JP4521737B2 - Solar power plant - Google Patents

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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽光発電装置に関する。特に、色素により増感された半導体微粒子を用いた太陽光発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽光発電は単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、テルル化カドミウムやセレン化インジウム銅等の化合物太陽電池が実用化もしくは主な研究開発の対象となっている。太陽光発電装置を家庭用あるいは産業用の電力供給用途に用いる場合、より多くの日照面の利用が望まれており、窓面への装着も行われるようになってきている。窓面を利用する際、視覚的な楽しさもたらすため、種々の色を有するものをモザイク状に配置し、ステンドグラス様にすることも有用である。しかしながら発明者の知る限りにおいてこのようにカラフルで視覚的に快適な太陽光発電装置の公知例はない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、エネルギーおよび地球環境問題に対する解決策と視覚的に快適な状態とを同時に実現する太陽光発電装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は本発明を特定する下記の事項により達成された。
(1) 少なくとも2種の異なる可視光吸収特性を有する太陽光発電セルを並べて組み合わせた太陽光発電装置。
(2) 前記可視吸収特性が太陽光発電セルの光電変換の波長依存性に関わる物性に由来する上記(1)の太陽光発電装置。
(3) 太陽光発電セルが分光増感された無機半導体を含有する上記(1)または(2)の太陽光発電装置。
(4) 無機半導体が酸化チタンである上記(3)の太陽光発電装置。
(5) 前記可視光吸収特性が分光増感剤の可視光吸収特性に由来する上記(3)または(4)の太陽光発電装置。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明に必須の構成要素である「少なくとも2種の異なる可視光吸収特性を有する太陽光発電セル」を得るにはいくつかの方法がありうる。第1の方法は薄膜化によって光透過率の高い太陽光発電セルを作成し、その前面あるいは背面にさまざまな色調のカラーフィルターを配置することにより、異なる可視光吸収特性を有するセルを作製する方法である。光の透過率は半導体の膜厚によって増減する事ができる。カラーフィルターとしては可視光線のうち特定の波長域を吸収するもの、光の干渉や散乱を利用して特定の波長域の光を吸収または反射するものが挙げられ、いずれの方式でも良い。
【0006】
第2の方法は不透明の太陽光発電セルに細孔を設けて光を透過させ、この光を前述の種々のカラーフィルターで着色させて、異なる可視光吸収特性を有するセルを得る方法である。この方法では細孔の面積によって光の透過率を増減する事ができる。
【0007】
これらの方法は実現容易ではあるが、光の透過率と太陽光発電セルの変換効率がトレードオフの関係にあることと、カラーフィルターによって光のエネルギーが無駄になる事が欠点である。
【0008】
可視吸収特性が太陽光発電セルの光電変換の波長依存性に関わる物性に由来する太陽光発電セル、すなわち可視光の特定の波長域のみの光を吸収し、光電変換する少なくとも2種のセルを組み合わせて用いれば上記の欠点がないことは明白である。このようなセルの例としては、分光増感された無機半導体からなる光電変換素子および光電気化学電池が挙げられ、本発明にとって特に好ましい。
【0009】
以下、本発明にとって特に好ましい分光増感された無機半導体からなる光電変換素子および光電気化学電池について詳細に説明する。
【0010】
まず、本発明の光電変換素子および光電気化学電池の構成と材料について詳述する。
【0011】
本発明において色素増感した光電変換素子は導電性支持体、導電性支持体上に設置される色素により増感した半導体膜(感光層)、電荷移動層および対極からなる。半導体膜を設置した導電性支持体は光電変換素子において作用電極として機能する。この光電変換素子を外部回路で仕事をさせる電池用途に使用できるようにしたものが光電気化学電池である。感光層は目的に応じて設計され、単層構成でも多層構成でもよい。感光層に入射した光は色素を励起する。励起色素はエネルギーの高い電子を有しており、この電子が色素から半導体微粒子の伝導帯に渡され、さらに拡散によって導電性支持体に到達する。この時色素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上の電子が外部回路で仕事をしながら対極および電荷移動層を経て色素酸化体に戻り、色素が再生する。半導体膜はこの電池の負極として働く。本発明は、この半導体膜中の吸着色素を二種以上とするものである。なお、本発明ではそれぞれの層の境界において(例えば、導電性支持体の導電層と感光層の境界、感光層と電荷移動層の境界、電荷移動層と対極の境界など)、各層の構成成分同士が相互に拡散して混合していてもよい。
【0012】
本発明において、半導体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、半導体はこの電子を受け取り、伝達する役割を担う。
【0013】
半導体としてはシリコン、ゲルマニウムのような単体半導体の他に、金属のカルコゲニド(例えば酸化物、硫化物、セレン化物等)に代表されるいわゆる化合物半導体またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。金属のカルコゲニドとして好ましくはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、もしく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。
【0014】
また、ペロブスカイト構造を有する化合物として好ましくは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、ニオブ酸カリウムが挙げられる。
【0015】
本発明に用いられる半導体としてより好ましくは、具体的にはSi、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、CdTe、GaP、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe2が挙げられる。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。
【0016】
本発明に用いられる半導体は、単結晶でも、多結晶でもよい。変換効率として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点では多結晶が好ましく、特にナノメートルからマイクロメートルサイズの微粒子半導体が好ましい。
【0017】
これらの半導体微粒子の粒径は、投影面積を円に換算したときの直径を用いた平均粒径で一次粒子として5〜200nmであることが好ましく、特に8〜100nmであることが好ましい。また、分散物中の半導体微粒子(二次粒子)の平均粒径としては0.01〜100μmであることが好ましい。
【0018】
また、2種類以上の粒子サイズ分布の異なる微粒子を混合して用いてもよく、この場合、小さい粒子の平均サイズは5nm以下であることが好ましい。また、入射光を散乱させて光捕獲率を向上させる目的で、粒子サイズの大きな、例えば300nm程度の半導体粒子を混合してもよい。
【0019】
半導体微粒子の作製法は、作花済夫の「ゾルーゲル法の科学」アグネ承風社(1988年)、技術情報協会の「ゾルーゲル法による薄膜コーティング技術」(1995)等に記載のゾルーゲル法、杉本忠夫の「新合成法ゲルー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頁から1018頁(1996)記載のゲルーゾル法が好ましい。
【0020】
またDegussa社が開発した塩化物を酸水素炎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。
【0021】
また酸化チタンの場合は上記のゾルーゲル法、ゲルーゾル法、塩化物を酸水素炎中で高温加水分解法が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)に記載の硫酸法、塩素法を用いることもできる。
【0022】
酸化チタンの場合は上記のゾルーゲル法のうち特にバーブ等の「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ページから3171ページ(1997)」記載のものと、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ページから2425ページ」記載の方法が好ましい。
【0023】
導電性支持体は、金属のように支持体そのものに導電性があるものか、または表面に導電剤を含む導電層(導電剤層)を有するガラスもしくはプラスチックの支持体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、もしくは導電性の金属酸化物(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。上記導電剤層の厚さは、0.02〜10μm程度であることが好ましい。
【0024】
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としては100Ω/cm2以下であり、さらに好ましくは40Ω/cm2以下である。この下限には特に制限はないが、通常0.1Ω/cm2程度である。
【0025】
導電性支持体は実質的に透明であることが好ましい。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%以上であることが好ましく、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もしくはプラスチックに導電性の金属酸化物を塗設したものが好ましい。この中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特に好ましい。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には、透明ポリマーフィルムに上記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。透明導電性支持体を用いる場合、光はその支持体側から入射させることが好ましい。この場合、導電性金属酸化物の塗布量はガラスもしくはプラスチックの支持体1m2当たり0.01〜100gが好ましい。
【0026】
透明導電性基板の抵抗を下げる目的で金属リードを用いることが好ましい。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、銀が好ましい。金属リードは透明基板に蒸着、スッパ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ことが好ましい。また上記の透明導電層を透明基板に設けたあと、透明導電層上に金属リードを設置することも好ましい。金属リード設置による入射光量の低下は1〜10%、より好ましくは1〜5%である。
【0027】
半導体微粒子を導電性支持体上に塗設する方法としては、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、前述のゾル−ゲル法などが挙げられる。光電変換素子の量産化、液物性や支持体の融通性を考えた場合、湿式の膜付与方式が比較的有利である。湿式の膜付与方式としては、塗布法、印刷法が代表的である。
【0028】
半導体微粒子の分散液を作成する方法としては前述のゾル-ゲル法の他、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。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、もしくはキレート剤などを分散助剤として用いてもよい。
【0029】
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号公報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く用いられる。
【0030】
湿式印刷方法としては、従来から凸版、オフセット、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。
【0031】
前記方法の中から、液粘度やウェット厚みにより好ましい膜付与方式を選択する。
【0032】
液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が好ましく、低粘度液(例えば0.1Poise以下)ではスライドホッパー法もしくはワイヤーバー法もしく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。
【0033】
なお、エクストルージョン法による低粘度液の塗布の場合でも塗布量がある程度の量あれば塗布は可能である。
【0034】
また半導体微粒子の高粘度ペーストの塗設にはしばしばスクリーン印刷が用いられており、この手法を使うこともできる。
【0035】
このように塗布液の液粘度、塗布量、支持体、塗布速度等のパラメータに対応して、適宜ウェット膜の付与方式を選択すればよい。
【0036】
さらに、半導体微粒子含有層は単層と限定する必要はない。微粒子の粒径の違った分散液を多層塗布することも可能であり、また半導体の種類が異なる、あるいはバインダー、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもでき、また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。
【0037】
一般に、半導体微粒子含有層の厚みが増大するほど単位投影面積当たりの担持色素量が増えるため光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離が増すため電荷再結合によるロスも大きくなる。したがって、半導体微粒子含有層には好ましい厚さが存在するが、典型的には0.1〜100μmである。光電気化学電池として用いる場合は1〜30μmであることが好ましく、2〜25μmであることがより好ましい。半導体微粒子の支持体1m2当たりの塗布量は0.5〜400g、さらには5〜100gが好ましい。
【0038】
半導体微粒子は導電性支持体に塗布した後に粒子同士を電子的にコンタクトさせるため、および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ことが好ましい。好ましい加熱処理温度の範囲は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。また加熱処理時間は10分〜10時間程度である。ポリマーフィルムなど融点や軟化点の低い支持体を用いる場合は、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ことが好ましい。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である。
【0039】
また、加熱処理後、半導体粒子の表面積を増大させたり、半導体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。
【0040】
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層を支持体上に塗設した状態での表面積は、投影面積に対して10倍以上であることが好ましく、さらに100倍以上であることが好ましい。この上限には特に制限はないが、通常1000倍程度である。
【0041】
本発明に使用する色素は錯体色素(特に金属錯体色素)またはメチン色素が好ましい。本発明では、目的とする色味を実現するため、二種類以上の色素を混合することもできる。そして、目的とする色味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)を有していることが好ましい。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。この中でも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。
【0042】
以下に本発明で好ましく用いられる色素を具体的に説明する。
本発明に使用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(I)で表される色素が好ましい。
式(I) (A1)pRuBabc
【0043】
式(I)中、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から選択される配位子である。Ba、Bb、Bcはそれぞれ独立に以下のB-1〜B-8から選択される有機配位子である。
【0044】
【化1】
【0045】
ここで、Raは水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数(以下C数という)1〜12個で置換もしくは無置換のアルキル基、C数7〜12個で置換もしくは無置換のアラルキル基、またはC数6〜12個で置換もしくは無置換のアリール基を表す。上記のアルキル基、アラルキル基のアルキル部分は直鎖状であっても分岐状であってもよく、アリール基、アラルキル基のアリール部分は単環であっても多環(縮合環、環集合)であってもよい。
【0046】
本発明に用いられる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号明細書に記載の錯体色素が挙げられる。
【0047】
以下に本発明に使用する金属錯体色素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。実施例使用の色素E、H、Kも挙げられる。
【0048】
【化2】
【0049】
【化3】
【0050】
【化4】
【0051】
本発明に使用する色素がメチン色素である場合、以下で説明する式(II)、式(III)、式(IV)または式(V)で表される色素が好ましい。
【0052】
【化5】
【0053】
式中、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(II)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。
【0054】
上記におけるアルキル基、アリール基、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、アリール基、複素環基は、単環でも、多環(縮合環、環集合)であってもよい。またRb〜Rfによって形成される環は、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。
【0055】
【化6】
【0056】
式中、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(III)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0以上10以下の数を表す。
【0057】
上記の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、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あっても分岐鎖であってもよく、アリール基は単環であっても多環(縮合環、環集合)であってもよい。
【0058】
式(III)で表される色素は、下記式(III−a)〜(III−d)で表される色素であることが好ましい。
【0059】
【化7】
【0060】
式(III−a)〜(III−d)中、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。
【0061】
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(III−a)〜(III−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。
【0062】
上記におけるアルキル基、アリール基、複素環基は置換基を有していてもよく、アルキル基は直鎖であっても分岐鎖であってもよく、アリール基、複素環基は単環であっても多環(縮合環、環集合)であってもよい。
【0063】
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Organic Colorants(Elsevier)等に詳しく記載されている。
【0064】
【化8】
【0065】
式(IV)中、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。Qbで完成される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が、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。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、メトキシエトキシなど)、アリーロキシ基(フェノキシなど)、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、ベンジルなど)、アルキルチオ基(メチルチオ、エチルチオなど)、アルケニル基(ビニル、1−プロペニルなど)、アリール基ないし複素環基(フェニル、チエニル、トルイル、クロロフェニルなど)などが挙げられる。
