JP5521419B2 - Electrolyte forming coating solution and dye-sensitized solar cell using the same - Google Patents

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Description

本発明は、色素増感型太陽電池における電解質を形成するための塗工液に関する。また、その塗工液を用いて作製される色素増感型太陽電池及び太陽電池モジュールに関する。   The present invention relates to a coating solution for forming an electrolyte in a dye-sensitized solar cell. Moreover, it is related with the dye-sensitized solar cell and solar cell module which are produced using the coating liquid.

二酸化炭素が原因とされる地球温暖化が世界的に問題となっている近年、環境にやさしく、クリーンなエネルギー源として、太陽光エネルギーを利用した太陽電池の積極的な研究開発が進められている。その中でも、より光電変換効率が高く、低コストな太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目されている。   In recent years, global warming caused by carbon dioxide has become a global problem. In recent years, active research and development of solar cells using solar energy has been promoted as an environmentally friendly and clean energy source. . Among them, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a solar cell with higher photoelectric conversion efficiency and lower cost.

色素増感型太陽電池は、例えば、光の入射する側から、透明基板、この透明基板上に形成された透明電極、色素が担持された酸化物半導体層、電解質を有する電解質層、及び対向電極を形成した基板が順に積層されてセルが形成される。特に、グレッチェルセルは、ナノ微粒子である酸化チタンを焼成させた多孔質の酸化物半導体層を用いることを特徴とし、酸化物半導体層を多孔質とすることで増感色素の吸着量を増加させ光吸収能を向上させている。   A dye-sensitized solar cell includes, for example, a transparent substrate, a transparent electrode formed on the transparent substrate, an oxide semiconductor layer carrying a dye, an electrolyte layer having an electrolyte, and a counter electrode from the light incident side. A cell is formed by sequentially stacking the substrates on which the layers are formed. In particular, Gretcher cell is characterized by using a porous oxide semiconductor layer obtained by firing titanium oxide, which is a nanoparticulate, and increasing the adsorption amount of sensitizing dye by making the oxide semiconductor layer porous. The light absorption ability is improved.

上記の色素増感型太陽電池の作製方法は、例えば、まず透明基板の表面に形成された透明電極上に、酸化チタン粒子からなる多孔性半導体層を形成し、その多孔性半導体層に色素を担持させる。次に対向電極に白金膜などの触媒をコーティングし、半導体層と白金膜とが対面するように重ね合わせた後、その間に真空注入法等の手法により電解質を注入して電解質層を形成し、注入口をエポキシ樹脂等のシール材で封止する。このようにして色素増感型太陽電池が作製される。   For example, the dye-sensitized solar cell may be manufactured by first forming a porous semiconductor layer made of titanium oxide particles on a transparent electrode formed on the surface of a transparent substrate, and applying the dye to the porous semiconductor layer. Support. Next, after coating the counter electrode with a catalyst such as a platinum film and stacking the semiconductor layer and the platinum film so as to face each other, an electrolyte is injected between them by a technique such as a vacuum injection method to form an electrolyte layer, Seal the inlet with a sealing material such as epoxy resin. In this way, a dye-sensitized solar cell is produced.

しかしながら、従来、電解質層に液体電解質が用いられているため、注入口からの電解質漏れや空気の侵入を生じ、光電変換効率の低下をもたらすとともに耐久性が悪化するという問題があった。また、セルが大型化するにつれ注入時間が長くなるという問題もあった。これに対し、液漏れを防止するべく電解質層を擬固体化した色素増感型太陽電池が提案されている。   However, conventionally, since a liquid electrolyte has been used for the electrolyte layer, there has been a problem that electrolyte leakage from the inlet and air intrusion occur, resulting in a decrease in photoelectric conversion efficiency and a deterioration in durability. There is also a problem that the injection time becomes longer as the cell size increases. On the other hand, a dye-sensitized solar cell in which an electrolyte layer is quasi-solidified to prevent liquid leakage has been proposed.

例えば、(特許文献1)では、イオン性液体と、カーボンナノチューブ等の導電性粒子もしくは酸化チタン等の酸化物半導体粒子とを含むゲル状の電解質組成物が開示されている。しかし、上記カーボンナノチューブ等のナノ粒子を添加したゲル状電解質では、電解液の保持性が低く、電解液が染み出してくるため長期にわたる耐久性にはなお課題を残していた。   For example, (Patent Document 1) discloses a gel electrolyte composition including an ionic liquid and conductive particles such as carbon nanotubes or oxide semiconductor particles such as titanium oxide. However, the gel electrolyte to which nanoparticles such as carbon nanotubes are added has a low electrolyte solution retention, and the electrolyte solution oozes out, so there is still a problem in durability over a long period of time.

国際公開第2005/006482号パンフレットInternational Publication No. 2005/006482 Pamphlet

そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、長期にわたり擬固体形状を安定に維持し、電解液の保持性が高い電解質を形成するための塗工液を提供することを目的とする。また、そのような塗工液を用いて作製される、耐久性に優れた色素増感型太陽電池、及び太陽電池モジュールを提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above-described conventional situation, an object of the present invention is to provide a coating solution for stably forming a quasi-solid shape over a long period of time and forming an electrolyte having a high electrolytic solution retainability. Moreover, it aims at providing the dye-sensitized solar cell excellent in durability produced using such a coating liquid, and a solar cell module.

本発明者は、電解質中の成分として、メソ孔を有する、金属酸化物粒子及び導電性粒子から選ばれる一以上の多孔質ナノ粒子を含有させることにより、メソ孔に電解液を閉じ込め、電解液の保持性を大幅に向上させ得ることを見い出し、本発明を完成した。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。   The present inventor confined the electrolyte in the mesopores by containing at least one porous nanoparticle selected from metal oxide particles and conductive particles having mesopores as a component in the electrolyte. As a result, the present invention was completed. That is, the gist of the present invention is as follows.

(1)色素増感型太陽電池の電解質を形成するための塗工液であって、酸化還元対及びイオン性液体からなる電解液と、メソ孔を有する、金属酸化物粒子及び導電性粒子から選ばれる一以上とを少なくとも含む電解質形成用塗工液。
(2)メソ孔を有する、金属酸化物粒子及び導電性粒子から選ばれる一以上が、メソポーラスシリカである上記(1)記載の電解質形成用塗工液。
(3)メソ孔を有する、金属酸化物粒子及び導電性粒子から選ばれる一以上が、電解液100重量部に対して5〜20重量部含まれる上記(1)または(2)に記載の電解質形成用塗工液。
(4)電極基材と、電極基材上に形成され増感色素を細孔表面に担持させた多孔質半導体層と、多孔質半導体層に対向して配置された対極基材と、電極基材及び対極基材の間に配置される、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の塗工液から形成される電解質層とから構成される色素増感型太陽電池。
(5)上記(4)に記載の色素増感型太陽電池の複数を、直列または並列に接続してなる色素増感型太陽電池モジュール。
(1) A coating liquid for forming an electrolyte of a dye-sensitized solar cell, comprising an electrolytic solution comprising a redox couple and an ionic liquid, and metal oxide particles and conductive particles having mesopores An electrolyte forming coating solution containing at least one selected from the above.
(2) The electrolyte forming coating solution according to (1), wherein one or more selected from metal oxide particles and conductive particles having mesopores is mesoporous silica.
(3) The electrolyte according to (1) or (2) above, wherein one or more selected from metal oxide particles and conductive particles having mesopores is contained in an amount of 5 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrolytic solution. Forming coating liquid.
(4) an electrode base material, a porous semiconductor layer formed on the electrode base material with a sensitizing dye supported on the pore surface, a counter electrode base material disposed opposite the porous semiconductor layer, and an electrode base The dye-sensitized solar cell comprised from the electrolyte layer formed from the coating liquid in any one of said (1)-(3) arrange | positioned between a material and a counter electrode base material.
(5) A dye-sensitized solar cell module formed by connecting a plurality of the dye-sensitized solar cells according to (4) in series or in parallel.

