JP4931402B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Description

本発明は光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element.

1991年にグレッツェルらが発表した色素増感型太陽電池素子は、ルテニウム錯体によって分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池であり、シリコン太陽電池並みの性能が得られることが報告されている(非特許文献1参照)。この方法は、チタニア等の安価な酸化物半導体を高純度に精製することなく用いることができるため、安価な色素増感型太陽電池素子を提供でき、しかも色素の吸収がブロードであるため、可視光線のほぼ全波長領域の光を電気に変換できるという利点があり、注目を集めている。
チタニア多孔質薄膜は、一般にチタニア微粒子を含む高粘度の分散液を電極上に塗布し、高温で焼成することにより得ている。このチタニア多孔質薄膜からなる半導体層に、一般に、カルボキシル基を有する光増感剤を吸着させることで、作用電極が作製される。光増感剤は光を吸収し、電子とホールを発生する。電子は半導体層へと流れることで電流となるが、従来法ではこの光増感剤の半導体層単位面積あたり吸着量が十分でない。このため、電流値が低下するという課題があった。
一方、光増感剤の吸着量を増加させると、光増感剤同士の結合を形成し、光増感剤層が複層化してしまい、これにより励起された電子の半導体層へ流れが阻害されてしまう。このため、吸着量を増加させていくと、ある吸着量の点から電流値が低下する傾向が観察される。
オレガン(B. O’Regan)、グレツェル(M.Gratzel),「ネイチャー(Nature)」,(英国),1991年,353巻,p.737
The dye-sensitized solar cell element announced by Gretzell et al. In 1991 is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized by a ruthenium complex as a working electrode, and can obtain performance equivalent to that of a silicon solar cell. Has been reported (see Non-Patent Document 1). Since this method can use an inexpensive oxide semiconductor such as titania without purifying it with high purity, it can provide an inexpensive dye-sensitized solar cell element, and since the absorption of the dye is broad, it is visible. It has the advantage of being able to convert light in almost all wavelength regions of light into electricity, and has attracted attention.
The titania porous thin film is generally obtained by applying a high-viscosity dispersion containing titania fine particles on an electrode and baking it at a high temperature. In general, a working electrode is produced by adsorbing a photosensitizer having a carboxyl group to a semiconductor layer composed of the titania porous thin film. The photosensitizer absorbs light and generates electrons and holes. Electrons flow into the semiconductor layer and become an electric current. However, in the conventional method, the adsorption amount of the photosensitizer per unit area of the semiconductor layer is not sufficient. For this reason, there existed a subject that an electric current value fell.
On the other hand, when the adsorption amount of the photosensitizer is increased, a bond between the photosensitizers is formed, and the photosensitizer layer is multi-layered, thereby inhibiting the flow of excited electrons to the semiconductor layer. Will be. For this reason, when the amount of adsorption is increased, a tendency that the current value decreases from the point of a certain amount of adsorption is observed.
B. O'Regan, M. Gratzel, “Nature” (UK), 1991, 353, p. 737

このように、光電変換素子においては、電流値を多く得るため、最適な吸着状態で光増感剤をより多く吸着することが求められてきた。   Thus, in a photoelectric conversion element, in order to obtain a large current value, it has been required to adsorb more photosensitizer in an optimal adsorption state.

本発明はこのような実状に鑑み成されたものであり、光増感剤中の全カルボキシル基のうちアンモニウム塩化された部位の割合を特定の範囲にすることにより、特に好ましくは光増感剤として、アンモニウム塩化された割合の異なる2種類以上の混合物を用いることにより、光増感剤層が複層化した場合に、エネルギー準位の差により半導体層へと流れることで、光吸収量の増加と電流ロスの低減を図ることができ、前記課題を解決することができたものである。   The present invention has been made in view of such a situation, and particularly preferably a photosensitizer by setting the proportion of the ammonium salt portion of all carboxyl groups in the photosensitizer within a specific range. As a result of using two or more kinds of mixtures having different proportions of ammonium chloride, when the photosensitizer layer is multi-layered, it flows to the semiconductor layer due to the difference in energy level. The increase and the reduction of current loss can be achieved, and the above-mentioned problems have been solved.

すなわち、本発明は、導電性基板、光増感剤を吸着した半導体層、電荷輸送層および対向電極から少なくとも構成される光電変換素子において、該光増感剤が、光増感剤分子中の全カルボキシル基のうち10%以上40%以下がアンモニウム塩化された化合物からなることを特徴とする光電変換素子に関する。   That is, the present invention relates to a photoelectric conversion element comprising at least a conductive substrate, a semiconductor layer adsorbing a photosensitizer, a charge transport layer and a counter electrode, wherein the photosensitizer is contained in a photosensitizer molecule. The present invention relates to a photoelectric conversion element characterized in that 10% or more and 40% or less of all carboxyl groups are made of a compound which is ammonium chloride.

また、本発明は、光増感剤が、式(1)で表される化合物であって、アンモニウムカチオンの数の異なる2種類以上の混合物であることを特徴とする前記記載の光電変化素子に関する。

Figure 0004931402
(式(1)中、Xは水素またはアンモニウムカチオンを表し、各Xは互いに同一でも異なっていてもよい。) The present invention also relates to the photoelectric change element as described above, wherein the photosensitizer is a compound represented by the formula (1) and is a mixture of two or more kinds having different numbers of ammonium cations. .
Figure 0004931402
(In formula (1), X represents hydrogen or an ammonium cation, and each X may be the same as or different from each other.)

また、本発明は、半導体層に吸着した光増感剤が、半導体層単位体積当たり2.0×10−4mol/cm〜3.0×10−4mol/cmの範囲であり、かつ半導体単位面積あたり1.0×10−8mol/cm〜1.0×10−6mol/cmの範囲であることを特徴とする前記記載の光電変換素子に関する。 In the present invention, the photosensitizer adsorbed on the semiconductor layer is in the range of 2.0 × 10 −4 mol / cm 3 to 3.0 × 10 −4 mol / cm 3 per unit volume of the semiconductor layer, and a photoelectric conversion element of the described, which is a 1.0 range of × 10 -8 mol / cm 2 ~1.0 × 10 -6 mol / cm 2 per semiconductor unit area.

また、本発明は、半導体層が金属酸化物より形成されることを特徴とする前記記載の光電変換素子に関する。   The present invention also relates to the above-described photoelectric conversion element, wherein the semiconductor layer is formed of a metal oxide.

さらに、本発明は、前記記載の光電変換素子を用いた光電池に関する。   Furthermore, this invention relates to the photovoltaic cell using the said photoelectric conversion element.

以下に本発明について詳述する。
本発明の光電変換素子は、導電性基板、光増感剤を吸着した半導体層、電荷輸送層および対向電極から少なくとも構成される。
導電性基板は、通常、基板上に導電膜を有するものである。基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、無色あるいは有色の樹脂でも良い。かかる樹脂としては、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテンなどが挙げられる。なお、本発明における基板とは、常温において平滑な面を有するものであり、その面は平面あるいは曲面であってもよく、また応力によって変形するものであってもよい。
The present invention is described in detail below.
The photoelectric conversion element of the present invention includes at least a conductive substrate, a semiconductor layer adsorbing a photosensitizer, a charge transport layer, and a counter electrode.
The conductive substrate usually has a conductive film on the substrate. The substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose. For example, metal, colorless or colored glass, meshed glass, glass block, etc. are used. Colorless or colored resin may be used. Examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. In addition, the board | substrate in this invention has a smooth surface at normal temperature, The surface may be a plane or a curved surface, and may deform | transform by stress.