【0066】
bは炭素原子、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た、3ないし9員環を完成するために必要な原子団を表す。Zbによって完成される環として好ましくは4ないし6個の炭素によって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。
【0067】
【化9】
【0068】
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(好ましくは炭素原子数1ないし12、さらに好ましくは1ないし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、ベンジルなど)、置換または無置換のアリール基(好ましくは炭素原子数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)、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)、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)、アミノ基(好ましくは炭素原子数1ないし12、さらに好ましくは6ないし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)、オキソ基などが挙げられる。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、スクアリリウム環などの環を形成してもよく、あるいは助色団と環を形成することもできる。
【0069】
n51は0から4までの整数を表し、好ましくは0から3である。n52は0または1である。
【0070】
5は置換基を表す。置換基として好ましくは置換基を有してもよい芳香族基または置換基を有していてもよい脂肪族基であり、芳香族基の炭素原子数は好ましくは1ないし16、さらに好ましくは5ないし6である。脂肪族基の炭素原子数は好ましくは1ないし10、さらに好ましくは1ないし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。
【0071】
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。ある色素が陽イオン、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、解離して負電荷を持っても良く、この場合にも分子全体の電荷はW1によって中和される。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)およびアルカリ金属イオンであり、一方、陰イオンは具体的に無機陰イオンあるいは有機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)、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)、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)、アルキル硫酸イオン(例えば、メチル硫酸イオン)、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が挙げられる。
【0072】
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、金属錯イオン(例えば、ビスベンゼン−1,2−ジチオラトニッケル(III))も可能である。
【0073】
【化10】
【0074】
式(V)においてDは少なくとも4官能以上の芳香族基を示し、X1、X2はそれぞれ独立に硫黄原子、セレン原子、CR6364またはCR65=CR66を表す。ここでR63〜R66はそれぞれ水素原子またはアルキル基である。R61、R62はそれぞれアルキル基または芳香族基であり、P1、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示す。
【0075】
式(V)について更に詳しく説明する。
式(V)中、Dは少なくとも四官能以上の芳香族基を示す。このような芳香族基の例としては、これらの基が誘導される芳香族炭化水素としてベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレンなどが挙げられ、芳香族へテロ環としてはアントラキノン、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、チアントレンなどが挙げられ、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として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。
【0076】
1、X2は、好ましくは硫黄原子またはCR6364であり、最も好ましくはCR6364である。
【0077】
1、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、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、スチリル色素などが挙げられる。この際、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んでいる。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「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)社ーニューヨーク、ロンドン、1964年刊、デー・エム・スターマー(D.M.Sturme r)著「ヘテロサイクリック・コンパウンズースペシャル・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から515貢などに記載されている。 シアニン色素、メロシアニン色素、ロダシアニン色素の式は、米国特許第5、340、694号第21、22貢の(XI)、(XII)、(XIII)に示されているものが好ましい。また、P1およびP2によって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。
【0078】
61、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ないし16、さらに好ましくは5ないし6である。脂肪族基の炭素原子数は好ましくは1ないし10、さらに好ましくは1ないし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。
【0079】
式(V)はR61、R62、P1、P2のうち少なくともひとつに酸性基を有することが好ましい。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、ホスホン酸、スルホン酸、ホウ酸などが挙げられ、好ましくはカルボン酸である。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。
【0080】
2は式(IV)のW1と同義である。
【0081】
以下に式(II)〜(V)で表されるポリメチン色素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。実施例使用の色素B、D、F、G、I、Kも挙げられる。
【0082】
【化11】
【0083】
【化12】
【0084】
【化13】
【0085】
【化14】
【0086】
【化15】
【0087】
【化16】
【0088】
【化17】
【0089】
【化18】
【0090】
【化19】
【0091】
【化20】
【0092】
【化21】
【0093】
【化22】
【0094】
【化23】
【0095】
【化24】
【0096】
【化25】
【0097】
【化26】
【0098】
【化27】
【0099】
【化28】
【0100】
【化29】
【0101】
【化30】
【0102】
【化31】
【0103】
式(II)および式(III)で表される化合物は、エフ・エム・ハーマー(F.M.Harmer)著「複素サイクリック・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「複素サイクリック・コンパウンズースペシャル・トピックス・イン・複素サイクリック・ケミストリー(Heterocyclic Compounds-Special topics in heterocyclic chemistry)」、第18章、第14節、第482から515項、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から422項、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号などに記載の方法に基づいて合成することができる。
【0104】
本発明に用いられる式(IV)で表される化合物の合成は、Dyes and Pigments 第21巻227〜234頁などの文献の記載を参考にして行える。また、式(V)で表される化合物の合成は、Ukrainskii Khimicheskii Zhurnal 第40巻3号253〜258頁、Dyes and Pigments 第21巻227〜234頁およびこれらの文献中に引用された文献の記載等を参考にして行える。
【0105】
半導体微粒子に色素を吸着させる方法は色素溶液中によく乾燥した半導体微粒子を含有する作用電極を浸漬するか、もしくは色素溶液を半導体微粒子層に塗布して吸着させ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、エアーナイフ法などが使える。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。
【0106】
液粘度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、各種印刷法が、低粘度液(例えば0.1Poise以下)ではスライドホッパー法もしくはワイヤーバー法もしくはスピン法が適していて、均一な膜にすることが可能である。
【0107】
このように色素塗布液の液粘度、塗布量、支持体、塗布速度等のパラメータに対応して、適宜付与方式を選択すればよい。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。
【0108】
色素の使用量は、全体で、支持体1m2当たり0.01〜100mモルが好ましい。また、色素の半導体微粒子に対する吸着量は半導体微粒子1gに対して0.01〜1mモルが好ましい。このような色素量とすることによって、半導体における増感効果が十分に得られる。これに対し、色素量が少ないと増感効果が不十分となり、色素量が多すぎると、半導体に付着していない色素が浮遊し増感効果を低減させる原因となる。
【0109】
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って除去することが好ましい。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よい。また、吸着色素量を増大させるため、加熱処理を吸着前に行うことが好ましい。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40〜80℃の間で素早く色素を吸着させることも好ましい。また、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。
【0110】
また、会合など色素同士の相互作用を低減する目的で無色の化合物を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(例えばコール酸)等が挙げられる。
【0111】
さらに、紫外線による光劣化を防止する目的で、紫外線吸収剤を共吸着させることもできる。
【0112】
以下、電荷移動層と対極について詳しく説明する。
電荷移動層は色素の酸化体に電子を補充する機能を有する層である。本発明で用いることのできる代表的な電荷移動層の例としては酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体(電解液)、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリクスに含浸したいわゆるゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩などが挙げられる。さらには固体電解質やホール(正孔)輸送材料を用いることもできる。
【0113】
本発明で使用する電解液は電解質、溶媒、および添加物から構成されることが好ましい。本発明の電解質はI2とヨウ化物の組み合わせ(ヨウ化物としてはLiI、NaI、KI、CsI、CaI2などの金属ヨウ化物、あるい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など4級アンモニウム化合物のヨウ素塩など)、Br2と臭化物の組み合わせ(臭化物としてはLiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2などの金属臭化物、あるい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など4級アンモニウム化合物の臭素塩など)のほか、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などの金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィドなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノンなどを用いることができる。この中でも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など4級アンモニウム化合物のヨウ素塩を組み合わせた電解質が本発明では好ましい。上述した電解質は混合して用いてもよい。また、電解質はEP-718288号、WO95/18456号、J. Electrochem. Soc., Vol.143,No.10,3099(1996)、Inorg. Chem. 1996,35,1168-1178に記載された室温で溶融状態の塩(溶融塩)を使用することもできる。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。
【0114】
好ましい電解質濃度は0.1M以上15M以下であり、さらに好ましくは0.2 M以上10M以下である。また、電解質にヨウ素を添加する場合の好ましいヨウ素の添加濃度は0.01M以上0.5M以下である。
【0115】
本発明で電解質に使用する溶媒は、粘度が低くイオン易動度を向上したり、もしくは誘電率が高く有効キャリアー濃度を向上したりして、優れたイオン伝導性を発現できる化合物であることが望ましい。このような溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物、ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル化合物、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテルなどの鎖状エーテル類、メタノール、エタノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなどのアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール類、アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物、ジメチルスルフォキシド(DMSO)、スルフォランなど非プロトン極性物質、水などを用いることができる。
【0116】
また、本発明では、J. Am. Ceram. Soc .,80 (12)3157-3171(1997)に記載されているようなter-ブチルピリジンや、2−ピコリン、2,6−ルチジン等の塩基性化合物を添加することもできる。塩基性化合物を添加する場合の好ましい濃度範囲は0.05M以上2M以下である。
【0117】
本発明では、電解質はポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法によりゲル化(固体化)させて使用することもできる。ポリマー添加によりゲル化させる場合は、¨Polymer Electrolyte Revi ews-1および2¨(J.R.MacCallumとC.A. Vincentの共編、ELSEVIER APPLIED SCIENCE)に記載された化合物を使用することができるが、特にポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンを好ましく使用することができる。オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合はJ. Chem Soc. Japan, Ind. Chem.Soc., 46779(1943), J. Am. Chem. Soc., 111,5542(1989), J. Chem. Soc., Chem. Com mun., 1993, 390, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 35,1949(1996), Chem. Lett., 1996, 885, J. Chm. Soc., Chem. Commun., 1997,545に記載されている化合物を使用することができるが、好ましい化合物は分子構造中にアミド構造を有する化合物である。
【0118】
ゲル電解質を多官能モノマー類の重合によって形成する場合、多官能モノマー類、重合開始剤、電解質、溶媒から溶液を調製し、キャスト法,塗布法,浸漬法、含浸法などの方法により色素を担持した電極上にゾル状の電解質層を形成し、その後ラジカル重合することによってゲル化させる方法が好ましい。多官能性モノマーはエチレン性不飽和基を2個以上有する化合物であることが好ましく、例えばジビニルベンゼン、エチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレートが好ましい例として挙げられる。ゲル電解質を構成するモノマー類はこの他に単官能モノマーを含んでいてもよく、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、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、n−ブチルアクリレート、2−メトキシエチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレートなど)、ビニルエステル類(例えば酢酸ビニル)、マレイン酸またはフマル酸から誘導されるエステル類(例えば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)、芳香族ビニル化合物(例えばスチレン、p−クロルスチレン、スチレンスルホン酸ナトリウム)、含窒素複素環を有するビニル化合物、4級アンモニウム塩を有するビニル化合物、N−ビニルホルムアミド、N−ビニル−N−メチルホルムアミド、ビニルスルホン酸、ビニ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)、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を好ましく使用することができる。モノマー全量に占める多官能性モノマーの好ましい重量組成範囲は0.5重量%以上70重量%以下であることが好ましく、さらに好ましくは1.0重量%以上50重量%以下である。
【0119】
上述のモノマーは、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(I)(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重合することができる。本発明で使用できるゲル電解質用モノマーは、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。架橋高分子が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、ベンゾイルパーオキシドなどの過酸化物系開始剤等である。重合開始剤の好ましい添加量はモノマー総量に対し0.01重量%以上20重量%以下であり、さらに好ましくは0.1重量%以上10重量%以下である。
【0120】
ゲル電解質に占めるモノマー類の重量組成範囲は0.5重量%以上70重量%以下であることが好ましく、さらに好ましくは1.0重量%以上50重量%以下である。
【0121】
また、ポリマーの架橋反応により電解質をゲル化させる場合、架橋可能な反応性基を含有するポリマーおよび架橋剤を併用することが望ましい。この場合、好ましい架橋可能な反応性基は、含窒素複素環(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、モルホリン環、ピペリジン環、ピペラジン環など)であり、好ましい架橋剤は、窒素原子に対して求電子反応可能な2官能以上の試薬(例えば、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)である。
【0122】