本発明によれば、電解質を形成するための塗工液に、直径2〜50nm程度の細孔を有するメソポーラスシリカ等の金属酸化物粒子あるいは導電性粒子を含有させることで、塗工液から形成される電解質における電解液の保持性を高め、擬固体形状を長期にわたり安定に維持することができる。また、このような電解質を用いることにより、耐久性に優れた色素増感型太陽電池、及び色素増感型太陽電池モジュールを得ることができる。   According to the present invention, the coating liquid for forming the electrolyte is formed from the coating liquid by including metal oxide particles such as mesoporous silica having pores having a diameter of about 2 to 50 nm or conductive particles. Therefore, it is possible to improve the retention of the electrolytic solution in the electrolyte to be maintained, and to maintain the quasi-solid shape stably over a long period of time. Further, by using such an electrolyte, a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell module excellent in durability can be obtained.

本発明の色素増感型太陽電池の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the dye-sensitized solar cell of this invention.

次に、実施の形態に基づき本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の色素増感型太陽電池の一実施形態を示す断面図である。この色素増感型太陽電池1は、電極基材10と、電極基材10上に形成され増感色素を細孔表面に担持させた多孔質半導体層20と、多孔質半導体層20に対向して配置された対極基材40と、電極基材10及び対極基材40の間に形成された電解質層30とから概略構成されている。
Next, the present invention will be described in detail based on embodiments.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. This dye-sensitized solar cell 1 is opposed to an electrode substrate 10, a porous semiconductor layer 20 formed on the electrode substrate 10 with a sensitizing dye supported on the pore surface, and the porous semiconductor layer 20. And the counter electrode base material 40 disposed in a row, and the electrolyte layer 30 formed between the electrode base material 10 and the counter electrode base material 40.

以下、色素増感型太陽電池1を構成する各要素について説明する。   Hereinafter, each element which comprises the dye-sensitized solar cell 1 is demonstrated.

(1)電極基材及び対極基材
電極基材10及び対極基材40は、それぞれガラスやプラスチック等の基板の表面上に電極層を形成することによって得ることができる。基板は、透明であっても不透明であっても良いが、光の受光面側に位置する場合には、光の透過性に優れた透明基板であることが好ましい。さらに、耐熱性、耐候性、及び水蒸気等に対するガスバリア性に優れたものであることが好ましい。具体的には、石英ガラス、パイレックス(登録商標)、合成石英ガラス等の可撓性のない透明なリジット材、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリエーテルエーテルケトンフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリイミドフィルム、ポリエステルナフタレート等のプラスチックフィルムを挙げることができる。特に、プラスチックフィルムを基板としてこれに電極層を形成した可撓性フィルムからなる電極基材及び対極基材は好ましく使用される。これにより様々な用途に太陽電池を用いることができ、また太陽電池の軽量化、製造コストの削減を果たすことができる。なお、プラスチックフィルムは単独で基板として使用しても良く、2種以上の異なるプラスチックフィルムを積層した状態で使用しても良い。
(1) Electrode base material and counter electrode base material The electrode base material 10 and the counter electrode base material 40 can be obtained by forming an electrode layer on the surface of a substrate such as glass or plastic, respectively. The substrate may be transparent or opaque, but when it is located on the light receiving surface side, it is preferably a transparent substrate having excellent light transmittance. Furthermore, it is preferable that it is excellent in heat resistance, weather resistance, and gas barrier properties against water vapor and the like. Specifically, transparent flexible materials such as quartz glass, Pyrex (registered trademark), and synthetic quartz glass that are not flexible, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film, biaxially stretched polyethylene terephthalate film, polyethersulfone Examples thereof include plastic films such as a film, a polyether ether ketone film, a polyether imide film, a polyimide film, and a polyester naphthalate. In particular, an electrode base material and a counter electrode base material made of a flexible film in which a plastic film is used as a substrate and an electrode layer is formed thereon are preferably used. Thereby, a solar cell can be used for various uses, and the weight of the solar cell can be reduced and the manufacturing cost can be reduced. The plastic film may be used alone as a substrate, or may be used in a state where two or more different plastic films are laminated.

電極基材及び対極基材のそれぞれの基板の厚さとしては、15〜500μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of each of the electrode base material and the counter electrode base material is preferably in the range of 15 to 500 μm.

基板上に形成する電極層の材料としては、導電性に優れたものであれば特に限定はされないが、光の受光面側に位置する電極層においては、光の透過性に優れているものであることが好ましい。例えば、光の透過性に優れた材料として、SnO、ITO、IZO、ZnO等を挙げることができる。中でも、フッ素ドープしたSnO(FTO)、ITOは、導電性及び透過性の両方に優れているため特に好ましく用いられる。 The material of the electrode layer formed on the substrate is not particularly limited as long as it has excellent conductivity, but the electrode layer located on the light receiving surface side has excellent light transmission. Preferably there is. For example, as a material having excellent light permeability, may be mentioned SnO 2, ITO, IZO, ZnO or the like. Among these, fluorine-doped SnO 2 (FTO) and ITO are particularly preferably used because they are excellent in both conductivity and permeability.

また、電極基材側及び対極基材側の電極層は、各々の仕事関数を考慮して材料を選択することが好ましい。例えば、仕事関数が高い材料としては、Au、Ag、Co、Ni、Pt、C、ITO、SnO、フッ素をドープしたSnO、ZnO等を挙げることができる。一方、仕事関数が低い材料としては、Li、In、Al、Ca、Mg、Sm、Tb、Yb、Zr等を挙げることができる。 Moreover, it is preferable to select materials for the electrode layers on the electrode base material side and the counter electrode base material side in consideration of respective work functions. For example, a high work function materials include Au, Ag, Co, Ni, Pt, C, ITO, and SnO 2, SnO 2, ZnO or the like fluorine-doped. On the other hand, examples of the material having a low work function include Li, In, Al, Ca, Mg, Sm, Tb, Yb, and Zr.

なお、各々の電極層は、単層から構成されていても良く、また、異なる仕事関数の材料が積層されて構成されていても良い。   Each electrode layer may be formed of a single layer or may be formed by stacking materials having different work functions.

電極層の膜厚としては、0.1nm〜500nmの範囲内、好ましくは1nm〜300nmの範囲内である。   The film thickness of the electrode layer is in the range of 0.1 nm to 500 nm, preferably in the range of 1 nm to 300 nm.

このような電極層を形成する方法としては、特に限定はされないが、蒸着法、スパッタ法、CVD法等を挙げることができる。中でも、スパッタ法が好ましく用いられる。   A method for forming such an electrode layer is not particularly limited, and examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, and a CVD method. Among these, the sputtering method is preferably used.

また、対極基材40としては、上述のように基板に電極層を形成する形態の他、アルミニウム等からなる金属板、金属箔を用いることもできる。   Further, as the counter electrode base material 40, a metal plate or a metal foil made of aluminum or the like can be used in addition to the form in which the electrode layer is formed on the substrate as described above.

対極基材の、電解質層に面する側にはさらに触媒層を形成することにより、色素増感型太陽電池の発電効率をより向上させることができる。上記触媒層の例としては、Ptを蒸着した層や、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、あるいはポリスチレンスルホン酸をドープしたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT/PSS)等の導電性高分子からなる層を挙げることができるが、この限りではない。導電性高分子を含む触媒層を形成する際は、導電性高分子を溶媒に分散・溶解させ、各種コーティング法を用いて対極基材上に塗布した後、適宜乾燥させて溶媒を除去することにより触媒層を形成することができる。   The power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell can be further improved by further forming a catalyst layer on the side of the counter electrode substrate facing the electrolyte layer. Examples of the catalyst layer include Pt-deposited layers, conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polypyrrole, or poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS). However, the layer is not limited to this. When forming a catalyst layer containing a conductive polymer, the conductive polymer is dispersed and dissolved in a solvent, applied on the counter electrode substrate using various coating methods, and then dried appropriately to remove the solvent. Thus, a catalyst layer can be formed.