また、電極として作用する導電膜の材料は特に限定されないが、例えば、金、銀、クロム、銅、タングステン、チタンなどの金属や金属薄膜、金属酸化物からなる導電膜などが挙げられる。金属酸化物としては、例えば、錫や亜鉛などの金属酸化物に、他の金属元素を微量ドープしたIndium Tin Oxide(ITO(In:Sn))、Fluorine doped Tin Oxide(FTO(SnO:F))、Aluminum doped Zinc Oxide(AZO(ZnO:Al))などが好適なものとして用いられる。
導電膜の膜厚は、通常100〜10000nm、好ましくは500〜3000nmである。また、表面抵抗(抵抗率)は適宜選択されるところであるが、通常0.5〜500Ω/sq、好ましくは1〜50Ω/sqである。
The material of the conductive film that functions as an electrode is not particularly limited, and examples thereof include a metal such as gold, silver, chromium, copper, tungsten, and titanium, a metal thin film, and a conductive film made of a metal oxide. Examples of the metal oxide include Indium Tin Oxide (ITO (In 2 O 3 : Sn)) obtained by doping a metal oxide such as tin and zinc with a small amount of other metal elements, Fluorine doped Tin Oxide (FTO (SnO 2 )). : F)), Aluminum doped Zinc Oxide (AZO (ZnO: Al)) and the like are preferably used.
The film thickness of the conductive film is usually 100 to 10,000 nm, preferably 500 to 3000 nm. The surface resistance (resistivity) is appropriately selected, but is usually 0.5 to 500 Ω / sq, preferably 1 to 50 Ω / sq.

導電膜の形成法は特に限定されるものではなく、用いる金属や金属酸化物の種類により公知の方法を適宜採用することができる。通常、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、あるいはスパッタリング法などが用いられる。いずれの場合も基板温度が20〜700℃の範囲内で形成されるのが望ましい。   The method for forming the conductive film is not particularly limited, and a known method can be appropriately employed depending on the type of metal or metal oxide used. Usually, a vacuum deposition method, an ion plating method, a CVD method, a sputtering method, or the like is used. In either case, it is desirable that the substrate temperature be formed within a range of 20 to 700 ° C.

本発明の光電変換素子における対向電極(対極)は、導電性材料からなる単層構造でもよいし、導電層と基板とから構成されていてもよい。基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、樹脂でも良い。かかる樹脂としては、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテンなどが挙げられる。また、電荷輸送層上に直接導電性材料を塗布、メッキ又は蒸着(PVD、CVD)して対極を形成しても良い。
導電性材料としては、白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属や、炭素材料、導電性有機物等の比抵抗の小さな材料が用いられる。
また、対極の抵抗を下げる目的で金属リードを用いても良い。金属リードは白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属からなるのが好ましく、アルミニウム又は銀からなるのが特に好ましい。
The counter electrode (counter electrode) in the photoelectric conversion element of the present invention may have a single layer structure made of a conductive material, or may be composed of a conductive layer and a substrate. The substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose. For example, metal, colorless or colored glass, meshed glass, glass block, etc. are used. Resin may be used. Examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. Alternatively, the counter electrode may be formed by applying, plating, or vapor-depositing (PVD, CVD) a conductive material directly on the charge transport layer.
As the conductive material, metals such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver, and tungsten, and materials having a small specific resistance such as carbon materials and conductive organic substances are used.
A metal lead may be used for the purpose of reducing the resistance of the counter electrode. The metal lead is preferably made of a metal such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver or tungsten, and particularly preferably made of aluminum or silver.

半導体層は、金属酸化物にて構成され、金属酸化物としては、TiO、SnO、ZnO、WO、NiO、TiSrOなどが用いられ、好ましくは、酸化チタン薄膜から形成される。
酸化チタン薄膜は、酸化チタン微粒子、ナノチューブで形成していても良い。かかる酸化チタン微粒子としては、粒径が0.5〜100nmのものが好ましく、より好ましくは2〜30nmのものが使用される。具体的には、チタン鉱石から液相法により調製したものや、気相法、ゾル・ゲル法、液相成長法で合成したものを挙げることができる。ここで、気相法とは、チタン鉱石を硫酸等の強酸で加熱加水分解して得られる含水酸化チタンを800℃〜850℃で焼成してチタニアを製造する方法である。液相法とは、塩化チタンに酸素及び水素を接触させて、チタニアを製造する方法である。ゾル・ゲル法とは、チタンアルコキシドをアルコール水溶液中で加水分解させてゾルを生成させ、さらに、該ゾルに加水分解触媒を加えて、放置してゲル化させ、該ゲル化物を焼成してチタニアを製造する方法である。液相成長法とは、フッ化チタンやテトラフルオロチタン酸アンモニウム、硫酸チタニル等の加水分解でチタニアを得る方法である。
The semiconductor layer is composed of a metal oxide. As the metal oxide, TiO 2 , SnO 2 , ZnO 2 , WO 3 , NiO, TiSrO 3 or the like is used, and preferably formed from a titanium oxide thin film.
The titanium oxide thin film may be formed of titanium oxide fine particles and nanotubes. Such titanium oxide fine particles preferably have a particle size of 0.5 to 100 nm, more preferably 2 to 30 nm. Specific examples include those prepared from titanium ore by a liquid phase method and those synthesized by a vapor phase method, a sol-gel method, and a liquid phase growth method. Here, the vapor phase method is a method for producing titania by calcining hydrous titanium oxide obtained by heating and hydrolyzing titanium ore with a strong acid such as sulfuric acid at 800 ° C. to 850 ° C. The liquid phase method is a method for producing titania by bringing oxygen and hydrogen into contact with titanium chloride. In the sol-gel method, titanium alkoxide is hydrolyzed in an alcohol aqueous solution to form a sol, and further, a hydrolysis catalyst is added to the sol, left to gel, and the gelled product is baked to titania. It is a method of manufacturing. The liquid phase growth method is a method for obtaining titania by hydrolysis of titanium fluoride, ammonium tetrafluorotitanate, titanyl sulfate or the like.

ナノチューブは、チタン金属もしくはチタンを主成分とする合金を陽極酸化することにより、長手方向の長さが1μm以上、好ましくは2〜100μmのチューブ形状の酸化チタンを得ることができる。また、チューブ形状の酸化チタンの外径は、通常5〜50nmであり、好ましくは10〜30nmであり、肉厚は、通常2〜20nmであり、好ましくは3〜10nmである。また、前記ナノチューブの比表面積は、50m/g以上であり、好ましくは70m/g以上である。
上記のように得られたナノチューブ形状の酸化チタンは、必要により、加熱処理、加圧処理、電子線照射、光照射等の後処理を行うことで、任意の結晶型に結晶化させることができる。例えば、加熱処理の場合、100℃〜1200℃、好ましくは150℃〜800℃の温度で、10〜500分、好ましくは10〜300分処理を行うことで結晶化する。
The nanotube can be obtained by anodizing titanium metal or an alloy containing titanium as a main component to obtain tube-shaped titanium oxide having a longitudinal length of 1 μm or more, preferably 2 to 100 μm. The outer diameter of the tube-shaped titanium oxide is usually 5 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, and the wall thickness is usually 2 to 20 nm, preferably 3 to 10 nm. The specific surface area of the nanotube is 50 m 2 / g or more, preferably 70 m 2 / g or more.
The nanotube-shaped titanium oxide obtained as described above can be crystallized into an arbitrary crystal type by performing post-treatment such as heat treatment, pressure treatment, electron beam irradiation, and light irradiation, if necessary. . For example, in the case of heat treatment, crystallization is performed by performing treatment at a temperature of 100 ° C. to 1200 ° C., preferably 150 ° C. to 800 ° C., for 10 to 500 minutes, preferably 10 to 300 minutes.

