JP4730951B2 - Porphyrin dye having trimethylsilyl group, photoelectric conversion element using the same, and dye-sensitized solar cell - Google Patents

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Description

本発明は、色素増感型の光電変換素子及び太陽電池における、増感色素として好適に使用することができるポルフィリン色素、及びこのポルフィリン色素を用いた前記光電変換素子及び前記太陽電池に関する。   The present invention relates to a porphyrin dye that can be suitably used as a sensitizing dye in a dye-sensitized photoelectric conversion element and a solar cell, and the photoelectric conversion element and the solar cell using the porphyrin dye.

太陽電池はクリーンな再生型のエネルギー源として大きく期待されており、単結晶シリコン系、多結晶シリコン系、アモルファスシリコン系の太陽電池、テルル化カドミウム、セレン化インジウム銅などの化合物半導体からなる太陽電池が主に研究されているが、家庭用電源として普及させる為には、いずれの太陽電池もコストが高いことや、原材料の確保の問題など、多くの問題を抱えている。   Solar cells are highly expected as clean, regenerative energy sources. Single-crystal silicon-based, polycrystalline silicon-based, amorphous silicon-based solar cells, and solar cells made of compound semiconductors such as cadmium telluride and indium copper selenide However, in order to spread it as a household power source, all the solar cells have many problems such as high cost and problems of securing raw materials.

こうした状況の中、色素増感太陽電池はコスト、大面積化、原材料の点で非常に有利であると言われている。色素増感太陽電池や、色素増感された光電変換素子及び光電気化学電池は、導電性支持体上に形成された色素を吸着した半導体微粒子含有層からなる光電極、電荷移動層、対極から構成される。特にNature(第353巻、737〜740頁、1991年)および米国特許4927721号等には、色素によって増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子および太陽電池、ならびにこれを作製するための材料および製造技術が開示されている。   Under such circumstances, it is said that the dye-sensitized solar cell is very advantageous in terms of cost, large area, and raw materials. A dye-sensitized solar cell, a dye-sensitized photoelectric conversion element, and a photoelectrochemical cell are formed from a photoelectrode, a charge transfer layer, and a counter electrode, each of which includes a semiconductor fine particle-containing layer that adsorbs a dye formed on a conductive support. Composed. In particular, Nature (Vol. 353, 737-740, 1991) and US Pat. No. 4,927,721 disclose a photoelectric conversion element and a solar cell using semiconductor fine particles sensitized with a dye, and a material for producing the same. And manufacturing techniques are disclosed.

ここで光半導体電極材料として用いられる二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどの金属酸化物半導体は、光や熱に対して安定で無害であるが、バンドギャップが3.0eVと大きい為に地球上にもっとも強く照射される可視光や近赤外光の太陽光を吸収できない。可視光を吸収する有機物や金属錯体などの色素を金属酸化物光半導体電極表面に吸着あるいは被覆させると、電極が光電変換する波長領域を可視光領域まで拡大することができる。   Here, metal oxide semiconductors such as titanium dioxide, zinc oxide, and tin oxide used as photo semiconductor electrode materials are stable and harmless to light and heat, but because the band gap is as large as 3.0 eV, It cannot absorb the most intensely visible or near infrared sunlight. When a dye such as an organic substance or a metal complex that absorbs visible light is adsorbed or coated on the surface of the metal oxide optical semiconductor electrode, the wavelength region in which the electrode performs photoelectric conversion can be expanded to the visible light region.

半導体電極表面に単分子層で吸着した色素のみが色素増感することから、色素を平滑な半導体表面に単分子層で吸着させた場合、光の利用効率は1%程度であるため、太陽電池としての光電変換効率が低い。電極の光の利用効率を高める為には光照射面積に対して、色素が吸着した半導体表面をできるだけ大きくする必要がある。   Since only the dye adsorbed on the surface of the semiconductor electrode by the monomolecular layer is dye-sensitized, the light utilization efficiency is about 1% when the dye is adsorbed on the smooth semiconductor surface by the monomolecular layer. As a result, the photoelectric conversion efficiency is low. In order to increase the light utilization efficiency of the electrode, it is necessary to make the surface of the semiconductor adsorbed with the dye as large as possible with respect to the light irradiation area.

半導体電極には大きな比表面積を有する、二酸化チタン(特開平1-220380号公報)又は表面に細孔を有するニ酸化チタンの薄膜(特開8-99041号公報)を用いることが知られている。増感色素としてはキサンテン系有機色素、シアニン系色素、塩基性染料、ポルフィリン系化合物、フタロシアニン系化合物、アゾ染料、ルテニウム金属錯体などの多くの化合物が知られている(特表平7-500630号公報、特開平11-144772号公報、特開平13-59062号公報、特開平13-253894号公報、特開平13-247546号公報)。   It is known to use titanium dioxide (Japanese Patent Laid-Open No. 1-220380) having a large specific surface area or a titanium dioxide thin film having a pore on the surface (Japanese Patent Laid-Open No. 8-99041) as a semiconductor electrode. . Many compounds such as xanthene organic dyes, cyanine dyes, basic dyes, porphyrin compounds, phthalocyanine compounds, azo dyes, ruthenium metal complexes are known as sensitizing dyes (Japanese Patent Publication No. 7-500630). JP, 11-144772, JP 13-59062, JP 13-253894, JP 13-247546).

現在、光電変換効率の点からは、ルテニウム金属錯体色素が一番優位であるとされているが、ルテニウムは高価な金属であり、また色素が吸収する太陽光の波長領域は300〜900nm程度である。今後、さらなる高光電変換効率を目指す為には、太陽光の波長領域をほとんど吸収する増感色素の開発が必要不可欠であり、色素増感太陽電池の低コストというメリットをさらに強調するには、安価な色素を用いることができなければならない。   Currently, from the point of photoelectric conversion efficiency, ruthenium metal complex dyes are said to be the most dominant, but ruthenium is an expensive metal, and the wavelength range of sunlight absorbed by the dye is about 300 to 900 nm. is there. In the future, in order to further increase the photoelectric conversion efficiency, it is essential to develop a sensitizing dye that absorbs most of the wavelength region of sunlight. To further emphasize the low cost of dye-sensitized solar cells, It must be possible to use inexpensive dyes.

Nature(第353巻、737〜740頁、1991年)Nature (Vol. 353, 737-740, 1991) 米国特許4927721号U.S. Pat. No. 4,927,721 特開平1-220380号JP-A-1-220380 特開8-99041号JP-A 8-99041 特表平7-500630号Special table hei 7-500630 特開平11-144772号JP 11-144772 A 特開平13-59062号JP-A-13-59062 特開平13-253894号JP-A-13-253894 特開平13-247546号JP-A-13-247546

本発明は、広域の波長領域での吸収能を有し、高価な金属を中心金属として必要とすることなく、色素増感型の光電変換素子や太陽電池などの増感色素として使用することが可能な新規な色素体、並びにこの色素体を用いた前記光電変換素子及び前記太陽電池を提供することを目的とする。   The present invention has an absorptive ability in a wide wavelength range, and can be used as a sensitizing dye for a dye-sensitized photoelectric conversion element or a solar cell without requiring an expensive metal as a central metal. It is an object of the present invention to provide a possible new dye body, and the photoelectric conversion element and the solar cell using the dye body.