本発明では、電解質の替わりに有機または無機あるいはこの両者を組み合わせた正孔輸送材料を使用することができる。本発明に適用可能な有機正孔輸送材料としては、N,N'-ジフエニル-N、N'-ビス(4-メトキシフェニル)-(1,1'-ビフェニル)-4,4'-ジアミン(J.Hagen et al.,Synthetic Metal 89(1997)215-220)、2,2',7,7'-テトラキス(N,N-ジ-p-メトキシフェニルアミン)9,9'-スピロビフルオレン(Nature,Vol.395, 8 Oct. 1998,p583-585およびWO97/10617)、1,1-ビス{4-(ジ-p-トリルアミノ)フェニル}シクロヘキサンの3級芳香族アミンユニットを連結した芳香族ジアミン化合物(特開昭59−194393号公報)、4,4,‐ビス[(N-1-ナフチル)‐N-フェニルアミノ]ビフェニルで代表される2個以上の3級アミンを含み2個以上の縮合芳香族環が窒素原子に置換した芳香族アミン(特開平5−234681号公報)、トリフェニルベンゼンの誘導体でスターバースト構造を有する芳香族トリアミン(米国特許第4,923,774号、特開平4−308688号公報)、N,N'-ジフエニル-N、N'-ビス(3-メチルフェニル)-(1,1'-ビフェニル)-4,4'-ジアミン等の芳香族ジアミン(米国特許第4,764,625号)、α,α,α',α'-テトラメチル-α,α'-ビス(4-ジ-p-トリルアミノフェニル)-p-キシレン(特開平3−269084号公報)、p-フェニレンジアミン誘導体、分子全体として立体的に非対称なトリフェニルアミン誘導体(特開平4−129271号公報)、ピレニル基に芳香族ジアミノ基が複数個置換した化合物(特開平4−175395号公報)、エチレン基で3級芳香族アミンユニツトを連結した芳香族ジアミン(特開平4−264189号公報)、スチリル構造を有する芳香族ジアミン(特開平4−290851号公報)、ベンジルフェニル化合物(特開平4−364153号公報)、フルオレン基で3級アミンを連結したもの(特開平5−25473号公報)、トリアミン化合物(特開平5−239455号公報)、ピスジピリジルアミノビフェニル(特開平5−320634号公報)、N,N,N−トリフェニルアミン誘導体(特開平6−1972号公報)、フェノキザジン構造を有する芳香族ジアミン(特願平5−290728号)、ジアミノフエニルフエナントリジン誘導体(特願平6−45669号)等に示される芳香族アミン類、α-オクチルチオフェンおよびα,ω-ジヘキシル-α-オクチルチオフェン(Adv. Mater. 1997,9,N0.7,p557)、ヘキサドデシルドデシチオフェン(Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34, No.3,p303-307)、2,8-ジヘキシルアンスラ[2,3-b:6,7-b']ジチオフェン(JACS,Vol120, N0.4,1998,p664-672)等のオリゴチオフェン化合物、ポリピロール(K. Murakoshi et al.,;Chem. Lett. 1997, p471)、¨ Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers Vol.1,2,3,4¨(NALWA著、WILEY出版)に記載されているポリアセチレンおよびその誘導体、ポリ(p-フェニレン) およびその誘導体、ポリ(p-フェニレンビニレン)およびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリトルイジンおよびその誘導体等の導電性高分子を好ましく使用することができる。また、有機正孔(ホール)輸送材料にはNature,Vol.395, 8 Oct. 1998,p583-585に記載されているようにドーパントレベルをコントロールするためにトリス(4-ブロモフェニル)アミニウムヘキサクロロアンチモネートのようなカチオンラジカルを含有する化合物を添加したり、酸化物半導体表面のポテンシャル制御(空間電荷層の補償)を行うためにLi[(CF3SO2)2N]のような塩を添加しても構わない。
【0123】
有機正孔輸送材料は真空蒸着法,キャスト法,塗布法,スピンコート法、浸漬法、電解重合法、光電解重合法等の手法により電極内部に導入することができる。また、正孔輸送材料を電解液の替わりに使用するときは短絡防止のためElectorochim. Acta 40, 643-652(1995)に記載されているスプレーパイロリシス等の手法を用いて二酸化チタン薄層を下塗り層として塗設することが好ましい。
【0124】
無機固体化合物を電解質の替わりに使用する場合、ヨウ化銅(p-CuI)(J. Phys. D:Appl. Phys. 31(1998)1492-1496)、チオシアン化銅(Thin Solid Films 261(1995)307-310、J. Appl. Phys. 80(8),15 October 1996, p4749-4754、Chem. Mater. 1998, 10, 1501-1509、Semicond. Sci. Technol. 10, 1689-1693)等をキャスト法,塗布法,スピンコート法、浸漬法、電解メッキ法等の手法により電極内部に導入することができる。
【0125】
電荷移動層の形成方法に関しては2通りの方法が考えられる。1つは増感色素を担持させた半導体微粒子含有層の上に先に対極を貼り合わせておき、その間隙に液状の電荷移動層を挟み込む方法である。もう1つは半導体微粒子含有層上に直接電荷移動層を付与する方法で、対極はその後付与することになる。
【0126】
前者の場合の電荷移動層の挟み込み方法として、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセスと常圧より低い圧力にして気相を液相に置換する真空プロセスが利用できる。
【0127】
後者の場合、湿式の電荷移動層においては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止措置も施すことになる。またゲル電解質の場合には湿式で塗布して重合等の方法により固体化する方法もあり、その場合には乾燥、固定化した後に対極を付与することもできる。電解液のほか湿式有機正孔輸送材料やゲル電解質を付与する方法としては、半導体微粒子含有層や色素の付与と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライドホッパー法、ワーヤーバー法、スピン法、スプレー法、キャスト法、各種印刷法等が考えられる。固体電解質や固体の正孔(ホール)輸送材料の場合には真空蒸着法やCVD法等のドライ成膜処理で電荷移動層を形成し、その後対極を付与することもできる。
【0128】
量産化を考える場合、固体化できない電解液や湿式の正孔輸送材料の場合には、塗設後速やかにエッジ部分を封止することで対応も可能であるが、固体化可能な正孔輸送材料の場合は湿式付与により正孔輸送層を膜形成した後、例えば光重合や熱ラジカル重合等の方法により固体化することがより好ましい。このように膜付与方式は液物性や工程条件により適宜選択すればよい。
【0129】
なお、電荷移動層中の水分としては10,000ppm以下が好ましく、さらに好ましくは2,000ppm以下であり、特に好ましくは100ppm以下である。
【0130】
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働くものである。対極は通常前述の導電性支持体と同様に導電性層を有する支持体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構成では支持体は必ずしも必要でない。具体的に対極に用いる導電性の材料としては金属(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、または導電性の金属酸化物(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。対極の厚さは、特に制限はないが、3nm以上10μm以下であることが好ましい。金属材料である場合は、その膜厚は好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは5nm以上3μm以下の範囲である。
【0131】
感光層に光が到達するためには、前述の導電性支持体と対極の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の光電気化学電池においては、導電性支持体が透明であって太陽光を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ことがさらに好ましい。本発明において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。
【0132】
対極の塗設については電荷移動層の付与で記したように、電荷移動層の上に付与する場合と先に半導体微粒子含有層上に付与する場合の2通りある。いずれの場合も、対極材の種類や電荷移動層の種類により、適宜、電荷移動層上または半導体微粒子含有層上に対極材を塗布、ラミネート、蒸着、貼り合わせなどの方法により形成可能である。例えば、対極を貼り合わせる場合は、上記の導電性材料を塗布、蒸着、CVD等の手法により導電層として設けられた基板を貼り合わせることができる。また、電荷移動層が固体の場合には、その上に直接、前述の導電性材料を塗布、メッキ、PVD、CVD等の手法で対極を形成することができる。
【0133】
さらに、作用電極の導電性支持体または対極に保護層、反射防止膜など、必要な他の機能の層を設けることも可能である。このような層を多層にて機能分離させる場合、同時多層塗布や逐次で塗布することが可能であるが、生産性を優先させると同時多層塗布がより好ましい。同時多層塗布では、生産性および膜付与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。また、これらの機能層はその材料により、蒸着や貼り付けなどの手法を用いて設けることもできる。
【0134】
本発明の光電気化学電池では構成物の劣化や内容物の揮散を防止するために電池の側面をポリマーや接着剤等で密封するのが好ましい。
【0135】
次に本発明の光電変換素子をいわゆる太陽電池に適用する場合のセル構造およびモジュール構造について説明する。本発明における太陽光発電装置は、少なくとも2種の可視光吸収特性の異なる(すなわち色味の異なる)セルを組み合わせたものである。
【0136】
色素増感型太陽電池のセル内部の構造は、基本的には上述した光電変換素子や光電気化学電池と同じであるが、図2または図3に示すように目的に合わせ様々な形態が可能である。大きく二つに分ければ、両面から光の入射が可能な構造[図2(a)(d)、図3(g)]と、片面からのみ可能なタイプ[図2(b)(c)、図3(e)(f)(h)]である。
【0137】
図2(a)は、透明導電層12間に、色素吸着半導体微粒子含有層である色素吸着TiO2層10と、電荷移動層11とを介在させた構造である。図2(b)は、透明基板13上に一部金属リード9を設け、さらに透明導電層12を設け、下塗り層14、色素吸着TiO2層10、電荷移動層11および金属層8をこの順で設け、さらに支持基板15を配置した構造である。図2(c)は、支持基板15上にさらに金属層8を有し、下塗り層14を介して色素吸着TiO2層10を設け、さらに電荷移動層11と透明導電層12とを設け、一部に金属リード9を設けた透明基板13を、金属リード9側を内側にして配置した構造である。図2(d)は、透明基板13上に一部金属リード9を設け、さらに透明導電層12を設けたものの間に下塗り層14と色素吸着TiO2層10と電荷移動層11とを介在させた構造である。図3(e)は、透明基板13上に透明導電層12を有し、下塗り層14を介して色素吸着TiO2層10を設け、さらに電荷移動層11および金属層8を設け、この上に支持基板15を配置した構造である。図3(f)は、支持基板15上に金属層8を有し、下塗り層14を介して色素吸着TiO2層10を設け、さらに電荷移動層11および透明導電層12を設け、この上に透明基板13を配置した構造である。図3(g)は、透明導電層12を有する透明基板13間に、透明導電性層12を内側にして、下塗り層14、色素吸着TiO2層10および電荷移動層11を介在させた構造である。図3(h)は、支持基板15上に金属層8を設け、下塗り層14を介して色素吸着TiO2層10を設け、さらに固体の電荷移動層16を設け、この上に一部金属層8または金属リード9を有する構造である。
【0138】
本発明の色素増感型太陽電池のモジュール構造は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様の構造をとりうる。一般的には、金属・セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造とすることができるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込むことも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ、ポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造あるいはアモルファスシリコン太陽電池などで用いられる基板一体型などのモジュール構造が可能である。これらのモジュール構造は使用目的や使用場所(環境)により適宜選択できる。本発明の素子を基板一体型でモジュール化した例を図4に示す。
【0139】
図4の構造は、透明基板13の一方の面上に透明導電層12を有し、この上にさらに色素吸着TiO2層10、固体の電荷移動層16および金属層8を設けたセルをモジュール化したものであり、透明基板13の他方の面には反射防止層17が設けられている。この場合、入射光の利用効率を高めるために、感光部である色素吸着TiO2層10の面積比率(光の入射面である透明基板13側から見たときの面積比率)を大きくした方が好ましい。
【0140】
スーパーストレートタイプやサブストレートタイプの代表的な構造は、片側または両側が透明で反射防止処理を施された支持基板の間に、一定間隔にセルが配置され、隣り合うセル間が金属リードまたはフレキシブル配線等によって接続されており、外縁部に集電電極を配置して、発生した電力を外部に取り出す構造になっている。基板とセルの間には、セルの保護や集電効率アップのため、目的に応じ、エチレンビニルアセテート(EVA)等様々な種類のプラスチック材料をフイルムまたは充填樹脂の形で用いることができる。また、外部からの衝撃が少ないところなど表面を硬い素材で覆う必要のない場所に使う場合には、表面保護層を透明プラスチックフイルムで構成したり、または、上記充填・封止材料を硬化させることによって保護機能を付与し、片側の支持基板をなくすことも可能である。支持基板の周囲は、内部の密封およびモジュールの剛性確保のため、金属製のフレームでサンドイッチ状に固定し、支持基板とフレームの間は封止材で密封シールする。
【0141】
また、セルそのものや支持基板、充填材および封止部材に可撓性の素材を用いれば、曲面の上に太陽電池を構成することもできる。このように、使用目的や使用環境に合わせて様々な形状・機能を持つ太陽電池を製作することができる。
【0142】
スーパーストレートタイプの太陽電池モジュールは、例えば、基板供給装置から送り出されたフロント基板をベルトコンベヤ等で搬送しながら、その上にセルを封止材・セル間接続用リード線・背面封止材等と共に順次積層した後、背面基板または背面カバーを乗せ、外縁部にフレームをセットして作ることができる。
【0143】
一方、サブストレートタイプの場合、基板供給装置から送り出された支持基板をベルトコンベヤ等で搬送しながら、その上にセルをセル間接続用リード線・封止材等と共に順次積層した後、フロントカバーを乗せ、周縁部にフレームをセットして作製することができる。
【0144】
図4に示した構造のモジュールは、支持基板上に透明電極・感光層・電荷移動層・裏面電極等が立体的かつ一定間隔で配列されるように、選択メッキ・選択エッチング・CVD・PVDといった半導体プロセス技術、あるいはパターン塗布または広幅で塗布した後にレーザースクライビングやプラズマCVM(Solar Energy Materials and Solar Cells, 48, p373-381等に記載)または研削等の機械的手法などの方法でパターニングすることができ、これらにより所望のモジュール構造を得ることができる。
【0145】
以下にその他の部材や工程について詳述する。
封止材料としては、液状のEVA(エチレンビニルアセテート)やフッ化ビニリデン共重合体とアクリル樹脂混合物フイルム状のEVA等、耐候性付与・電気絶縁性付与・集光効率向上・セル保護性(耐衝撃性)向上等の目的に応じ様々な素材が使用可能である。
【0146】
これらを、セル上に固定する方法としては、封止材の物性に合わせ、フイルム状の素材ではロール加圧後加熱密着や真空加圧後加熱密着、液またはペースト状の材料ではロールコート、バーコート、スプレーコート、スクリーン印刷等の様々な方法がある。
【0147】
また、透明フィラーを封止材に混入して強度を上げたり、光透過率を上げることができる。
【0148】
モジュール外縁と周縁を囲むフレームとの間は、耐候性・防湿性が高い樹脂を使って封止するとよい。
【0149】
支持基板としてPET・PEN等の可撓性素材を用いる場合は、ロール状の支持体を繰り出してその上にセルを構成した後、上記の方法で連続して封止層を積層することができ、生産性の高い工程を造ることができる。
【0150】
発電効率を上げるため、モジュールの光取り込み側の基板(一般的には強化ガラス)の表面には反射防止処理が施される。これには、反射防止膜をラミネートする方法、反射防止層をコーティングする方法がある。
【0151】
また、セルの表面をグルービングまたはテクスチャリング等の方法で処理することによって入射した光の利用効率を高めることが可能である。
【0152】
発電効率を上げるためには、光を損失なくモジュール内に取り込むことが最重要だが、光電変換層を透過してその内側まで到達した光を反射させて光電変換層側に効率良く戻すことも重要である。このためには、支持基板面を鏡面研磨した後、AgやAl等を蒸着またはメッキする方法、セルの最下層にAl−MgまたはAl−Tiなどの合金層を反射層として設ける方法、あるいは、アニール処理によって最下層にテクスチャー構造を作り反射率を高める方法等がある。
【0153】
発電効率を上げるためには、セル間接続抵抗を小さくすることが、内部電圧降下を抑える意味で重要である。
【0154】
ワイヤーボンディングや導電性のフレキシブルシートで接続するのが一般的だが、導電性粘着テープや導電性接着剤を使ってセルの固定機能と電気的な接続機能を兼ねる方法、導電性ホットメルトを所望の位置にパターン塗布する方法等が有る。
【0155】
ポリマーフィルムなどのフレキシブル支持体を使った太陽電池では、ロール状の支持体を送り出しながら半導体の塗設の説明で示した方法によって、順次、セルを形成・所望のサイズに切断した後、周縁部をフレキシブルで防湿性のある 素材でシールして、電池本体を作製できる。また、Solar Energy Materials and Solar Cells, 48, p383-391記載の「SCAF」とよばれるモジュール構造とすることもできる。
【0156】
フレキシブル支持体の太陽電池では、更にこれを曲面ガラス等に接着固定して使用することもできる。
【0157】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。実施例で用いた色素は下記に示す通りである。
【0158】
【化32】
【0159】
1.二酸化チタン粒子含有塗布液の作製
オートクレーブ温度を230℃にした以外はバルベらのジャーナル・オブ・アメリカン・セラミック・ソサイエティ 80巻3157頁記載の方法と同様の方法で二酸化チタン濃度11重量%の二酸化チタン分散物を得た。得られた二酸化チタン粒子の平均サイズは約10nmであった。
この分散物に二酸化チタンに対し30重量%のポリエチレングリコール(分子量20,000、和光純薬製)を添加し、混合して塗布液を得た。
【0160】
2.色素を吸着した二酸化チタン電極の作成
フッ素をドープした酸化スズをコーティングした透明導電性ガラス(日本板硝子製、表面抵抗は約10Ω/cm2、以下TCOと略す)の導電面側にこの塗布液をドクターブレードで100μmの厚みで塗布し、25℃で30分間乾燥した後、1cm角に切断し、電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)で450℃にて30分間焼成した。二酸化チタンの塗布量は15g/m2であり、膜厚は8μmであった。
【0161】
1cm角のTiO2塗布ガラスを取り出し冷却した後、色素Aの溶液(色素3×10-4モル/リットル、溶媒:2−プロパノール)に1枚ずつ12時間浸漬した。色素の染着したガラスをエタノールで洗浄し暗所にて自然乾燥させ、色増感されたTiO2電極基板を得た。同様にして、表1に示す色素BおよびCを用いて、それぞれの色素で増感されたTiO2電極基板を得た。色素の吸着量は、いずれも二酸化チタンの塗布面積1m2あたりおよそ1.3×10-3モルであった。
【0162】
3.光電気化学電池の作製
上述のようにして作成した色増感されたTiO2電極基板(1cm×1cm)をこれと同じ大きさの白金蒸着TCO(TCOに15nmの厚みで白金を蒸着させたもの)と重ね合わせた(図1参照)。次に、両ガラスの隙間に毛細管現象を利用して電解液(ヨウ化テトラブチルアンモニウム0.65モル/リットル,ヨウ素0.05モル/リットルのアセトニトリル溶液)をしみこませてTiO2電極中に導入することにより、表1に示す光電気化学電池1〜3を得た。電池1は黄色、電池2は赤紫色、電池3は青緑色の光を透過することを目視で確認した。