形成した半導体層は、酸化チタン同士の電子的接触の強化と、導電性基板との密着性を向上させる目的で加熱処理を施すことが好ましい。加熱処理温度としては100℃〜600℃が好ましく、より好ましくは250℃〜550℃である。また加熱処理時間は、通常10分〜10時間の範囲で行うことができる。   The formed semiconductor layer is preferably subjected to heat treatment for the purpose of enhancing electronic contact between titanium oxides and improving adhesion with the conductive substrate. As heat processing temperature, 100 to 600 degreeC is preferable, More preferably, it is 250 to 550 degreeC. Moreover, heat processing time can be normally performed in 10 minutes-10 hours.

本発明の光電変換素子においては、半導体層の光吸収効率を向上(増感)させる目的で光増感剤を半導体層へ吸着させる。光増感剤は、可視域や近赤外域に吸収特性を有し、半導体層の光吸収効率を向上(増感)させる色素であれば特に限定されないが、半導体層への吸着性を付与するために、色素の分子中にカルボキシル基を有するものが用いられる。
本発明において用いられる光増感剤は、分子中の全カルボキシル基のうちの10%以上40%以下の範囲がアンモニウム塩化された化合物である。アンモニウム塩化された部位の割合がこの範囲外では、光増感剤の吸着量を増加させた場合に、励起された電子の半導体層へ流れが阻害されてしまうため好ましくない。全カルボキシル基に対するアンモニウム塩化されたカルボキシル基の割合は、好ましくは10%以上、より好ましくは20%以上であり、好ましくは40%以下、より好ましくは35%以下である。
In the photoelectric conversion element of the present invention, a photosensitizer is adsorbed on the semiconductor layer for the purpose of improving (sensitizing) the light absorption efficiency of the semiconductor layer. The photosensitizer is not particularly limited as long as it is a dye that has absorption characteristics in the visible region and near-infrared region and improves (sensitizes) the light absorption efficiency of the semiconductor layer, but imparts adsorptivity to the semiconductor layer. Therefore, those having a carboxyl group in the dye molecule are used.
The photosensitizer used in the present invention is a compound in which a range of 10% to 40% of all carboxyl groups in the molecule is ammonium chloride. If the proportion of the ammonium salt is outside this range, it is not preferable because the flow of excited electrons to the semiconductor layer is inhibited when the adsorption amount of the photosensitizer is increased. The ratio of ammonium chloride carboxyl group to the total carboxyl group is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, preferably 40% or less, more preferably 35% or less.

本発明において用いられる色素としては、金属錯体色素、有機色素、天然色素、半導体が好ましい。
金属錯体色素としては、ルテニウム、オスミウム、鉄、コバルト、亜鉛、水銀の錯体(例えば、メリクルクロムなど)や、金属フタロシアニン、クロロフィル等を用いることができる。また、有機色素としては、シアニン系色素、ヘミシアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、金属フリーフタロシアニン系色素等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。吸着サイトであるカルボキシル基は通常1から4個程度有することが多い。ただし、光増感剤のプロトンは、半導体のコンダクションバンドを正側にシフトする。コンダクションバンドのシフトは、太陽電池の電圧低下に影響するため、プロトン数を減少する必要があり、通常、プロトンをアンモニウム塩にて置換する方法が用いられている。
The dye used in the present invention is preferably a metal complex dye, an organic dye, a natural dye, or a semiconductor.
As the metal complex dye, a complex of ruthenium, osmium, iron, cobalt, zinc, mercury (for example, mellicle chrome), metal phthalocyanine, chlorophyll, or the like can be used. Examples of organic dyes include, but are not limited to, cyanine dyes, hemicyanine dyes, merocyanine dyes, xanthene dyes, triphenylmethane dyes, and metal-free phthalocyanine dyes. Usually, there are often about 1 to 4 carboxyl groups as adsorption sites. However, protons in the photosensitizer shift the semiconductor conduction band to the positive side. Since the shift of the conduction band affects the voltage drop of the solar cell, it is necessary to reduce the number of protons. Usually, a method of substituting protons with ammonium salts is used.

金属錯体色素として、好ましくはルテニウム錯体が用いられ、特に好ましくは式(1)に示されるビピリジル環を配位子とする錯体が用いられる。

Figure 0004931402
As the metal complex dye, a ruthenium complex is preferably used, and a complex having a bipyridyl ring represented by the formula (1) as a ligand is particularly preferably used.
Figure 0004931402

式(1)中、Xは水素またはアンモニウムカチオンを表す。アンモニウムカチオンとしては、アルキル基またはアリール基を有するアンモニウムを表し、それらの基は互いに異なっていてもよく、同一であっても良い。また、複数のアンモニウムカチオン同士を有する場合はそれぞれが同一であることが好ましい。   In formula (1), X represents hydrogen or an ammonium cation. The ammonium cation represents ammonium having an alkyl group or an aryl group, and these groups may be different from each other or the same. Moreover, when it has several ammonium cations, it is preferable that each is the same.

アルキル基としては、炭素数1〜24のアルキル基が挙げられる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基等が挙げられる。
アリール基としては、炭素数6〜10のアリール基、炭素数7〜18のアルキルアリール基が挙げられる。具体的には、フェニル基、ナフチル基、トリル基、キシリル基、エチルフェニル基、プロピルフェニル基、ブチルフェニル基、ペンチルフェニル基、ヘキシルフェニル基、ヘプチルフェニル基、オクチルフェニル基、ノニルフェニル基、デシルフェニル基、ウンデシルフェニル基、ドデシルフェニル基等が挙げられる。
As an alkyl group, a C1-C24 alkyl group is mentioned. Specifically, methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl, tridecyl, tetradecyl, pentadecyl, hexadecyl, Examples include heptadecyl group, octadecyl group, nonadecyl group, icosyl group, heicosyl group, docosyl group, tricosyl group, tetracosyl group and the like.
Examples of the aryl group include an aryl group having 6 to 10 carbon atoms and an alkylaryl group having 7 to 18 carbon atoms. Specifically, phenyl group, naphthyl group, tolyl group, xylyl group, ethylphenyl group, propylphenyl group, butylphenyl group, pentylphenyl group, hexylphenyl group, heptylphenyl group, octylphenyl group, nonylphenyl group, decyl A phenyl group, an undecylphenyl group, a dodecylphenyl group, etc. are mentioned.

アンモニウムカチオンの具体例としては、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、メチルトリエチルアンモニウム、メチルトリエチルアンモニウム、テトラフェニルアンモニウム、メチルトリフェニルアンモニウムなどが挙げられる。   Specific examples of the ammonium cation include tetramethylammonium, tetraethylammonium, tetrapropylammonium, tetrabutylammonium, methyltriethylammonium, methyltriethylammonium, tetraphenylammonium, methyltriphenylammonium and the like.