上記課題を解決すべく、本発明は、
一般式(イ):(ただし、Rのうち1つがカルボキシル基であって、3つのRがトリメチルシリル基(- Si(CH 3 ) )である)で表わされることを特徴とする、ポルフィリンに関する。

Figure 0004730951
In order to solve the above problems, the present invention provides:
The present invention relates to a porphyrin characterized by being represented by the general formula (a): (wherein one of R is a carboxyl group and three R are trimethylsilyl groups (—Si (CH 3 ) 3 )) .
Figure 0004730951

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、前記目的を達成すべく色素体として高価な金属を中心金属として用いる必要のないポルフィリン色素に着目した。しかしながら、ポルフィリン色素そのままでは、色素増感型の光電変換素子などとして使用する場合に、前記光電変換素子を構成する金属酸化物半導体電極表面に十分に吸着することができず、実用に供することができないことが判明した。さらに、その電子供与性の低さから、前記ポルフィリン色素を前記色素体として用いた場合に、前記色素体から前記金属酸化物半導体電極に対して十分な電子移動を生ぜしめることができないことが判明した。   The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, the inventors have focused on porphyrin dyes that do not require the use of an expensive metal as a central metal as a dye body in order to achieve the above object. However, the porphyrin dye as it is cannot be sufficiently adsorbed on the surface of the metal oxide semiconductor electrode constituting the photoelectric conversion element when used as a dye-sensitized photoelectric conversion element or the like, and can be put to practical use. It turned out not to be possible. Furthermore, it was found that due to its low electron donating property, when the porphyrin dye was used as the dye body, sufficient electron transfer from the dye body to the metal oxide semiconductor electrode could not be caused. did.

かかる問題に鑑み、本発明者らはさらに鋭意検討を行い、前記ポルフィリン色素に対して官能基を導入することによって上記問題を解決することを試みた。具体的には、前記ポルフィリンに対してカルボキシル基(-COOH)などを導入することにより、上述した光電変換素子などにおける金属酸化物半導体電極などに対する吸着性を十分に向上させることができるようになることを見出した。さらに、前記ポルフィリンに対してトリメチルシリル基(-Si(CH3))を導入することにより、前記ポルフィリンに対して電子供与性を付与することができ、前記ポルフィリンから前記金属酸化物半導体電極に対して十分な電子移動を生ぜしめることが可能であることを見出した。 In view of such a problem, the present inventors have further intensively studied and attempted to solve the above problem by introducing a functional group into the porphyrin dye. Specifically, by introducing a carboxyl group (—COOH) or the like to the porphyrin, the adsorptivity to the metal oxide semiconductor electrode or the like in the photoelectric conversion element or the like can be sufficiently improved. I found out. Furthermore, by introducing a trimethylsilyl group (—Si (CH 3 ) 3 ) into the porphyrin, it is possible to impart electron donating properties to the porphyrin, and from the porphyrin to the metal oxide semiconductor electrode. It was found that it is possible to generate sufficient electron transfer.

したがって、上述した本発明のポルフィリンは、金属酸化物半導体電極を含む光電変換素子あるいは太陽電池における増感色素として好適に用いることができ、色素増感型の光電変換素子や太陽電池などの増感色素として使用することが可能な新規かつ安価な色素体として用いることができる。   Therefore, the porphyrin of the present invention described above can be suitably used as a sensitizing dye in a photoelectric conversion element including a metal oxide semiconductor electrode or a solar cell, and sensitization in a dye-sensitized photoelectric conversion element or a solar cell. It can be used as a new and inexpensive pigment that can be used as a pigment.

なお、本発明の好ましい態様においては、上述したポルフィリン色素の一般式におけるRの内3つがトリメチルシリル基であって、いわゆる5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンなる異性体を構成する。この場合、上記Rの内の1つがカルボキシル基であって、これによって光電変換素子などを構成する金属酸化物半導体電極との吸着性を十分に確保することができるとともに、上述した、金属酸化物半導体電極に対する電子供与性を十分に増大させることができるようになる。この結果、上記ポルフィリン色素を有する光電変換素子などの光電変換効率を十分に増大させることができるようになる。   In a preferred embodiment of the present invention, three of R in the general formula of the porphyrin dye described above are trimethylsilyl groups, and so-called 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilyl) It constitutes an isomer called phenyl) porphyrin. In this case, one of the Rs is a carboxyl group, which can sufficiently secure the adsorptivity with the metal oxide semiconductor electrode constituting the photoelectric conversion element and the like, and the metal oxide described above. The electron donating property to the semiconductor electrode can be sufficiently increased. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the porphyrin dye can be sufficiently increased.

また、本発明の光電変換素子及び太陽電池は、上述したポルフィリン色素を増感色素として有することによって特徴づけられる。   Moreover, the photoelectric conversion element and solar cell of this invention are characterized by having the porphyrin dye mentioned above as a sensitizing dye.

以上説明したように、本発明によれば、広域の波長領域での吸収能を有し、高価な金属を中心金属として必要とすることなく、色素増感型の光電変換素子や太陽電池などの増感色素として使用することが可能な新規な色素体、並びにこの色素体を用いた前記光電変換素子及び前記太陽電池を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a dye-sensitized photoelectric conversion element, a solar cell, or the like has an absorption ability in a wide wavelength range and does not require an expensive metal as a central metal. It is possible to provide a novel dye body that can be used as a sensitizing dye, and the photoelectric conversion element and the solar cell using the dye body.

以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, other features and advantages of the present invention will be described based on the best mode for carrying out the invention.

(ポルフィリン色素体)
上述したように、本発明のポルフィリンは色素増感型の光電変換素子及び太陽電池などの増感色素として用いることができる。この場合、前記ポルフィリンは前記光電変換素子などを構成する金属酸化物半導体電極との吸着性を有することが必要であり、そのために、前記ポルフィリンは極性基としてのカルボキシル基(-COOH)を有することが必要である。しかしながら、同様の作用効果を有する極性基としては、前記カルボキシル基の他に、スルホ基(-SO3H)、アミノ基(-NH2)、ピリジル基(C5H4N)などをも例示することができる。しかしながら、特にカルボキシル基が好ましい。
(Porphyrin chromophore)
As described above, the porphyrin of the present invention can be used as a sensitizing dye for dye-sensitized photoelectric conversion elements and solar cells. In this case, it is necessary that the porphyrin has an adsorptivity with the metal oxide semiconductor electrode constituting the photoelectric conversion element, and therefore, the porphyrin has a carboxyl group (—COOH) as a polar group. is required. However, examples of the polar group having the same effect include a sulfo group (—SO 3 H), an amino group (—NH 2 ), and a pyridyl group (C 5 H 4 N) in addition to the carboxyl group. can do. However, a carboxyl group is particularly preferable.

また、上述したように、本発明のポルフィリンは、Rの内の3つがトリメチルシリル基であって、いわゆる5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンなる異性体を構成することが好ましい。この場合、上記Rの内の1つがカルボキシル基であって、これによって光電変換素子などを構成する金属酸化物半導体電極との吸着性を十分に確保することができるとともに、上述した、金属酸化物半導体電極に対する電子供与性を十分に増大させることができるようになる。この結果、上記ポルフィリン色素を有する光電変換素子などの光電変換効率を十分に増大させることができるようになる。   Further, as described above, the porphyrin of the present invention is a so-called 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin, in which three of R are trimethylsilyl groups. It is preferable to constitute an isomer. In this case, one of the Rs is a carboxyl group, which can sufficiently secure the adsorptivity with the metal oxide semiconductor electrode constituting the photoelectric conversion element and the like, and the metal oxide described above. The electron donating property to the semiconductor electrode can be sufficiently increased. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the porphyrin dye can be sufficiently increased.