【0163】
本実施例により、図1に示したとおり、導電性ガラス1(ガラス上に導電剤層2が設層されたもの)、TiO2層3、色素層4、電解液5、白金層6およびガラス7を順に積層しエポキシ系封止剤で封止された光電気化学電池が作製された。
【0164】
4.光電変換波長と光電変換効率の測定
500Wのキセノンランプ(ウシオ製)の光を分光フィルター(Oriel社製AM1.5)を通すことにより模擬太陽光を発生させた。この光の強度は100mW/cm2であった。
【0165】
前述の光電気化学電池の導電性ガラスと白金蒸着ガラスにそれぞれ、ワニ口クリップを接続し、模擬太陽光を照射し、発生した電気を電流電圧測定装置(ケースレーSMU238型)にて測定した。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)を表1に記載した。
【0166】
【表1】
【0167】
5.光電気化学電池の組合わせ
電池1〜3を並列に接続して、模擬太陽光を照射したところ、得られた短絡電流は14mAであった。
上記実施例の結果から電池1〜3を適宜配置することで、ステンドグラス等に用いることができる太陽光発電装置が作製可能であることは明白である。
【0168】
【発明の効果】
本発明によって、ステンドグラスのような視覚的に快適である飾り窓に用いることができ、かつ、変換効率にも優れた太陽光発電装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で作成した光電気化学電池の構成を示す断面図である。
【図2】光電気化学電池の基本的な構成例を示す断面図である。
【図3】光電気化学電池の基本的な構成例を示す断面図である。
【図4】基板一体型のモジュール構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 導電性ガラス
2 導電剤層
3 TiO2
4 色素層
5 電解液
6 白金層
7 ガラス
8 金属層
9 金属リード
10 色素吸着TiO2
11 電荷移動層
12 透明導電層
13 透明基板
14 下塗り層
15 支持基板
16 固体の電荷移動層
17 反射防止層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solar power generation device. In particular, the present invention relates to a solar power generation apparatus using semiconductor fine particles sensitized with a dye.
[0002]
[Prior art]
As for photovoltaic power generation, single crystal silicon solar cells, polycrystalline silicon solar cells, amorphous silicon solar cells, and compound solar cells such as cadmium telluride and indium copper selenide have been put into practical use or are mainly the subject of research and development. When a solar power generation device is used for household or industrial power supply applications, more sunlight is desired to be used, and mounting on window surfaces is also being performed. In order to provide visual enjoyment when using the window surface, it is also useful to arrange things having various colors in a mosaic pattern to make them stained glass. However, to the best of the inventors' knowledge, there is no known example of such a colorful and visually comfortable solar power generation device.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a photovoltaic power generation apparatus that simultaneously realizes a solution to energy and global environmental problems and a visually comfortable state.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention has been achieved by the following items specifying the present invention.
(1) A photovoltaic power generation apparatus in which at least two types of photovoltaic power generation cells having different visible light absorption characteristics are arranged side by side.
(2) The solar power generation apparatus according to (1), wherein the visible absorption characteristic is derived from physical properties related to the wavelength dependence of photoelectric conversion of the solar power generation cell.
(3) The solar power generation apparatus according to (1) or (2), wherein the solar power generation cell contains an inorganic semiconductor that is spectrally sensitized.
(4) The photovoltaic power generator of (3) above, wherein the inorganic semiconductor is titanium oxide.
(5) The solar power generation device according to (3) or (4), wherein the visible light absorption characteristic is derived from the visible light absorption characteristic of the spectral sensitizer.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
There are several ways to obtain a “solar photovoltaic cell having at least two different visible light absorption characteristics” which is an essential component of the present invention. The first method is a method for producing a cell having different visible light absorption characteristics by creating a photovoltaic power generation cell having a high light transmittance by thinning the film and arranging color filters of various colors on the front surface or the back surface thereof. It is. The light transmittance can be increased or decreased depending on the thickness of the semiconductor. Examples of the color filter include one that absorbs a specific wavelength region of visible light, and one that absorbs or reflects light in a specific wavelength region by utilizing light interference and scattering, and any method may be used.
[0006]
The second method is a method of obtaining cells having different visible light absorption characteristics by providing pores in an opaque photovoltaic power generation cell to transmit light and coloring the light with the above-described various color filters. In this method, the light transmittance can be increased or decreased depending on the area of the pores.
[0007]
Although these methods are easy to realize, there are drawbacks in that the light transmittance and the conversion efficiency of the photovoltaic cell are in a trade-off relationship, and that light energy is wasted by the color filter.
[0008]
A photovoltaic power generation cell whose visible absorption characteristics are derived from the physical properties related to the wavelength dependence of photoelectric conversion of the photovoltaic cell, that is, at least two cells that absorb light only in a specific wavelength range of visible light and perform photoelectric conversion Obviously, when used in combination, there is no such drawback. Examples of such cells include photoelectric conversion elements and photoelectrochemical cells made of spectrally sensitized inorganic semiconductors, which are particularly preferred for the present invention.
[0009]
Hereinafter, a photoelectric conversion element and a photoelectrochemical cell made of a spectrally sensitized inorganic semiconductor particularly preferable for the present invention will be described in detail.
[0010]
First, the configuration and materials of the photoelectric conversion element and the photoelectrochemical cell of the present invention will be described in detail.
[0011]
In the present invention, the dye-sensitized photoelectric conversion element comprises a conductive support, a semiconductor film (photosensitive layer) sensitized with a dye placed on the conductive support, a charge transfer layer, and a counter electrode. The conductive support provided with the semiconductor film functions as a working electrode in the photoelectric conversion element. A photoelectrochemical cell is a device in which this photoelectric conversion element can be used for a battery for working in an external circuit. The photosensitive layer is designed according to the purpose, and may be a single layer structure or a multilayer structure. Light incident on the photosensitive layer excites the dye. The excited dye has electrons with high energy, and these electrons are transferred from the dye to the conduction band of the semiconductor fine particles, and further reach the conductive support by diffusion. At this time, the dye molecule is an oxidant. In the photoelectrochemical cell, electrons on the conductive support return to the dye oxidant through the counter electrode and the charge transfer layer while working in the external circuit, and the dye is regenerated. The semiconductor film serves as the negative electrode of this battery. In the present invention, two or more adsorbing dyes in the semiconductor film are used. In the present invention, at the boundary of each layer (for example, the boundary between the conductive layer and the photosensitive layer of the conductive support, the boundary between the photosensitive layer and the charge transfer layer, the boundary between the charge transfer layer and the counter electrode, etc.) They may be diffused and mixed with each other.
[0012]
In the present invention, the semiconductor is a so-called photoreceptor, and plays a role of absorbing electrons and separating charges to generate electrons and holes. In dye-sensitized semiconductors, light absorption and thus the generation of electrons and holes occurs primarily in the dye, and the semiconductor is responsible for receiving and transmitting these electrons.
[0013]
As a semiconductor, in addition to a single semiconductor such as silicon or germanium, a so-called compound semiconductor represented by a metal chalcogenide (for example, oxide, sulfide, selenide, etc.) or a compound having a perovskite structure can be used. . Preferred metal chalcogenides are titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxide, 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.
[0014]
The compound having a perovskite structure is preferably strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, or potassium niobate.
[0015]
More preferably as a semiconductor used in the present invention, specifically, Si, TiO2, SnO2, Fe2OThree, WOThree, ZnO, Nb2OFive, CdS, ZnS, PbS, Bi2SThree, CdSe, CdTe, GaP, InP, GaAs, CuInS2, CuInSe2Is mentioned. More preferably TiO2, ZnO, SnO2, Fe2OThree, WOThree, Nb2OFive, CdS, PbS, CdSe, InP, GaAs, CuInS2, CuInSe2And particularly preferably TiO2Or Nb2OFiveAnd most preferably TiO2It is.
[0016]
The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystalline. As the conversion efficiency, a single crystal is preferable, but a polycrystal is preferable in terms of production cost, securing raw materials, energy payback time, and the like, and a nanometer to micrometer size fine particle semiconductor is particularly preferable.
[0017]
The particle diameter of these semiconductor fine particles is preferably an average particle diameter using a diameter when the projected area is converted into a circle, and is preferably 5 to 200 nm as a primary particle, and particularly preferably 8 to 100 nm. The average particle size of the semiconductor fine particles (secondary particles) in the dispersion is preferably 0.01 to 100 μm.