(2)多孔質半導体層
次に、多孔質半導体層20について説明する。多孔質半導体層は、金属酸化物半導体の粒子を有し、これに増感色素が担持され、光照射により増感色素から生じた電荷を伝導する機能を有している。
(2) Porous semiconductor layer Next, the porous semiconductor layer 20 will be described. The porous semiconductor layer has metal oxide semiconductor particles, on which a sensitizing dye is supported, and has a function of conducting charges generated from the sensitizing dye by light irradiation.

金属酸化物半導体粒子は、その細孔表面に増感色素が担持されることから、連通孔を有する多孔質であることが好ましい。このような多孔質とすることにより、多孔質半導体層の表面積が大きくなり、十分な量の増感色素を担持させることができる。また、後述する電解質層との接触面積も大きくなり、エネルギー変換効率を向上させることができる。   The metal oxide semiconductor particles are preferably porous having communication holes because the sensitizing dye is supported on the surface of the pores. By setting it as such a porous, the surface area of a porous semiconductor layer becomes large, and sufficient quantity of a sensitizing dye can be carry | supported. Moreover, a contact area with the electrolyte layer mentioned later becomes large, and energy conversion efficiency can be improved.

多孔質半導体層の膜厚としては、1μm〜100μmの範囲内、その中でも、5μm〜30μmの範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、多孔質半導体層の膜抵抗を小さくすることができ、また、多孔質半導体層による光吸収が十分に行われるからである。   The film thickness of the porous semiconductor layer is preferably in the range of 1 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 5 μm to 30 μm. This is because the film resistance of the porous semiconductor layer can be reduced within the above range, and light absorption by the porous semiconductor layer is sufficiently performed.

多孔質半導体層を形成する金属酸化物半導体粒子は、増感色素から発生した電荷を電極基材10の電極層へ伝導させることができるものであれば特に限定はされない。具体的には、TiO、ZnO、SnO、ITO、ZrO、SiO、MgO、Al、CeO、Bi、Mn、Y、WO、Ta、Nb、La等を挙げることができる。これらの金属酸化物半導体粒子は、いずれか一種を使用しても良く、また、2種以上を混合して使用してもよい。中でも、TiOを好ましく用いることができる。さらに、これらの内の一種をコア粒子とし、他の金属酸化物半導体粒子により、コア粒子を被覆してシェルを形成するコアシェル構造としてもよい。 The metal oxide semiconductor particles forming the porous semiconductor layer are not particularly limited as long as the charge generated from the sensitizing dye can be conducted to the electrode layer of the electrode substrate 10. Specifically, TiO 2, ZnO, SnO 2 , ITO, ZrO 2, SiO 2, MgO, Al 2 O 3, CeO 2, Bi 2 O 3, Mn 3 O 4, Y 2 O 3, WO 3, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , La 2 O 3 and the like can be mentioned. Any one kind of these metal oxide semiconductor particles may be used, or two or more kinds may be mixed and used. Among these, TiO 2 can be preferably used. Further, a core-shell structure in which one of these is used as a core particle and the core particle is covered with another metal oxide semiconductor particle to form a shell may be employed.

多孔質半導体層中の金属酸化物半導体粒子の含有量としては、40〜99.9重量%の範囲内、中でも、85〜99.5重量%の範囲内であることが好ましい。   The content of the metal oxide semiconductor particles in the porous semiconductor layer is preferably in the range of 40 to 99.9% by weight, and more preferably in the range of 85 to 99.5% by weight.

また、金属酸化物半導体粒子の粒径としては、1nm〜10μmの範囲内、特に、10nm〜500nmの範囲内であることが好ましい。上記範囲よりも粒子径が小さい場合には、そのような粒子の製造が困難となり、各々の粒子が凝集し、二次粒子を形成する可能性があるため好ましくない。一方、上記範囲よりも粒子径が大きい場合には、多孔質半導体層が厚膜化してしまい、抵抗が高くなるため好ましくない。   The particle size of the metal oxide semiconductor particles is preferably in the range of 1 nm to 10 μm, particularly in the range of 10 nm to 500 nm. When the particle diameter is smaller than the above range, it is difficult to produce such particles, and it is not preferable because each particle may aggregate to form secondary particles. On the other hand, when the particle diameter is larger than the above range, the porous semiconductor layer becomes thicker and the resistance becomes higher, which is not preferable.

粒径の異なる同種または異種の金属酸化物半導体粒子を混合して用いてもよい。これにより、光散乱効果を高めることができ、多孔質半導体層内により多くの光を閉じ込めることができるため、増感色素における光吸収を効率的に行うことができる。例えば、10〜50nmの金属酸化物半導体粒子と、50〜200nmの金属酸化物半導体粒子とを混合して用いる場合を挙げることができる。   A mixture of the same or different metal oxide semiconductor particles having different particle diameters may be used. Thereby, the light scattering effect can be enhanced and more light can be confined in the porous semiconductor layer, so that light absorption by the sensitizing dye can be efficiently performed. For example, the case where 10-50 nm metal oxide semiconductor particle and 50-200 nm metal oxide semiconductor particle are mixed and used can be mentioned.

金属酸化物半導体粒子に担持させる増感色素は、光を吸収し起電力を生じさせることが可能なものであれば特に限定はされない。具体的には、有機色素または金属錯体色素を使用することができる。例えば有機色素としては、アクリジン系、アゾ系、インジゴ系、キノン系、クマリン系、メロシアニン系、フェニルキサンテン系、インドリン系、スクアリウム系の色素が挙げられる。特に、クマリン系が好適に用いられる。   The sensitizing dye supported on the metal oxide semiconductor particles is not particularly limited as long as it can absorb light and generate an electromotive force. Specifically, an organic dye or a metal complex dye can be used. Examples of organic dyes include acridine, azo, indigo, quinone, coumarin, merocyanine, phenylxanthene, indoline, and squalium dyes. In particular, a coumarin system is preferably used.

また、金属錯体色素としては、ルテニウム系色素、特にルテニウムビピリジン色素及びルテニウムターピリジン色素が好ましく用いられる。このような増感色素を金属酸化物半導体粒子の細孔表面に担持させることにより、可視光の範囲まで効率的に取り込んで光電変換を生じさせることができる。   As the metal complex dye, a ruthenium dye, particularly a ruthenium bipyridine dye and a ruthenium terpyridine dye are preferably used. By supporting such a sensitizing dye on the pore surfaces of the metal oxide semiconductor particles, it is possible to efficiently take in the visible light range and cause photoelectric conversion.

多孔質半導体層を形成する方法としては、特に限定はされないが、塗布法により形成することが好ましい。すなわち、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミル、プラネタリーミキサー等の公知の分散機を用いて、金属酸化物半導体粒子を溶媒に分散させた塗工液を調製し、この塗工液を電極基材10の電極層上に塗布し、乾燥させ、必要に応じてさらに焼成する。その後、金属酸化物半導体粒子の表面に増感色素を吸着させることにより、増感色素が担持された多孔質半導体層を形成することができる。   The method for forming the porous semiconductor layer is not particularly limited, but it is preferably formed by a coating method. That is, using a known disperser such as a homogenizer, a ball mill, a sand mill, a roll mill, or a planetary mixer, a coating liquid in which metal oxide semiconductor particles are dispersed in a solvent is prepared. It is applied onto the electrode layer, dried, and further baked as necessary. Thereafter, the porous semiconductor layer carrying the sensitizing dye can be formed by adsorbing the sensitizing dye on the surface of the metal oxide semiconductor particles.