上記異性体は、以下の一般式(ロ)で表わすことができる。

Figure 0004730951
The isomer can be represented by the following general formula (b).
Figure 0004730951

なお、本発明のポルフィリンの製造方法に関しては以下に示す実施例において具体的に詳述する。   The porphyrin production method of the present invention will be specifically described in detail in the following examples.

(光電変換素子)
本発明の光電変換素子及び太陽電池は、上述したポルフィリンを増感色素として金属酸化物半導体電極の表面に吸着させる。この金属酸化物半導体電極は、好ましくは多孔質電極とする。これによって、前記電極の実質的な表面積を増大させることができ、前記電極への増感色素の吸着量を増大させて、前記光電変換素子などの光電変換効率を増大させることができるようになる。なお、このような多孔質の金属酸化物半導体電極は、微細な酸化物半導体微粒子が集積して形成される。
(Photoelectric conversion element)
The photoelectric conversion element and solar cell of the present invention adsorb the above-described porphyrin on the surface of the metal oxide semiconductor electrode as a sensitizing dye. This metal oxide semiconductor electrode is preferably a porous electrode. As a result, the substantial surface area of the electrode can be increased, and the amount of sensitizing dye adsorbed to the electrode can be increased to increase the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element and the like. . Such a porous metal oxide semiconductor electrode is formed by accumulating fine oxide semiconductor fine particles.

図1は、本発明の光電変換素子の一例を示す構成図であり、図2は、図1に示す光電変換素子の、酸化物半導体電極近傍を拡大して示す図である。図1に示す光電変換素子100は、光電極101と対電極109とが互いに対向するようにして配置されるとともに、両者の電極間に隔壁120が設けられ、これら電極と隔壁とで形成される空間内に電解質108が注入されることによって構成されている。   FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of the photoelectric conversion element of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view illustrating the vicinity of an oxide semiconductor electrode of the photoelectric conversion element illustrated in FIG. 1. The photoelectric conversion element 100 shown in FIG. 1 is arranged so that the photoelectrode 101 and the counter electrode 109 face each other, and a partition wall 120 is provided between both electrodes, and is formed by these electrodes and the partition wall. An electrolyte 108 is injected into the space.

図2に示すように、光電極101は、透明基板104上に透明導電層105が形成されて透明導電性基板102として構成した後、この透明導電性基板102上に酸化物半導体電極103が形成されてなる。酸化物半導体電極103は、酸化物半導体微粒子106上に増感色素107が吸着して構成されている。このように酸化物半導体電極103は酸化物半導体微粒子106から構成されているので多孔質を構成し、増感色素107の吸着量を増大させることができる。   As shown in FIG. 2, the photoelectrode 101 is formed as a transparent conductive substrate 102 by forming a transparent conductive layer 105 on a transparent substrate 104, and then an oxide semiconductor electrode 103 is formed on the transparent conductive substrate 102. Being done. The oxide semiconductor electrode 103 is configured by adsorbing the sensitizing dye 107 on the oxide semiconductor fine particles 106. Thus, since the oxide semiconductor electrode 103 is composed of the oxide semiconductor fine particles 106, the oxide semiconductor electrode 103 can be configured to be porous and increase the adsorption amount of the sensitizing dye 107.

なお、増感色素107は、本発明に従って上述したポルフィリンから構成する。前記ポルフィリンのカルボキシル基は酸化物半導体微粒子106に対して高い吸着性を示し、これによって、前記ポルフィリンからなる増感色素107は酸化物半導体微粒子106に対して安定的に吸着するようになる。また、前記ポルフィリンはトリメチルシリル基を有するので、酸化物半導体微粒子106に対して高い電子供与性を呈するようになる。   The sensitizing dye 107 is composed of the porphyrin described above according to the present invention. The carboxyl group of the porphyrin exhibits high adsorptivity to the oxide semiconductor fine particles 106, whereby the sensitizing dye 107 made of porphyrin is stably adsorbed to the oxide semiconductor fine particles 106. Further, since the porphyrin has a trimethylsilyl group, the oxide semiconductor fine particles 106 exhibit high electron donating properties.

透明基板104については、汎用のガラス基板及び石英基板や、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、及びポリエチレンなどの透明プラスチック基板などを用いることができる。具体的には、安定性、加工性、軽量性、及びフレキシビリティーなどを考慮して、適宜に選択することができる。   As the transparent substrate 104, a general-purpose glass substrate and a quartz substrate, a transparent plastic substrate such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, and polyethylene can be used. Specifically, it can be appropriately selected in consideration of stability, workability, lightness, flexibility, and the like.

透明導電層105については、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、ITO、ATO、酸化亜鉛、アルミドープ酸化亜鉛、あるいはこれらの表面に酸化スズ又はフッ素ドープ酸化スズの皮膜を設けた光透過性の透明導電層から構成することができる。   For the transparent conductive layer 105, tin oxide, fluorine-doped tin oxide, ITO, ATO, zinc oxide, aluminum-doped zinc oxide, or a light-transmitting transparent conductive material in which a coating of tin oxide or fluorine-doped tin oxide is provided on the surface thereof. It can consist of layers.

酸化物半導体電極103の酸化物半導体微粒子106は、例えば単金属酸化物や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。単金属酸化物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が挙げられる。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。   As the oxide semiconductor fine particles 106 of the oxide semiconductor electrode 103, for example, a single metal oxide or a compound having a perovskite structure can be used. The single metal oxide is preferably an oxide of titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, or tantalum. Preferred examples of the compound having a perovskite structure include strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, and potassium niobate.

但し、本発明では、増感色素107として上述したポルフィリンを用いており、かかる増感色素との吸着性及び電子供与性を考慮すると、酸化チタン、酸化亜鉛、及び酸化ジルコニウムの少なくとも一種を用いることが好ましい。   However, in the present invention, the porphyrin described above is used as the sensitizing dye 107, and at least one of titanium oxide, zinc oxide, and zirconium oxide is used in consideration of the adsorptivity to the sensitizing dye and the electron donating property. Is preferred.

なお、酸化物半導体微粒子106の大きさは、その粒径が5nm〜500nmのものが好ましく、さらには10nm〜300nmのものが好ましく、特には15nm〜200nmのものが好ましい。   Note that the oxide semiconductor fine particles 106 preferably have a particle size of 5 nm to 500 nm, more preferably 10 nm to 300 nm, and particularly preferably 15 nm to 200 nm.

電解質108は、固体状及び液体状のものを使用することができる。具体的には、ヨウ素系電解質、臭素系電解質、セレン系電解質、硫黄系電解質等各種の電解質をもちいることが可能であり、I、LiI、ジメチルプロピルイミダゾリウムヨージド、t−ブチルピリジン、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウムアイオダイド等をアセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、3−メトキシプロピオニル、炭酸プロピレン等の電気的に不活性な有機溶剤に溶かした溶液等が好適に用いられる。 The electrolyte 108 can be used in a solid or liquid state. Specifically, it is possible to use various electrolytes such as iodine-based electrolyte, bromine-based electrolyte, selenium-based electrolyte, sulfur-based electrolyte, I 2 , LiI, dimethylpropylimidazolium iodide, t-butylpyridine, A solution in which 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide is dissolved in an electrically inactive organic solvent such as acetonitrile, methoxyacetonitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, 3-methoxypropionyl, propylene carbonate, etc. is suitable. Used for.