本発明において光増感剤としては、式(1)で表される化合物で、Xで示される基がアンモニウムカチオンである場合の数が異なる化合物の2種以上の混合物からなるものが特に好ましく用いられる。この場合、混合物全体としてアンモニウム塩化された部位の割合が全カルボキシル基に対して10%以上40%以下の範囲内であることが必要である。
具体的には、式(1)で表される化合物のXで示される4つの基のすべてがアンモニウムカチオンである場合はアンモニウム塩化された部位の割合は100%であり、3つの基がアンモニウムカチオンである場合はアンモニウム塩化された部位の割合は75%であり、2つの基がアンモニウムカチオンである場合はアンモニウム塩化された部位の割合は50%であり、1つの基のみがアンモニウムカチオンである場合はアンモニウム塩化された部位の割合は25%であり、4つのXすべてが水素の場合は0%となる。
本発明においては、これらのアンモニウム塩化された部位の数が異なる上記5種類の化合物のうちの2種以上を適宜混合調整することにより、混合物全体として全カルボキシル基に対するアンモニウム塩化された部位の割合を10%以上40%以下の範囲内に調整する。一例を挙げれば、式(1)において、Xの1つがアンモニウム塩化された化合物と、Xの2つがアンモニウム塩化された化合物を1:1のモル比で混合した場合、混合物全体として全カルボキシル基中のアンモニウム塩化された部位の割合は37.5%となる。
なお、2種以上の化合物の種類や混合割合は、混合物全体として全カルボキシル基に対するアンモニウム塩化された部位の割合が10%以上40%以下の範囲内となる限りにおいて特に限定されるものではない。
In the present invention, as the photosensitizer, a compound composed of two or more kinds of compounds represented by the formula (1) and having different numbers when the group represented by X is an ammonium cation is particularly preferably used. It is done. In this case, it is necessary that the ratio of the ammonium salt as a whole mixture is in the range of 10% to 40% with respect to the total carboxyl groups.
Specifically, when all of the four groups represented by X of the compound represented by the formula (1) are ammonium cations, the proportion of the ammonium salified sites is 100%, and the three groups are ammonium cations. The ratio of ammonium salified sites is 75%, and when two groups are ammonium cations, the proportion of ammonium salified sites is 50% and only one group is an ammonium cation. The ratio of the site that is ammonium chloride is 25%, and when all four Xs are hydrogen, it becomes 0%.
In the present invention, by appropriately mixing and adjusting two or more of the above five kinds of compounds having different numbers of ammonium-saturated sites, the ratio of ammonium-stained sites to the total carboxyl groups as a whole mixture can be obtained. Adjust within the range of 10% to 40%. For example, in the formula (1), when a compound in which one of X is ammonium salified and a compound in which two of X are ammonium salified are mixed at a molar ratio of 1: 1, the mixture as a whole in all carboxyl groups. The proportion of the ammonium-chlorinated sites is 37.5%.
In addition, the kind and mixing ratio of two or more kinds of compounds are not particularly limited as long as the ratio of the ammonium salified site to the total carboxyl groups in the whole mixture falls within the range of 10% to 40%.

光増感剤を半導体層に吸着させる方法としては、例えば、溶媒に色素を溶解させた溶液を、半導体層上にスプレーコートやスピンコートなどにより塗布した後、乾燥する方法により形成することができる。この場合、適当な温度に基板を加熱しても良い。または半導体層を溶液に浸漬して吸着させる方法を用いることもできる。浸漬する時間は色素が十分に吸着すれば特に制限されることはないが、好ましくは10分〜30時間、より好ましくは1〜20時間である。また、必要に応じて浸漬する際に溶媒や基板を加熱しても良い。溶液にする場合の色素の濃度としては、0.01〜100mmol/L、好ましくは0.1〜50mmol/L程度である。   As a method for adsorbing the photosensitizer on the semiconductor layer, for example, a solution in which a dye is dissolved in a solvent is applied by spray coating or spin coating on the semiconductor layer and then dried. . In this case, the substrate may be heated to an appropriate temperature. Alternatively, a method in which a semiconductor layer is immersed in a solution and adsorbed can be used. The immersion time is not particularly limited as long as the dye is sufficiently adsorbed, but is preferably 10 minutes to 30 hours, more preferably 1 to 20 hours. Moreover, you may heat a solvent and a board | substrate when immersing as needed. The concentration of the dye in the case of the solution is about 0.01 to 100 mmol / L, preferably about 0.1 to 50 mmol / L.

溶媒としては、アルコール類、エーテル類、ニトリル類、エステル類、炭化水素など用いることができる。吸着色素のアンモニウム塩の数を任意に調整するときは、溶媒を都度変更することで達成できる。たとえばアンモニウム塩の割合を少なくしたい場合は、エタノールなどアルコール類の単一溶媒を使用することができ、アンモニウム塩の割合を多くしたい場合は、アルコール類と他のエーテル類、ニトリル類、エステル類などとの混合溶媒を使用することができる。   As the solvent, alcohols, ethers, nitriles, esters, hydrocarbons and the like can be used. When the number of adsorbed dye ammonium salts is arbitrarily adjusted, it can be achieved by changing the solvent each time. For example, if you want to reduce the proportion of ammonium salt, you can use a single solvent of alcohols such as ethanol, and if you want to increase the proportion of ammonium salt, alcohols and other ethers, nitriles, esters, etc. And a mixed solvent can be used.

色素間の凝集等の相互作用を低減するために、界面活性剤としての性質を持つ無色の化合物を色素吸着液に添加し、半導体層に共吸着させてもよい。このような無色の化合物の例としては、カルボキシル基やスルホ基を有するコール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸等のステロイド化合物やスルホン酸塩類等が挙げられる。   In order to reduce the interaction such as aggregation between the dyes, a colorless compound having properties as a surfactant may be added to the dye adsorption liquid and co-adsorbed to the semiconductor layer. Examples of such colorless compounds include steroid compounds such as cholic acid having a carboxyl group or sulfo group, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, taurodeoxycholic acid, sulfonates, and the like.

未吸着の色素は、吸着工程後、速やかに洗浄により除去するのが好ましい。洗浄は湿式洗浄槽中でアセトニトリル、アルコール系溶媒等を用いて行うのが好ましい。   It is preferable to remove the unadsorbed dye by washing immediately after the adsorption step. Washing is preferably performed using acetonitrile, an alcohol solvent or the like in a wet washing tank.