金属酸化物半導体粒子の塗工液に使用する溶媒としては、特に限定はされない。具体的には、クロロホルム、塩化メチレン、ジクロロエタン等の塩素系溶媒、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチルセルソルブアセテート等のエステル系溶媒、イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、ブチルアルコール等のアルコール系溶媒、その他、N−メチル−2−ピロリドン、及び純水等を挙げることができる。   The solvent used in the metal oxide semiconductor particle coating solution is not particularly limited. Specifically, chlorine solvents such as chloroform, methylene chloride, dichloroethane, ether solvents such as tetrahydrofuran, aromatic hydrocarbon solvents such as toluene and xylene, ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, ethyl acetate, butyl acetate And ester solvents such as ethyl cellosolve acetate, alcohol solvents such as isopropyl alcohol, ethanol, methanol and butyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidone, and pure water.

その他、必要に応じて、多孔質半導体層の形成に使用する塗工液の塗工適性を向上させるために、各種添加剤を用いてもよい。添加剤としては、界面活性剤、粘度調整剤、分散助剤、pH調節剤等を用いることができる。pH調整剤としては、例えば、硝酸、塩酸、酢酸、アンモニア等を挙げることができる。   In addition, various additives may be used as necessary in order to improve the coating suitability of the coating liquid used for forming the porous semiconductor layer. As the additive, a surfactant, a viscosity adjuster, a dispersion aid, a pH adjuster and the like can be used. Examples of the pH adjuster include nitric acid, hydrochloric acid, acetic acid, ammonia and the like.

金属酸化物半導体粒子を含む塗工液を塗布する方法としては、公知の塗布方法であれば特に限定はされないが、具体的には、ダイコート、グラビアコート、グラビアリバースコート、ロールコート、リバースロールコート、バーコート、ブレードコート、ナイフコート、エアナイフコート、スロットダイコート、スライドダイコート、ディップコート、マイクロバーコート、マイクロバーリバースコートや、スクリーン印刷等を挙げることができる。このような塗布法を用い、一回または複数回、塗布及び乾燥を繰り返すことにより多孔質半導体層を所望の膜厚になるよう調整して形成する。   The method for applying the coating liquid containing metal oxide semiconductor particles is not particularly limited as long as it is a known application method, and specifically, die coating, gravure coating, gravure reverse coating, roll coating, reverse roll coating. , Bar coating, blade coating, knife coating, air knife coating, slot die coating, slide die coating, dip coating, micro bar coating, micro bar reverse coating, screen printing, and the like. Using such a coating method, the porous semiconductor layer is formed so as to have a desired film thickness by repeating coating and drying once or a plurality of times.

塗布、乾燥させた後、必要に応じて焼成を行う。これにより、多孔質半導体層の均質化、高密度化を図ることができ、金属酸化物半導体粒子間の結着性が高まるため、電荷の伝導性を向上させることができる。また、電極基材と多孔質半導体層との密着性も向上させることができる。焼成する温度、時間は、多孔質半導体層の膜厚等によって異なり限定されるものではないが、一般的には300〜700℃で5〜120分程度である。また、電極基材が可撓性フィルムから構成される場合は、フィルムの耐熱温度以下で乾燥・焼成を行うことが好ましい。   After coating and drying, baking is performed as necessary. Thereby, the porous semiconductor layer can be homogenized and densified, and the binding property between the metal oxide semiconductor particles is increased, so that the charge conductivity can be improved. Moreover, the adhesiveness of an electrode base material and a porous semiconductor layer can also be improved. The firing temperature and time vary depending on the film thickness of the porous semiconductor layer and are not limited, but are generally about 300 to 700 ° C. for about 5 to 120 minutes. Moreover, when an electrode base material is comprised from a flexible film, it is preferable to perform drying and baking below the heat-resistant temperature of a film.

増感色素を担持させる方法としては、例えば、増感色素の溶液に乾燥・焼成した金属酸化物半導体粒子を浸漬させ、その後、乾燥させる方法や、増感色素の溶液を金属酸化物半導体粒子上に塗布し、浸透させた後、乾燥させる方法等を挙げることができる。増感色素の溶液に使用する溶媒は、用いる色素増感剤の種類に応じて、水系溶媒、有機系溶媒から適宜選択する。   Examples of the method of supporting the sensitizing dye include, for example, a method in which the dried and fired metal oxide semiconductor particles are immersed in a sensitizing dye solution and then drying, or a sensitizing dye solution on the metal oxide semiconductor particles. The method of drying after apply | coating to it, making it infiltrate, etc. can be mentioned. The solvent used in the sensitizing dye solution is appropriately selected from an aqueous solvent and an organic solvent according to the type of the dye sensitizer used.

(3)電解質層
次に、電解質層30について説明する。電解質層30は、電極基材10及び対極基材40の間に形成され、酸化還元対及びイオン性液体からなる電解液と、メソ孔を有する、金属酸化物粒子及び導電性粒子から選ばれる一以上とを少なくとも含む塗工液から作製される。
(3) Electrolyte Layer Next, the electrolyte layer 30 will be described. The electrolyte layer 30 is formed between the electrode substrate 10 and the counter electrode substrate 40, and is selected from an electrolytic solution composed of a redox pair and an ionic liquid, and metal oxide particles and conductive particles having mesopores. It is produced from a coating solution containing at least the above.

酸化還元対としては、一般的に電解質層において用いられているものから適宜選択することができる。具体的には、ヨウ素の酸化還元対、もしくは臭素の酸化還元対が好ましく用いられる。ヨウ素の酸化還元対としては、ヨウ素とヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化カルシウム、TPAI(テトラプロピルアンモニウムヨージド)等のヨウ化物との組み合わせを挙げることができる。また、臭素の酸化還元対としては、臭素と臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化カルシウム等の臭化物との組み合わせを挙げることができる。   The redox couple can be appropriately selected from those generally used in the electrolyte layer. Specifically, a redox couple of iodine or a redox couple of bromine is preferably used. Examples of the redox pair of iodine include combinations of iodine and iodides such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, calcium iodide, and TPAI (tetrapropylammonium iodide). Examples of the redox pair of bromine include combinations of bromine and bromides such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, and calcium bromide.

電解質層30中の酸化還元対の濃度は、酸化還元対の種類によっても異なり特に限定されるものではないが、一般に、ヨウ素あるいは臭素の酸化還元対を用いる場合、ヨウ素もしくは臭素が電解質層中0.01〜0.5mol/l、ヨウ化物もしくは臭化物が0.1〜5mol/lとすることが好ましい。   The concentration of the redox couple in the electrolyte layer 30 varies depending on the type of the redox couple and is not particularly limited. In general, when an iodine or bromine redox couple is used, iodine or bromine is 0% in the electrolyte layer. 0.01 to 0.5 mol / l, and iodide or bromide is preferably 0.1 to 5 mol / l.

イオン性液体(常温溶融塩)は、電解質の粘性を下げ、イオンの伝導性を改善して光電変換効率を向上させるものである。イオン性液体は蒸気圧が極めて低く、室温では実質的に殆ど蒸発せず、一般的な有機溶媒のように揮発や引火の心配がないことから、揮発によるセル特性の低下を防止することができる。   The ionic liquid (room temperature molten salt) lowers the viscosity of the electrolyte, improves the conductivity of ions, and improves the photoelectric conversion efficiency. Ionic liquids have a very low vapor pressure, and hardly evaporate at room temperature. There is no fear of volatilization or ignition like ordinary organic solvents, so it is possible to prevent deterioration of cell characteristics due to volatilization. .