また、電解質の揮発を低減する目的で、上述した上記電解質組成物へゲル化剤、ポリマー架橋モノマーなどを溶解させ、ゲル状電解質として使用することも可能である。ゲルマトリックスと電解質組成物との比率は、電解質組成物が多ければイオン導電率は高くなるが、機械的強度は低下する。また、逆に電解質組成物が少なすぎると機械的強度は大きいが、イオン導電率は低下する。このため、電解質組成物はゲル状電解質の50wt%〜99wt%が望ましく、80wt%〜97wt%がより好ましい。   Further, for the purpose of reducing the volatilization of the electrolyte, it is possible to dissolve the gelling agent, the polymer crosslinking monomer or the like in the above-described electrolyte composition and use it as a gel electrolyte. As for the ratio between the gel matrix and the electrolyte composition, the greater the electrolyte composition, the higher the ionic conductivity, but the lower the mechanical strength. On the other hand, if the electrolyte composition is too small, the mechanical strength is high, but the ionic conductivity decreases. Therefore, the electrolyte composition is desirably 50 wt% to 99 wt% of the gel electrolyte, and more preferably 80 wt% to 97 wt%.

さらに、上記電解質と可塑剤とを用いてポリマーに溶解させ、可塑剤を揮発除去することで全固体型の光電変換素子を実現することも可能である。   Furthermore, it is also possible to realize an all-solid-type photoelectric conversion element by dissolving it in a polymer using the electrolyte and the plasticizer and volatilizing and removing the plasticizer.

対電極109は、例えば、Al、SUS等の金属やガラス及びプラスチックなどから構成される基板と、その上に形成されるPt、C、Ni、Cr、ステンレス、フッ素ドープ酸化スズ及びITOなどの導電層から構成される。また、表面にフッ素ドープ酸化スズなどの導電層を設けた導電性ガラスから構成することもできる。   The counter electrode 109 is, for example, a substrate made of a metal such as Al or SUS, glass, plastic, and the like, and a conductive material such as Pt, C, Ni, Cr, stainless steel, fluorine-doped tin oxide, or ITO formed thereon. Composed of layers. Moreover, it can also be comprised from the electroconductive glass which provided conductive layers, such as fluorine dope tin oxide, on the surface.

なお、対電極109は、白金あるいは炭素などの触媒層を含むことができる。これによって、対電極109と電解質108との電子授受をより簡易に行なうことができるようになる。   The counter electrode 109 can include a catalyst layer such as platinum or carbon. As a result, the electron transfer between the counter electrode 109 and the electrolyte 108 can be performed more easily.

(光電変換素子の製造方法)
次に、本発明の光電変換素子の製造方法について説明する。説明を明確化すべく、以下においては、図1及び図2に示す光電変換素子100に基づいてその製造方法を説明する。
(Manufacturing method of photoelectric conversion element)
Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated. In order to clarify the description, a manufacturing method thereof will be described below based on the photoelectric conversion element 100 shown in FIGS.

最初に、透明基板104を準備し、この透明基板104上に透明導電層105を形成して、透明導電性基板102を作製する。透明導電層105はスパッタリング法やCVD法、あるいは塗布法など公知の成膜技術を用いて形成することができる。また、市販の透明導電層105が形成された透明基板104を透明導電性基板102として直接的に使用することもできる。   First, the transparent substrate 104 is prepared, the transparent conductive layer 105 is formed on the transparent substrate 104, and the transparent conductive substrate 102 is produced. The transparent conductive layer 105 can be formed using a known film formation technique such as a sputtering method, a CVD method, or a coating method. A transparent substrate 104 on which a commercially available transparent conductive layer 105 is formed can also be used directly as the transparent conductive substrate 102.

次いで、酸化物半導体微粒子106を含む酸化物半導体インキまたはペーストを準備し、透明導電性基板102上に湿式塗布法または湿式印刷法で塗膜し、焼成して酸化物半導体微粒子以外の成分を除去することによって、透明導電性基板102上に酸化物半導体微粒子106を層状に形成し、光電極101を形成する。   Next, an oxide semiconductor ink or paste containing the oxide semiconductor fine particles 106 is prepared, coated on the transparent conductive substrate 102 by a wet coating method or a wet printing method, and baked to remove components other than the oxide semiconductor fine particles. As a result, the oxide semiconductor fine particles 106 are formed in layers on the transparent conductive substrate 102, and the photoelectrode 101 is formed.

なお、上記湿式塗布法及び湿式印刷法などの湿式成膜法は、形成された膜物性、利便性、製造コストなどを考慮したに有利な方法である。前記湿式塗布法としては、具体的にはスピンコート法、ローラーコート法、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、ブレードコート法、グラビアコート法などを例示することができる。また前記湿式印刷法としては、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷などの方法を用いることができる。   In addition, wet film forming methods such as the above wet coating method and wet printing method are advantageous methods in consideration of physical properties of the formed film, convenience, manufacturing cost, and the like. Specific examples of the wet coating method include spin coating, roller coating, dipping, spraying, wire bar, blade coating, and gravure coating. In addition, as the wet printing method, methods such as letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, and screen printing can be used.

酸化物半導体微粒子として市販の粉末を使用する際には、粒子の二次凝集を解消することが好ましく、塗布液調製時に乳鉢やボールミルなどを使用して、粒子の粉砕を行なうことが好ましい。このとき、二次凝集が解かれた粒子が再凝集するのを防ぐため、アセチルアセトン、塩酸、硝酸、界面活性剤、キレート剤などを添加するのが好ましい。また、増粘の目的でポリエチレンオキシドやポリビニルアルコールなどの高分子、セルロース系の増粘剤などの各種増粘剤を添加することもできる。   When a commercially available powder is used as the oxide semiconductor fine particles, it is preferable to eliminate secondary aggregation of the particles, and it is preferable to pulverize the particles using a mortar, a ball mill or the like when preparing the coating solution. At this time, it is preferable to add acetylacetone, hydrochloric acid, nitric acid, a surfactant, a chelating agent, or the like in order to prevent re-aggregation of particles whose secondary aggregation has been released. For the purpose of thickening, various thickeners such as polymers such as polyethylene oxide and polyvinyl alcohol and cellulose thickeners can be added.

上記の焼成温度としては、250〜600℃が用いられ、好ましくは400〜550℃が用いられる。焼成温度が上記の範囲よりも低いと良好な結晶状態が得られないため、作製した酸化物光半導体微粒子膜が高抵抗な膜になり好ましくなく、上記の範囲よりも高いと、結晶子の成長が顕著になり、比表面積が低下するため好ましくない。   As said baking temperature, 250-600 degreeC is used, Preferably 400-550 degreeC is used. If the firing temperature is lower than the above range, a good crystal state cannot be obtained. Therefore, the produced oxide photo semiconductor fine particle film is not preferable because it becomes a high resistance film. Becomes noticeable and the specific surface area decreases, which is not preferable.