光増感剤の吸着量は、強アルカリ溶液にて、半導体層から光増感剤を脱着し、アルカリ溶液の光吸収量から算出される。また、その脱着後の光増感剤のNMRスペクトルのピーク強度から全カルボキシル基中のアンモニウム塩化の割合が算出される。
前記光増感剤の混合物を用いると、通常アンモニウムの少ないものと多いもので競争的に吸着する。アンモニウムの少ないものの吸着速度が速く、徐々にアンモニウムの多いものが吸着する。この吸着速度の違いを利用することで、より多くの光増感剤を吸着することができ、半導体層に対し2.0×10−4mol/cm〜3.0×10−4mol/cmの量で吸着することができる。
また、吸着量は、半導体表面積に対し、1.0×10−8mol/cm〜1.0×10−6mol/cmの範囲で吸着することができる。
The adsorption amount of the photosensitizer is calculated from the light absorption amount of the alkaline solution after desorbing the photosensitizer from the semiconductor layer with a strong alkaline solution. Further, the proportion of ammonium chloride in all carboxyl groups is calculated from the peak intensity of the NMR spectrum of the photosensitizer after desorption.
When a mixture of the photosensitizers is used, it is usually adsorbed competitively with a small amount and a large amount of ammonium. The adsorption rate of the thing with little ammonium is high, and the thing with much ammonium gradually adsorb | sucks. By utilizing this difference in the adsorption rate, more photosensitizer can be adsorbed, and 2.0 × 10 −4 mol / cm 3 to 3.0 × 10 −4 mol / with respect to the semiconductor layer. Adsorption can be in the amount of cm 3 .
Further, the adsorption amount to the semiconductor surface, can be adsorbed in the range of 1.0 × 10 -8 mol / cm 2 ~1.0 × 10 -6 mol / cm 2.

色素を吸着させた後、アミン類、4級アンモニウム塩、少なくとも1つのウレイド基を有するウレイド化合物、少なくとも1つのシリル基を有するシリル化合物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を用いて、半導体層の表面を処理してもよい。好ましいアミン類の例としては、ピリジン、4−t−ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。好ましい4級アンモニウム塩の例としては、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらは有機溶媒に溶解して用いてもよく、液体の場合はそのまま用いてもよい。   After adsorbing the dye, a semiconductor using an amine, a quaternary ammonium salt, a ureido compound having at least one ureido group, a silyl compound having at least one silyl group, an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, etc. The surface of the layer may be treated. Examples of preferred amines include pyridine, 4-t-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. Examples of preferred quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium iodide, tetrahexylammonium iodide and the like. These may be used by dissolving in an organic solvent, or may be used as they are in the case of a liquid.

電荷輸送層は、色素の酸化体に電子を補充する機能を有する電荷輸送材料を含有する。本発明で用いる電荷輸送材料は、イオンが関わる電荷輸送材料であっても、固体中のキャリア移動が関わる電荷輸送材料であってもよい。イオンが関わる電荷輸送材料としては、酸化還元対イオンが溶解した溶液、酸化還元対の溶液をポリマーマトリックスのゲルに含浸したゲル電解質組成物、固体電解質組成物等が挙げられ、固体中のキャリア移動が関わる電荷輸送材料としては、電子輸送材料や正孔輸送材料等が挙げられる。これらの電荷輸送材料は複数併用してもよい。   The charge transport layer contains a charge transport material having a function of replenishing electrons to the oxidant of the dye. The charge transport material used in the present invention may be a charge transport material related to ions or a charge transport material related to carrier movement in a solid. Examples of the charge transport material in which ions are involved include a solution in which a redox counter ion is dissolved, a gel electrolyte composition in which a polymer matrix gel is impregnated with a solution of a redox pair, a solid electrolyte composition, and the like. Examples of the charge transport material involved in the electron transport material include an electron transport material and a hole transport material. A plurality of these charge transport materials may be used in combination.

イオンがかかわる電荷輸送材料としての電解液は、電解質、溶媒及び添加物から構成されることが好ましい。電解液に用いる電解質の例としては、ヨウ素とヨウ化物(LiI、NaI、KI、CsI、CaI等の金属ヨウ化物、テトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物ヨウ素塩等)の組み合わせ、臭素と臭化物(LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr、CaBr等の金属臭化物、テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の4級アンモニウム化合物臭素塩等)の組み合わせ、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等が挙げられる。中でも、Iと、LiI又はピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物ヨウ素塩とを組み合わせた電解質が好ましい。電解質は混合して用いてもよい。 The electrolyte solution as a charge transport material involving ions is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. Examples of the electrolyte used in the electrolytic solution, iodine and iodide (LiI, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2, tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, quaternary ammonium such as imidazolium iodide A combination of bromine and bromide (metal bromide such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr, CaBr 2 , quaternary ammonium compound bromide such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide, etc.) Examples thereof include metal complexes such as Russianate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ions, sulfur compounds such as sodium polysulfide and alkylthiol-alkyldisulfides, viologen dyes, and hydroquinone-quinone. Among them, an electrolyte in which I 2 and a quaternary ammonium compound iodine salt such as LiI or pyridinium iodide, imidazolium iodide or the like are combined is preferable. The electrolyte may be used as a mixture.

溶媒としては、一般に電気化学セルや電池に用いられる溶媒であればいずれも使用することができる。具体的には、無水酢酸、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホアミド、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、スルホラン、ジメトキシエタン、プロピオンニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、ジメチルアセトアミド、メチルピロリジノン、ジメチルスルホキシド、ジオキソラン、スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸エチルジメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリペンチル、リン酸トリへキシル、リン酸トリヘプチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリノニル、リン酸トリデシル、リン酸トリス(トリフフロロメチル)、リン酸トリス(ペンタフロロエチル)、リン酸トリフェニルポリエチレングリコール、及びポリエチレングリコール等が使用可能である。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルスルホキシド、ジメトキシエタン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジオキソラン、ジメチルホルムアミド、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、ジメチルアセトアミド、メチルピロリジノン、ジメチルスルホキシド、ジオキソラン、スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチルが好ましい。また、常温溶融塩類も用いることができる。ここで、常温溶融塩とは、常温において溶融している(即ち液状の)イオン対からなる塩であり、通常、融点が20℃以下であり、20℃を越える温度で液状であるイオン対からなる塩を示すものである。溶媒はその1種を単独で使用しても良いし、また2種以上を混合して使用しても良い。   Any solvent can be used as long as it is generally used in electrochemical cells and batteries. Specifically, acetic anhydride, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, propylene carbonate, nitromethane, acetonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphoamide, ethylene carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, sulfolane, dimethoxy Ethane, propiononitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, dimethylacetamide, methylpyrrolidinone, dimethyl sulfoxide, dioxolane, sulfolane, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, ethyldimethyl phosphate, tributyl phosphate, phosphorus Tripentyl phosphate, trihexyl phosphate, triheptyl phosphate, trioctyl phosphate, trinonyl phosphate, phosphoric acid Tridecyl, tris phosphate (trifluoromethyl), tris phosphate (pentafluoroethyl), triphenyl polyethylene glycol phosphate, polyethylene glycol, and the like can be used. In particular, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl sulfoxide, dimethoxyethane, acetonitrile, γ-butyrolactone, sulfolane, dioxolane, dimethylformamide, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, adiponitrile, methoxyacetonitrile, methoxypropionitrile, dimethylacetamide, methylpyrrolidinone, dimethylsulfoxide , Dioxolane, sulfolane, trimethyl phosphate and triethyl phosphate are preferred. Also, room temperature molten salts can be used. Here, the room temperature molten salt is a salt composed of an ion pair that is melted at room temperature (that is, in a liquid state) and usually has a melting point of 20 ° C. or lower and is a liquid at a temperature exceeding 20 ° C. Is a salt. The solvent may be used alone or in combination of two or more.