上記イオン性液体としては、例えば、カチオンが、1−メチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウム、1−オクタデシル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−オクタデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム系、1−メチル−ピリジウム、1−ブチル−ピリジウム、1−ヘキシル−ピリジウム等のピリジウム系、脂環式アミン系、脂肪族アミン系であるもの、アニオンが、ヨウ素イオン、臭素イオン、塩素イオン、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロボレート、トリフルオロメタンスルホネート、トリフルオロアセテート等のフッ素系、シアネート系、チオシアネート系であるもの等を挙げることができる。これらの物質は、いずれか一種を単独で用いても良いし、複数を混合して用いても良い。   Examples of the ionic liquid include 1-methyl-3-methylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, and 1-hexyl-3-methylimidazole. 1-octyl-3-methylimidazolium, 1-octadecyl-3-methylimidazolium, 1-methyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-hexyl- Imidazolium compounds such as 2,3-dimethylimidazolium, 1-octyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-octadecyl-2,3-dimethylimidazolium, 1-methyl-pyridium, 1-butyl-pyridium, 1 -Pyridines such as hexyl-pyridium, alicyclic amines, aliphatic amines, Anion is, may be mentioned iodine ion, a bromine ion, a chlorine ion, tetrafluoroborate, hexafluoro borate, trifluoromethanesulfonate, fluorine-based, such as trifluoroacetate, cyanate system, such as those thiocyanates system. Any one of these substances may be used alone, or a plurality of these substances may be mixed and used.

特に、ヨウ素をアニオンとするヨウ化物系イオン性液体を用いることが好ましい。具体的には、例えば、1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−n−プロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド等を挙げることができる。これらのヨウ化物系イオン性液体は、ヨウ素イオンの供給源であり上述の酸化還元対としても機能させることができる。   In particular, it is preferable to use an iodide ionic liquid having iodine as an anion. Specifically, for example, 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, 1-methyl-3-n-propylimidazolium iodide, 1-propyl-3-methylimidazolium iodide, 1 -Butyl-2,3-dimethylimidazolium iodide, 1-hexyl-3-methylimidazolium iodide, etc. can be mentioned. These iodide ionic liquids are a source of iodine ions and can also function as the above-described redox couple.

電解質層中のイオン性液体の濃度は、イオン性液体の種類等によっても異なるが、電解質層中に1〜95重量%、特に30〜95重量%含有させることが好ましい。ヨウ化物系イオン性液体のように、酸化還元対としても機能させるイオン性液体については、酸化還元対として含有させることとし、上記の酸化還元対について述べた濃度とすることが好ましく、すなわち電解質層中に0.1〜5mol/l含有させることが好ましい。その場合、上述の酸化還元対として、そのヨウ化物系イオン性液体以外のヨウ化物は含んでも含んでいなくても良く、結果として酸化還元対として機能するヨウ化物の合計濃度が0.1〜5mol/lであれば良い。   The concentration of the ionic liquid in the electrolyte layer varies depending on the type of the ionic liquid, but is preferably 1 to 95% by weight, particularly 30 to 95% by weight in the electrolyte layer. An ionic liquid that also functions as a redox pair, such as an iodide ionic liquid, is preferably contained as a redox pair, and preferably has the concentration described for the redox pair, that is, the electrolyte layer. It is preferable to contain 0.1-5 mol / l in. In that case, as the above-described redox couple, iodides other than the iodide-based ionic liquid may or may not be contained. As a result, the total concentration of iodides functioning as the redox couple is 0.1 to 10. It may be 5 mol / l.

そして本発明は、電解質層30に、メソ孔を有する金属酸化物粒子又は導電性粒子を含有させることを特徴とする。ここでメソ孔とは、IUPAC(国際純正・応用化学連合)において定義されており、2nm以上50nm以下の孔径を有する細孔を意味する。従来ゼオライト等に見られる一般的な細孔(0.5〜2nmのマイクロ孔)に比べて大きいメソ孔を有する粒子を用いることにより、細孔内に電解液を保持し、電解質層の擬固体形状を長期にわたり維持することができる。なお、これらの金属酸化物粒子又は導電性粒子は、いずれか一方を含有させても良いし、両方を混合した状態で含有させても良い。   The present invention is characterized in that the electrolyte layer 30 contains metal oxide particles or conductive particles having mesopores. Here, the mesopores are defined in IUPAC (International Pure and Applied Chemistry Association) and mean pores having a pore diameter of 2 nm or more and 50 nm or less. By using particles that have larger mesopores than conventional pores (0.5 to 2 nm micropores) commonly found in zeolites, etc., the electrolyte solution is retained in the pores, and the quasi-solid state of the electrolyte layer The shape can be maintained for a long time. In addition, any one of these metal oxide particles or conductive particles may be contained, or both may be contained in a mixed state.

メソ孔としては、例えば粒子の表面に細孔がハニカム状に規則的に配列した状態や、あるいは不規則に配列したものであっても良い。また、メソ孔の孔径は2〜50nmであれば良いが、好ましくは2〜10nmである。なお、この場合の孔径は、孔の断面形状が円であればその直径をいい、楕円等の変形した断面形状の場合は最も長い部分をいう。さらに、メソ孔を有する粒子の形状としては、球状、不定形、ロッド状等の各種形状が適用可能である。粒子の粒径は特に限定されるものではなく、電解液との混和性に優れ、セルギャップ以下の大きさであれば良い。一般には、大き過ぎると電池の光電変換効率が低下し、逆に小さ過ぎると電解液の保持力が低下する可能性があるため、これらのバランスを考慮して適宜設定される。具体的には、300nm〜1μmとすることが好ましい。なお、ここでいう粒径とは、粒子が球状以外である場合は最も長い部分の粒径をいう。   The mesopores may be, for example, a state in which pores are regularly arranged in a honeycomb shape on the surface of the particles, or irregularly arranged. The mesopore diameter may be 2 to 50 nm, preferably 2 to 10 nm. In addition, the hole diameter in this case means the diameter when the cross-sectional shape of the hole is a circle, and means the longest portion when the cross-sectional shape is deformed such as an ellipse. Furthermore, as the shape of the particles having mesopores, various shapes such as a spherical shape, an irregular shape, and a rod shape are applicable. The particle size of the particles is not particularly limited, and may be any size as long as it is excellent in miscibility with the electrolyte and has a cell gap or less. In general, if it is too large, the photoelectric conversion efficiency of the battery is lowered. On the other hand, if it is too small, the holding power of the electrolyte may be lowered. Specifically, the thickness is preferably 300 nm to 1 μm. In addition, the particle diameter here means the particle diameter of the longest part when the particles are other than spherical.

粒子の孔径に関する情報は、窒素吸着法により得ることができる。具体的には、窒素ガス吸着測定の結果から、Berret−Joyner−Halenda(BJH)法により孔径分布を求めることができる。本発明に好適に用いられる平均細孔径は、好ましくは1〜20nmであり、更に好ましくは2〜10nmの範囲に含まれる。また、窒素吸着法により測定される、粒子の比表面積及び細孔容積は、それぞれ400〜1500m/g、0.1〜3.0cm/gであることが好ましい。 Information on the pore size of the particles can be obtained by a nitrogen adsorption method. Specifically, the pore size distribution can be determined by the Berret-Joyner-Halenda (BJH) method from the results of nitrogen gas adsorption measurement. The average pore diameter suitably used in the present invention is preferably 1 to 20 nm, and more preferably 2 to 10 nm. Moreover, it is preferable that the specific surface area and pore volume of particle | grains measured by a nitrogen adsorption method are 400-1500 m < 2 > / g and 0.1-3.0 cm < 3 > / g, respectively.

上記のようなメソ孔を有する金属酸化物粒子としては、メソポーラスな酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化鉄、シリカ、アルミナ等の粒子を挙げることができる。中でも、メソポーラスシリカは、空孔率が高く、また機械特性にも優れるため特に好ましい。   Examples of the metal oxide particles having mesopores as described above include mesoporous titanium oxide, zinc oxide, cerium oxide, iron oxide, silica, alumina, and the like. Among these, mesoporous silica is particularly preferable because of its high porosity and excellent mechanical properties.

