JP5601007B2 - Coating composition for forming porous photoelectric conversion layer and method for forming porous photoelectric conversion layer - 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極基板上の多孔質光電変換層を形成するために使用されるコーティング組成物及び該コーティング組成物を用いての多孔質光電変換層の形成方法に関する。   The present invention relates to a coating composition used for forming a porous photoelectric conversion layer on an electrode substrate in a dye-sensitized solar cell and a method for forming a porous photoelectric conversion layer using the coating composition.

現在、地球規模の環境問題や化石エネルギー資源枯渇問題などの観点から太陽光発電に対する期待が大きく、単結晶及び多結晶シリコン光電変換素子が太陽電池として実用化されている。しかし、この種の太陽電池は、高価格であること、シリコン原料の供給問題などを有しており、シリコン以外の材料を用いた太陽電池の実用化が望まれている。   Currently, there is great expectation for photovoltaic power generation from the viewpoint of global environmental problems and fossil energy resource depletion problems, and single crystal and polycrystalline silicon photoelectric conversion elements are put into practical use as solar cells. However, this type of solar cell is expensive and has a problem of supply of silicon raw materials, and the practical application of solar cells using materials other than silicon is desired.

上記のような見地から、最近では、シリコン以外の材料を用いた太陽電池として、色素増感型太陽電池が注目されている。この色素増感型太陽電池の代表的なものとして、ガラス基板や透明プラスチック基板の表面にITO等の透明導電膜を設けた透明電極基板と、金属電極基板とが、色素で増感された多孔質光電変換層(半導体多孔質層)と電解質層とを間に挟んで対峙した構造を有しており、金属電極基板と透明電極基板との周縁部分は、電解質層が漏洩しないように、封止材で封止されている。即ち、多孔質光電変換層と電解質層とを間に挟んで金属電極基板と透明電極基板とが対峙している領域が発電領域となっており、封止材で封止されている領域が発電とは無関係の封止領域となっている。この多孔質光電変換層は、一般に透明電極基板上に設けられているが、金属電極基板上に設けることもできる(特許文献1参照)。   From the above viewpoint, recently, a dye-sensitized solar cell has attracted attention as a solar cell using a material other than silicon. As a representative of this dye-sensitized solar cell, a transparent electrode substrate in which a transparent conductive film such as ITO is provided on the surface of a glass substrate or a transparent plastic substrate, and a metal electrode substrate are sensitized with a dye. The peripheral portion between the metal electrode substrate and the transparent electrode substrate is sealed so that the electrolyte layer does not leak. Sealed with a stopper. That is, the region where the metal electrode substrate and the transparent electrode substrate are opposed to each other with the porous photoelectric conversion layer and the electrolyte layer interposed therebetween is the power generation region, and the region sealed with the sealing material is the power generation region. It is a sealing area unrelated to the above. This porous photoelectric conversion layer is generally provided on a transparent electrode substrate, but can also be provided on a metal electrode substrate (see Patent Document 1).

上記のような構造の色素増感型太陽電池では、透明電極基板側から可視光を照射すると、色素増感多孔質層中の色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子は、この半導体多孔質層中の伝導帯へ注入され、この半導体多孔質層が形成されている透明電極基板或いは金属電極基板から外部回路を通って、対極である金属電極基板或いは透明電極基板に移動する。対極の電極基板に移動した電子は、電解質層中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出されるわけである。このような色素増感太陽電池の発電メカニズムは、pn接合型光電変換素子と異なり、光の捕捉と電子伝導が別々の場所で行われ、植物の光電変換プロセスに非常に似たものとなっている。   In the dye-sensitized solar cell having the above-described structure, when visible light is irradiated from the transparent electrode substrate side, the dye in the dye-sensitized porous layer is excited, transitioned from the ground state to the excited state, and excited. The electrons of the dye are injected into the conduction band in the semiconductor porous layer, and pass through an external circuit from the transparent electrode substrate or metal electrode substrate on which the semiconductor porous layer is formed. Move to transparent electrode substrate. The electrons that have moved to the counter electrode substrate are carried by the ions in the electrolyte layer and return to the dye. Electric energy is extracted by repeating such a process. The power generation mechanism of such a dye-sensitized solar cell is different from a pn junction photoelectric conversion element, in which light capture and electronic conduction are performed in different places, and is very similar to a plant photoelectric conversion process. Yes.

上記のような構造の色素増感型太陽電池において、特に多孔質光電変換層を金属基板上に設けた場合には、色素を担持している多孔質光電変換層が直接低抵抗の金属基板上に形成されるため、変換効率の低下を回避することができ、またセルを大型化した場合の内部抵抗(曲率因子、Fill Factor;FF)の増大を抑制することができるという利点がある。   In the dye-sensitized solar cell having the above structure, particularly when the porous photoelectric conversion layer is provided on the metal substrate, the porous photoelectric conversion layer carrying the dye is directly on the low-resistance metal substrate. Therefore, there is an advantage that it is possible to avoid a decrease in conversion efficiency and to suppress an increase in internal resistance (curvature factor; FF) when the cell is enlarged.

しかしながら、多孔質光電変換層を金属基板上に設けて透明電極基板側からの光照射により発電を行うときには、多孔質光電変換層が低抵抗の金属基板上に存在しているため、整流作用が不完全となり、逆電流が発生し、十分に高い変換効率を得るためには、未だ改善の余地がある。また、耐久性が低く、経時と共に変換効率が低下するという問題もある。   However, when the porous photoelectric conversion layer is provided on the metal substrate and power is generated by light irradiation from the transparent electrode substrate side, the porous photoelectric conversion layer exists on the low-resistance metal substrate, so that the rectifying action is In order to achieve incompleteness, reverse current, and sufficiently high conversion efficiency, there is still room for improvement. There is also a problem that the durability is low and the conversion efficiency decreases with time.

上記のような問題を改善するための手段としては、本出願人により、金属基板上に、化成処理膜からなる逆電子防止層を形成し、この逆電子防止層上に色素で増感された多孔質酸化物半導体層を形成する方法が提案されている(特許文献2参照)。   As means for improving the above problems, the present applicant formed a reverse electron prevention layer made of a chemical conversion treatment film on a metal substrate, and sensitized with a dye on the reverse electron prevention layer. A method for forming a porous oxide semiconductor layer has been proposed (see Patent Document 2).

特開2001−273937JP 2001-273937 A 特開2008−053024JP2008-053024

しかしながら、特許文献2で提案されているように、化成処理により逆電子防止層を金属基板上に形成し、この逆電子防止層上に色素で増感された半導体多孔質層を形成する場合には、逆電子防止層が電解質に対しての耐性が高いため、経時による変換効率の低下を有効に防止し得るが、逆電流の防止効果がそれほど高くなく、従って高い変化効率を得るという点で未だ不十分である。   However, as proposed in Patent Document 2, a reverse electron prevention layer is formed on a metal substrate by chemical conversion treatment, and a semiconductor porous layer sensitized with a dye is formed on the reverse electron prevention layer. Since the reverse electron prevention layer is highly resistant to electrolytes, it can effectively prevent a decrease in conversion efficiency over time, but the reverse current prevention effect is not so high, and thus a high change efficiency is obtained. It is still insufficient.

一方、本出願人は、逆電子防止層を形成するためのコーティング液を提案した(特願2008−178341)。即ち、このコーティング液は、熱処理により金属酸化物を形成し得る金属化合物を溶質として含む有機溶媒溶液からなり、該有機溶媒溶液は、溶質安定化剤を含有しているとともに、25℃で、10cP以上の粘度を有しているものであり、これを金属基板表面に塗布し、乾燥することにより、色素で増感された半導体多孔質層の下地となる逆電子防止層を形成するというものである。このようなコーティング液を用いて形成された逆電子防止層は、金属酸化物の緻密な層から形成されているため、化成処理により形成したものに比して優れた整流作用を示すばかりか、電解質に対して耐性も良好であり、従って、金属基板の腐食を有効に防止でき、経時による変換効率の低下という問題も有効に回避できるという利点を有している。   On the other hand, the present applicant has proposed a coating solution for forming a reverse electron prevention layer (Japanese Patent Application No. 2008-178341). That is, this coating solution is composed of an organic solvent solution containing a metal compound capable of forming a metal oxide by heat treatment as a solute. The organic solvent solution contains a solute stabilizer and is 10 cP at 25 ° C. It has the above viscosity, and this is applied to the surface of a metal substrate and dried to form a reverse electron prevention layer serving as a base for a semiconductor porous layer sensitized with a dye. is there. Since the reverse electron prevention layer formed using such a coating liquid is formed from a dense layer of metal oxide, it not only exhibits an excellent rectifying action compared to that formed by chemical conversion treatment, It has good resistance to the electrolyte, and therefore has an advantage that the corrosion of the metal substrate can be effectively prevented and the problem of deterioration in conversion efficiency with time can be effectively avoided.