[0018]
Further, two or more kinds of fine particles having different particle size distributions may be mixed and used. In this case, the average size of the small particles is preferably 5 nm or less. In addition, semiconductor particles having a large particle size, for example, about 300 nm may be mixed for the purpose of scattering incident light and improving the light capture rate.
[0019]
Semiconductor fine particles can be prepared by the sol-gel method described in “Science of sol-gel method” by Sakuhana Sakuo, Agne Jofu Co., Ltd. (1988), “Thin-film coating technology by sol-gel method” (1995), etc. Tadao's “Synthesis of Monodispersed Particles by New Synthetic Method Gel-Sol Method and Control of Size Form” The gel-sol method described in Materia, Vol. 35, No. 9, pages 1012 to 1018 (1996) is preferred.
[0020]
Also preferred is a method of producing an oxide by high-temperature hydrolysis of chloride developed by Degussa in an oxyhydrogen flame.
[0021]
In the case of titanium oxide, the above-mentioned sol-gel method, gel-sol method, and high-temperature hydrolysis method of chloride in an oxyhydrogen flame are all preferred, but Kiyoshi Manabu's “Titanium Oxide Properties and Applied Technology”, published by Gihodo Publishing (1997). The described sulfuric acid method and chlorine method can also be used.
[0022]
In the case of titanium oxide, those described in “Journal of American Ceramic Society Vol. 80, No. 12, pages 3157 to 3171 (1997)” of Barb et al. "Chemical Materials Vol. 10, No. 9, pages 2419 to 2425" is preferred.
[0023]
As the conductive support, a glass or plastic support having a conductive layer (conductive agent layer) containing a conductive agent on the surface thereof can be used, such as a metal that is conductive in itself. 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 agent layer is preferably about 0.02 to 10 μm.
[0024]
The lower the surface resistance of the conductive support, the better. The preferred surface resistance range is 100 Ω / cm2Or less, more preferably 40Ω / cm2It is as follows. This lower limit is not particularly limited, but is usually 0.1Ω / cm2Degree.
[0025]
The conductive support is preferably substantially transparent. Substantially transparent means that the light transmittance is 10% or more, preferably 50% or more, particularly preferably 70% or more. As the transparent conductive support, a glass or plastic coated with a conductive metal oxide is preferable. Among these, 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 particularly preferable. Moreover, it is good to use what provided the said conductive layer in the transparent polymer film for a low-cost flexible photoelectric conversion element or a solar cell. Transparent polymer films include tetraacetylcellulose (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. When a transparent conductive support is used, light is preferably incident from the support side. In this case, the conductive metal oxide coating amount is 1 m of glass or plastic support.20.01 to 100 g per unit is preferable.
[0026]
It is preferable to use a metal lead for the purpose of reducing the resistance of the transparent conductive substrate. The material of the metal lead is preferably a metal such as aluminum, copper, silver, gold, platinum or nickel, and particularly preferably aluminum or silver. It is preferable to install the metal lead on a transparent substrate by vapor deposition, sputtering, etc., and provide a transparent conductive layer made of tin oxide doped with fluorine or an ITO film thereon. It is also preferable that a metal lead is placed 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 installation of the metal lead is 1 to 10%, more preferably 1 to 5%.
[0027]
Examples of the method for coating the semiconductor fine particles on the conductive support include a method in which a dispersion or colloidal solution of semiconductor fine particles is applied on the conductive support, and the sol-gel method described above. In consideration of mass production of photoelectric conversion elements, liquid physical properties, and flexibility of a support, a wet film application method is relatively advantageous. As a wet film application method, a coating method and a printing method are typical.
[0028]
In addition to the sol-gel method described above, semiconductor fine particles can be dispersed in a mortar, pulverized using a mill, or dispersed as a fine particle in a solvent during semiconductor synthesis. And a method of using it as it is. Examples of the dispersion medium include water or various organic solvents (for example, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, etc.). During dispersion, a polymer, surfactant, acid, chelating agent, or the like may be used as a dispersion aid as necessary.
[0029]
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, 2761419, 2761791 and the like are preferable. As a general-purpose machine, a spin method or a spray method is also preferably used.
[0030]
Conventionally, 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.
[0031]
A preferable film application method is selected from the above methods depending on the liquid viscosity and wet thickness.
[0032]
The liquid viscosity greatly depends on the type and dispersibility of semiconductor fine particles, the type of solvent used, and additives such as surfactants and binders. For high-viscosity liquids (for example, 0.01 to 500 Poise), the extrusion method or casting method 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 is formed It is possible.
[0033]
Even in the case of applying a low-viscosity liquid by the extrusion method, the application is possible if the application amount is a certain amount.
[0034]
Further, screen printing is often used for coating a high-viscosity paste of semiconductor fine particles, and this method can also be used.
[0035]
As described above, a wet film applying method may be appropriately selected in accordance with parameters such as the liquid viscosity of the coating liquid, the coating amount, the support, and the coating speed.
[0036]
Further, the semiconductor fine particle-containing layer need not be limited to a single layer. It is also possible to apply multiple layers of dispersions with different particle sizes of particles, or to apply multiple layers of coating layers with different types of semiconductors or different binder and additive compositions. Multi-layer coating is effective even when the film thickness is insufficient. 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.
[0037]
In general, as the thickness of the semiconductor fine particle-containing layer increases, the amount of the supported dye increases per unit projected area and thus the light capture rate increases. However, since the diffusion distance of the generated electrons increases, the loss due to charge recombination also increases. Therefore, the semiconductor fine particle-containing layer has a preferable thickness, but is typically 0.1 to 100 μm. When used as a photoelectrochemical cell, the thickness 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.
[0038]
The semiconductor fine particles are preferably heat-treated in order to bring the particles into electronic contact after being applied to the conductive support, and to improve the strength of the coating film and the adhesion to the support. A preferable heat treatment 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 heat treatment 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 temperature as possible also from a viewpoint of cost. The temperature can be lowered by using the above-mentioned small semiconductor particles of 5 nm or less in combination or heat treatment in the presence of a mineral acid.
[0039]
In addition, after heat treatment, for example, chemical plating or aqueous trichloride using a titanium tetrachloride aqueous solution is used to increase the surface area of the semiconductor particles, increase the purity in the vicinity of the semiconductor particles, and increase the efficiency of electron injection from the dye into the semiconductor particles. Electrochemical plating using a titanium aqueous solution may be performed.
[0040]
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.
[0041]
The dye used in the present invention is preferably a complex dye (particularly a metal complex dye) or a methine dye. In the present invention, two or more kinds of pigments can be mixed in order to achieve the target color. And the pigment | dye mixed and the ratio can be selected so that it may match with the wavelength range and intensity distribution of the target color. Such a dye preferably has an appropriate 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 having 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.
[0042]
The pigments preferably used in the present invention will be specifically described below.
When the dye used in the present invention is a metal complex dye, a ruthenium complex dye is preferable, and a dye represented by the following formula (I) is more preferable.
Formula (I) (A1)pRuBaBbBc
[0043]
In the formula (I), p is 0 to 2, preferably 2. Ru represents ruthenium. A1Is Cl, SCN, H2A ligand selected from O, Br, I, CN, NCO, and SeCN. Ba, Bb, BcAre each independently an organic ligand selected from the following B-1 to B-8.
[0044]
[Chemical 1]
[0045]
Where RaIs a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group substituted or unsubstituted with 1 to 12 carbon atoms (hereinafter referred to as C number), a substituted or unsubstituted aralkyl group with 7 to 12 carbon atoms, or a C number 6 to 12 Represents a substituted or unsubstituted aryl group. The alkyl part of the alkyl group or aralkyl group may be linear or branched, and the aryl part of the aryl group or aralkyl group may be monocyclic or polycyclic (condensed ring, ring assembly). It may be.
[0046]
Examples of the ruthenium complex dye used in the present invention include complexes described in U.S. Pat. Nos. 4,927,721, 4,684,537, 5,844,365, 5,350,644, 5,630,57, 5,525,440 and JP-A-7-249790. Pigments.
[0047]
Although the preferable specific example of the metal complex dye used for this invention below is shown, this invention is not limited to these. Examples include dyes E, H, and K used in the examples.
[0048]
[Chemical 2]
[0049]
[Chemical Formula 3]
[0050]
[Formula 4]
[0051]
When the dye used in the present invention is a methine dye, a dye represented by formula (II), formula (III), formula (IV) or formula (V) described below is preferable.
[0052]
[Chemical formula 5]
[0053]
Where RbAnd RfEach represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group;c~ 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 (II) may have a counter ion according to the charge of the whole molecule.
[0054]
The alkyl group, aryl group and heterocyclic group in the above 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.
[0055]
[Chemical 6]
[0056]
Where 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 (III) to form a methine dye. X13Represents a charge balanced counter ion and n14Represents a number from 0 to 10 necessary for neutralizing the charge of the molecule.
[0057]
Z aboveaThe nitrogen-containing heterocyclic ring formed by may have a substituent and may be a monocyclic ring or a condensed ring. In addition, the alkyl group and the 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).
[0058]
The dye represented by the formula (III) is preferably a dye represented by the following formulas (III-a) to (III-d).
[0059]
[Chemical 7]
[0060]
In formulas (III-a) to (III-d), R11~ R15, Rtwenty one~ Rtwenty four, R31~ R33And R41~ R43Each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group;11, Y12, Ytwenty one, Ytwenty two, Y31~ Y35, And 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.
[0061]
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 (III-a) to (III-d) may have a counter ion according to the charge of the whole molecule.
[0062]
The alkyl group, aryl group and heterocyclic group in the above may have a substituent, the alkyl group may be linear or branched, and the aryl group and heterocyclic group are monocyclic. Alternatively, it may be a polycycle (fused ring, ring assembly).
[0063]
Specific examples of the polymethine dye as described above are described in detail in M. Okawara, T. Kitao, T. Hirasima, Organic Colorants (Elsevier) by M. Matuoka, and the like.
[0064]
[Chemical 8]
[0065]
In formula (IV), QbRepresents an atomic group necessary to complete a 5- or 6-membered nitrogen-containing heterocycle, and QbMay be condensed and may have a substituent. QbPreferred examples of the heterocyclic ring completed in benzothiazole nucleus, benzoxazole nucleus, benzoselenazole nucleus, benzotelrazole nucleus, 2-quinoline nucleus, 4-quinoline nucleus, benzimidazole nucleus, thiazoline nucleus, indolenine nucleus Oxadiazole nucleus, thiazole nucleus, imidazole nucleus, more preferably benzothiazole nucleus, benzoxazole nucleus, benzimidazole nucleus, benzoselenazole nucleus, 2-quinoline nucleus, 4-quinoline nucleus, 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 substituents on the ring include carboxylic acid group, phosphonic acid group, sulfonic acid group, halogen atom (F, Cl, Br, I), cyano group, alkoxy group (methoxy, ethoxy, methoxyethoxy, etc.), aryloxy group ( 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 group or heterocyclic group (phenyl, thienyl, toluyl, chlorophenyl, etc.) and the like.
[0066]
ZbRepresents an atomic group necessary for completing a 3- to 9-membered ring 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 by 4 to 6 carbons, more preferably those represented by the following (a) to (e), and most preferably (a) It is.
[0067]
[Chemical 9]
[0068]
L1, L2, LThree, LFourAnd LFiveEach independently represents a methine group optionally having a substituent. Examples of the substituent include 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-carboxyl. Ethyl, 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), heterocyclic rings Groups (eg pyridyl, thienyl, furanyl, pyridyl, barbituric acid), halogen atoms (eg chlorine, bromine), alkoxy groups (eg methoxy, ethoxy), amino groups (preferably having 1 to 12 carbon atoms, Preferably 6 to 12, for example diphenylamino , Methylphenylamino, 4-acetyl-piperazin-1-yl), etc. oxo group. These substituents on the methine group may be linked to each other to form a ring such as a cyclopentene ring, a cyclohexene ring, a squarylium ring, or a ring with an auxiliary color group.
[0069]
n51Represents an integer of 0 to 4, preferably 0 to 3. n52Is 0 or 1.
[0070]
RFiveRepresents a substituent. The substituent is preferably 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, more preferably 5 6 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.
[0071]
W1Represents a counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge. Whether a dye is a cation, an anion, or has a net ionic charge depends on its auxiliary chromophore and substituent. 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 is1Neutralized by. Typical cations are inorganic or organic ammonium ions (eg, tetraalkylammonium ions, pyridinium ions) and alkali metal ions, while anions are specifically inorganic or organic anions. Well, for example, a halogen anion (eg, fluoride ion, chloride ion, bromide ion, iodide ion), substituted aryl sulfonate ion (eg, p-toluene sulfonate ion, p-chlorobenzene sulfonate ion), 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 Acid ion, perchlorine Ion, tetrafluoroborate ion, picrate ion, acetate ion and trifluoromethanesulfonate ion.
[0072]
Furthermore, an ionic polymer or other dye having a charge opposite to that of the dye may be used as the charge balance counter ion, or a metal complex ion (for example, bisbenzene-1,2-dithiolatonickel (III)) is also possible. is there.