メソ孔を有する金属酸化物粒子は、種類に応じて、従来知られた各種方法により得ることができる。例えば、メソポーラスシリカは、一般的には界面活性剤を鋳型としたゾルゲル法を用いて製造される。具体的には、まず水溶液中に臨界ミセル濃度以上の濃度で界面活性剤を溶解させ、界面活性剤の種類に応じて一定の大きさと構造を有するミセル粒子を形成させる。これをしばらく静置するとミセル粒子が充填構造をとり、コロイド結晶となるので、溶液中にシリカ源となるテトラエトキシシラン等を加え、微量の酸あるいは塩基を触媒として加えると、コロイド粒子の隙間でゾルゲル反応が進行し、シリカゲル骨格が形成される。これを高温で焼成することにより、鋳型とした界面活性剤が分解・除去されて純粋なメソポーラスシリカを得ることができる。   The metal oxide particles having mesopores can be obtained by various conventionally known methods depending on the type. For example, mesoporous silica is generally produced using a sol-gel method using a surfactant as a template. Specifically, a surfactant is first dissolved in an aqueous solution at a concentration equal to or higher than the critical micelle concentration, and micelle particles having a certain size and structure are formed according to the type of the surfactant. When this is left standing for a while, the micelle particles take a packed structure and become colloidal crystals. Therefore, when tetraethoxysilane or the like serving as a silica source is added to the solution and a small amount of acid or base is added as a catalyst, The sol-gel reaction proceeds and a silica gel skeleton is formed. By baking this at a high temperature, the surfactant used as a template is decomposed and removed, and pure mesoporous silica can be obtained.

また、メソ孔を有する導電性粒子としては、メソ孔を有するカーボンブラック、人工黒鉛、カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等の粒子、あるいはメソポーラスな金属粒子を挙げることができる。   Examples of the conductive particles having mesopores include particles such as carbon black having mesopores, artificial graphite, carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes, and mesoporous metal particles.

例えば、メソポーラス金属粒子は、両親媒性ブロックコポリマーを自己組織化させることで大きなサイズの分子集合体を形成させ、この分子集合体を直接鋳型として用いて、電解析出条件の精密な制御の下、金属イオンを還元することにより得ることができる。   For example, mesoporous metal particles form a large-sized molecular assembly by self-organizing an amphiphilic block copolymer, and this molecular assembly is directly used as a template, under precise control of electrolytic deposition conditions. It can be obtained by reducing metal ions.

電解質層30中のメソ孔を有する金属酸化物粒子又は導電性粒子の含有量は、大き過ぎると電解質形成用塗工液の塗工性が低下し、逆に小さ過ぎると電解液の保持力が得られないため、これらを考慮して適宜設定される。具体的には、酸化還元対及びイオン性液体からなる電解液100重量部に対してメソ孔を有する粒子の合計量を5〜20重量部とすることが好ましい。ただし、塗工液を有機溶媒等で希釈し、電解質層として塗工した後に有機溶媒を揮発させる方法をとることによって、20重量部以上の添加量とすることも可能である。   If the content of the metal oxide particles or conductive particles having mesopores in the electrolyte layer 30 is too large, the coating property of the electrolyte forming coating solution is lowered, and conversely if the content is too small, the holding power of the electrolyte solution is reduced. Since it cannot be obtained, it is appropriately set in consideration of these. Specifically, the total amount of particles having mesopores is preferably 5 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrolytic solution composed of the redox couple and the ionic liquid. However, it is also possible to add 20 parts by weight or more by diluting the coating solution with an organic solvent or the like and volatilizing the organic solvent after coating as an electrolyte layer.

電解質層30には、さらに必要に応じて、高分子材料を含有させても良い。高分子材料は、酸化還元対及びイオン性液体を保持し安定な固体状電解質層を形成するものである。そのような高分子材料としては、例えば、セルロース誘導体、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアクリル酸エステル系樹脂、ポリメタクリル酸メチル等のポリメタクリル酸エステル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂、さらには、ポリエチレングリコールのような多価アルコール類を挙げることができる。これらは単独で使用してもよく、複数を混合して使用してもよい。これらの中でも、セルロース誘導体、ポリメタクリル酸エステル系樹脂、及びフッ素系樹脂は好ましく用いられ、さらにセルロース誘導体は酸化還元対及びイオン性液体の保持性に優れるため特に好ましく用いられる。   The electrolyte layer 30 may further contain a polymer material as necessary. The polymer material holds a redox couple and an ionic liquid and forms a stable solid electrolyte layer. Examples of such a polymer material include cellulose derivatives, polyester resins, polyamide resins, polyacrylate resins, polymethacrylate resins such as polymethyl methacrylate, polycarbonate resins, polyurethane resins, and polyolefin resins. Examples thereof include resins, polyvinyl acetal resins, fluorine resins such as polyvinylidene fluoride, polyimide resins, and polyhydric alcohols such as polyethylene glycol. These may be used alone or in combination. Among these, cellulose derivatives, polymethacrylic ester resins, and fluororesins are preferably used, and cellulose derivatives are particularly preferably used because they are excellent in redox pair and ionic liquid retention.

セルロース誘導体の例としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等を挙げることができ、中でもエチルセルロースが好ましく用いられる。   Examples of cellulose derivatives include methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose and the like, and among them, ethyl cellulose is preferably used.

高分子材料の分子量は、種類によって異なり特に限定されない。例えば、高分子材料としてエチルセルロースを用いる場合には、エタノール溶媒に5重量%でエチルセルロースを溶解させ、25℃で粘度測定を行った場合の値で、10〜1000mPa・sの粘度を示すような分子量とすることが好ましい。   The molecular weight of the polymer material varies depending on the type and is not particularly limited. For example, when ethyl cellulose is used as the polymer material, the molecular weight is 10 to 1000 mPa · s at a value obtained by dissolving ethyl cellulose at 5% by weight in an ethanol solvent and measuring the viscosity at 25 ° C. It is preferable that

電解質層30中の高分子材料の濃度は、大き過ぎると太陽電池の光電変換効率が低下するため、これらを考慮して適宜設定される。具体的には、電解質層30中に30重量%以下の量で含有させることができる。   If the concentration of the polymer material in the electrolyte layer 30 is too large, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is lowered. Specifically, it can be contained in the electrolyte layer 30 in an amount of 30% by weight or less.

その他、電解質層30には、耐久性の向上、開放電圧値の向上等を目的として、種々の添加剤を含有させることができる。添加剤の具体例としては、グアニジウムチオシアネート、ターシャリーブチルピリジン、N−メチルベンゾイミダゾール等を挙げることができる。これら添加剤の電解質層中の濃度は、各種添加剤を合計して電解質層中1mol/l以下とすることが好ましい。   In addition, the electrolyte layer 30 can contain various additives for the purpose of improving durability, improving open-circuit voltage value, and the like. Specific examples of the additive include guanidinium thiocyanate, tertiary butyl pyridine, N-methylbenzimidazole and the like. The concentration of these additives in the electrolyte layer is preferably 1 mol / l or less in the electrolyte layer by adding the various additives.

電解質層30の膜厚は、多孔質半導体層20の膜厚も含めて2μm〜150μmの範囲内、その中でも、10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。膜厚が小さ過ぎると多孔質半導体層と対極基材とが接触して短絡の原因となる可能性があり、逆に膜厚が大き過ぎると内部抵抗が大きくなり性能低下につながるため好ましくない。   The thickness of the electrolyte layer 30 is preferably in the range of 2 μm to 150 μm including the thickness of the porous semiconductor layer 20, and preferably in the range of 10 μm to 50 μm. If the film thickness is too small, the porous semiconductor layer and the counter electrode base material may come into contact with each other and cause a short circuit. On the other hand, if the film thickness is too large, the internal resistance increases and the performance is deteriorated.