次いで、所定の溶媒中に増感色素107を溶解させて増感色素溶液を作製し、この溶液中に酸化物半導体微粒子膜106を基板ごと浸漬させることによって、増感色素107を酸化物半導体微粒子106上に吸着させ担持させる。前記溶媒としては、メタノール、エタノール、2プロパノール、1ブタノール、t-ブタノール等のアルコール類、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、3メトキシプロピオニトリル等のニトリル類、ベンゼン、トルエン等の芳香属化合物類、またはこれらの混合溶媒を用いることができる。   Next, the sensitizing dye 107 is dissolved in a predetermined solvent to prepare a sensitizing dye solution, and the oxide semiconductor fine particle film 106 is immersed in the solution together with the substrate, whereby the sensitizing dye 107 is converted into the oxide semiconductor fine particles. It is adsorbed and supported on 106. Examples of the solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 2 propanol, 1 butanol and t-butanol, nitriles such as acetonitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile and 3 methoxypropionitrile, and aromatic compounds such as benzene and toluene. Or a mixed solvent thereof can be used.

なお、増感色素107は本発明のポルフィリンから構成する。このポルフィリンは通常は粉末の状態で存在するため、上述した溶液を作製するに際しては、ポルフィリン粉末が前記溶媒中に均一に分散溶解するようにする。   The sensitizing dye 107 is composed of the porphyrin of the present invention. Since this porphyrin usually exists in a powder state, when preparing the above-mentioned solution, the porphyrin powder is uniformly dispersed and dissolved in the solvent.

次いで、必要に応じて触媒層を有する対電極109を準備して光電極101と対向させ、これらの間に隔壁120を設け、これら電極と隔壁とで形成された空間内に電解質108を注入し、目的とする光電変換素子100を得る。   Next, if necessary, a counter electrode 109 having a catalyst layer is prepared to face the photoelectrode 101, a partition wall 120 is provided therebetween, and the electrolyte 108 is injected into a space formed by these electrodes and the partition wall. The target photoelectric conversion element 100 is obtained.

(色素増感型太陽電池)
本発明の色素増感型太陽電池は、図1に示す光電変換素子100をモジュール化するとともに、所定の電気配線を設けることによって得ることができる。
(Dye-sensitized solar cell)
The dye-sensitized solar cell of the present invention can be obtained by modularizing the photoelectric conversion element 100 shown in FIG. 1 and providing predetermined electrical wiring.

図3及び図4は、図1及び図2に示す光電変換素子を用いて構成した色素増感型太陽電池の一例を示す構成図である。図3は、色素増感型太陽電池の展開構成図であって、図4は、色素増感型太陽電池の側断面図である。なお、図3及び図4において、図1及び図2と類似の構成要素については同一の参照数字を用いている。   3 and 4 are configuration diagrams illustrating an example of a dye-sensitized solar cell configured using the photoelectric conversion element illustrated in FIGS. 1 and 2. FIG. 3 is a development configuration diagram of the dye-sensitized solar cell, and FIG. 4 is a side sectional view of the dye-sensitized solar cell. 3 and 4, the same reference numerals are used for components similar to those in FIGS. 1 and 2.

図3及び図4に示すように、本願発明の太陽電池200は、スペーサ203を介して光電極102及び対電極109が対向するようにして配置されている。光電極101は図1及び図2に示すものと同じ構成を呈し、透明導電性基板102上に本発明のポルフィリンからなる増感色素が吸着した酸化物半導体電極103が形成されてなる。また、スペーサ203には、略中央部に開口部203Aが設けられており、この内部に電解質108が注入されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the solar cell 200 of the present invention is arranged such that the photoelectrode 102 and the counter electrode 109 face each other with a spacer 203 interposed therebetween. The photoelectrode 101 has the same structure as that shown in FIGS. 1 and 2, and an oxide semiconductor electrode 103 on which a sensitizing dye made of the porphyrin of the present invention is adsorbed is formed on a transparent conductive substrate 102. In addition, the spacer 203 is provided with an opening 203A at a substantially central portion, and an electrolyte 108 is injected into the opening 203A.

また、光電極101及び対電極109には、電流取り出し用の銅線207がはんだ205によって固定されている。これによって、光電極101側から入射した光hυによって酸化物半導体電極103内の増感色素であるポルフィリン(図示せず)が励起され、励起電子を酸化物半導体微粒子(図示せず)に供与するとともに、前記電子は電解質108を通じて対電極109に供与され、このようにして生じた電流を銅線207によって外部に取り出すようにしている。   In addition, a copper wire 207 for extracting current is fixed to the photoelectrode 101 and the counter electrode 109 by solder 205. Accordingly, porphyrin (not shown) which is a sensitizing dye in the oxide semiconductor electrode 103 is excited by the light hυ incident from the photoelectrode 101 side, and excited electrons are provided to the oxide semiconductor fine particles (not shown). At the same time, the electrons are supplied to the counter electrode 109 through the electrolyte 108, and the current thus generated is taken out by the copper wire 207.

以下、本発明を実施例に従って具体的に説明するが、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely according to an Example, this invention is not limited to the content of an Example.

(実施例)
<ポルフィリン色素の合成>
4-トリメチルシリルベンズアルデヒド(4.83 g、27.1 mmol)とテレフタルアルデヒド酸(1.35 g、8.99 mmol)とをプロピオン酸(150 mL)に溶かし、加熱還流しながらピロール(2.5 mL、36 mmol)を滴下した。これをさらに1時間還流し、室温に冷却した。反応混合物を減圧下で約35 mLになるまで濃縮し、これに水−メタノール(1:1、50 mL)を加えて攪拌した。析出した固体を吸引ろ過し、減圧下で乾燥した。次いで、得られた固体(5.78 g)の一部(1.0 g)をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル、溶媒はクロロホルム次いでクロロホルムーメタノール(95:5))で分離し、得られた黒紫色の固体を再びカラムクロマトグラフィー(シリカゲル、溶媒はジクロロメタンークロロホルムー酢酸エチルーメタノール(50:40:7:3))で分離することにより、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンが紫色の固体として0.051 g得られた。反応後に得られた固体(5.78 g)に換算した収率は4%である。
(Example)
<Synthesis of porphyrin dye>
4-Trimethylsilylbenzaldehyde (4.83 g, 27.1 mmol) and terephthalaldehyde acid (1.35 g, 8.99 mmol) were dissolved in propionic acid (150 mL), and pyrrole (2.5 mL, 36 mmol) was added dropwise while heating under reflux. This was refluxed for an additional hour and cooled to room temperature. The reaction mixture was concentrated under reduced pressure to about 35 mL, and water-methanol (1: 1, 50 mL) was added thereto and stirred. The precipitated solid was filtered by suction and dried under reduced pressure. Next, a part (1.0 g) of the obtained solid (5.78 g) was separated by column chromatography (silica gel, the solvent was chloroform and then chloroform-methanol (95: 5)), and the resulting black purple solid was obtained. Is separated by column chromatography (silica gel, solvent is dichloromethane-chloroform-ethyl acetate-methanol (50: 40: 7: 3)) to give 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-Tris 0.051 g of (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin was obtained as a purple solid. The yield in terms of solid (5.78 g) obtained after the reaction is 4%.