しかるに、上記のようなコーティング液により逆電子防止層を形成した場合には、下地の金属基板の表面に局部的な腐食(孔食)が生じるという問題があった。このような孔食は、経時と共に拡大し、変換効率の低下をもたらしてしまう。特に、このような孔食は、表面粗さの大きな金属基板の表面に逆電子防止層を形成する場合に頻繁に生じている。従って、電解質に対する耐性を確実なものとし、経時による変換効率の低下を確実に防止することが必要であり、さらなる改善が求められている。   However, when the reverse electron prevention layer is formed by the coating liquid as described above, there is a problem that local corrosion (pitting corrosion) occurs on the surface of the underlying metal substrate. Such pitting corrosion expands with time, resulting in a decrease in conversion efficiency. In particular, such pitting corrosion frequently occurs when a reverse electron prevention layer is formed on the surface of a metal substrate having a large surface roughness. Therefore, it is necessary to ensure resistance to the electrolyte and to surely prevent a decrease in conversion efficiency over time, and further improvement is required.

また、上記のようなコーティング液を用いて逆電子防止層を形成する場合には、逆電子防止層を形成した後に、さらに金属酸化物が分散されたペーストなどを塗布してのコーティングにより、多孔質酸化物半導体層を形成することが必要であり、多孔質酸化物半導体層を含む多孔質光電変換層を電極金属基板上に形成するために、コーティングを2段で行わなければならず、生産性が低いという欠点もある。   In addition, when forming the reverse electron prevention layer using the coating liquid as described above, after forming the reverse electron prevention layer, coating with a paste coated with a metal oxide is further applied. It is necessary to form a porous oxide semiconductor layer, and in order to form a porous photoelectric conversion layer including a porous oxide semiconductor layer on an electrode metal substrate, the coating must be performed in two stages and produced. There is also a disadvantage that the property is low.

従って、本発明の目的は、逆電子防止性に優れていると共に、電解質に対する耐性にも優れ、経時的に低下せずに安定して高い変換効率を示すような多孔質光電変換層を形成するためのコーティング組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記のような特性を有する多孔質光電変換層を、一段のコーティングにより形成することが可能な方法を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to form a porous photoelectric conversion layer that is excellent in reverse electron prevention and excellent in resistance to electrolytes, and stably exhibits high conversion efficiency without decreasing over time. It is to provide a coating composition.
Another object of the present invention is to provide a method capable of forming a porous photoelectric conversion layer having the above-described characteristics by one-step coating.

本発明によれば、電極基板上に多孔質光電変換層を形成するために使用されるコーティング組成物であって、金属酸化物、熱処理により酸化物を形成し得る金属化合物、分散剤及び有機溶媒を含み、該金属酸化物は分散粒子として存在し、該金属化合物は溶質として存在し、前記分散剤は、前記金属酸化物を分散させるための第1の分散剤と、前記金属化合物を溶質安定化するための第2の分散剤とを含有していることを特徴とするコーティング組成物が提供される。 According to the present invention, a coating composition used for forming a porous photoelectric conversion layer on an electrode substrate, which is a metal oxide, a metal compound capable of forming an oxide by heat treatment, a dispersant, and an organic solvent The metal oxide is present as dispersed particles, the metal compound is present as a solute , the dispersant is a first dispersant for dispersing the metal oxide, and the metal compound is solute-stabilized. A coating composition is provided that contains a second dispersant for conversion into a second dispersion .

本発明のコーティング組成物においては、
(1)前記金属酸化物が、チタン、亜鉛及びジルコニウムからなる群より選択された金属の酸化物であること、
(2)前記金属化合物が、チタン、亜鉛及びジルコニウムからなる群より選択された金属のアルコキシドもしくは塩化物であること、
(3)前記第1の分散剤が、酢酸、トリメチル酢酸、グリコールエーテル、β−ジケトン及び水からなる群より選択された少なくとも1種であること、
)前記第2の分散剤が、グリコールエーテルであること、
)前記有機溶媒が、炭素数4以下の低級アルコール、エチルセルロース及びテルピネオールからなる群より選択された少なくとも1種であること、
)前記金属化合物を、金属換算で、前記金属酸化物当り0.01乃至50重量%の量で含有していること、
)金属換算で、前記第1の分散剤を、前記金属酸化物当り0.01乃至50重量%の量で含有し、前記第2の分散剤を、前記金属化合物当り0.01乃至50重量%の量で含有していること、
が好適である。
In the coating composition of the present invention,
(1) The metal oxide is an oxide of a metal selected from the group consisting of titanium, zinc and zirconium,
(2) the metal compound is an alkoxide or chloride of a metal selected from the group consisting of titanium, zinc and zirconium;
(3) pre-Symbol first dispersant, acetic, trimethylacetic acid, glycol ether is at least one selected from the group consisting of β- diketones and water,
( 4 ) The second dispersant is a glycol ether,
( 5 ) The organic solvent is at least one selected from the group consisting of lower alcohols having 4 or less carbon atoms, ethyl cellulose and terpineol,
( 6 ) containing the metal compound in an amount of 0.01 to 50% by weight per metal oxide in terms of metal,
( 7 ) In terms of metal, the first dispersant is contained in an amount of 0.01 to 50% by weight per the metal oxide, and the second dispersant is contained in an amount of 0.01 to 50 per the metal compound. Contained in an amount of% by weight,
Is preferred.

本発明によれば、また、上記のコーティング組成物を、電極基板に塗布し、次いで熱処理することにより、電極基板表面に形成された逆電子防止層と逆電子防止層上に形成された多孔質酸化物半導体層とからなる多孔質光電変換層を、一段で形成することを特徴とする多孔質光電変換層の形成方法が提供される。   According to the present invention, the above-described coating composition is applied to the electrode substrate, and then subjected to heat treatment, whereby the reverse electron blocking layer formed on the electrode substrate surface and the porous layer formed on the reverse electron blocking layer are formed. There is provided a method for forming a porous photoelectric conversion layer, characterized in that a porous photoelectric conversion layer comprising an oxide semiconductor layer is formed in one step.

本発明のコーティング組成物において、分散粒子の形態で存在する金属酸化物は、多孔質の酸化物半導体を形成する成分であり、溶質の状態で存在する金属化合物は、加熱により、多孔質の酸化物半導体層を形成する金属酸化物を生成する成分であり、金属酸化物粒子のバインダーとしての機能を有している。このコーティング組成物を使用し、これを所定の電極基板、例えば金属基板の表面に塗布し、次いで熱処理することにより、一段で多孔質酸化物半導体を含む多孔質光電変換層を形成することができ、生産性の点で極めて有利である。   In the coating composition of the present invention, the metal oxide that exists in the form of dispersed particles is a component that forms a porous oxide semiconductor, and the metal compound that exists in the solute state is heated to become porous oxide. It is a component which produces | generates the metal oxide which forms a physical semiconductor layer, and has a function as a binder of metal oxide particle. A porous photoelectric conversion layer containing a porous oxide semiconductor can be formed in one step by applying this coating composition to a surface of a predetermined electrode substrate, for example, a metal substrate, followed by heat treatment. This is extremely advantageous in terms of productivity.

しかも、上記のようにして形成される多孔質光電変換層は、逆電子防止特性(整流特性)に優れており、従って高い変換効率を確保することができるばかりか、電解質に対する耐性にも優れており、例えば表面粗さの大きな金属基板の表面に形成されている場合にも孔食を生じることが無く、従って、変換効率の経時的な低下が有効に防止され、安定して高い変換効率を維持することができる。   Moreover, the porous photoelectric conversion layer formed as described above has excellent reverse electron prevention characteristics (rectification characteristics), and thus can ensure high conversion efficiency and also has excellent resistance to electrolytes. For example, even when it is formed on the surface of a metal substrate having a large surface roughness, pitting corrosion does not occur. Therefore, a decrease in conversion efficiency over time is effectively prevented, and high conversion efficiency can be stably achieved. Can be maintained.

二段のコーティングにより逆電子防止層と多孔質酸化物半導体層を形成することにより得られる多孔質光電変換層と金属基板との界面の状態を示す部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view which shows the state of the interface of the porous photoelectric converting layer obtained by forming a back-electron prevention layer and a porous oxide semiconductor layer by a two-step coating, and a metal substrate. 本発明のコーティング組成物を用いて一段のコーティングにより、形成された多孔質光電変換層と金属基板との界面の状態を示す部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view which shows the state of the interface of the porous photoelectric converting layer and metal substrate which were formed by one-step coating using the coating composition of this invention. 本発明のコーティング組成物を用いて形成された多孔質光電変換層を有する色素増感型太陽電池の概略構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows schematic structure of the dye-sensitized solar cell which has the porous photoelectric converting layer formed using the coating composition of this invention.

<本発明の原理>
従来、コーティングにより逆電子防止層を形成した後、さらにコーティングを行って多孔質酸化物半導体層を形成した場合においては、図1に示されているように、例えば金属基板50の表面に緻密な金属酸化物からなる逆電子防止層53が形成され、さらに、この上に、多孔質酸化物半導体層55が形成され、この多孔質酸化物半導体層55は、金属酸化物半導体粒子55aが連なった層であり、このような多孔質酸化物半導体層55は色素で増感され、電解質と接触する状態で存在する。
<Principle of the present invention>
Conventionally, after forming a reverse electron blocking layer by coating and further coating to form a porous oxide semiconductor layer, for example, as shown in FIG. A reverse electron preventing layer 53 made of a metal oxide is formed, and further, a porous oxide semiconductor layer 55 is formed thereon, and the porous oxide semiconductor layer 55 is connected with metal oxide semiconductor particles 55a. Such a porous oxide semiconductor layer 55 is sensitized with a dye and exists in contact with the electrolyte.