電解質層30の形成方法としては、電解質層の形成に用いる塗工液を、多孔質半導体層20上に塗布し、乾燥等することにより形成する方法(以下、塗布法という)、あるいは多孔質半導体層20を形成した電極基材10と対極基材40とを所定の間隙を有するように配置させ、その間隙に塗工液を注入することによって電解質層を形成する方法(以下、注入法という)等を挙げることができる。   As a method for forming the electrolyte layer 30, a method of forming a coating liquid used for forming the electrolyte layer by applying it on the porous semiconductor layer 20 and drying it (hereinafter referred to as a coating method), or a porous semiconductor. A method of forming an electrolyte layer by arranging the electrode substrate 10 on which the layer 20 is formed and the counter electrode substrate 40 so as to have a predetermined gap and injecting a coating liquid into the gap (hereinafter referred to as an injection method). Etc.

塗工液は、必要に応じて、溶媒により希釈することができる。溶媒としては、例えばエタノール等のアルコール系溶媒、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、N−メチルピロリドン等のアミド系溶媒、純水等を挙げることができる。   The coating liquid can be diluted with a solvent as necessary. Examples of the solvent include alcohol solvents such as ethanol, ketone solvents such as methyl ethyl ketone, amide solvents such as N-methylpyrrolidone, and pure water.

塗布法において、塗工液を多孔質半導体層20上に塗布する手段としては、公知の手段を用いることができ、具体的には、ダイコート、グラビアコート、グラビアリバースコート、ロールコート、リバースロールコート、バーコート、ブレードコート、ナイフコート、エアナイフコート、スロットダイコート、スライドダイコート、ディップコート、マイクロバーコート、マイクロバーリバースコートや、スクリーン印刷等を挙げることができる。塗工した後、溶媒を含む場合は適宜乾燥させて溶媒を除去することにより電解質層を形成することができる。   In the coating method, known means can be used as means for applying the coating liquid onto the porous semiconductor layer 20, and specifically, die coating, gravure coating, gravure reverse coating, roll coating, reverse roll coating. , Bar coating, blade coating, knife coating, air knife coating, slot die coating, slide die coating, dip coating, micro bar coating, micro bar reverse coating, screen printing, and the like. After coating, when the solvent is contained, the electrolyte layer can be formed by drying it appropriately and removing the solvent.

塗工液には、高分子材料を含む場合、添加剤として架橋剤、光重合開始剤等を含有させ、多孔質半導体層上に塗工液を塗布した後、光照射を行うことで電解質層を硬化させても良い。   When the coating liquid contains a polymer material, it contains a crosslinking agent, a photopolymerization initiator, etc. as additives, and after applying the coating liquid on the porous semiconductor layer, the electrolyte layer is irradiated with light. May be cured.

このようにして形成した電解質層30に対し、対極基材40の触媒層側を貼り合わせることにより、本発明の色素増感型太陽電池を得ることができる。   The dye-sensitized solar cell of the present invention can be obtained by bonding the catalyst layer side of the counter electrode substrate 40 to the electrolyte layer 30 thus formed.

電解質層30を注入法により形成する場合は、まず多孔質半導体層20を形成した電極基材10及び対極基材40が所定の間隙を有して対向するように配置する。この際の間隙としては、電極基材10及び対極基材40の間の距離が2μm〜150μmになるように設定することが好ましい。対極基材40を所定の間隙を有して配置するために、電極基材10側または対極基材40側のいずれか一方にスペーサを設置することができる。このようなスペーサとしては、公知のガラススペーサ、樹脂スペーサが挙げられる。   When the electrolyte layer 30 is formed by an injection method, first, the electrode base material 10 and the counter electrode base material 40 on which the porous semiconductor layer 20 is formed are arranged so as to face each other with a predetermined gap. The gap at this time is preferably set so that the distance between the electrode substrate 10 and the counter electrode substrate 40 is 2 μm to 150 μm. In order to arrange the counter electrode base material 40 with a predetermined gap, a spacer can be provided on either the electrode base material 10 side or the counter electrode base material 40 side. Examples of such a spacer include known glass spacers and resin spacers.

次に、電解質層の形成に用いる塗工液を、毛細管現象を利用する等して間隙に注入し、温度調整、紫外線照射または電子線照射等を行うことによって場合により硬化させ、電解質層30を形成することができる。これにより、色素増感型太陽電池を得ることができる。   Next, a coating solution used for forming the electrolyte layer is injected into the gap by utilizing a capillary phenomenon or the like, and is optionally cured by performing temperature adjustment, ultraviolet irradiation, electron beam irradiation, or the like. Can be formed. Thereby, a dye-sensitized solar cell can be obtained.

さらに、上述のようにして得られた色素増感型太陽電池1の複数を、直列または並列に接続することにより色素増感型太陽電池モジュールを得ることができる。具体的には、例えば、複数個の色素増感型太陽電池を平面状または曲面状に配列させ、それぞれの電池を導電性の部材を用いて電気的に接続するとともに、端部から正極または負極の電極リードを引き出してモジュール化することができる。モジュールを構成する色素増感型太陽電池の個数は任意であり、所望の電圧が得られるように自由に設計することができる。   Furthermore, a dye-sensitized solar cell module can be obtained by connecting a plurality of the dye-sensitized solar cells 1 obtained as described above in series or in parallel. Specifically, for example, a plurality of dye-sensitized solar cells are arranged in a planar shape or a curved shape, and each cell is electrically connected using a conductive member, and the positive or negative electrode is connected from the end. The electrode lead can be pulled out and modularized. The number of dye-sensitized solar cells constituting the module is arbitrary, and can be freely designed so as to obtain a desired voltage.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、これに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, it is not limited to this.

(実施例1)
・電解液の作製
イオン性液体として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−テトラシアノボレート(EMIm−B(CN4))と1−メチル−3−n−プロピルイミダゾリウムアイオダイド(MPImI)を体積比7:13で混合(91.4重量%)、さらにヨウ素0.2mol/l、グアニジウムチオシアネート0.1mol/l、N−メチルベンゾイミダゾール(NMBI)0.5mol/lの分量で適量溶解させ、電解液を調製した。
Example 1
-Preparation of electrolyte solution Volume of 1-ethyl-3-methylimidazolium-tetracyanoborate (EMIm-B (CN4)) and 1-methyl-3-n-propylimidazolium iodide (MPImI) as ionic liquids Mixed at a ratio of 7:13 (91.4% by weight), further dissolved in an amount of 0.2 mol / l iodine, 0.1 mol / l guanidinium thiocyanate, 0.5 mol / l N-methylbenzimidazole (NMBI) To prepare an electrolytic solution.

・電解質形成用塗工液の作製
メソポーラスシリカフィラー(アドマテックス社製)を電解液100重量部に対して10重量部添加し、ゲル状の電解質形成用塗工液を得た。なお、上記メソポーラスシリカフィラーは、平均粒径530nm、孔径が4nmのものを用いた。
-Production of electrolyte forming coating solution 10 parts by weight of mesoporous silica filler (manufactured by Admatechs) was added to 100 parts by weight of the electrolyte solution to obtain a gel-like electrolyte forming coating solution. The mesoporous silica filler used had an average particle size of 530 nm and a pore size of 4 nm.