[0073]
[Chemical Formula 10]
[0074]
In the formula (V), D represents an aromatic group having at least four functional groups, and X1, X2Are independently sulfur, selenium, CR63R64Or CR65= CR66Represents. Where R63~ R66Are each a hydrogen atom or an alkyl group. R61, R62Are each an alkyl group or an aromatic group, and P1, P2Each independently represents a group of nonmetallic atoms necessary to form a polymethine dye. W2Indicates the counter ion when a counter ion is required to neutralize the charge.
[0075]
Formula (V) will be described in more detail.
In formula (V), D represents at least a tetrafunctional or higher functional aromatic group. Examples of such aromatic groups include benzene, naphthalene, anthracene, phenanthrene and the like as aromatic hydrocarbons from which these groups are derived, and examples of aromatic heterocycles include anthraquinone, carbazole, pyridine, quinoline, Examples include thiophene, furan, xanthene, and thianthrene, which may have a substituent in addition to the linking moiety. The aromatic group represented by D is preferably an aromatic hydrocarbon derivative group, and more preferably a benzene or naphthalene derivative group.
[0076]
X1, X2Is preferably a sulfur atom or CR63R64And most preferably CR63R64It is.
[0077]
P1, P2Each independently represents a group of nonmetallic atoms necessary to form a polymethine dye. P1, 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. In this case, 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 &・ John Wiley & Sons-New York, London, 1964, DMSturmer "Heterocyclic Compounds- Heterocyclic Compounds- Special topics in cyclic chemistry) ", Chapter 18, Section 14, 482-515 Mitsugu. The formulas of cyanine dye, merocyanine dye, and rhodacyanine dye are preferably those shown in (XI), (XII), and (XIII) of US Pat. No. 5,340,694, No. 21,22. P1And P2Are preferably those having a squarylium ring in at least one of the methine chain portions of the polymethine dye formed by, and more preferably those having both.
[0078]
R61, R62Is an aromatic group or an aliphatic group, and these may have a substituent. The number of carbon atoms of 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.
[0079]
Formula (V) is R61, R62, P1, P2It is preferable that at least one of them has an acidic group. Here, the acidic group is a substituent having a dissociable proton, and examples thereof include carboxylic acid, phosphonic acid, sulfonic acid, boric acid and the like, and preferably carboxylic acid. Further, such an acidic group may take a form of releasing a proton and dissociating.
[0080]
W2Is W in formula (IV)1It is synonymous with.
[0081]
Preferred specific examples of polymethine dyes represented by formulas (II) to (V) are shown below, but the present invention is not limited to these. The dyes B, D, F, G, I and K used in the examples are also mentioned.
[0082]
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[0083]
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[0084]
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[0085]
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[0086]
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[0103]
The compounds represented by the formulas (II) and (III) are described in FMHarmer, “Heterocyclic Compounds-Cyanine Dyes and Related Compounds”. ”, John Wiley & Sons-New York, London, 1964, DMSturmer,“ Complex Cyclic Compounds Special Topics in Complex Si ” Heterocyclic Compounds-Special topics in cyclic chemistry, Chapter 18, Section 14, 482-515, John Wiley & Sons, New York, London, 1977 , “Rodd's Chemistry of Carbon Compounds” Vol. IV, part B, 1977, Chapter 15, pp. 369-422, published by Elsevier Science Publishing Company Inc., New York, UK Patent No. 1,077,611 Can be synthesized based on the method described in the above.
[0104]
The compound represented by the formula (IV) used in the present invention can be synthesized with reference to descriptions in literature such as Dyes and Pigments Vol. 21, pp. 227-234. Further, the synthesis of the compound represented by the formula (V) is described in Ukrainskii Khimicheskii Zhurnal Vol. 40, No. 3, pp. 253-258, Dyes and Pigments, Vol. 21, pp. 227-234, and descriptions of references cited in these documents. It can be done with reference to etc.
[0105]
As a method for adsorbing the dye to the semiconductor fine particles, a method of immersing a working electrode containing well-dried semiconductor fine particles in the dye solution or applying the dye solution to the semiconductor fine particle layer and adsorbing can be used. In the former case, dipping method, dipping method, roller method, air knife method, etc. can be used. 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.
[0106]
As with the formation of the semiconductor fine particle layer, the liquid viscosity is not limited to the extrusion method for high-viscosity liquids (for example, 0.01 to 500 poise), and various printing methods are used for the low-viscosity liquid (for example, 0.1 poise or less). Alternatively, a wire bar method or a spin method is suitable, and a uniform film can be obtained.
[0107]
As described above, the application method may be appropriately selected according to the parameters such as the viscosity of the dye coating solution, the coating amount, the support, and the coating speed. The time required for the dye adsorption after coating is preferably as short as possible when mass production is considered.
[0108]
The total amount of dye used is 1m on the support.20.01 to 100 mmol is preferred per unit. Further, the adsorption amount of the dye to the semiconductor fine particles is preferably 0.01 to 1 mmol with respect to 1 g of the semiconductor fine particles. By using such a dye amount, a sensitizing effect in a semiconductor can be sufficiently obtained. On the other hand, when the amount of the dye is small, the sensitizing effect is insufficient, and when the amount of the dye is too large, the dye not attached to the semiconductor floats and causes the sensitizing effect to be reduced.
[0109]
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 wash with a polar solvent such as acetonitrile or an organic solvent such as an alcohol solvent. In order to increase the amount of adsorbed dye, it is preferable to perform the heat treatment before adsorption. In order to prevent water from adsorbing to the surface of the semiconductor fine particles after the heat treatment, it is also preferable to quickly adsorb the dye between 40 to 80 ° C. without returning to normal temperature. In addition, 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.
[0110]
Further, a colorless compound may be co-adsorbed for the purpose of reducing the interaction between dyes such as association. Examples of the hydrophobic compound to be co-adsorbed include steroid compounds having a carboxyl group (for example, cholic acid).
[0111]
Furthermore, an ultraviolet absorber can be co-adsorbed for the purpose of preventing photodegradation due to ultraviolet rays.
[0112]
Hereinafter, the charge transfer layer and the counter electrode will be described in detail.
The charge transfer layer is a layer having a function of replenishing electrons to the oxidant of the dye. Examples of typical charge transfer layers that can be used in the present invention include a liquid (electrolytic solution) in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, a so-called gel in which a polymer matrix is impregnated with a liquid in which a redox couple is dissolved in an organic solvent. Examples thereof include an electrolyte and a molten salt containing a redox couple. Furthermore, a solid electrolyte or a hole (hole) transport material can also be used.
[0113]
The electrolytic solution used in the present invention is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. The electrolyte of the present invention is I2And iodide (as iodide, LiI, NaI, KI, CsI, CaI2Metal iodides such as tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide and the like quaternary ammonium compounds such as iodine salts), Br2And bromide combinations (LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr as bromides)2Metal bromide such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide, bromide salts of quaternary ammonium compounds), metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, sodium polysulfide, Sulfur compounds such as alkylthiol-alkyldisulfides, viologen dyes, hydroquinone-quinones, and the like can be used. I among them2In the present invention, an electrolyte obtained by combining iodine salt of a quaternary ammonium compound such as LiI, pyridinium iodide, imidazolium iodide and the like is preferable. The electrolytes described above may be used in combination. Further, the electrolyte is a room temperature described in EP-718288, WO95 / 18456, J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 10, 3099 (1996), Inorg. Chem. 1996, 35, 1168-1178. It is also possible to use a molten salt (molten salt). When using a molten salt as an electrolyte, the solvent may not be used.
[0114]
A preferable electrolyte concentration is 0.1 M or more and 15 M or less, and more preferably 0.2 M or more and 10 M or less. Moreover, the preferable addition concentration of iodine when adding iodine to the electrolyte is 0.01 M or more and 0.5 M or less.
[0115]
The solvent used for the electrolyte in the present invention is a compound that has low viscosity and improved ion mobility, or has a high dielectric constant and improved effective carrier concentration, and can exhibit excellent ion conductivity. desirable. Examples of the solvent include carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, ether compounds such as dioxane and diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, and polyethylene. Chain ethers such as glycol dialkyl ether and polypropylene glycol dialkyl ether, alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, ethylene glycol, Propylene glycol, polyethylene glycol, polyp Use polyhydric alcohols such as pyrene glycol and glycerol, nitrile compounds such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, and benzonitrile, aprotic polar substances such as dimethyl sulfoxide (DMSO) and sulfolane, and water. be able to.
[0116]
Further, in the present invention, a base such as ter-butylpyridine, 2-picoline, 2,6-lutidine and the like described in J. Am. Ceram. Soc., 80 (12) 3157-3171 (1997) Sexual compounds can also be added. A preferable concentration range when adding a basic compound is 0.05M or more and 2M or less.
[0117]
In the present invention, the electrolyte can be used after gelation (solidification) by a technique such as addition of a polymer, addition of an oil gelling agent, polymerization including polyfunctional monomers, or a crosslinking reaction of the polymer. In the case of gelation by adding a polymer, compounds described in Polymer Electrolyte Reviews-1 and 2 (JR MacCallum and CA Vincent, edited by ELSEVIER APPLIED SCIENCE) can be used, but in particular, polyacrylonitrile and polyfluoride are used. Vinylidene chloride can be preferably used. J. Chem Soc. Japan, Ind. Chem. Soc., 46779 (1943), J. Am. Chem. Soc., 111,5542 (1989), J. Chem. Soc ., Chem. Com mun., 1993, 390, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 35, 1949 (1996), Chem. Lett., 1996, 885, J. Chm. Soc., Chem. Commun. , 1997, 545 can be used, but preferred compounds are those having an amide structure in the molecular structure.
[0118]
When gel electrolyte is formed by polymerization of polyfunctional monomers, a solution is prepared from polyfunctional monomers, polymerization initiator, electrolyte and solvent, and dye is supported by methods such as casting, coating, dipping, and impregnation. A method in which a sol-like electrolyte layer is formed on the prepared electrode and then gelled by radical polymerization is preferred. The polyfunctional monomer is preferably a compound having two or more ethylenically unsaturated groups. For example, divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, Preferred examples include ethylene glycol diacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, pentaerythritol triacrylate, and trimethylolpropane triacrylate. The monomers constituting the gel electrolyte may contain a monofunctional monomer in addition to these, and esters or amides derived from acrylic acid or α-alkyl acrylic acid (for example, methacrylic acid) (for example, N-iso). -Propylacrylamide, acrylamide, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, acrylamidepropyltrimethylammonium chloride, methyl acrylate, hydroxyethyl acrylate, n-propyl acrylate, n-butyl acrylate, 2-methoxyethyl acrylate, cyclohexyl acrylate, etc.) , Vinyl esters (eg vinyl acetate), esters derived from maleic acid or fumaric acid (eg dimethyl maleate, dibutyl maleate, diethyl fumarate, etc.), Rain acid, fumaric acid, sodium salt of p-styrene sulfonic acid, acrylonitrile, methacrylonitrile, dienes (eg butadiene, cyclopentadiene, isoprene), aromatic vinyl compounds (eg styrene, p-chlorostyrene, sodium styrene sulfonate) ), A vinyl compound having a nitrogen-containing heterocyclic ring, a vinyl compound having a quaternary ammonium salt, N-vinylformamide, N-vinyl-N-methylformamide, vinylsulfonic acid, sodium vinylsulfonate, vinylidene fluoride, vinylidene chloride, Vinyl alkyl ethers (for example, methyl vinyl ether), ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, N-phenylmaleimide and the like can be preferably used. The preferred weight composition range of the polyfunctional monomer in the total amount of the monomers is preferably 0.5% by weight or more and 70% by weight or less, and more preferably 1.0% by weight or more and 50% by weight or less.
[0119]
The above-mentioned monomers are common polymers described in Takayuki Otsu and Masato Kinoshita: Experimental methods for polymer synthesis (Chemical Doujin) and Takayuki Otsu: Lecture Polymerization Reaction Theory 1 Radical Polymerization (I) (Chemical Doujin) It can superpose | polymerize by radical polymerization which is a synthetic method. The monomer for gel electrolyte that can be used in the present invention can be radically polymerized by heating, light, electron beam, or electrochemically, and it is particularly preferable to radically polymerize by heating. Polymerization initiators preferably used when the crosslinked polymer is formed by heating are, for example, 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), Azo initiators such as dimethyl 2,2'-azobis (2-methylpropionate) (dimethyl 2,2'-azobisisobutyrate), peroxide initiators such as benzoyl peroxide, and the like. A preferable addition amount of the polymerization initiator is 0.01% by weight or more and 20% by weight or less, more preferably 0.1% by weight or more and 10% by weight or less with respect to the total amount of monomers.
[0120]
The weight composition range of the monomers in the gel electrolyte is preferably 0.5 wt% or more and 70 wt% or less, more preferably 1.0 wt% or more and 50 wt% or less.
[0121]
Further, when the electrolyte is gelled by a polymer crosslinking reaction, it is desirable to use a polymer containing a crosslinkable reactive group and a crosslinking agent in combination. In this case, a preferable crosslinkable reactive group is a nitrogen-containing heterocyclic ring (for example, a pyridine ring, an imidazole ring, a thiazole ring, an oxazole ring, a triazole ring, a morpholine ring, a piperidine ring, a piperazine ring), and a preferable crosslinking agent. Is a bifunctional or higher functional reagent (for example, alkyl halide, halogenated aralkyl, sulfonate ester, acid anhydride, acid chloride, isocyanate, etc.) capable of electrophilic reaction with a nitrogen atom.