上記のようにして逆電子防止層53と多孔質酸化物半導体層55とからなる光電変換層を形成する場合では、多孔質酸化物半導体層55が形成されていない状態では、逆電子防止層53は完全に金属基板50の表面を被覆しており、ピンホールなどは発生していない。しかしながら、この上に多孔質酸化物半導体層55を形成した状態では、図1に示されているように、逆電子防止層53にピンホールなどが発生し、金属基板50の表面が局部的に露出し、金属酸化物半導体粒子55aが金属基板50の表面に直接接触してしまう。即ち、多孔質酸化物半導体層55は、金属酸化物半導体粒子と共に有機溶媒やバインダー成分などを含むペーストを逆電子防止層53の表面に塗布し、加熱することにより形成されるため、この多孔質酸化物半導体層55を形成する際に逆電子防止層53が収縮してしまい、この結果、ピンホールなどが発生し、金属基板50の表面が局部的に露出してしまうこととなる。特に、表面粗さの大きな金属基板50の表面に逆電子防止層53が形成されている場合には、局部的に大きく突出した部分が多く存在するため、金属基板50表面の露出が生じ易くなっている。   When the photoelectric conversion layer composed of the reverse electron prevention layer 53 and the porous oxide semiconductor layer 55 is formed as described above, the reverse electron prevention layer 53 is formed in a state where the porous oxide semiconductor layer 55 is not formed. Completely covers the surface of the metal substrate 50, and no pinholes are generated. However, in the state in which the porous oxide semiconductor layer 55 is formed thereon, as shown in FIG. 1, pinholes or the like are generated in the reverse electron prevention layer 53, and the surface of the metal substrate 50 is locally localized. The metal oxide semiconductor particles 55a are exposed and come into direct contact with the surface of the metal substrate 50. That is, the porous oxide semiconductor layer 55 is formed by applying a paste containing an organic solvent, a binder component and the like together with the metal oxide semiconductor particles on the surface of the reverse electron prevention layer 53 and heating the paste. When the oxide semiconductor layer 55 is formed, the reverse electron prevention layer 53 contracts, and as a result, a pinhole or the like is generated, and the surface of the metal substrate 50 is locally exposed. In particular, when the back-electron prevention layer 53 is formed on the surface of the metal substrate 50 having a large surface roughness, there are many locally protruding portions, so that the surface of the metal substrate 50 is likely to be exposed. ing.

従って、上記のような状態の光電変換層(多孔質酸化物半導体層55)が電解質と接触すると、金属基板50の露出した部分が、光電変換層に浸透した電解質と接触することとなり、この結果、孔食を生じ、経時と共に孔食が拡大し、変換効率の低下をもたらすこととなる。   Therefore, when the photoelectric conversion layer (porous oxide semiconductor layer 55) in the above state comes into contact with the electrolyte, the exposed portion of the metal substrate 50 comes into contact with the electrolyte that has penetrated into the photoelectric conversion layer. As a result, pitting corrosion occurs and the pitting corrosion expands with time, resulting in a decrease in conversion efficiency.

しかるに、本発明のコーティング組成物を用いる場合には、一段のコーティングによって逆電子防止層53と多孔質酸化物半導体層55とからなる光電変換層が形成されるため、上記のような逆電子防止層53の収縮は生じることがなく、図2に示されているように、金属基板50の表面は常に逆電子防止層53により被覆されており、金属基板50の表面が露出することがない。   However, when the coating composition of the present invention is used, the photoelectric conversion layer composed of the reverse electron prevention layer 53 and the porous oxide semiconductor layer 55 is formed by one-step coating. The shrinkage of the layer 53 does not occur. As shown in FIG. 2, the surface of the metal substrate 50 is always covered with the reverse electron prevention layer 53, and the surface of the metal substrate 50 is not exposed.

即ち、本発明のコーティング組成物を金属基板50の表面に塗布した場合において、この塗布層には、金属基板50の表面に沿って金属化合物が溶解した液層が形成されており、この液層上に金属酸化物の粒子が分散した分散層が形成されることとなる。この状態で熱処理を行うことにより、上記の金属化合物が溶解した液層から有機溶媒や分散剤が揮散乃至分解して除去され、且つ溶解している金属化合物から金属酸化物の微粒子が形成され、この金属酸化物の微粒子同士が焼結し、従って、金属基板50の表面にはピンホールのない緻密な金属酸化物層、即ち逆電子防止層53が形成されることとなる。しかも、このような逆電子防止層53の形成と同時に、金属酸化物の粒子が分散した分散層では、有機溶媒や分散剤が除去されると同時に、この分散層中に溶解している金属化合物から金属酸化物微粒子が生成し、この金属酸化物微粒子がバインダーとなって分散している金属酸化物粒子の焼結が行われ、金属酸化物粒子55aが連なった多孔質酸化物半導体層55が形成されることとなる。このようにして形成される多孔質光電変換層では、逆電子防止層53と多孔質酸化物半導体層55とが一段のコーティングにより行われ、層形成のための熱処理が一括で行われるため、多孔質酸化物半導体層55を形成している金属酸化物半導体粒子55aが下層の逆電防止層53中に食い込んでおり、この結果、逆電子防止層53の収縮によるピンホールなどの欠陥は全く発生せず(粒子55aの食い込みにより逆電防止層53の収縮が抑制されているものと思われる)、従って、金属基板50が表面粗さの大きな表面を有している場合であったとしても、その表面の露出を生じることがなく、電解質との接触による孔食を確実に防止することができ、経時による変換効率の低下を確実に回避することができるのである。   That is, when the coating composition of the present invention is applied to the surface of the metal substrate 50, a liquid layer in which the metal compound is dissolved is formed along the surface of the metal substrate 50. A dispersion layer in which metal oxide particles are dispersed is formed on the top. By performing heat treatment in this state, the organic solvent and the dispersant are removed by volatilization or decomposition from the liquid layer in which the metal compound is dissolved, and metal oxide fine particles are formed from the dissolved metal compound, The metal oxide fine particles are sintered with each other, and accordingly, a dense metal oxide layer having no pinholes, that is, a reverse electron prevention layer 53 is formed on the surface of the metal substrate 50. In addition, in the dispersion layer in which the metal oxide particles are dispersed simultaneously with the formation of the reverse electron prevention layer 53, the organic compound and the dispersing agent are removed, and at the same time, the metal compound dissolved in the dispersion layer. Metal oxide fine particles are generated from the metal oxide particles, the metal oxide particles dispersed as a binder are sintered, and the porous oxide semiconductor layer 55 in which the metal oxide particles 55a are continuous is formed. Will be formed. In the porous photoelectric conversion layer formed in this manner, the reverse electron prevention layer 53 and the porous oxide semiconductor layer 55 are formed by one-step coating, and the heat treatment for forming the layer is performed all at once. The metal oxide semiconductor particles 55a forming the oxide semiconductor layer 55 have digged into the lower reverse-electron-preventing layer 53, and as a result, defects such as pinholes due to the shrinkage of the reverse-electron-preventing layer 53 are completely generated. (It seems that the shrinkage of the reverse current prevention layer 53 is suppressed by the biting of the particles 55a). Therefore, even if the metal substrate 50 has a surface with a large surface roughness, The surface is not exposed, and pitting corrosion due to contact with the electrolyte can be surely prevented, and a decrease in conversion efficiency over time can be reliably avoided.

<コーティング組成物>
本発明のコーティング組成物は、金属酸化物、熱処理により酸化物を形成し得る金属化合物、分散剤及び有機溶媒を必須成分として含有している。
<Coating composition>
The coating composition of the present invention contains a metal oxide, a metal compound capable of forming an oxide by heat treatment, a dispersant and an organic solvent as essential components.

(a)金属酸化物;
金属酸化物は、コーティング組成物中に分散粒子として存在するものであり、半導体微粒子として色素で増感される多孔質酸化物半導体層を形成するための成分である。このような金属酸化物としては、チタン、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステンなどの金属の酸化物、或いはこれら金属を含有する複合酸化物(例えばSrTiO、CaTiOなどのペロブスカイト型酸化物)などを例示することができる。これらの中でも、チタン、亜鉛及びジルコニウムからなる群より選択された少なくとも1種の金属の酸化物であることが好ましく、さらに好ましくは二酸化チタンである。また、二酸化チタンとしては、アナターゼ型、ブルーカイト型及びルチル型のものが知られているが、多孔質酸化物半導体層として高い変換効率を得るという観点から、アナターゼ型或いはブルーカイト型の二酸化チタンが最適である。
(A) a metal oxide;
The metal oxide is present as dispersed particles in the coating composition, and is a component for forming a porous oxide semiconductor layer sensitized with a dye as semiconductor fine particles. Examples of such metal oxides include oxides of metals such as titanium, zinc, zirconium, hafnium, strontium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, or composite oxides containing these metals (for example, SrTiO 3 , CaTiO 3, etc.). Perovskite-type oxides). Among these, an oxide of at least one metal selected from the group consisting of titanium, zinc and zirconium is preferable, and titanium dioxide is more preferable. In addition, anatase type, brookite type and rutile type are known as titanium dioxide. From the viewpoint of obtaining high conversion efficiency as a porous oxide semiconductor layer, anatase type or brookite type titanium dioxide is known. Is the best.