<同定の結果>
5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンの構造は次のスペクトルによって同定した。
1H NMR (CDCl3): δ-2.79 (s, 2H), 0.50 (s, 27H), 7.89 (d, 6H, J = 7.4 Hz), 8.19 (d, 6H, J = 7.4 Hz), 8.35 (d, 2H, J = 7.8 Hz), 8.52 (d, 2H, J = 7.8 Hz), 8.79 (d, 2H, J = 4.3 Hz), 8.86 (s, 4H), 8.89 (d, 2H, J = 4.3 Hz). 13C NMR (CDCl3):δ-0.9, 118.4, 120.4, 120.6, 128.1, 129.6, 131.59, 131.61, 134.00, 134.04, 134.5, 139.6, 142.2, 142.3, 147.1. 29Si NMR (CDCl3):δ-3.5. IR (KBr): 3420, 3310, 3060, 3010, 2920, 1690, 1600, 1250, 1110, 970, 840, 800 cm-1. UV-Vis (λmax (ε), CHCl3): 237 (17000), 421 (410000), 518 (15000), 552 (7300), 594 (3900), 647 nm (4100).
<Result of identification>
The structure of 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin was identified by the following spectrum.
1 H NMR (CDCl 3 ): δ-2.79 (s, 2H), 0.50 (s, 27H), 7.89 (d, 6H, J = 7.4 Hz), 8.19 (d, 6H, J = 7.4 Hz), 8.35 ( d, 2H, J = 7.8 Hz), 8.52 (d, 2H, J = 7.8 Hz), 8.79 (d, 2H, J = 4.3 Hz), 8.86 (s, 4H), 8.89 (d, 2H, J = 4.3 . Hz) 13 C NMR (CDCl 3):. δ-0.9, 118.4, 120.4, 120.6, 128.1, 129.6, 131.59, 131.61, 134.00, 134.04, 134.5, 139.6, 142.2, 142.3, 147.1 29 Si NMR (CDCl 3) : δ-3.5. IR (KBr): 3420, 3310, 3060, 3010, 2920, 1690, 1600, 1250, 1110, 970, 840, 800 cm -1 . UV-Vis (λ max (ε), CHCl 3 ) : 237 (17000), 421 (410000), 518 (15000), 552 (7300), 594 (3900), 647 nm (4100).

<光電変換素子(太陽電池)における光電極の作製>
透明電極としての酸化スズコート透明導電性ガラス上に、多孔質酸化物半導体電極として用いる多孔質酸化物半導体薄膜として、二酸化チタン(TiO)パウダー(平均粒径21nm)のペーストを固定化し、膜厚15μmの多孔質TiO薄膜を作製した。
<Production of Photoelectrode in Photoelectric Conversion Element (Solar Cell)>
As a porous oxide semiconductor thin film used as a porous oxide semiconductor electrode, a paste of titanium dioxide (TiO 2 ) powder (average particle size 21 nm) is fixed on a tin oxide-coated transparent conductive glass as a transparent electrode, A 15 μm porous TiO 2 thin film was prepared.

多孔質TiO薄膜の具体的な製造方法としては、均質な多孔質TiO薄膜を効率的に作製するために、この例ではスピンコート法を用いた。なおスピンコート法とは、高速回転する基板上に薄膜にしたい試料の溶液あるいはゾルを垂らし、遠心力によって基板上に引き伸ばして均一な膜を形成する手法である。 As a specific method for manufacturing the porous TiO 2 thin film, in order to produce a homogeneous porous TiO 2 thin film efficiently, using spin coating in this example. The spin coating method is a method in which a solution or sol of a sample to be formed into a thin film is dropped on a substrate that rotates at high speed and is stretched on the substrate by centrifugal force to form a uniform film.

まずTiOゾルを調製するため、平均粒径21nmのTiO粉末(P−25、日本アエロジル;ルチル:アナタ−ゼ=3:7)3.0gに、アセチルアセトン(99.5%、関東化学)0.1mlとイオン交換水0.1mlとを加え、メノウ乳鉢で10分間撹拌混合し、さらにイオン交換水1.0mlを加えて30分間撹拌混合する操作を7回繰り返した。これにTriton X-100(ICN Biomedicals Inc.)0.1ml、イオン交換水1.0mlを加えて5分間撹拌混合の後に、イオン交換水7mlを加え、超音波洗浄器を用いて1時間の超音波処理を施し、それをTiOゾルとした。 First, in order to prepare TiO 2 sol, TiO 2 powder (P-25, Nippon Aerosil; Rutile: anatase = 3: 7) having an average particle diameter of 21 nm was added to 3.0 g of acetylacetone (99.5%, Kanto Chemical). The operation of adding 0.1 ml and 0.1 ml of ion exchange water, stirring and mixing in an agate mortar for 10 minutes, adding 1.0 ml of ion exchange water and stirring and mixing for 30 minutes was repeated 7 times. To this, 0.1 ml of Triton X-100 (ICN Biomedicals Inc.) and 1.0 ml of ion-exchanged water were added. After stirring and mixing for 5 minutes, 7 ml of ion-exchanged water was added, and an ultrasonic cleaner was used for over 1 hour. Sonication was performed to obtain a TiO 2 sol.

そして酸化スズコート透明導電性ガラス(15〜20Ω/□、25×50×1.1mm、旭ガラス)を基板として、スピンコーター(ACTIVE ACT-300A)中央の試料台の上に固定し、TiOゾルを均質に広げるため、まずTriton X-100:水=1:100溶液を5滴垂らし、0.1秒で2000rpmまで上昇させ3秒間2000rpmで回転させた。次にメタノールを酸化スズコート透明導電性ガラス上に満遍なく垂らし、上記の回転数、時間で回転させ、そのあとでTiOゾルを酸化スズコート透明導電性ガラス上に満遍なく垂らし、同様の回転数、時間で回転させ、TiO薄膜を作製した。 Then, a tin oxide-coated transparent conductive glass (15 to 20Ω / □, 25 × 50 × 1.1 mm 3 , Asahi Glass) is used as a substrate, fixed on a sample table in the center of a spin coater (ACTIVE ACT-300A), and TiO 2. In order to spread the sol uniformly, first, 5 drops of a Triton X-100: water = 1: 100 solution were dropped, and the temperature was increased to 2000 rpm in 0.1 second and rotated at 2000 rpm for 3 seconds. Next, methanol is evenly dropped on the tin oxide-coated transparent conductive glass and rotated at the above rotation speed and time. After that, the TiO 2 sol is evenly dropped on the tin oxide-coated transparent conductive glass, and the same rotation speed and time are obtained. It was rotated to produce a TiO 2 thin film.

これを室温で風乾し、電気炉中で450℃まで昇温(10℃/min)し、450℃に30分間保持し、室温に降温(〜10℃/min)することで、酸化スズコート透明導電性ガラス上に多孔質TiO薄膜を形成し固定化した。このスピンコート法によって得られた多孔質TiO薄膜の膜厚は、表面形状測定装置(KEYENCE、VF−7500)を用いて測定した結果、15±2μmであった。 This is air-dried at room temperature, heated to 450 ° C. (10 ° C./min) in an electric furnace, held at 450 ° C. for 30 minutes, and cooled to room temperature (−10 ° C./min), thereby allowing tin oxide coated transparent conductive A porous TiO 2 thin film was formed and fixed on the porous glass. The film thickness of the porous TiO 2 thin film obtained by this spin coating method was 15 ± 2 μm as a result of measurement using a surface shape measuring device (KEYENCE, VF-7500).

なお、色素増感太陽電池において、多孔質酸化物半導体電極として用いる多孔質TiO薄膜をTiCl処理することにより、光発電特性が改善されることが報告されていることから、この例においても多孔質TiO薄膜のTiCl処理を行った。なおTiCl処理は以下の手順で行った。 In addition, in the dye-sensitized solar cell, it has been reported that the photovoltaic property is improved by treating the porous TiO 2 thin film used as the porous oxide semiconductor electrode with TiCl 4. The porous TiO 2 thin film was treated with TiCl 4 . The TiCl 4 treatment was performed according to the following procedure.