また、4−t−ブチルピリジン、2−ピコリン、2,6−ルチジン等の塩基性化合物を前述の溶融塩電解質組成物や電解液に添加することが好ましい。塩基性化合物を電解液に添加する場合の好ましい濃度範囲は0.05〜2mol/Lである。溶融塩電解質組成物に添加する場合、塩基性化合物はイオン性基を有することが好ましい。溶融塩電解質組成物全体に対する塩基性化合物の配合割合は、好ましくは1〜40質量%であり、より好ましくは5〜30質量%である。   Moreover, it is preferable to add basic compounds, such as 4-t-butyl pyridine, 2-picoline, and 2, 6-lutidine, to the above-mentioned molten salt electrolyte composition and electrolyte solution. A preferable concentration range when adding the basic compound to the electrolytic solution is 0.05 to 2 mol / L. When added to the molten salt electrolyte composition, the basic compound preferably has an ionic group. The blending ratio of the basic compound with respect to the entire molten salt electrolyte composition is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 5 to 30% by mass.

ポリマーマトリックスとして使用できる材料としては、高分子マトリックス単体で、あるいは可塑剤の添加や、支持電解質の添加、または可塑剤と支持電解質の添加によって固体状態またはゲル状態が形成されれば特に制限は無く、一般的に用いられるいわゆる高分子化合物を用いることができる。
上記高分子マトリックスとしての特性を示す高分子化合物としては、ヘキサフロロプロピレン、テトラフロロエチレン、トリフロロエチレン、エチレン、プロピレン、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、メチルアクリレート、エチルアクリレート、メチルメタクリレート、スチレン、フッ化ビニリデンなどのモノマーを重合または共重合して得られる高分子化合物を挙げることができる。またこれらの高分子化合物は単独で用いても良く、また混合して用いても良い。これらの中でも、特にポリフッ化ビニリデン系高分子化合物が好ましい。
The material that can be used as the polymer matrix is not particularly limited as long as the polymer matrix alone, or the solid state or gel state is formed by adding a plasticizer, adding a supporting electrolyte, or adding a plasticizer and a supporting electrolyte. Generally used so-called polymer compounds can be used.
Examples of the polymer compound exhibiting characteristics as the polymer matrix include hexafluoropropylene, tetrafluoroethylene, trifluoroethylene, ethylene, propylene, acrylonitrile, vinylidene chloride, acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, maleic anhydride, methyl Examples thereof include polymer compounds obtained by polymerizing or copolymerizing monomers such as acrylate, ethyl acrylate, methyl methacrylate, styrene, and vinylidene fluoride. These polymer compounds may be used alone or in combination. Among these, a polyvinylidene fluoride polymer compound is particularly preferable.

また、イオン伝導性電解質の代わりに、有機固体正孔輸送材料、無機固体正孔輸送材料、或いはこの両者を組み合わせた材料を使用することもできる。   Further, instead of the ion conductive electrolyte, an organic solid hole transport material, an inorganic solid hole transport material, or a material in which both are combined can be used.

好ましく使用できる有機正孔輸送材料の例としては、トリフェニレン誘導体類、オリゴチオフェン化合物、ポリピロール、ポリアセチレン及び/又はその誘導体、ポリ(p−フェニレン)及び/又はその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)及び/又はその誘導体、ポリチエニレンビニレン及び/又はその誘導体、ポリチオフェン及び/又はその誘導体、ポリアニリン及び/又はその誘導体、ポリトルイジン及び/又はその誘導体等の導電性高分子を挙げることができる。また、ドーパントレベルをコントロールするために、トリス(4−ブロモフェニル)アミニウムヘキサクロロアンチモネートのようなカチオンラジカルを含有する化合物を正孔輸送材料に添加してもよい。また、金属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[(CFSON]のような塩を添加してもよい。 Examples of organic hole transport materials that can be preferably used include triphenylene derivatives, oligothiophene compounds, polypyrrole, polyacetylene and / or derivatives thereof, poly (p-phenylene) and / or derivatives thereof, poly (p-phenylene vinylene) and Examples thereof include conductive polymers such as / or derivatives thereof, polythienylene vinylene and / or derivatives thereof, polythiophene and / or derivatives thereof, polyaniline and / or derivatives thereof, polytoluidine and / or derivatives thereof. In order to control the dopant level, a compound containing a cation radical such as tris (4-bromophenyl) aminium hexachloroantimonate may be added to the hole transport material. In addition, a salt such as Li [(CF 3 SO 2 ) 2 N] may be added in order to perform potential control (space charge layer compensation) on the surface of the metal oxide semiconductor.

無機正孔輸送材料としてはp型無機化合物半導体を用いることができ、そのバンドギャップは好ましくは2eV以上、より好ましくは2.5eV以上である。また、p型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルは、色素の正孔を還元するためには色素吸着電極のイオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。使用する色素によってp型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なるが、好ましくは4.5〜5.5eV、より好ましくは4.7〜5.3eVである。好ましいp型無機化合物半導体は1価の銅を含む化合物半導体であり、その例としては、CuI、CuSCN、CuInSe、Cu(In,Ga)Se、CuGaSe、CuO、CuS、CuGaS、CuInS、CuAlSe等が挙げられる。中でも、CuI及びCuSCNが好ましく、CuIが最も好ましい。他のp型無機化合物半導体の例としては、GaP、NiO、CoO、FeO、Bi、MoO、Cr等が挙げられる。 A p-type inorganic compound semiconductor can be used as the inorganic hole transport material, and the band gap is preferably 2 eV or more, more preferably 2.5 eV or more. Further, the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor needs to be smaller than the ionization potential of the dye adsorption electrode in order to reduce the holes of the dye. Although the preferable range of the ionization potential of the p-type inorganic compound semiconductor varies depending on the dye used, it is preferably 4.5 to 5.5 eV, more preferably 4.7 to 5.3 eV. Preferred p-type inorganic compound semiconductor is a compound semiconductor containing monovalent copper, examples, CuI, CuSCN, CuInSe 2, Cu (In, Ga) Se 2, CuGaSe 2, Cu 2 O, CuS, CuGaS 2 CuInS 2 , CuAlSe 2 and the like. Among these, CuI and CuSCN are preferable, and CuI is most preferable. Examples of other p-type inorganic compound semiconductors include GaP, NiO, CoO, FeO, Bi 2 O 3 , MoO 2 , Cr 2 O 3 and the like.

電荷輸送層は2通りの方法のいずれかにより形成できる。1つ目の方法は半導体層と対極を貼り合わせておき、その間隙に液状の電荷輸送層を挟み込む方法である。2つ目の方法は半導体層上に直接電荷輸送層を付与する方法で、対極はその後付与することになる。   The charge transport layer can be formed by one of two methods. The first method is a method in which a semiconductor layer and a counter electrode are bonded together, and a liquid charge transport layer is sandwiched between the gaps. The second method is a method in which a charge transport layer is provided directly on the semiconductor layer, and a counter electrode is provided thereafter.

前者の方法の場合、電荷輸送層を挟み込む際には、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセス、または常圧より低い圧力にして間隙の気相を液相に置換する真空プロセスを利用できる。
後者の方法において湿式の電荷輸送層を用いる場合は、通常未乾燥のまま対極を付与しエッジ部の液漏洩防止措置を施す。またゲル電解質組成物を用いる場合には、これを湿式で塗布した後で重合等の方法により固体化してもよい。固体化は対極を付与する前に行っても後に行ってもよい。
In the case of the former method, when sandwiching the charge transport layer, a normal pressure process using capillary action by dipping or the like, or a vacuum process in which the gas phase in the gap is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure can be used. .
When a wet charge transport layer is used in the latter method, a counter electrode is usually applied in an undried state to prevent liquid leakage at the edge. Moreover, when using a gel electrolyte composition, you may solidify by methods, such as superposition | polymerization, after apply | coating this with a wet method. Solidification may be performed before or after applying the counter electrode.