また、この分散粒径は、特に制限されるものではないが、一般には、微細な粒径の金属酸化物粉末を分散させ、例えば500nm以下の粒径に調整されていることが好ましい。この分散粒径が過度に粗大であると、形成される多孔質層への光の透過にバラツキを生じ易く、太陽電池として安定した特性を発揮させることが困難となるおそれが生じる。   Further, the dispersed particle diameter is not particularly limited, but generally, it is preferable that the metal oxide powder having a fine particle diameter is dispersed and adjusted to a particle diameter of, for example, 500 nm or less. If the dispersed particle size is excessively large, variations in the transmission of light to the formed porous layer are likely to occur, which may make it difficult to exhibit stable characteristics as a solar cell.

上記のような金属酸化物粒子は、このコーティング組成物中に、5乃至60重量%、特に10乃至40重量%の範囲で含まれていることが好ましい。この金属酸化物粒子の含有量が少ないと、一定の厚みの多孔質酸化物半導体層を形成させることが困難となり、また必要以上に多量の金属酸化物粒子がコーティング組成物中に含まれていると、他の成分、例えば後述する金属酸化物の量が少量となり、この結果、逆電子防止特性や電解質に対する耐性が低下するおそれを生じてしまう。   The metal oxide particles as described above are preferably contained in the coating composition in the range of 5 to 60% by weight, particularly 10 to 40% by weight. When the content of the metal oxide particles is small, it becomes difficult to form a porous oxide semiconductor layer having a certain thickness, and an excessive amount of metal oxide particles is contained in the coating composition. In addition, the amount of other components, for example, metal oxides to be described later, becomes small, and as a result, there is a possibility that the reverse electron prevention characteristics and the resistance to the electrolyte are lowered.

(b)金属化合物;
コーティング組成物中に含まれる金属化合物は、溶質として存在するものであり、後述する熱処理(焼成)によって金属酸化物を形成し、前述した金属酸化物粒子のバインダーとしての機能と、逆電子防止層形成機能とを有している。このような金属化合物の金属元素としては、酸化物を形成し得る限り、特に制限されず、例えば、Ti、Al、Zn、Ni、Fe、Cu等であってよい。また、化合物の形態は、熱処理により酸化物を形成し且つ有機溶媒に溶解し得るようなものであれば、特に制限されないが、一般的には、容易に入手でき、しかも熱処理によって速やかに酸化物を形成し、且つ有機溶媒に対する溶解度が高いことなどから、アルコキシド或いは水酸化物、塩化物であることが好適である。また、前記金属酸化物粒子のバインダーとしての機能という観点から、該金属酸化物粒子と同じ金属酸化物を形成し得るものが最適であり、例えば、前記金属酸化物粒子として二酸化チタンを用いた場合には、チタンアルコキシド、特にチタンイソプロポキシドが好適であり、チタンテトライソプロポキシドが最適である。
(B) a metal compound;
The metal compound contained in the coating composition is present as a solute, forms a metal oxide by heat treatment (firing) described later, and functions as a binder for the metal oxide particles described above, and a reverse electron prevention layer. And has a forming function. The metal element of such a metal compound is not particularly limited as long as an oxide can be formed, and may be Ti, Al, Zn, Ni, Fe, Cu, or the like, for example. The form of the compound is not particularly limited as long as it can form an oxide by heat treatment and can be dissolved in an organic solvent. In general, it can be easily obtained, and the oxide can be quickly obtained by heat treatment. And is preferably an alkoxide, hydroxide, or chloride because of its high solubility in organic solvents. In addition, from the viewpoint of the function of the metal oxide particles as a binder, those that can form the same metal oxide as the metal oxide particles are optimal. For example, when titanium dioxide is used as the metal oxide particles For this, titanium alkoxide, particularly titanium isopropoxide is preferred, and titanium tetraisopropoxide is most preferred.

本発明において、上記の金属化合物は、前記金属酸化物当り0.01乃至50重量%、特に0.03乃至30重量%の量(金属換算での量であり、金属酸化物中の金属量に対する金属化合物中の金属量の割合である)でコーティング組成物中に含まれていることが好適である。即ち、この量が少なすぎると、前述した図2に示されている多孔質酸化物半導体層55の下に形成される逆電子防止層53の厚みが不十分となり、整流特性が不満足となったり、或いはピンホール等の欠陥を生じ易くなり、変換効率の低下を招き易くなってしまう。   In the present invention, the metal compound is an amount of 0.01 to 50% by weight, particularly 0.03 to 30% by weight per metal oxide (in terms of metal, based on the amount of metal in the metal oxide). It is preferably contained in the coating composition at a ratio of the amount of metal in the metal compound). That is, if this amount is too small, the thickness of the reverse electron prevention layer 53 formed under the porous oxide semiconductor layer 55 shown in FIG. 2 described above becomes insufficient, resulting in unsatisfactory rectification characteristics. Alternatively, defects such as pinholes are likely to occur, and conversion efficiency is likely to be reduced.

(c)分散剤;
本発明のコーティング組成物中に含まれる分散剤は、前記金属酸化物(a)の粒子を有機溶媒中に安定に分散させ且つ前記金属化合物(b)を溶質安定化するために使用される。
(C) a dispersant;
The dispersant contained in the coating composition of the present invention is used for stably dispersing the metal oxide (a) particles in an organic solvent and stabilizing the metal compound (b) as a solute.

金属酸化物(a)の粒子を安定に分散させるために使用される第1の分散剤としては、用いる有機溶媒によっても異なるが、通常、酢酸、トリメチル酢酸、グリコールエーテル、β−ジケトン及び水からなる群より選択された少なくとも1種が使用される。これらは、二酸化チタン等の金属酸化物を比較的安定に有機溶媒中に分散させることができるばかりか、加熱により金属酸化物粒子の半導体特性に悪影響を与えることなく、容易に揮散することができるからである。   The first dispersant used to stably disperse the metal oxide (a) particles varies depending on the organic solvent used, but usually from acetic acid, trimethylacetic acid, glycol ether, β-diketone and water. At least one selected from the group is used. These can not only disperse metal oxides such as titanium dioxide in organic solvents relatively stably, but also can be easily volatilized without adversely affecting the semiconductor properties of the metal oxide particles by heating. Because.

また、金属化合物(b)を溶質安定化するために、即ち、溶質として存在している金属化合物(b)の析出を防止するために使用される第2の分散剤としては、それ自体有機溶媒に可溶で且つ金属化合物に対して高い親和性を有する化合物が使用され、例えばグリコールエーテルが好適である。グリコールエーテルは、有機溶媒に可溶であり、上記の第1の分散剤としても使用し得るばかりか、金属元素に対して配位結合を形成し易いため、上記金属化合物の析出を有効に抑制し、溶質安定化剤として優れた特性を示す。また、化学的に安定であるため、他の成分と共存した場合においても、安定して金属化合物(b)の溶質安定化剤としての機能を示すからである。このような第2の分散剤が使用されていない場合には、金属化合物が他の成分と共存したときに析出してしまうおそれがあり、この結果、金属化合物に由来する緻密な金属酸化物の層(即ち、図2における逆電子防止層)の形成が困難となってしまい、整流特性が低下したり、或いはピンホール等の欠陥を生じ易くなり、電解質との接触により金属基板の表面に腐食を生じ易くなってしまう。   The second dispersant used to stabilize the metal compound (b) as a solute, that is, to prevent precipitation of the metal compound (b) existing as a solute, is itself an organic solvent. A compound which is soluble in water and has a high affinity for a metal compound is used. For example, glycol ether is preferable. Glycol ether is soluble in organic solvents and can be used not only as the first dispersant, but also easily forms a coordinate bond with the metal element, effectively suppressing the precipitation of the metal compound. And exhibits excellent properties as a solute stabilizer. Moreover, since it is chemically stable, even when it coexists with other components, it stably functions as a solute stabilizer for the metal compound (b). When such a second dispersant is not used, the metal compound may be precipitated when it coexists with other components. As a result, the dense metal oxide derived from the metal compound may be precipitated. It becomes difficult to form the layer (that is, the reverse electron prevention layer in FIG. 2), the rectification characteristics are deteriorated, or defects such as pinholes are likely to occur, and the surface of the metal substrate is corroded by contact with the electrolyte. It becomes easy to produce.

