, manufactured by Asahi Glass), the conductive glass was pulled up at a speed of 5 mm / min. Subsequently, it was placed in an oven set at 80 ° C., left for 1 hour, and baked at 450 ° C. for 30 minutes. The film thickness of titanium oxide obtained by repeating this immersion-firing was 1.6 μm. As a result of observing the surface of the obtained titanium oxide thin film with SEM, it was confirmed that the surface was made of titanium oxide particles having a particle size of about 20 nm. Moreover, the titanium oxide obtained from the result of X-ray diffraction is anatase type, and furthermore, 8 nm pores are generated inside the titanium oxide particles from TEM observation and nitrogen gas adsorption-desorption isotherm curve. It was confirmed.
[0075]
Conductive glass deposited with the above porous titanium oxide thin film [Ru (4,4'-dicarboxyl-2,2'-bipyridine)2(NCS)2In the sensitizing dye solution represented by the formula, the dye adsorption treatment was performed while refluxing at 80 ° C. A photoelectric conversion element was assembled from the semiconductor electrode thus obtained in the same manner as in Example 1. The amount of the sensitizing dye supported on the semiconductor electrode and the short-circuit current of the assembled photoelectric conversion element were measured by the same method as described above. The amount of the sensitizing dye supported on the semiconductor electrode is 0.025 μmol / cm.2The photoelectric short-circuit current of the photoelectric conversion element is 5.3 mA / cm.2Met.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the dye sensitization is performed by generating pores inside the semiconductor particles and supporting the sensitizing dye not only on the outer surface of the semiconductor particles but also inside the pores of the particles. The amount of the sensitizing dye carried by the entire semiconductor layer is increased. As a result, a photoelectric conversion element that exhibits a very high photocurrent output can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a photoelectric conversion element of the present invention.
2 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion element shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Photoelectric conversion element of the present invention
3,11 substrate
5 electrodes
7 Dye-sensitized semiconductor layer
9 Counter electrode
13 Electrolyte layer
15 Semiconductor particles
17 Sensitizing dye
19 pores

Claims (8)

少なくとも、一方の面上に半導体層が被着された電極と、この電極の前記半導体層と対峙する対電極と、該電極の前記半導体層と対電極との間に配置された電解質層を有する光電変換素子において、
前記半導体層を形成する半導体粒子は細孔を有し、該半導体粒子はその外表面及び前記細孔内に増感色素を担持しており、
前記半導体粒子の粒径は10nm〜30nmの範囲内であると共に前記細孔の内径は3nm〜10nmの範囲内であり、前記半導体粒子への増感色素の担持量が10−8〜10−6mol/cmの範囲であることを特徴とする光電変換素子。
An electrode having a semiconductor layer deposited on at least one surface thereof, a counter electrode facing the semiconductor layer of the electrode, and an electrolyte layer disposed between the semiconductor layer and the counter electrode of the electrode In the photoelectric conversion element,
The semiconductor particles forming the semiconductor layer have pores, the semiconductor particles carry a sensitizing dye on the outer surface thereof and in the pores,
The particle size of the semiconductor particles is in the range of 10 nm to 30 nm, the inner diameter of the pores is in the range of 3 nm to 10 nm, and the loading amount of the sensitizing dye on the semiconductor particles is 10 −8 to 10 −. It is the range of 6 mol / cm < 2 >, The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.
前記半導体層の膜厚は0.1μm〜100μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。  The film thickness of the said semiconductor layer exists in the range of 0.1 micrometer-100 micrometers, The photoelectric conversion element of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記電解質層が、電解質溶液が含浸された多孔質支持体から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。  The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the electrolyte layer includes a porous support impregnated with an electrolyte solution. 前記多孔質支持体のポロシティーが30%〜80%の範囲内であることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 3 , wherein the porosity of the porous support is in the range of 30% to 80%. 前記多孔質支持体の厚さが1μm〜1mmの範囲内であることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 3 , wherein the porous support has a thickness in the range of 1 μm to 1 mm. 前記多孔質支持体が濾過フィルタ、セパレータ又は不織布からなることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion device according to claim 3-5 wherein the porous support is characterized in that it consists of a filtration filter, separator or nonwoven fabric. 前記濾過フィルタは、ガラス繊維、ポリオレフィン類及びポリエステル類からなる群から選択される素材により形成されていることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 6 , wherein the filtration filter is made of a material selected from the group consisting of glass fibers, polyolefins, and polyesters. 前記セパレータ又は不織布は、ポリオレフィン類、ポリエステル類、ポリアミド類、ポリフェリレンスルフィド、ビニヨン(塩化ビニルと酢酸ビニルの共重合物)、ポリイミド、ビニロン(アセタール化ポリビニルアルコール)からなる群から選択される少なくとも1種類の素材により形成されていることを特徴とする請求項に記載の光電変換素子。The separator or nonwoven fabric is at least selected from the group consisting of polyolefins, polyesters, polyamides, polyferylene sulfide, vinylon (a copolymer of vinyl chloride and vinyl acetate), polyimide, and vinylon (acetalized polyvinyl alcohol). The photoelectric conversion element according to claim 6 , wherein the photoelectric conversion element is formed of one kind of material.
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