[0122]
In the present invention, a hole transport material combining organic or inorganic or a combination of both can be used instead of the electrolyte. Organic hole transport materials applicable to the present invention include N, N′-diphenyl-N, N′-bis (4-methoxyphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine ( J. Hagen et al., Synthetic Metal 89 (1997) 215-220), 2,2 ', 7,7'-tetrakis (N, N-di-p-methoxyphenylamine) 9,9'-spirobifluorene (Nature, Vol. 395, 8 Oct. 1998, p583-585 and WO97 / 10617), 1,1-bis {4- (di-p-tolylamino) phenyl} cyclohexane tertiary aromatic amine unit linked fragrance Group diamine compounds (Japanese Patent Laid-Open No. 59-194393), including 2,4, -bis [(N-1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl and two or more tertiary amines An aromatic amine in which the above condensed aromatic ring is substituted with a nitrogen atom (Japanese Patent Laid-Open No. 5-234681), an aromatic triamine having a starburst structure with a derivative of triphenylbenzene (US Pat. No. 4, 923,774, JP-A-4-308688), N, N′-diphenyl-N, N′-bis (3-methylphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine, etc. Aromatic diamine (US Pat. No. 4,764,625), α, α, α ′, α′-tetramethyl-α, α′-bis (4-di-p-tolylaminophenyl) -p-xylene (Japanese Patent Laid-Open No. 3-269084), p-phenylenediamine derivatives, sterically asymmetric triphenylamine derivatives as a whole molecule (Japanese Patent Laid-Open No. 4-129271), and a pyrenyl group substituted with a plurality of aromatic diamino groups Compounds (Japanese Patent Laid-Open No. 4-175395), aromatic diamines having tertiary aromatic amine units linked by ethylene groups (Japanese Patent Laid-Open No. 4-264189), aromatic diamines having a styryl structure (Japanese Patent Laid-Open No. 4-290851) Publication), benzylphenyl compounds (JP-A-4-364153), and those in which a tertiary amine is linked by a fluorene group (JP-A-2004-364153) 5-25473), triamine compounds (JP-A-5-239455), pisdipyridylaminobiphenyl (JP-A-5-320634), N, N, N-triphenylamine derivatives (JP-A-6-1972) Gazette), aromatic diamines having a phenoxazine structure (Japanese Patent Application No. 5-290728), diaminophenylphenanthridine derivatives (Japanese Patent Application No. 6-45669) and the like, α-octylthiophene and α, ω-dihexyl-α-octylthiophene (Adv. Mater. 1997, 9, N0.7, p557), hexadodecyl dodecithiophene (Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34, No. 3, p303-307), 2,8-dihexylanthra [2,3-b: 6,7-b '] dithiophene (JACS, Vol120, N0.4,1998, p664-672) and other oligothiophene compounds, polypyrrole (K Murakoshi et al.,; Chem. Lett. 1997, p471), ¨ Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers Vol.1,2,3,4¨ (by NALWA, published by WILEY) Polyacetylene and derivatives thereof, poly (p-phenylene) and derivatives thereof, poly (p-phenylene vinylene) and derivatives thereof, polythienylene vinylene and derivatives thereof, polythiophene and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, poly Conductive polymers such as toluidine and its derivatives can be preferably used. In addition, organic hole transport materials include tris (4-bromophenyl) aminium hexachloro to control the dopant level as described in Nature, Vol. 395, 8 Oct. 1998, p583-585. Li [(CF to add a compound containing a cation radical such as antimonate or to control the potential of the oxide semiconductor surface (compensation of the space charge layer)ThreeSO2)2A salt such as N] may be added.
[0123]
The organic hole transport material can be introduced into the electrode by techniques such as vacuum deposition, casting, coating, spin coating, dipping, electrolytic polymerization, and photoelectrolytic polymerization. In addition, when a hole transport material is used instead of the electrolyte, a thin layer of titanium dioxide is formed by using a technique such as spray pyrolysis described in Electorochim. Acta 40, 643-652 (1995) to prevent short circuit. It is preferable to coat as an undercoat layer.
[0124]
When inorganic solid compounds are used instead of electrolytes, copper iodide (p-CuI) (J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 1492-1496), copper thiocyanide (Thin Solid Films 261 (1995) 307-310, J. Appl. Phys. 80 (8), 15 October 1996, p4749-4754, Chem. Mater. 1998, 10, 1501-1509, Semicond. Sci. Technol. 10, 1689-1693) It can be introduced into the electrode by techniques such as casting, coating, spin coating, dipping, and electrolytic plating.
[0125]
There are two possible methods for forming the charge transfer layer. One is a method in which a counter electrode is first pasted on a semiconductor fine particle-containing layer carrying a sensitizing dye, and a liquid charge transfer layer is sandwiched in the gap. The other is a method of directly providing a charge transfer layer on the semiconductor fine particle-containing layer, and the counter electrode is subsequently applied.
[0126]
As the sandwiching method of the charge transfer layer in the former case, a normal pressure process using a capillary phenomenon due to immersion or a vacuum process in which the gas phase is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure can be used.
[0127]
In the latter case, in the wet charge transfer layer, a counter electrode is provided without being dried, and measures for preventing liquid leakage at the edge portion are also taken. In the case of a gel electrolyte, there is a method of applying it in a wet state and solidifying it by a method such as polymerization, in which case the counter electrode can be applied after drying and fixing. In addition to the electrolytic solution, wet organic hole transport materials and gel electrolytes can be applied in the same manner as semiconductor fine particle containing layers and pigments, as well as immersion, roller method, dipping method, air knife method, extrusion method, slide A hopper method, a Werber method, a spin method, a spray method, a casting method, various printing methods, and the like can be considered. In the case of a solid electrolyte or a solid hole transport material, a charge transfer layer can be formed by a dry film formation process such as a vacuum deposition method or a CVD method, and then a counter electrode can be provided.
[0128]
When considering mass production, in the case of an electrolyte solution or a wet hole transport material that cannot be solidified, it is possible to respond by sealing the edge portion immediately after coating, but solidified hole transport In the case of materials, it is more preferable to form a hole transport layer by wet application and then solidify by a method such as photopolymerization or thermal radical polymerization. As described above, the film application method may be appropriately selected depending on the liquid properties and process conditions.
[0129]
The moisture in the charge transfer layer is preferably 10,000 ppm or less, more preferably 2,000 ppm or less, and particularly preferably 100 ppm or less.
[0130]
The counter electrode functions as a positive electrode of the photoelectrochemical cell when the photoelectric conversion element is a photoelectrochemical cell. As the counter electrode, a support having a conductive layer can be used in the same manner as the conductive support described above, but the support is not necessarily required in a configuration in which the strength and the sealing performance are sufficiently maintained. Specifically, the conductive material used for the counter electrode is metal (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium, etc.), carbon, or conductive metal oxide (indium-tin composite oxide, tin oxide). And the like doped with fluorine. The thickness of the counter electrode is not particularly limited, but is preferably 3 nm or more and 10 μm or less. In the case of a metal material, the film thickness is preferably 5 μm or less, more preferably 5 nm or more and 3 μm or less.
[0131]
In order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive support and the counter electrode must be substantially transparent. In the photoelectrochemical cell of the present invention, the conductive support is preferably transparent, and sunlight is preferably incident from the support side. In this case, it is more preferable that the counter electrode has a property of reflecting light. In the present invention, glass or plastic on which a metal or conductive oxide is deposited or a metal thin film can be used as the counter electrode.
[0132]
As described in the application of the charge transfer layer, there are two types of application of the counter electrode: application on the charge transfer layer and application on the semiconductor fine particle-containing layer first. In either case, the counter electrode material can be appropriately formed on the charge transfer layer or the semiconductor fine particle-containing layer by a method such as coating, laminating, vapor deposition, or bonding depending on the type of the counter electrode material or the type of the charge transfer layer. For example, in the case where the counter electrode is bonded, a substrate provided as a conductive layer can be bonded by a method such as application, vapor deposition, or CVD of the conductive material. Further, when the charge transfer layer is solid, the counter electrode can be directly formed on the charge transfer layer by a method such as coating, plating, PVD, or CVD.
[0133]
Furthermore, it is possible to provide a layer having other necessary functions such as a protective layer and an antireflection film on the conductive support or the counter electrode of the working electrode. When such a layer is functionally separated in multiple layers, simultaneous multilayer coating or sequential coating can be performed, but simultaneous multilayer coating is more preferable when productivity is given priority. In simultaneous multilayer coating, the slide hopper method and the extrusion method are suitable when considering productivity and film application uniformity. Moreover, these functional layers can also be provided using methods, such as vapor deposition and affixing, with the material.
[0134]
In the photoelectrochemical cell of the present invention, it is preferable to seal the side surface of the battery with a polymer, an adhesive or the like in order to prevent deterioration of the constituents and volatilization of the contents.
[0135]
Next, a cell structure and a module structure when the photoelectric conversion element of the present invention is applied to a so-called solar battery will be described. The solar power generation device in the present invention is a combination of at least two types of cells having different visible light absorption characteristics (that is, having different colors).
[0136]
The structure of the inside of the cell of the dye-sensitized solar cell is basically the same as that of the above-described photoelectric conversion element or photoelectrochemical cell, but various forms are possible according to the purpose as shown in FIG. 2 or FIG. It is. If roughly divided into two, a structure that allows light to enter from both sides [FIGS. 2 (a) (d), 3 (g)] and a type that can be incident only from one side [FIGS. 2 (b) (c), FIG. 3 (e) (f) (h)].
[0137]
FIG. 2A shows a dye-adsorbing TiO which is a dye-adsorbing semiconductor fine particle-containing layer between the transparent conductive layers 12.2In this structure, the layer 10 and the charge transfer layer 11 are interposed. FIG. 2B shows a case where a part of the metal lead 9 is provided on the transparent substrate 13, the transparent conductive layer 12 is further provided, the undercoat layer 14, the dye adsorbing TiO 2.2The layer 10, the charge transfer layer 11, and the metal layer 8 are provided in this order, and the support substrate 15 is further arranged. In FIG. 2C, the metal layer 8 is further provided on the support substrate 15, and the dye-adsorbed TiO is provided via the undercoat layer.2In this structure, a layer 10 is provided, a charge transfer layer 11 and a transparent conductive layer 12 are provided, and a transparent substrate 13 provided with a metal lead 9 in part is disposed with the metal lead 9 side inward. FIG. 2D shows a case where a part of the metal lead 9 is provided on the transparent substrate 13 and the transparent conductive layer 12 is further provided between the undercoat layer 14 and the dye adsorbing TiO.2In this structure, the layer 10 and the charge transfer layer 11 are interposed. FIG. 3E shows a transparent substrate 13 having a transparent conductive layer 12 and a dye-adsorbed TiO through an undercoat layer 14.2In this structure, the layer 10 is provided, the charge transfer layer 11 and the metal layer 8 are further provided, and the support substrate 15 is disposed thereon. FIG. 3 (f) shows a metal adsorbing TiO having a metal layer 8 on a support substrate 15 and an undercoat layer 14.2In this structure, the layer 10 is provided, the charge transfer layer 11 and the transparent conductive layer 12 are further provided, and the transparent substrate 13 is disposed thereon. FIG. 3G shows an undercoat layer 14 and a dye-adsorbed TiO between the transparent substrates 13 having the transparent conductive layer 12 with the transparent conductive layer 12 inside.2In this structure, the layer 10 and the charge transfer layer 11 are interposed. FIG. 3 (h) shows a case where the metal layer 8 is provided on the support substrate 15 and the dye-adsorbed TiO is provided via the undercoat layer 14.2In this structure, the layer 10 is provided, the solid charge transfer layer 16 is further provided, and the metal layer 8 or the metal lead 9 is partially provided thereon.
[0138]
The module structure of the dye-sensitized solar cell of the present invention can be basically the same as that of a conventional solar cell module. In general, a cell is formed on a support substrate such as metal or ceramic, and the cell is covered with a filling resin or protective glass, and light can be taken in from the opposite side of the support substrate. It is also possible to use a transparent material such as tempered glass for the substrate, configure a cell thereon, and take in light from the transparent support substrate side. Specifically, a module structure called a super straight type, a substrate type, or a potting type, or a module structure such as a substrate integrated type used in an amorphous silicon solar cell or the like is possible. These module structures can be appropriately selected depending on the purpose of use and the place of use (environment). FIG. 4 shows an example in which the element of the present invention is modularized with an integrated substrate.
[0139]
The structure of FIG. 4 has a transparent conductive layer 12 on one surface of a transparent substrate 13, and further a dye-adsorbing TiO on this.2The cell provided with the layer 10, the solid charge transfer layer 16 and the metal layer 8 is modularized, and the antireflection layer 17 is provided on the other surface of the transparent substrate 13. In this case, in order to increase the utilization efficiency of incident light, the dye adsorbing TiO that is the photosensitive portion2It is preferable to increase the area ratio of the layer 10 (area ratio when viewed from the transparent substrate 13 side which is the light incident surface).