上述した分散剤において、第1の分散剤及び第2の分散剤の何れにも使用し得るグリコールエーテルは、下記式:
HOCHCHOR
式中、Rは、アルキル基、アリール基またはアラルキル基である、
で表される化合物であり、アルキル基としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基、n−プロピル基、イソブチル基、n−ブチル基、イソアミル基等の炭素数が8以下の低級アルキル基が代表的であり、アリール基としてはフェニル基、アラルキル基としてはベンジル基を例示することができる。これらの中では、Rがアルキル基であるグリコールエーテルが好適であり、特に、相溶化成分として機能に優れ、溶質として存在しているチタン化合物(b)の析出を防止し、しかも、それ自体有機溶媒に可溶で且つチタン化合物に対して高い親和性を有するという点で、ブチルセロソルブ(エチレングリコールモノブチルエーテル、R=イソブチル基或いはn−ブチル基)及びプロピルセロソルブ(エチレングリコールモノプロピルエーテル、R=プロピル基)が好ましく、ブチルセロソルブが最適である。
In the dispersant described above, the glycol ether that can be used for both the first dispersant and the second dispersant is represented by the following formula:
HOCH 2 CH 2 OR
In the formula, R is an alkyl group, an aryl group, or an aralkyl group.
The alkyl group is typically a lower alkyl group having 8 or less carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, an n-propyl group, an isobutyl group, an n-butyl group, and an isoamyl group. Examples of the aryl group include a phenyl group, and examples of the aralkyl group include a benzyl group. Among these, glycol ethers in which R is an alkyl group are suitable, and in particular, they have excellent functions as compatibilizing components, prevent precipitation of the titanium compound (b) present as a solute, and are themselves organic. Butyl cellosolve (ethylene glycol monobutyl ether, R = isobutyl group or n-butyl group) and propyl cellosolve (ethylene glycol monopropyl ether, R = propyl) are soluble in solvents and have high affinity for titanium compounds. Group) is preferred, and butyl cellosolve is most preferred.

また、第1の分散剤として、グリコールエーテル以外のもの、即ち、酢酸、トリメチル酢酸、β−ジケトン及び水は、第2の分散剤としては機能しないため、上記の第2の分散剤(グリコールエーテル)と併用することが必要であり、用いる有機溶媒の種類に応じて適宜のものが使用される。   In addition, since the first dispersant other than the glycol ether, that is, acetic acid, trimethylacetic acid, β-diketone and water do not function as the second dispersant, the second dispersant (glycol ether) is used. ), And an appropriate one is used depending on the type of organic solvent used.

尚、第1の分散剤として使用されるβ−ジケトンとしては、例えば、アセチルアセトン、1,3−シクロヘキサジオン、メチレンビス−1,3ーシクロヘキサジオン、2−ベンジル−1,3−シクロヘキサジオン、アセチルテトラロン、パルミトイルテトラロン、ステアロイルテトラロン、ベンゾイルテトラロン、2−アセチルシクロヘキサノン、2−ベンゾイルシクロヘキサノン、2−アセチル−1,3−シクロヘキサンジオン、ビス(ベンゾイル)メタン、ベンゾイル−p−クロルベンゾイルメタン、ビス(4−メチルベンゾイル)メタン、ビス(2−ヒドロキシベンゾイル)メタン、ベンゾイルアセトン、トリベンゾイルメタン、ジアセチルベンゾイルメタン、ステアロイルベンゾイルメタン、パルミトイルベンゾイルメタン、ラウロイルベンゾイルメタン、ジベンゾイルメタン、ビス(4−クロルベンゾイル)メタン、ビス(メチレン−3,4−ジオキシベンゾイル)メタン、ベンゾイルアセチルフェニルメタン、ステアロイル(4−メトキシベンゾイル)メタン、ブタノイルアセトン、ジステアロイルメタン、ステアロイルアセトン、ビス(シクロヘキサノイル)−メタン及びジピバロイルメタン等を例示することができ、これらの中では、アセチルアセトンが好適である。   Examples of the β-diketone used as the first dispersant include acetylacetone, 1,3-cyclohexadione, methylenebis-1,3-cyclohexadione, 2-benzyl-1,3-cyclohexadione. , Acetyltetralone, palmitoyltetralone, stearoyltetralone, benzoyltetralone, 2-acetylcyclohexanone, 2-benzoylcyclohexanone, 2-acetyl-1,3-cyclohexanedione, bis (benzoyl) methane, benzoyl-p-chlorobenzoyl Methane, bis (4-methylbenzoyl) methane, bis (2-hydroxybenzoyl) methane, benzoylacetone, tribenzoylmethane, diacetylbenzoylmethane, stearoylbenzoylmethane, palmitoylbenzoylmethane, lauro Rubenzoylmethane, dibenzoylmethane, bis (4-chlorobenzoyl) methane, bis (methylene-3,4-dioxybenzoyl) methane, benzoylacetylphenylmethane, stearoyl (4-methoxybenzoyl) methane, butanoylacetone, di Examples include stearoylmethane, stearoylacetone, bis (cyclohexanoyl) -methane, and dipivaloylmethane, and among these, acetylacetone is preferred.

上述した第1の分散剤は、金属換算で、金属酸化物(a)当り0.01乃至50重量%、特に0.02乃至20重量%の量で使用されているのがよい。   The above-mentioned first dispersant is preferably used in an amount of 0.01 to 50% by weight, particularly 0.02 to 20% by weight, in terms of metal, per metal oxide (a).

また、上述した第2の分散剤は、金属換算で、前記金属化合物(b)当り0.01乃至50重量%、特に0.02乃至30重量%の量で使用されているのがよい。
尚、グリコールエーテルを、第1の分散剤及び第2の分散剤として兼用した場合には、金属換算での金属酸化物(a)に対する量と金属化合物(b)に対する量との何れも前述した範囲を満足しているように使用されるのがよい。
The second dispersant described above is preferably used in an amount of 0.01 to 50% by weight, particularly 0.02 to 30% by weight, in terms of metal, per metal compound (b).
In addition, when glycol ether is used as both the first dispersant and the second dispersant, both the amount of the metal oxide (a) and the amount of the metal compound (b) in terms of metal are as described above. It should be used to satisfy the range.

(d)有機溶媒;
本発明において、有機溶媒としては、前述した金属酸化物粒子(a)の分散媒として使用でき、さらに前述した金属化合物(b)が溶解し、且つ分散剤(c)との親和性が高いものであれば、特に制限なく、各種のものを使用することができるが、特にスクリーン印刷に適した粘性のコーティング液を形成し、且つ加熱によって、金属酸化物の電気特性に悪影響を与えることなく揮散できるという観点から、炭素数4以下の低級アルコール、エチルセルロース及びテルピネオールからなる群より選択された少なくとも1種好適である。
(D) an organic solvent;
In the present invention, the organic solvent can be used as a dispersion medium for the metal oxide particles (a) described above, and further dissolves the metal compound (b) described above and has a high affinity for the dispersant (c). If it is, various kinds of materials can be used without any particular limitation, but it forms a viscous coating solution particularly suitable for screen printing and is volatilized by heating without adversely affecting the electrical properties of the metal oxide. From the viewpoint of being able to be produced, at least one selected from the group consisting of lower alcohols having 4 or less carbon atoms, ethyl cellulose and terpineol is preferable.

特に上記の低級アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノール及びブタノールを例示することができ、これらは、特に金属酸化物粒子の分散媒、金属化合物(b)の溶剤として好適であり、スクリーン印刷等の高粘度塗装適正を考慮する場合は、テルピネオール及びエチルセルロースとの混合溶媒として使用することが好ましい。   In particular, examples of the lower alcohol include methanol, ethanol, isopropanol, and butanol, which are particularly suitable as a dispersion medium for metal oxide particles and a solvent for the metal compound (b), such as screen printing. In consideration of suitability for high-viscosity coating, it is preferably used as a mixed solvent with terpineol and ethyl cellulose.

尚、テルピネオール(C1018O)は、1,8−テルビンから水が1分子脱水して生じる不飽和アルコールであり、α、β及びγの3タイプのものが知られており、何れのタイプも使用できるが、一般には、α−テルピネオール(Bp:219〜221℃)、或いはα−テルピネオールを主成分とし、これにβ−テルピネオールなどの他のタイプものが混合された混合物(一般に、市販されているものは混合物である)が好適である。 Terpineol (C 10 H 18 O) is an unsaturated alcohol generated by dehydrating one molecule of water from 1,8-terbin, and three types of α, β and γ are known. Although the type can also be used, in general, α-terpineol (Bp: 219 to 221 ° C.) or a mixture containing α-terpineol as a main component and other types such as β-terpineol mixed (generally commercially available) What is being done is a mixture).

また、テルピネオールは、粘稠な液体であるが、前述した低級アルコールに分散させた金属酸化物微粒子及び金属化合物と親和性が良好であり、低級アルコールと同様、加熱により、生成する金属酸化物(例えば二酸化チタン)の電気特性に悪影響を与えることなく、容易に揮散させることができる。   Terpineol is a viscous liquid, but has good affinity with the metal oxide fine particles and metal compound dispersed in the above-mentioned lower alcohol. Similarly to the lower alcohol, terpineol is a metal oxide produced by heating ( For example, it can be easily volatilized without adversely affecting the electrical properties of titanium dioxide).