・電極基材及び多孔質半導体層の作製
透明な電極基材として、ガラス板上にFTO膜(フッ素ドープ酸化スズ)が形成された透明導電ガラス(日本板硝子社製)を用意し、酸化チタンペーストNanooxide
D−SP(solaronix社製)をスクリーン印刷法にて4mm□のパターンに塗布し、その後550℃で焼成して、多数の半導体微粒子(TiO微粒子)によって形成された膜厚10μmの多孔質半導体層を得た。その後、増感色素としてルテニウム錯体(Dyesole社製;N719)を濃度が3×10−4mol/lとなるようにアセトニトリルとtert−ブチルアルコールの体積比1:1溶媒に溶解させた色素担持用溶液に、上述の多孔質半導体層を室温にて20時間浸漬した。次いで、多孔質半導体層を色素担持用溶液から引き上げ、付着した色素担持用溶液をアセトニトリルにより洗浄後、風乾した。これにより、多孔質半導体層を形成している酸化チタン微粒子表面に増感色素を担持させ、基板サイズ10mm□の電極基材(多孔質半導体層付き)を得た。
-Preparation of electrode substrate and porous semiconductor layer As a transparent electrode substrate, transparent conductive glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) with an FTO film (fluorine-doped tin oxide) formed on a glass plate is prepared, and titanium oxide paste Nanooxide
A porous semiconductor having a film thickness of 10 μm formed by a large number of semiconductor fine particles (TiO 2 fine particles) formed by applying D-SP (manufactured by solaronix) to a 4 mm square pattern by screen printing and firing at 550 ° C. A layer was obtained. Thereafter, a ruthenium complex (manufactured by Dyesole; N719) as a sensitizing dye was dissolved in a solvent having a volume ratio of acetonitrile and tert-butyl alcohol of 1: 1 so that the concentration was 3 × 10 −4 mol / l. The porous semiconductor layer described above was immersed in the solution at room temperature for 20 hours. Next, the porous semiconductor layer was pulled up from the dye-carrying solution, and the attached dye-carrying solution was washed with acetonitrile and then air-dried. As a result, a sensitizing dye was supported on the surface of the titanium oxide fine particles forming the porous semiconductor layer, and an electrode substrate (with a porous semiconductor layer) having a substrate size of 10 mm □ was obtained.

・対極基材の作製
上述の透明導電ガラス上に白金膜(膜厚300nm)をスパッタリング法によって形成して10mm□の対極基材を作製した。
-Production of counter electrode base material A platinum film (film thickness of 300 nm) was formed on the above-mentioned transparent conductive glass by a sputtering method to produce a 10 mm □ counter electrode base material.

・電解質層の形成
ゲル状の上記塗工液をスクリーン印刷法によって、多孔質半導体層の上に4mm□のパターンで塗布し、電解質層を形成した。
-Formation of electrolyte layer The said gel-like coating liquid was apply | coated with the pattern of 4 mm (square) on the porous semiconductor layer by the screen-printing method, and the electrolyte layer was formed.

・セル組み
形成した電解質層の外周に、6mm□で切り抜き後さらに5mm□のサイズで打ち抜いた四角枠状のアイオノマー樹脂をのせ、対極基材を貼り合わせた。次いで、105℃のホットプレート上で、アイオノマー樹脂を溶融させ、接着することで目的の色素増感型太陽電池を得た。
-Cell assembly On the outer periphery of the formed electrolyte layer, a square frame ionomer resin cut out at 6 mm □ and then punched out at a size of 5 mm □ was placed, and a counter electrode base material was bonded. Next, the ionomer resin was melted and bonded on a 105 ° C. hot plate to obtain the target dye-sensitized solar cell.

(実施例2)
メソポーラスシリカフィラーとして、粒子径530nm、孔径2.7nmを用いた以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。
(Example 2)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that a particle size of 530 nm and a pore size of 2.7 nm were used as the mesoporous silica filler.

(比較例1)
多孔質でない12nmの球状シリカフィラーを添加した塗工液を用いた以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that a coating liquid to which a 12 nm non-porous spherical silica filler was added was used.

(比較例2)
メソポーラスシリカフィラーとして、粒子径530nm、孔径1.8nmを用いた以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。
実施例1及び2、比較例1及び2の結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that a particle size of 530 nm and a pore size of 1.8 nm were used as the mesoporous silica filler.
The results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1.

Figure 0005521419
Figure 0005521419

(性能比較)
実施例1及び2で作製した色素増感型太陽電池について、擬似太陽光AM1.5、入射光強度100mW/cm)を光源として変換効率を求めたところ、それぞれη=5.57%及び5.51%であった。一方、比較例1の色素増感型太陽電池はη=5.65%であった。よって、従来のゲル状電解質と同等の性能が確認された。
(Performance comparison)
For the dye-sensitized solar cells produced in Examples 1 and 2, the conversion efficiency was determined using pseudo-sunlight AM1.5 and incident light intensity of 100 mW / cm 2 ) as the light source, and η = 5.57% and 5 respectively. 51%. On the other hand, the dye-sensitized solar cell of Comparative Example 1 had η = 5.65%. Therefore, the performance equivalent to the conventional gel electrolyte was confirmed.

実施例1及び2で作製した電解質層を85℃で1000時間保持したところ、電解液成分の染み出しはなく、ゲル状電解質の粘度に変化はみられなかった。一方、比較例1で作製した電解質層は、電解液成分の染み出しが確認され、イオン性液体からなる電解液程度の粘度まで低下してしまった。また、比較例2は、経時と共に、電解液成分が染み出し、粒子と分離してきた。これは、孔径が小さすぎるため、電解液が孔に入り込めなかったことが原因と推測される。   When the electrolyte layer produced in Examples 1 and 2 was held at 85 ° C. for 1000 hours, the electrolyte component did not ooze out and no change was observed in the viscosity of the gel electrolyte. On the other hand, the electrolyte layer produced in Comparative Example 1 was confirmed to seep out of the electrolytic solution component, and the electrolyte layer was reduced to a viscosity of about the electrolytic solution made of an ionic liquid. Further, in Comparative Example 2, the electrolyte component oozed out and separated from the particles with time. This is presumably because the electrolyte was not able to enter the pores because the pore diameter was too small.

1 色素増感型太陽電池
10 電極基材
20 多孔質半導体層
30 電解質層
40 対極基材
1 Dye-sensitized solar cell 10 Electrode base material 20 Porous semiconductor layer 30 Electrolyte layer 40 Counter electrode base material

Claims (4)

色素増感型太陽電池の電解質を形成するための塗工液であって、酸化還元対及びイオン性液体からなる電解液と、メソ孔を有する、メソポーラスシリカとを少なくとも含む電解質形成用塗工液。 A coating solution for forming an electrolyte of a dye-sensitized solar cell, comprising at least an electrolyte solution comprising a redox couple and an ionic liquid, and mesoporous silica having mesopores . メソ孔を有する、メソポーラスシリカが、電解液100重量部に対して5〜20重量部含まれる請求項1記載の電解質形成用塗工液。 Having mesopores, mesoporous silica, the electrolyte forming coating liquid according to claim 1 which contains 5 to 20 parts by weight based on the electrolyte solution 100 parts by weight. 電極基材と、電極基材上に形成され増感色素を細孔表面に担持させた多孔質半導体層と、多孔質半導体層に対向して配置された対極基材と、電極基材及び対極基材の間に配置される、請求項1または2に記載の塗工液から形成される電解質層とから構成される色素増感型太陽電池。 Electrode substrate, porous semiconductor layer formed on electrode substrate with sensitizing dye supported on pore surface, counter electrode substrate disposed opposite to porous semiconductor layer, electrode substrate and counter electrode The dye-sensitized solar cell comprised from the electrolyte layer formed from the coating liquid of Claim 1 or 2 arrange | positioned between base materials. 請求項に記載の色素増感型太陽電池の複数を、直列または並列に接続してなる色素増感型太陽電池モジュール。 A dye-sensitized solar cell module comprising a plurality of the dye-sensitized solar cells according to claim 3 connected in series or in parallel.
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