固体電解質組成物や固体正孔輸送材料を用いる場合には、真空蒸着法やCVD法等のドライ成膜処理で電荷輸送層を形成し、その後対極を付与することもできる。有機正孔輸送材料は真空蒸着法、キャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解重合法、光電解重合法等により電極内部に導入することができる。無機固体化合物はキャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解析出法、無電解メッキ法等により電極内部に導入することができる。   When a solid electrolyte composition or a solid hole transport material is used, a charge transport layer can be formed by a dry film forming process such as a vacuum deposition method or a CVD method, and then a counter electrode can be provided. The organic hole transport material can be introduced into the electrode by a vacuum deposition method, a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, an electrolytic polymerization method, a photoelectrolytic polymerization method, or the like. The inorganic solid compound can be introduced into the electrode by a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, an electrolytic deposition method, an electroless plating method, or the like.

以上のように、半導体層に吸着した光増感剤として、光増感剤分子中の全カルボキシル基のうち10%以上40%以下がアンモニウム塩化された化合物を用いることにより、好適な状態で色素吸着量を増加することができ、色素増感太陽電池を高効率化することができる。   As described above, as a photosensitizer adsorbed on the semiconductor layer, a compound in which 10% or more and 40% or less of all carboxyl groups in the photosensitizer molecule are ammonium chloride is used in a suitable state. The amount of adsorption can be increased, and the efficiency of the dye-sensitized solar cell can be increased.

以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
《半導体層(チタニア電極)の作製》
チタニアペースト(SOLARONIX社製社製Ti−Naoxide T)を用い、F−SnO上にドクターブレード法にて塗布し、乾燥した。得られた薄膜を450℃にて1時間焼成し、電極とした。膜厚は11μmであった。
《光電変換特性評価》
得られた半導体層を、ルテニウム色素(Rutenium535−bisTBA:SOLARONIX社製、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合を40%に調整)/エタノール溶液(1.0×10−3mol/L)に3時間浸し、色素層を形成した。色素層の吸着量は2.3×10−4mol/cm、2.5×10−7mol/cmであり、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合は28%であった。
得られた基板とPt薄膜のついたガラスのPt面を合わせ、0.5mol/Lのヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムと0.05mol/Lのヨウ素、0.5mol/Lの4−t−ブチルピリジン、0.1mol/Lのヨウ化リチウムを含むアセトニトリル溶液を毛細管現象によって染み込ませ、周辺をエポキシ接着剤で封止した。なお、透明導電基板の導電層部分と対向電極にはリード線を接続した。
このようにして得たセルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、良好な光電変換特性(変換効率7.4%)を得た。
[Example 1]
<< Production of semiconductor layer (titania electrode) >>
Using titania paste (Ti-Naoxide T manufactured by SOLARONIX), it was applied onto F-SnO 2 by the doctor blade method and dried. The obtained thin film was baked at 450 ° C. for 1 hour to obtain an electrode. The film thickness was 11 μm.
<< Evaluation of photoelectric conversion characteristics >>
The obtained semiconductor layer was mixed with ruthenium dye (Rutenium 535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX, the ratio of ammonium salt in all carboxyl groups was adjusted to 40%) / ethanol solution (1.0 × 10 −3 mol / L) 3 Dipping for a period of time formed a dye layer. The adsorption amount of the dye layer was 2.3 × 10 −4 mol / cm 3 and 2.5 × 10 −7 mol / cm 2 , and the proportion of ammonium salt in all carboxyl groups was 28%.
The obtained substrate and the Pt surface of the glass with the Pt thin film were put together, 0.5 mol / L dimethylpropylimidazolium iodide, 0.05 mol / L iodine, 0.5 mol / L 4-t-butylpyridine. An acetonitrile solution containing 0.1 mol / L lithium iodide was impregnated by capillary action, and the periphery was sealed with an epoxy adhesive. A lead wire was connected to the conductive layer portion of the transparent conductive substrate and the counter electrode.
When the cell thus obtained was irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, good photoelectric conversion characteristics (conversion efficiency 7.4%) were obtained.

[実施例2]
《光電変換特性評価》
得られた半導体層を、ルテニウム色素(Rutenium535−bisTBA:SOLARONIX社製、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合を38%に調整)/エタノール溶液(1.0×10−3mol/L)に12時間浸し、色素層を形成した。色素層の吸着量は、2.6×10−4mol/cm、2.8×10−7mol/cmであり、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合は23%であった。
得られた基板とPt薄膜のついたガラスのPt面を合わせ、0.5mol/Lのヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムと0.05mol/Lのヨウ素、0.5mol/Lの4−t−ブチルピリジン、0.1mol/Lのヨウ化リチウムを含むアセトニトリル溶液を毛細管現象によって染み込ませ、周辺をエポキシ接着剤で封止した。なお、透明導電基板の導電層部分と対向電極にはリード線を接続した。
このようにして得たセルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、良好な光電変換特性(変換効率7.0%)を得た。
[Example 2]
<< Evaluation of photoelectric conversion characteristics >>
The obtained semiconductor layer was mixed with ruthenium dye (Rutenium 535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX, the ratio of ammonium salt in all carboxyl groups was adjusted to 38%) / ethanol solution (1.0 × 10 −3 mol / L) to 12%. Dipping for a period of time formed a dye layer. The adsorption amount of the dye layer was 2.6 × 10 −4 mol / cm 3 and 2.8 × 10 −7 mol / cm 2 , and the proportion of ammonium salt in all carboxyl groups was 23%.
The obtained substrate and the Pt surface of the glass with the Pt thin film were put together, 0.5 mol / L dimethylpropylimidazolium iodide, 0.05 mol / L iodine, 0.5 mol / L 4-t-butylpyridine. An acetonitrile solution containing 0.1 mol / L lithium iodide was impregnated by capillary action, and the periphery was sealed with an epoxy adhesive. A lead wire was connected to the conductive layer portion of the transparent conductive substrate and the counter electrode.
When the cell thus obtained was irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, good photoelectric conversion characteristics (conversion efficiency 7.0%) were obtained.