さらに、エチルセルロースは、テルピネオールと同様に、金属化合物から生成する金属酸化物の電気特性に悪影響を与えることなく、熱処理によって容易に分解除去することができるが、特に粘度調整剤としての機能とバインダーとしての機能を有する。従って、エチルセルロースは、他の有機溶媒との併用が最適であり、例えば、低級アルコールやテルピネオールのみを有機溶媒として用い、金属化合物の溶液を調製したときには、コーティング組成物の粘度が極めて低粘性となり、コーティングに際してダレ等を生じ易くなってしまうが、エチルセルロースの併用により、コーティング組成物の粘度をコーティングに適した範囲に調整することができる。   Furthermore, ethyl cellulose, like terpineol, can be easily decomposed and removed by heat treatment without adversely affecting the electrical properties of the metal oxide produced from the metal compound. It has the function of. Therefore, ethyl cellulose is optimally used in combination with other organic solvents.For example, when only a lower alcohol or terpineol is used as an organic solvent and a metal compound solution is prepared, the viscosity of the coating composition becomes extremely low, Although dripping or the like tends to occur during coating, the viscosity of the coating composition can be adjusted to a range suitable for coating by using ethyl cellulose in combination.

尚、エチルセルロースとしては、種々の分子量のものが市販されているが、コーティング液をスクリーン印刷に特に適した粘度に調整するという観点から、トルエンを溶媒とし、固形分エチルセルロース濃度10%溶液の場合の粘度(25℃)が30〜50cPの範囲にあるものが好適である。   In addition, although ethyl cellulose having various molecular weights is commercially available, from the viewpoint of adjusting the coating liquid to a viscosity particularly suitable for screen printing, toluene is used as a solvent, and a solid ethylcellulose concentration 10% solution is used. What has a viscosity (25 degreeC) in the range of 30-50 cP is suitable.

本発明において有機溶媒として使用される混合溶媒は、上記のような観点から、一般に、エチルセルロース/テルピネオール(重量比)が=0.1/99.9乃至20/80、特に3/97の範囲で含有しているのがよく、さらに、コーティング組成物の粘度がコーティングに適した範囲(例えば25℃で15乃至500cP)となるように、適宜の量の低級アルコールを金属酸化物粒子の分散媒として使用するのがよい。   From the above viewpoint, the mixed solvent used as the organic solvent in the present invention is generally in the range of ethyl cellulose / terpineol (weight ratio) = 0.1 / 99.9 to 20/80, particularly 3/97. In addition, an appropriate amount of lower alcohol is used as a dispersion medium for the metal oxide particles so that the viscosity of the coating composition is in a range suitable for coating (for example, 15 to 500 cP at 25 ° C.). It is good to use.

<コーティング組成物の調製>
上述した各成分を含む本発明のコーティング組成物は、特に金属化合物(b)を溶質として安定に存在させるために、金属酸化物粒子が分散した分散液と、金属酸化物(b)が溶解した溶液とを別個に調製した後、これらの分散液と溶液とを混合することにより調製するのがよい。各成分を一挙に混合すると、金属酸化物(b)が凝集した状態で析出してしまうおそれがあり、このような場合には、多孔質酸化物半導体層の下地に逆電子防止層(緻密な金属酸化物層)を形成することが困難となってしまうからである。
<Preparation of coating composition>
The coating composition of the present invention containing each of the above-described components has a dispersion in which metal oxide particles are dispersed and a metal oxide (b) dissolved, particularly in order to allow the metal compound (b) to exist stably as a solute. The solution is preferably prepared separately and then mixed by mixing these dispersions with the solution. When the components are mixed all at once, the metal oxide (b) may be precipitated in an aggregated state. In such a case, the reverse electron blocking layer (dense This is because it becomes difficult to form a (metal oxide layer).

上記のようにしてコーティング組成物を調製するにあたって、金属酸化物粒子が分散した分散液は、前述した有機溶媒の一部、特に低級アルコールに金属酸化物粒子と第1の分散剤とを、前述した量割合で混合し、攪拌することにより得られる。また、金属酸化物(b)が溶解した溶液は、残りの有機溶媒、特にエチルセルロース/テルピネオール混合溶媒に、金属化合物と第2の分散剤とを、所定の量比で混合し、攪拌することにより得られる。この際、適宜の温度に加熱することもできる。尚、これらの分散液或いは溶液に用いる有機溶媒の量は、両者を混合してコーティング組成物を調製したときに、コーティング組成物の粘度がコーティングに適した範囲(例えば、25℃での粘度が10cP以上、特に50乃至2000cP)となり、且つ溶解している金属化合物が析出しない程度の量とすればよい。   In preparing the coating composition as described above, the dispersion in which the metal oxide particles are dispersed is obtained by adding the metal oxide particles and the first dispersant to a part of the organic solvent, particularly the lower alcohol. It is obtained by mixing and stirring in the amount ratio. In addition, the solution in which the metal oxide (b) is dissolved is obtained by mixing the remaining organic solvent, particularly the ethyl cellulose / terpineol mixed solvent, with the metal compound and the second dispersant in a predetermined amount ratio and stirring. can get. At this time, it can be heated to an appropriate temperature. The amount of the organic solvent used in these dispersions or solutions is such that the viscosity of the coating composition is suitable for coating when the coating composition is prepared by mixing the two (for example, the viscosity at 25 ° C. The amount may be 10 cP or more, particularly 50 to 2000 cP), and the amount is such that the dissolved metal compound does not precipitate.

<多孔質光電変換層の形成>
本発明においては、上記のコーティング組成物を用いることにより、一段のコーティングで、逆電子防止特性を備えた多孔質光電変換層を形成することができる。即ち、図2を用いて説明すると、このコーティング組成物を電極基板として使用される金属基板50の発電領域となる面に塗布し、次いで熱処理(焼成)することにより、多孔質光電変換層が形成される。即ち、この熱処理によって、有機溶媒等が揮散、熱分解等により除去され、且つ金属化合物の酸化物が生成し、前述した原理にしたがって生成した金属酸化物の粒子及び分散粒子として存在していた金属酸化物粒子が焼結、金属基板50表面に存在する緻密な逆電子防止層53と、逆電子防止層53上に存在する多孔質酸化物半導体層55とからなる多孔質光電変換層が形成されるわけである。
<Formation of porous photoelectric conversion layer>
In the present invention, by using the above coating composition, a porous photoelectric conversion layer having a reverse electron prevention property can be formed by a single-stage coating. That is, with reference to FIG. 2, a porous photoelectric conversion layer is formed by applying this coating composition to the surface to be a power generation region of a metal substrate 50 used as an electrode substrate, followed by heat treatment (firing). Is done. That is, by this heat treatment, the organic solvent and the like are removed by volatilization, thermal decomposition, etc., and an oxide of the metal compound is generated, and the metal oxide particles and dispersed particles generated according to the principle described above are present. Oxide particles are sintered, and a porous photoelectric conversion layer comprising a dense reverse electron prevention layer 53 existing on the surface of the metal substrate 50 and a porous oxide semiconductor layer 55 existing on the reverse electron prevention layer 53 is formed. That is why.

コーティング組成物の塗布は、スクリーン印刷、スプレー噴霧、刷毛塗り、スピンコート、ディピングなど、公知の塗布手段を採用することができるが、効率よく、連続的に塗布を行うという点で、スクリーン印刷が好適である。   The coating composition can be applied by known application means such as screen printing, spray spraying, brush coating, spin coating, dipping, etc., but screen printing is effective in that it can be applied efficiently and continuously. Is preferred.

塗布後の熱処理条件は、用いる金属化合物や金属酸化物の種類によっても異なるが、一般に、300乃至600℃の高温に、10乃至180分間、塗布層を加熱保持することにより行われる。   The heat treatment conditions after coating vary depending on the type of metal compound or metal oxide used, but are generally performed by heating and holding the coating layer at a high temperature of 300 to 600 ° C. for 10 to 180 minutes.

また、コーティング組成物の塗布量は、通常、形成される多孔質光電変換層の下層の逆電子防止層53の厚みが10乃至500nm、特に30乃至200nmとなり、その上の多孔質酸化物半導体層55の厚みが5乃至20μm程度となるように設定される。   In addition, the coating amount of the coating composition is usually such that the thickness of the reverse electron prevention layer 53 under the porous photoelectric conversion layer to be formed is 10 to 500 nm, particularly 30 to 200 nm, and the porous oxide semiconductor layer thereon The thickness of 55 is set to be about 5 to 20 μm.

上記のようにして得られる多孔質光電変換層(具体的には多孔質酸化物半導体層55)には、常法にしたがって色素を吸着担持させ、このような色素で増感された多孔質光電変換層を備えた金属基板を負極基板として、太陽電池の電極基板としての使用に供せられる。従って、多孔質光電変換層中の多孔質酸化物半導体層55は、色素を担持させるため、多孔質であることが必要であり、例えば、アルキメデス法による相対密度が50乃至90%、特に50乃至70%程度であることが好ましく、これにより、大きな表面積を確保し、有効量の色素を担持させることができるようになっている。   In the porous photoelectric conversion layer (specifically, the porous oxide semiconductor layer 55) obtained as described above, a dye is adsorbed and supported according to a conventional method, and the porous photoelectric layer sensitized with such a dye is used. The metal substrate provided with the conversion layer is used as a negative electrode substrate for use as an electrode substrate of a solar cell. Accordingly, the porous oxide semiconductor layer 55 in the porous photoelectric conversion layer needs to be porous in order to support the dye. For example, the relative density by the Archimedes method is 50 to 90%, particularly 50 to It is preferably about 70%, so that a large surface area can be secured and an effective amount of the dye can be supported.