[0140]
The typical structure of the super straight type and the substrate type is such that cells are arranged at regular intervals between support substrates that are transparent on one or both sides and treated with antireflection, and metal leads or flexible wiring between adjacent cells. Are connected to each other, and a collecting electrode is arranged on the outer edge portion, and the generated electric power is taken out to the outside. Various types of plastic materials such as ethylene vinyl acetate (EVA) can be used between the substrate and the cell in the form of a film or a filled resin depending on the purpose in order to protect the cell and increase the current collection efficiency. In addition, when using it in a place where it is not necessary to cover the surface with a hard material, such as where there is little impact from the outside, the surface protective layer should be composed of a transparent plastic film, or the above filling and sealing material should be cured Thus, it is possible to provide a protective function and eliminate the support substrate on one side. The periphery of the support substrate is fixed in a sandwich shape with a metal frame to seal the inside and secure the rigidity of the module, and the support substrate and the frame are hermetically sealed with a sealing material.
[0141]
In addition, if a flexible material is used for the cell itself, the support substrate, the filler, and the sealing member, a solar cell can be formed on the curved surface. Thus, solar cells having various shapes and functions can be manufactured in accordance with the purpose of use and the environment of use.
[0142]
Super straight type solar cell module, for example, while transporting the front substrate sent out from the substrate supply device with a belt conveyor etc., the cell is placed on it together with the sealing material, inter-cell connection lead wire, back surface sealing material, etc. After sequentially laminating, a back substrate or a back cover can be placed and a frame can be set on the outer edge.
[0143]
On the other hand, in the case of the substrate type, the support substrate sent from the substrate supply device is transported by a belt conveyor, etc., and the cells are sequentially stacked thereon together with inter-cell connection leads, sealing materials, etc. It can be made by placing and setting a frame on the peripheral edge.
[0144]
The module having the structure shown in FIG. 4 includes selective plating, selective etching, CVD, PVD, etc. so that a transparent electrode, a photosensitive layer, a charge transfer layer, a back electrode, and the like are arranged three-dimensionally and at regular intervals on a support substrate. Patterning can be done by semiconductor process technology, pattern coating or wide coating, and then by laser scribing, plasma CVM (described in Solar Energy Materials and Solar Cells, 48, p373-381 etc.) or mechanical methods such as grinding. Thus, a desired module structure can be obtained.
[0145]
Other members and processes will be described in detail below.
Examples of the sealing material include liquid EVA (ethylene vinyl acetate), vinylidene fluoride copolymer and acrylic resin film EVA, and the like, weather resistance, electrical insulation, light collection efficiency, cell protection (resistance) Various materials can be used according to the purpose such as improvement of impact properties.
[0146]
These can be fixed on the cell according to the physical properties of the encapsulant, in film-like materials, heat-adhesion after roll pressurization or heat-adhesion after vacuum pressurization, in liquid or paste-like materials, roll coat, bar There are various methods such as coating, spray coating, and screen printing.
[0147]
Moreover, a transparent filler can be mixed in the sealing material to increase the strength or increase the light transmittance.
[0148]
The space between the outer edge of the module and the frame surrounding the periphery may be sealed using a resin having high weather resistance and moisture resistance.
[0149]
When a flexible material such as PET / PEN is used as the support substrate, a roll-shaped support is drawn out to form a cell thereon, and then a sealing layer can be continuously laminated by the above method. High productivity processes can be built.
[0150]
In order to increase power generation efficiency, the surface of the substrate (generally tempered glass) on the light intake side of the module is subjected to antireflection treatment. This includes a method of laminating an antireflection film and a method of coating an antireflection layer.
[0151]
Moreover, it is possible to increase the utilization efficiency of incident light by processing the surface of the cell by a method such as grooving or texturing.
[0152]
In order to increase power generation efficiency, it is most important to capture light into the module without loss, but it is also important to reflect light that has passed through the photoelectric conversion layer and reached the inside and efficiently returned to the photoelectric conversion layer side. It is. To this end, after mirror-polishing the support substrate surface, a method of depositing or plating Ag, Al, or the like, a method of providing an alloy layer such as Al-Mg or Al-Ti as a reflective layer on the bottom layer of the cell, or There is a method of increasing the reflectance by creating a texture structure in the lowermost layer by annealing.
[0153]
In order to increase the power generation efficiency, it is important to reduce the connection resistance between cells in order to suppress the internal voltage drop.
[0154]
It is common to connect by wire bonding or conductive flexible sheet, but the method that combines the cell fixing function and the electrical connection function using a conductive adhesive tape or conductive adhesive, the conductive hot melt is desired There is a method of applying a pattern to the position.
[0155]
In a solar cell using a flexible support such as a polymer film, the cells are sequentially formed and cut into a desired size by the method described in the description of semiconductor coating while feeding the roll-shaped support, and then the peripheral portion. Can be sealed with a flexible and moisture-proof material. Also, a module structure called “SCAF” described in Solar Energy Materials and Solar Cells, 48, p383-391 may be used.
[0156]
In a solar cell of a flexible support, it can be used by being bonded and fixed to curved glass or the like.
[0157]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. The dyes used in the examples are as shown below.
[0158]
Embedded image
[0159]
1. Preparation of coating solution containing titanium dioxide particles
A titanium dioxide dispersion having a titanium dioxide concentration of 11% by weight was obtained in the same manner as described in Barbe et al., Journal of American Ceramic Society, Vol. 80, p. 3157, except that the autoclave temperature was 230 ° C. The average size of the obtained titanium dioxide particles was about 10 nm.
To this dispersion, 30% by weight of polyethylene glycol (molecular weight: 20,000, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) with respect to titanium dioxide was added and mixed to obtain a coating solution.
[0160]
2. Preparation of dye-adsorbed titanium dioxide electrode
Transparent conductive glass coated with tin oxide doped with fluorine (manufactured by Nippon Sheet Glass, surface resistance is about 10Ω / cm2This coating solution is applied to the conductive surface side of the TCO) with a doctor blade to a thickness of 100 μm, dried at 25 ° C. for 30 minutes, cut into 1 cm square, and an electric furnace (Maffle furnace FP-manufactured by Yamato Scientific) 32 type) at 450 ° C. for 30 minutes. Titanium dioxide coating amount is 15g / m2The film thickness was 8 μm.
[0161]
1cm square TiO2After the coated glass was taken out and cooled, a solution of Dye A (Dye 3 × 10-FourMolle / liter, solvent: 2-propanol) was immersed for 12 hours at a time. Color-sensitized TiO2 is washed with ethanol and dried naturally in the dark.2An electrode substrate was obtained. Similarly, using dyes B and C shown in Table 1, TiO sensitized with each dye2An electrode substrate was obtained. The amount of dye adsorbed is 1m of titanium dioxide coating area.2Approximately 1.3x10 per-3Mole.
[0162]
3. Production of photoelectrochemical cell
Color-sensitized TiO prepared as described above2An electrode substrate (1 cm × 1 cm) was overlaid with a platinum-deposited TCO of the same size (plated with TCO with a thickness of 15 nm on TCO) (see FIG. 1). Next, an electrolyte solution (tetrabutylammonium iodide 0.65 mol / liter, iodine 0.05 mol / liter acetonitrile solution) is soaked in the gap between the two glasses using a capillary phenomenon.2By introducing into the electrode, photoelectrochemical cells 1 to 3 shown in Table 1 were obtained. It was visually confirmed that the battery 1 transmitted yellow light, the battery 2 transmitted reddish purple, and the battery 3 transmitted blue-green light.
[0163]
According to this example, as shown in FIG. 1, the conductive glass 1 (the conductive agent layer 2 is formed on the glass), TiO2A photoelectrochemical cell in which the layer 3, the dye layer 4, the electrolytic solution 5, the platinum layer 6 and the glass 7 were laminated in this order and sealed with an epoxy-based sealant was produced.
[0164]
4). Measurement of photoelectric conversion wavelength and photoelectric conversion efficiency
Simulated sunlight was generated by passing light from a 500 W xenon lamp (USHIO) through a spectral filter (AM1.5 manufactured by Oriel). The intensity of this light is 100mW / cm2Met.
[0165]
A crocodile clip was connected to the conductive glass and platinum-deposited glass of the above-described photoelectrochemical cell, irradiated with simulated sunlight, and the generated electricity was measured with a current-voltage measuring device (Keutley SMU238 type). Table 1 shows the open-circuit voltage (Voc), short-circuit current density (Jsc), form factor (FF), and conversion efficiency (η) of the photoelectrochemical cell thus determined.
[0166]
[Table 1]
[0167]
5. Combination of photoelectrochemical cells
When the batteries 1 to 3 were connected in parallel and irradiated with simulated sunlight, the obtained short-circuit current was 14 mA.
From the results of the above examples, it is obvious that a solar power generation device that can be used for stained glass or the like can be produced by appropriately arranging the batteries 1 to 3.
[0168]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a photovoltaic power generation apparatus that can be used for a decorative window that is visually comfortable, such as stained glass, and that has excellent conversion efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a photoelectrochemical cell produced in an example.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a basic configuration example of a photoelectrochemical cell.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a basic configuration example of a photoelectrochemical cell.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a board-integrated module configuration.
[Explanation of symbols]
1 Conductive glass
2 Conductive agent layer
3 TiO2layer
4 Dye layer
5 Electrolyte
6 Platinum layer
7 Glass
8 Metal layer
9 Metal lead
10 Dye adsorption TiO2layer
11 Charge transfer layer
12 Transparent conductive layer
13 Transparent substrate
14 Undercoat layer
15 Support substrate
16 Solid charge transfer layer
17 Antireflection layer

Claims (2)

異なる可視光吸収特性を有する少なくとも2種の太陽光発電セルを並べて組み合わせた太陽光発電装置であって、前記太陽光発電セルが分光増感剤により分光増感された無機半導体を含有し、前記可視光吸収特性が前記分光増感剤の可視光吸収特性に由来し、前記分光増感剤が式(II)、式(III)、式(IV)または式(V)で表される色素であることを特徴とする太陽光発電装置。
(式中、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。)
(式中、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(III)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0以上10以下の数を表す。)
(式中、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す。Zbは炭素原子、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た、3ないし9員環を完成するために必要な原子団を表す。 1 、L 2 、L 3 、L 4 およびL 5 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。n 51 は0から4までの整数を表し、n 52 は0または1である。R 5 は置換基を表す。W 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。
(式中、Dは少なくとも4官能以上の芳香族基を示し、X1、X2はそれぞれ独立に硫黄原子、セレン原子、CR6364またはCR65=CR66を表す。ここでR63〜R66はそれぞれ水素原子またはアルキル基である。R61、R62はそれぞれアルキル基または芳香族基であり、P1、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示す。)
A photovoltaic power generation apparatus in which at least two types of photovoltaic power generation cells having different visible light absorption characteristics are combined side by side, wherein the photovoltaic power generation cell contains an inorganic semiconductor spectrally sensitized by a spectral sensitizer, The visible light absorption characteristic is derived from the visible light absorption characteristic of the spectral sensitizer, and the spectral sensitizer is a dye represented by the formula (II), the formula (III), the formula (IV), or the formula (V). A solar power generation device characterized by being.
(In the formula, R b and R f each represent a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group, and R c to R e each represent a hydrogen atom or a substituent. R b to R f are bonded to each other. X 11 and X 12 each represent nitrogen, oxygen, sulfur, selenium, tellurium, n 11 and n 13 each represent an integer of 0 to 2, and n 12 represents 1 to 6 Represents an integer.)
(Wherein, Z a is nitrogen .R g representing a non-metallic atomic group necessary for forming a heterocyclic ring is an alkyl group or an aryl group .Q a compound methine dye represented by formula (III) Represents a methine group or a polymethine group necessary for forming X. X 13 represents a charge-balanced counter ion, and n 14 represents a number of 0 to 10 necessary to neutralize the charge of the molecule.)
(In the formula, Q b represents an atomic group necessary for completing a 5- or 6-membered nitrogen-containing heterocycle. Z b is an atom selected from a carbon atom, an oxygen atom, a nitrogen atom, a sulfur atom, and a hydrogen atom. It represents an atomic group necessary for completing a 3- to 9-membered ring constituted by: L 1 , L 2 , L 3 , L 4 and L 5 each independently represents a methine which may have a substituent. N 51 represents an integer of 0 to 4 and n 52 is 0 or 1. R 5 represents a substituent, W 1 represents a case where a counter ion is required to neutralize the charge. Represents a counter ion. )
(In the formula, D represents an aromatic group having at least four functional groups, and X 1 and X 2 each independently represents a sulfur atom, a selenium atom, CR 63 R 64 or CR 65 = CR 66 , wherein R 63 to R 66 is a hydrogen atom or an alkyl group, R 61 and R 62 are each an alkyl group or an aromatic group, and P 1 and P 2 are each a group of nonmetallic atoms necessary to independently form a polymethine dye. W 2 represents a counter ion when a counter ion is necessary to neutralize the charge.)
無機半導体が酸化チタンである請求項1の太陽光発電装置。 The solar power generation device according to claim 1, wherein the inorganic semiconductor is titanium oxide.
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