1)まず、TiCl水溶液(0.2mol/dm)を多孔質TiO薄膜表面に0.5ml程度垂らし、多孔質TiO薄膜の表面を満遍なくぬらす。
2)次にこの状態を保持するために、水を張ったデシケータ中に入れて15時間室温で放置する。
3)電極をデシケータから取り出し、表面を水で洗浄した後、電気炉に入れ、10℃/minで450℃まで昇温し、450℃に30分間加熱後、10℃/minで室温に降温する。
1) First, it dropped approximately 0.5ml of TiCl 4 aqueous solution (0.2 mol / dm 3) to the porous TiO 2 thin film surface, wet the porous TiO 2 membrane surface evenly.
2) Next, in order to maintain this state, it is placed in a desiccator filled with water and left at room temperature for 15 hours.
3) Remove the electrode from the desiccator, wash the surface with water, put it in an electric furnace, raise the temperature to 450 ° C. at 10 ° C./min, heat to 450 ° C. for 30 minutes, and then lower the temperature to 10 ° C./min to room temperature. .

多孔質TiO電極表面への色素の固定は、多孔質TiO電極を200℃で1時間加熱乾燥後、75℃まで冷却し、それを色素である5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンのトルエン/メタノール溶液(3×10−4M)に浸漬し、1時間還流することで行った。 Porous fixation of the dye to the TiO 2 electrode surface after 1 hour heating and drying the porous TiO 2 electrode at 200 ° C., cooled to 75 ° C., it is a dye 5- (4-carboxyphenyl) -10, It was performed by immersing in a toluene / methanol solution (3 × 10 −4 M) of 15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin and refluxing for 1 hour.

<モジュール化による色素増感太陽電池の作製>
上述のようにして得た、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンを固定化した多孔質TiO電極を用いて、図3および図4に示すような構成の色素増感型太陽電池セル200を組み立て、光発電特性の測定を行った。なお、スペーサ203はポリエチレン製とし、その開口部203Aの大きさは
10×10×0.1mmとした。また、電解質108は、0.3MLiI−0.015MIのアセトニトリル:エチレンカーボネート(2:8)溶液を使用した。さらに、対電極109に、酸化スズコート透明導電性ガラス表面にスパッタリング法により白金の薄膜を形成したものを使用した。
<Production of dye-sensitized solar cell by modularization>
Using the porous TiO 2 electrode obtained by immobilizing 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin obtained as described above, FIG. 3 and FIG. The dye-sensitized solar cell 200 having the configuration as shown was assembled, and the photovoltaic properties were measured. The spacer 203 is made of polyethylene, and the size of the opening 203A is 10 × 10 × 0.1 mm 3 . The electrolyte 108 was a 0.3 M LiI-0.015 MI 2 acetonitrile: ethylene carbonate (2: 8) solution. Further, a counter electrode 109 having a tin oxide-coated transparent conductive glass surface with a platinum thin film formed by a sputtering method was used.

(比較例)
<ポルフィリン色素の合成>
ベンズアルデヒド(5.5 mL、54 mmol)とテレフタルアルデヒド酸(2.70 g、18.0 mmol)とをプロピオン酸(300 mL)に溶かし、加熱還流しながらピロール(5.0 mL、72 mmol)を滴下した。これをさらに1時間還流し、室温に冷却した。反応混合物を減圧下で約70 mLになるまで濃縮し、これに水ーメタノール(1:1、100 mL)を加えて攪拌した。析出した固体を吸引ろ過し、減圧下で乾燥した。得られた固体(9.57 g)の一部(1.0 g)をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル、溶媒はクロロホルム次いでクロロホルムーメタノール(95:5))で分離した。得られた黒紫色の固体を再びカラムクロマトグラフィー(シリカゲル、溶媒はジクロロメタンークロロホルムー酢酸エチルーメタノール(50:45:3.5:1.5))で分離すると、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリフェニルポルフィリンが紫色の固体として0.063 g得られた。反応後に得られた固体(9.57 g)に換算した収率は5%である。
(Comparative example)
<Synthesis of porphyrin dye>
Benzaldehyde (5.5 mL, 54 mmol) and terephthalaldehyde acid (2.70 g, 18.0 mmol) were dissolved in propionic acid (300 mL), and pyrrole (5.0 mL, 72 mmol) was added dropwise while heating under reflux. This was refluxed for an additional hour and cooled to room temperature. The reaction mixture was concentrated to about 70 mL under reduced pressure, and water-methanol (1: 1, 100 mL) was added thereto and stirred. The precipitated solid was filtered by suction and dried under reduced pressure. A part (1.0 g) of the obtained solid (9.57 g) was separated by column chromatography (silica gel, the solvent was chloroform and then chloroform-methanol (95: 5)). The obtained black purple solid was separated again by column chromatography (silica gel, solvent was dichloromethane-chloroform-ethyl acetate-methanol (50: 45: 3.5: 1.5)), and 5- (4-carboxyphenyl) -10, 0.063 g of 15,20-triphenylporphyrin was obtained as a purple solid. The yield in terms of solid (9.57 g) obtained after the reaction is 5%.

<同定の結果>
5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリフェニルポルフィリンの構造は次のスペクトルによって同定した。
1H NMR (CDCl3): δ-2.81 (s, 2H), 7.73-7.78 (m, 9H), 8.20 (d, 6H, J = 6.4 Hz), 8.34 (d, 2H, J = 8.1 Hz), 8.50 (d, 2H, J = 8.1 Hz), 8.79 (d, 2H, J = 4.8 Hz), 8.84 (s, 4H), 8.86 (d, 2H, J = 4.8 Hz). 13C NMR (CDCl3): δ-118.5, 120.3, 120.5, 126.7, 127.7, 128.2, 129.6, 134.49, 134.52, 141.9, 147.0, 169.0. IR (KBr): 3450, 3320, 3060, 3020, 1730, 1690, 1610, 1470, 970, 800, 700 cm-1. UV-Vis (λmax (ε), CHCl3): 237 (22000), 419 (400000), 516 (16000), 550 (6800), 592 (4400), 647 nm (3800).
<Result of identification>
The structure of 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-triphenylporphyrin was identified by the following spectrum.
1 H NMR (CDCl 3 ): δ-2.81 (s, 2H), 7.73-7.78 (m, 9H), 8.20 (d, 6H, J = 6.4 Hz), 8.34 (d, 2H, J = 8.1 Hz), 8.50 (d, 2H, J = 8.1 Hz), 8.79 (d, 2H, J = 4.8 Hz), 8.84 (s, 4H), 8.86 (d, 2H, J = 4.8 Hz). 13 C NMR (CDCl 3 ) : δ-118.5, 120.3, 120.5, 126.7, 127.7, 128.2, 129.6, 134.49, 134.52, 141.9, 147.0, 169.0. IR (KBr): 3450, 3320, 3060, 3020, 1730, 1690, 1610, 1470, 970, 800, 700 cm -1 .UV-Vis (λ max (ε), CHCl 3 ): 237 (22000), 419 (400000), 516 (16000), 550 (6800), 592 (4400), 647 nm (3800 ).