尚、多孔質光電変換層に吸着させる色素は、この多孔質層に色素溶液を接触させることにより、吸着担持される。色素溶液の接触は、通常は、ディッピングにより行われ、吸着処理時間(浸漬時間)は、通常、30分〜24時間程度であり、吸着後、乾燥して色素溶液の溶媒を除去することにより、多孔質酸化物半導体層55の表面及び内部に増感色素が吸着担持される。   The dye adsorbed on the porous photoelectric conversion layer is adsorbed and supported by bringing the dye solution into contact with the porous layer. The contact of the dye solution is usually performed by dipping, and the adsorption treatment time (immersion time) is usually about 30 minutes to 24 hours, and after adsorption, the solvent of the dye solution is removed by drying, A sensitizing dye is adsorbed and supported on the surface and inside of the porous oxide semiconductor layer 55.

用いる色素は、増感色素として機能し得るものであり、カルボキシレート基、シアノ基、ホスフェート基、オキシム基、ジオキシム基、ヒドロキシキノリン基、サリチレート基、α−ケト−エノール基などの結合基を有するそれ自体公知のものが使用される。例えばルテニウム錯体、オスミウム錯体、鉄錯体などを何ら制限なく使用することができる。特に幅広い吸収帯を有するなどの点で、ルテニウム−トリス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)、ルテニウム−シス−ジアクア−ビス(2,2’−ビスピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)などのルテニウム系錯体が好適である。このような増感色素の色素溶液は、溶媒としてエタノールやブタノールなどのアルコール系有機溶媒を用いて調製され、その色素濃度は、通常、3×10−4乃至5×10−4mol/l程度とするのがよい。 The dye used can function as a sensitizing dye and has a linking group such as a carboxylate group, a cyano group, a phosphate group, an oxime group, a dioxime group, a hydroxyquinoline group, a salicylate group, and an α-keto-enol group. Those known per se are used. For example, a ruthenium complex, an osmium complex, an iron complex, etc. can be used without any limitation. Ruthenium-tris (2,2′-bispyridyl-4,4′-dicarboxylate), ruthenium-cis-diaqua-bis (2,2′-bispyridyl-4,4) in that it has a particularly broad absorption band. Ruthenium-based complexes such as' -dicarboxylate) are preferred. Such a dye solution of a sensitizing dye is prepared using an alcohol-based organic solvent such as ethanol or butanol as a solvent, and the dye concentration is usually about 3 × 10 −4 to 5 × 10 −4 mol / l. It is good to do.

<色素増感太陽電池>
上記のようにして色素で増感された多孔質光電変換層を表面に有する金属基板は、例えば図3に示す構造の色素増感太陽電池の負極基板として使用される。
<Dye-sensitized solar cell>
The metal substrate having a porous photoelectric conversion layer sensitized with a dye as described above on its surface is used as, for example, a negative electrode substrate of a dye-sensitized solar cell having a structure shown in FIG.

図3を参照して、この構造の太陽電池では、金属基板11の表面に、色素で増感された多孔質光電変換層13が形成されており、これを負極基板10として、電解質層20を間に挟んで透明電極基板(正極基板)1と対峙させ、その周囲が封止剤30で封止された構造を有するものであり、この多孔質光電変換層13が、前述した本発明のコーティング組成物を用いての一段のコーティングにより形成されている。即ち、この多孔質光電変換層13は、色素が吸着担持されている多孔質酸化物半導体層13aと、金属基板11の表面側に形成された緻密で薄い逆電子防止層13bとからなっている。   Referring to FIG. 3, in the solar cell having this structure, a porous photoelectric conversion layer 13 sensitized with a dye is formed on the surface of metal substrate 11, and this is used as negative electrode substrate 10 to form electrolyte layer 20. The porous photoelectric conversion layer 13 has a structure in which the transparent electrode substrate (positive electrode substrate) 1 is sandwiched between the transparent electrode substrate 1 and the periphery thereof is sealed with a sealant 30. It is formed by one-step coating using the composition. That is, the porous photoelectric conversion layer 13 includes a porous oxide semiconductor layer 13a on which a dye is adsorbed and supported, and a dense and thin reverse electron prevention layer 13b formed on the surface side of the metal substrate 11. .

多孔質光電変換層13を保持する金属基板11としては、低電気抵抗の金属材料から形成されたものであれば特に制限されないが、一般的には、6×10−6Ω・m以下の比抵抗を有する金属乃至合金、例えばアルミニウム、鉄(スチール)、ステンレススチール、銅、ニッケルなどが使用される。また、金属基板11の厚みは特に制限されず、適度な機械的強度が保持される程度の厚みを有していればよい。また、生産性を考慮しないのであれば、金属基板11は、例えば蒸着等により、樹脂フィルム等に形成されていてもよい。勿論、この樹脂フィルム等の基材は透明である必要はない。 The metal substrate 11 that holds the porous photoelectric conversion layer 13 is not particularly limited as long as it is formed from a metal material having a low electrical resistance, but generally, a ratio of 6 × 10 −6 Ω · m or less. A metal or alloy having resistance, such as aluminum, iron (steel), stainless steel, copper, nickel or the like is used. Further, the thickness of the metal substrate 11 is not particularly limited as long as it has a thickness enough to maintain an appropriate mechanical strength. If productivity is not taken into consideration, the metal substrate 11 may be formed on a resin film or the like, for example, by vapor deposition. Of course, the substrate such as the resin film does not need to be transparent.

また、本発明において、多孔質変換光電層13の下地となっている金属基板11の表面に、特開2008−53165号などに開示されている化成処理膜(逆電子防止機能を有している)を形成し、この上に、前述した本発明のコーティング組成物を用いて多孔質変換光電層13を形成することも可能である。   In the present invention, a chemical conversion treatment film (having a reverse electron prevention function) disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-53165 or the like is formed on the surface of the metal substrate 11 which is the base of the porous conversion photoelectric layer 13. It is also possible to form the porous conversion photoelectric layer 13 on this using the above-described coating composition of the present invention.

尚、図3から理解されるように、多孔質光電変換層13は、発電領域Xとなる部分に形成されるものであり、その周囲が発電に関与しない封止領域Yとなる。   As understood from FIG. 3, the porous photoelectric conversion layer 13 is formed in a portion that becomes the power generation region X, and the periphery thereof is a sealed region Y that does not participate in power generation.

上記のような金属基板11及び色素で増感された多孔質光電変換層13からなる負極基板10に対向して配置される透明電極基板1は、透明基板3の表面に透明導電膜5及び電子還元性導電層7が形成されたものである。   The transparent electrode substrate 1 arranged to face the negative electrode substrate 10 composed of the metal substrate 11 and the porous photoelectric conversion layer 13 sensitized with the dye as described above has a transparent conductive film 5 and an electron on the surface of the transparent substrate 3. The reducing conductive layer 7 is formed.

透明基板3は、高い光透過性を有していればよく、例えば透明ガラスや透明樹脂フィルムなどから形成される。その厚みや大きさは、最終的に形成される色素増感太陽電池の用途に応じて適宜決定される。   The transparent substrate 3 only needs to have high light transmittance, and is formed of, for example, transparent glass or a transparent resin film. The thickness and size are appropriately determined according to the intended use of the dye-sensitized solar cell to be finally formed.

透明基板3の上に形成される透明導電膜5としては、酸化インジウム−酸化錫合金からなる膜(ITO膜)、酸化錫にフッ素をドープした膜(FTO膜)などが代表的であるが、電子還元性が高く、特にカソードとして望ましい特性を有していることから、ITO膜が好適である。これらは蒸着により上記の透明基板3上に形成され、その厚みは、通常、500nm乃至700nm程度である。   Typical examples of the transparent conductive film 5 formed on the transparent substrate 3 include a film made of an indium oxide-tin oxide alloy (ITO film), a film in which tin oxide is doped with fluorine (FTO film), and the like. An ITO film is preferable because of its high electron reducing property and particularly desirable characteristics as a cathode. These are formed on the transparent substrate 3 by vapor deposition, and the thickness is usually about 500 nm to 700 nm.

また、上記の透明導電膜5上に形成される電子還元導電層7は、一般に白金の薄層からなり、透明導電膜5に流れ込んだ電子を電解質層20に速やかに移行せしめる機能を有するものである。このような電子還元導電層20は、光透過性が損なわれないように、その平均厚みが0.1乃至1.5nm程度となるように蒸着により薄く形成される。   The electron reduction conductive layer 7 formed on the transparent conductive film 5 is generally made of a thin platinum layer, and has a function of quickly transferring electrons flowing into the transparent conductive film 5 to the electrolyte layer 20. is there. Such an electron reduction conductive layer 20 is thinly formed by vapor deposition so that the average thickness thereof is about 0.1 to 1.5 nm so as not to impair the light transmittance.