[実施例3]
《光電変換特性評価》
得られた半導体層を、ルテニウム色素(Rutenium535−bisTBA:SOLARONIX社製、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合を58%に調整)/エタノール溶液(1.0×10−3mol/L)に12時間浸し、色素層を形成した。色素層の吸着量は、2.2×10−4mol/cm、2.4×10−7mol/cmであり、カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合は27%であった。
得られた基板とPt薄膜のついたガラスのPt面を合わせ、0.5mol/Lのヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムと0.05mol/Lのヨウ素、0.5mol/Lの4−t−ブチルピリジン、0.1mol/Lのヨウ化リチウムを含むアセトニトリル溶液を毛細管現象によって染み込ませ、周辺をエポキシ接着剤で封止した。なお、透明導電基板の導電層部分と対向電極にはリード線を接続した。
このようにして得たセルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、良好な光電変換特性(変換効率7.0%)を得た。
[Example 3]
<< Evaluation of photoelectric conversion characteristics >>
The obtained semiconductor layer was mixed with ruthenium dye (Rutenium 535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX, the ratio of ammonium salt in all carboxyl groups was adjusted to 58%) / ethanol solution (1.0 × 10 −3 mol / L) to 12%. Dipping for a period of time formed a dye layer. The adsorption amount of the dye layer was 2.2 × 10 −4 mol / cm 3 and 2.4 × 10 −7 mol / cm 2 , and the proportion of ammonium salt in the carboxyl group was 27%.
The obtained substrate and the Pt surface of the glass with the Pt thin film were put together, 0.5 mol / L dimethylpropylimidazolium iodide, 0.05 mol / L iodine, 0.5 mol / L 4-t-butylpyridine. An acetonitrile solution containing 0.1 mol / L lithium iodide was impregnated by capillary action, and the periphery was sealed with an epoxy adhesive. A lead wire was connected to the conductive layer portion of the transparent conductive substrate and the counter electrode.
When the cell thus obtained was irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, good photoelectric conversion characteristics (conversion efficiency 7.0%) were obtained.

[比較例1]
《光電変換特性評価》
得られた半導体層を、ルテニウム色素(Rutenium535−bisTBA:SOLARONIX社製、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合を94%に調整)/エタノール溶液(1.0×10−3mol/L)に12時間浸し、色素層を形成した。色素層の吸着量は、1.7×10−4mol/cm、1.0×10−7mol/cmであり、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合は42%であった。
得られた基板とPt薄膜のついたガラスのPt面を合わせ、0.5mol/Lのヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムと0.05mol/Lのヨウ素、0.5mol/Lの4−t−ブチルピリジン、0.1mol/Lのヨウ化リチウムを含むアセトニトリル溶液を毛細管現象によって染み込ませ、周辺をエポキシ接着剤で封止した。なお、透明導電基板の導電層部分と対向電極にはリード線を接続した。
このようにして得たセルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、光電変換特性(変換効率6.2%)を得た。
[Comparative Example 1]
<< Evaluation of photoelectric conversion characteristics >>
The obtained semiconductor layer was mixed with ruthenium dye (Rutenium 535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX, the ratio of ammonium salt in all carboxyl groups was adjusted to 94%) / ethanol solution (1.0 × 10 −3 mol / L) in 12%. Dipping for a period of time formed a dye layer. The adsorption amount of the dye layer was 1.7 × 10 −4 mol / cm 3 and 1.0 × 10 −7 mol / cm 2 , and the proportion of ammonium salt in all carboxyl groups was 42%.
The obtained substrate and the Pt surface of the glass with the Pt thin film were put together, 0.5 mol / L dimethylpropylimidazolium iodide, 0.05 mol / L iodine, 0.5 mol / L 4-t-butylpyridine. An acetonitrile solution containing 0.1 mol / L lithium iodide was impregnated by capillary action, and the periphery was sealed with an epoxy adhesive. A lead wire was connected to the conductive layer portion of the transparent conductive substrate and the counter electrode.
When the cell thus obtained was irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, photoelectric conversion characteristics (conversion efficiency 6.2%) were obtained.

[比較例2]
《光電変換特性評価》
得られた半導体層を、ルテニウム色素(Rutenium535−bisTBA:SOLARONIX社製、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合を58%に調整)/アセトニトリル/ブタノール溶液(0.5×10−3mol/L)に12時間浸し、色素層を形成した。色素層の吸着量は、1.7×10−4mol/cm、1.9×10−7mol/cmであり、全カルボキシル基中のアンモニウム塩の割合は45%であった。
得られた基板とPt薄膜のついたガラスのPt面を合わせ、0.5mol/Lのヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウムと0.05mol/Lのヨウ素、0.5mol/Lの4−t−ブチルピリジン、0.1mol/Lのヨウ化リチウムを含むアセトニトリル溶液を毛細管現象によって染み込ませ、周辺をエポキシ接着剤で封止した。なお、透明導電基板の導電層部分と対向電極にはリード線を接続した。
このようにして得たセルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、光電変換特性(変換効率5.2%)を得た。
[Comparative Example 2]
<< Evaluation of photoelectric conversion characteristics >>
Ruthenium dye (Rutenium 535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX, adjusting the ratio of ammonium salt in all carboxyl groups to 58%) / acetonitrile / butanol solution (0.5 × 10 −3 mol / L) For 12 hours to form a dye layer. The adsorption amount of the dye layer was 1.7 × 10 −4 mol / cm 3 and 1.9 × 10 −7 mol / cm 2 , and the proportion of ammonium salt in all carboxyl groups was 45%.
The obtained substrate and the Pt surface of the glass with the Pt thin film were put together, 0.5 mol / L dimethylpropylimidazolium iodide, 0.05 mol / L iodine, 0.5 mol / L 4-t-butylpyridine. An acetonitrile solution containing 0.1 mol / L lithium iodide was impregnated by capillary action, and the periphery was sealed with an epoxy adhesive. A lead wire was connected to the conductive layer portion of the transparent conductive substrate and the counter electrode.
The cell thus obtained was irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, and photoelectric conversion characteristics (conversion efficiency 5.2%) were obtained.

Claims (4)

導電性基板、光増感剤を吸着した半導体層、電荷輸送層および対向電極から少なくとも構成される光電変換素子において、該光増感剤が、式(1)で表される化合物であって、アンモニウムカチオンの数の異なる2種類以上の混合物からなり、かつ光増感剤分子中の全カルボキシル基のうち10%以上40%以下がアンモニウム塩化された化合物からなることを特徴とする光電変換素子。
Figure 0004931402
(式(1)中、Xは水素またはアンモニウムカチオンを表し、各Xは互いに同一でも異なっていてもよい。)
In a photoelectric conversion element comprising at least a conductive substrate, a semiconductor layer adsorbing a photosensitizer, a charge transport layer, and a counter electrode, the photosensitizer is a compound represented by the formula (1), A photoelectric conversion element comprising a mixture of two or more kinds having different numbers of ammonium cations, and a compound in which 10% to 40% of all carboxyl groups in the photosensitizer molecule are converted to ammonium chloride.
Figure 0004931402
(In formula (1), X represents hydrogen or an ammonium cation, and each X may be the same as or different from each other.)
半導体層に吸着した光増感剤が、半導体層単位体積当たり2.0×10−4mol/cm〜3.0×10−4mol/cmの範囲であり、かつ半導体単位面積あたり1.0×10−8mol/cm〜1.0×10−6mol/cmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The photosensitizer adsorbed on the semiconductor layer is in the range of 2.0 × 10 −4 mol / cm 3 to 3.0 × 10 −4 mol / cm 3 per unit volume of the semiconductor layer, and 1 per unit area of the semiconductor. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is in a range of 0.0 × 10 −8 mol / cm 2 to 1.0 × 10 −6 mol / cm 2 . 半導体層が金属酸化物より形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。 The photoelectric conversion device according to claim 1 or 2 semiconductor layer is characterized in that it is formed of a metal oxide. 請求項1〜のいずれかに記載の光電変換素子を用いた光電池。

The photovoltaic cell using the photoelectric conversion element in any one of Claims 1-3 .

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