<色素増感太陽電池の作製>
次に、実施例と同様にして光電変換素子(太陽電池)における光電極を作製し、モジュール化することによって色素増感太陽電池を作製した。但し、本比較例では、光電極として、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンを固定化した多孔質TiO電極を含む電極に代えて、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリフェニルポルフィリンを固定化した多孔質TiO電極を含むものを用いた。
<Preparation of dye-sensitized solar cell>
Next, the photoelectrode in a photoelectric conversion element (solar cell) was produced like the Example, and the dye-sensitized solar cell was produced by modularizing. However, in this comparative example, instead of an electrode including a porous TiO 2 electrode on which 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin is immobilized as a photoelectrode, A material including a porous TiO 2 electrode on which 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-triphenylporphyrin was immobilized was used.

(評価)
<光電変換特性>
上述した実施例及び比較例で得た色素増感型太陽電池セルの評価を、擬似太陽光照射下での前記色素増感型太陽電池セルの光発電特性を測定することで行った。
擬似太陽光光源としては、ダイクロイックミラー付ハロゲンランプ(HOYA−SCHOTT株式会社、LH150)を用い、光ファイバーライトガイド(HOYA−SCHOTT株式会社、FGR)により前記色素増感型太陽電池セルの光電極側から光照射を行い、光発電特性の測定を光照射時の色素固定多孔質TiO電極と白金スパッタ対電極間の開放電圧(VOC)および短絡電流(ISC)を測定することにより実施した。
(Evaluation)
<Photoelectric conversion characteristics>
Evaluation of the dye-sensitized solar cells obtained in the above-described Examples and Comparative Examples was performed by measuring the photovoltaic characteristics of the dye-sensitized solar cells under irradiation with simulated sunlight.
As a simulated solar light source, a halogen lamp with a dichroic mirror (HOYA-SCHOTT Co., Ltd., LH150) is used, and an optical fiber light guide (HOYA-SCHOTT Co., Ltd., FGR) is used from the photoelectrode side of the dye-sensitized solar cell. Photoirradiation was performed, and the photovoltaic properties were measured by measuring the open-circuit voltage (V oc ) and short-circuit current (I SC ) between the dye-fixed porous TiO 2 electrode and the platinum sputter counter electrode during light irradiation.

前記照射光は、およそAM−1.5の波長分布特性をもち、50〜100mWcm−2の入射光強度に相当する。なおVOCとISCの測定にはパーソナルコンピュータとGPIBインターフェースを介して接続されたアドバンテストR820デジタルマルチメータを用い、VOCとISCの時間変化をパーソナルコンピュータに記録し、VOCとISCが安定した時点での値を測定結果とした。測定結果を表1に示す。 The irradiation light has a wavelength distribution characteristic of approximately AM-1.5 and corresponds to an incident light intensity of 50 to 100 mWcm −2 . Note V OC and with Advantest R820 digital multimeter connected via a personal computer and GPIB interface for the measurement of I SC, record the time change of V OC and I SC in the personal computer, V OC and I SC is The value at a stable time was taken as the measurement result. The measurement results are shown in Table 1.

Figure 0004730951
Figure 0004730951

表1より明らかなように、2種類の色素の間でVOCには変化がほとんどないにも関わらず、ISCは色素に5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンを用いた場合に、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリフェニルポルフィリンを用いた場合の約3倍の値を示した。この結果は、色素に5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンを用いた場合には、5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリフェニルポルフィリンを用いた場合に比べて、光電変換効率が約200%改善されたことを示している。 Table 1 As is apparent, the two despite changes little in V OC between the dye, I SC Dyes 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris ( When 4-trimethylsilylphenyl) porphyrin was used, the value was about three times that when 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-triphenylporphyrin was used. This result shows that when 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin is used as the dye, 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20 This shows that the photoelectric conversion efficiency is improved by about 200% compared to the case of using -triphenylporphyrin.

色素を固定化した多孔質TiO電極の可視光領域の吸光度には殆ど差が見られず、色素に5-(4-カルボキシフェニル)-10,15,20-トリス(4-トリメチルシリルフェニル)ポルフィリンを用いた場合の光電変換効率の改善は、電子供与性の高い官能基であるトリメチルシリル基がポルフィリン色素に導入されたことにより、色素から金属酸化物半導体への電子移動の高効率化が実現したためと考えられる。 There is almost no difference in the absorbance in the visible light region of the porous TiO 2 electrode on which the dye is immobilized, and 5- (4-carboxyphenyl) -10,15,20-tris (4-trimethylsilylphenyl) porphyrin is used as the dye. The improvement of photoelectric conversion efficiency when using Fluorine was achieved because the trimethylsilyl group, which is a functional group with high electron donating property, was introduced into the porphyrin dye, thereby realizing high efficiency of electron transfer from the dye to the metal oxide semiconductor. it is conceivable that.

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。   As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and all modifications and changes are made without departing from the scope of the present invention. It can be changed.

本発明の光電変換素子の一例を概略的に示す構成図である。It is a block diagram which shows roughly an example of the photoelectric conversion element of this invention. 図1に示す光電変換素子の、酸化物半導体電極近傍を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the oxide semiconductor electrode vicinity of the photoelectric conversion element shown in FIG. 本発明の色素増感型太陽電池の一例を示す展開構成図である。It is an expanded block diagram which shows an example of the dye-sensitized solar cell of this invention. 図3に示す色素増感型太陽電池の側断面図である。It is a sectional side view of the dye-sensitized solar cell shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100 光電変換素子
101 光電極
102 透明導電性基板
103 酸化物半導体電極
104 透明基板
105 透明導電層
106 酸化物半導体微粒子
107 増感色素
108 電解質
109 対電極
110 導電性基板
111 導電層
112 触媒層
120 隔壁
200 色素増感型太陽電池
203 スペーサ
203A スペーサの開口部
205 はんだ
207 銅線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Photoelectric conversion element 101 Photoelectrode 102 Transparent conductive substrate 103 Oxide semiconductor electrode 104 Transparent substrate 105 Transparent conductive layer 106 Oxide semiconductor fine particle 107 Sensitizing dye 108 Electrolyte 109 Counter electrode 110 Conductive substrate 111 Conductive layer 112 Catalyst layer 120 Partition wall 200 Dye-sensitized solar cell 203 Spacer 203A Spacer opening 205 Solder 207 Copper wire

Claims (4)

一般式(イ):(ただし、Rのうち1つがカルボキシル基であって、3つのRがトリメチルシリル基(- Si(CH 3 ) )である)で表わされることを特徴とする、ポルフィリン。
Figure 0004730951
A porphyrin represented by the general formula (I): wherein one of R is a carboxyl group and three R are trimethylsilyl groups (—Si (CH 3 ) 3 ) .
Figure 0004730951
酸化物光半導体を用いた光半導体電極に、増感色素を吸着させた光電変換素子において、前記増感色素として、請求項1に記載のポルフィリンを用いたことを特徴とする、光電変換素子。   2. A photoelectric conversion element, wherein the porphyrin according to claim 1 is used as the sensitizing dye in a photoelectric conversion element in which a sensitizing dye is adsorbed to an optical semiconductor electrode using an oxide optical semiconductor. 前記酸化物光半導体は、酸化チタン、酸化亜鉛、及び酸化ジルコニウムから選ばれる少
なくとも一種であることを特徴とする、請求項に記載の光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 2 , wherein the oxide optical semiconductor is at least one selected from titanium oxide, zinc oxide, and zirconium oxide.
請求項2又は3に記載の光電変換素子を含むことを特徴とする、色素増感太陽電池。 A dye-sensitized solar cell comprising the photoelectric conversion element according to claim 2 .
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