上記のようにして形成された負極基板10と透明電極基板(正極基板)1は、電解質層20を間に挟んで対峙され、電解質層20と色素で増感された多孔質光電変換層13(特に半導体多孔質層13a)とによって発電領域Xが形成されることとなる。このような電解質層20は、公知の太陽電池と同様、リチウムイオン等の陽イオンや塩素イオン等の陰イオンを含む種々の電解質溶液により形成される。また、この電解質20中には、酸化型構造及び還元型構造を可逆的にとり得るような酸化還元対を存在させることが好ましく、このような酸化還元対としては、例えばヨウ素−ヨウ素化合物、臭素−臭素化合物、キノン−ヒドロキノンなどを挙げることができる。かかる電解質層20は、発電領域Xの周縁に位置する封止領域Yに設けられる封止材30により封止され、電極間からの液の漏洩が防止されることとなるわけである。一般に、このような電解質層20の厚みは、最終的に形成される電池の大きさによっても異なるが、通常、10乃至50μm程度である。   The negative electrode substrate 10 and the transparent electrode substrate (positive electrode substrate) 1 formed as described above are opposed to each other with the electrolyte layer 20 therebetween, and the porous photoelectric conversion layer 13 (sensitized with the electrolyte layer 20 and the dye) ( In particular, the power generation region X is formed by the semiconductor porous layer 13a). Such an electrolyte layer 20 is formed of various electrolyte solutions containing cations such as lithium ions and anions such as chlorine ions as in the case of known solar cells. Further, it is preferable that an oxidation-reduction pair capable of reversibly taking an oxidized structure and a reduced structure is present in the electrolyte 20. Examples of such an oxidized-reduced pair include iodine-iodine compounds, bromine- Examples thereof include bromine compounds and quinone-hydroquinone. The electrolyte layer 20 is sealed by the sealing material 30 provided in the sealing region Y located at the periphery of the power generation region X, and liquid leakage from between the electrodes is prevented. In general, the thickness of the electrolyte layer 20 is generally about 10 to 50 μm, although it varies depending on the size of the battery finally formed.

封止材30としては、ヒートシール可能な各種の熱可塑性樹脂乃至熱可塑性エラストマー、例えば、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ4−メチル−1−ペンテン、或いはエチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィン同士のランダム乃至ブロック共重合体等のポリオレフィン系樹脂;エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−塩化ビニル共重合体等のエチレン−ビニル化合物共重合体樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、ABS、α−メチルスチレン−スチレン共重合体等のスチレン系樹脂;ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル等のビニル系樹脂;ナイロン6、ナイロン6−6、ナイロン6−10、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミド樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂;ポリカーボネート;ポリフェニレンオキサイド;カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース誘導体;酸化澱粉、エーテル化澱粉、デキストリンなどの澱粉;及びこれらの混合物からなる樹脂;などが使用される。   As the sealing material 30, various heat-sealable thermoplastic resins or thermoplastic elastomers such as low-density polyethylene, high-density polyethylene, polypropylene, poly-1-butene, poly-4-methyl-1-pentene, or ethylene, Polyolefin resins such as random or block copolymers of α-olefins such as propylene, 1-butene and 4-methyl-1-pentene; ethylene-vinyl acetate copolymer, ethylene-vinyl alcohol copolymer, ethylene- Ethylene-vinyl compound copolymer resin such as vinyl chloride copolymer; Styrenic resin such as polystyrene, acrylonitrile-styrene copolymer, ABS, α-methylstyrene-styrene copolymer; polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polychlorinated Vinyl, polyvinylidene chloride, vinyl chloride Nyl-vinylidene chloride copolymer, vinyl resins such as polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate; nylon 6, nylon 6-6, nylon 6-10, nylon 11, nylon 12, etc. Polyamide resin; Polyester resin such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate; Polycarbonate; Polyphenylene oxide; Cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose and hydroxyethyl cellulose; Starch such as oxidized starch, etherified starch, dextrin; and mixtures thereof A resin comprising, for example, is used.

即ち、封止材30は、上記の熱可塑性樹脂等を用いての押出成形、射出成形等によって、例えば、封止領域Yに対応する幅のリング形状に成形することにより得られ、この封止材30を、互いに対抗して配置された負極基板10と透明電極基板1との間に挟んだ状態でヒートシール(加熱圧着)することにより、負極基板10と透明電極基板1とが接合され、次いで、この封止材30に注入管を挿入し、該注入管を介して、両電極基板の間の空間内に、電解質層20を形成する電解質溶液を注入することにより、図3に示す構造の色素増感太陽電池を得ることができる。   That is, the sealing material 30 is obtained by molding into a ring shape having a width corresponding to the sealing region Y, for example, by extrusion molding, injection molding, or the like using the above-described thermoplastic resin. By heat sealing (thermocompression bonding) in a state where the material 30 is sandwiched between the negative electrode substrate 10 and the transparent electrode substrate 1 arranged to face each other, the negative electrode substrate 10 and the transparent electrode substrate 1 are joined. Next, an injection tube is inserted into the sealing material 30, and an electrolyte solution for forming the electrolyte layer 20 is injected into the space between the two electrode substrates through the injection tube, whereby the structure shown in FIG. The dye-sensitized solar cell can be obtained.

尚、透明基板3として透明樹脂フィルムなどを用いるときには、例えば負極基板10と透明電極基板1との3方を封止剤30でシールし、次いでシールされていない開口部から電解質液を充填し、最後に、開口部を封止剤30で完全に封止することによっても図3に示す構造の色素増感太陽電池を作製することができる。   When a transparent resin film or the like is used as the transparent substrate 3, for example, the negative electrode substrate 10 and the transparent electrode substrate 1 are sealed with a sealing agent 30, and then filled with an electrolyte solution from an unsealed opening, Finally, the dye-sensitized solar cell having the structure shown in FIG. 3 can also be produced by completely sealing the opening with the sealant 30.

このようにして形成される色素増感太陽電池では、透明電極基板1側から可視光を照射することにより、多孔質光電変換層13(半導体多孔質層13a)に担持されている色素が励起され、基底状態から励起状態へと遷移し、励起された色素の電子が、光電変換層13中の伝導帯へ注入され、金属電極基板10(金属基板11)を介して外部回路(図示せず)を通って透明電極基板1に移動する。透明電極基板1に移動した電子は、電解質層20中のイオンによって運ばれ、色素に戻る。このような過程の繰り返しにより電気エネルギーが取り出され、発電が行われることとなる。即ち、かかる太陽電池では、多孔質光電変換層13中の金属基板11と対面する領域に整流障壁として機能する逆電子防止層13bが形成されているため、逆電流が有効に防止され、高い変換効率を得ることができる。   In the dye-sensitized solar cell thus formed, the dye carried on the porous photoelectric conversion layer 13 (semiconductor porous layer 13a) is excited by irradiating visible light from the transparent electrode substrate 1 side. , The transition from the ground state to the excited state, the excited dye electrons are injected into the conduction band in the photoelectric conversion layer 13, and an external circuit (not shown) through the metal electrode substrate 10 (metal substrate 11). It moves to the transparent electrode substrate 1 through. The electrons that have moved to the transparent electrode substrate 1 are carried by the ions in the electrolyte layer 20 and return to the pigment. By repeating such a process, electric energy is extracted and electric power is generated. That is, in such a solar cell, since the reverse electron prevention layer 13b that functions as a rectifying barrier is formed in a region facing the metal substrate 11 in the porous photoelectric conversion layer 13, a reverse current is effectively prevented and high conversion is achieved. Efficiency can be obtained.

また、上記のような2層構造の多孔質光電変換層13は、一段のコーティングで形成されている。即ち、金属基板11表面に存在する逆電子防止層13bとその上の多孔質酸化物半導体層13aは一段のコーティングにより一体的に形成されるため、多孔質酸化物半導体層13aを形成する際の熱処理に起因するピンホール等の欠陥が逆電子防止層13bに生じることがなく、例えば、金属基板11の表面が表面粗さの大きな粗面であったとしても、発電領域Xでは、その表面は完全に逆電子防止層13bで被覆され、従って金属基板11の表面が露出して直接多孔質の酸化物半導体層13aに接触することがない。加えるに、この逆電子防止層13bは電解質に対して耐性を有する金属酸化物で形成されている。従って、電解質層20からの電解質液による金属基板11の腐食を確実に防止することができ、この色素増感太陽電池は、極めて高い耐久性を示し、経時による変換効率の低下が有効に防止されている。   Moreover, the porous photoelectric conversion layer 13 having the two-layer structure as described above is formed by one-step coating. That is, the reverse electron blocking layer 13b existing on the surface of the metal substrate 11 and the porous oxide semiconductor layer 13a thereon are integrally formed by one-step coating, and therefore, when forming the porous oxide semiconductor layer 13a. Defects such as pinholes due to heat treatment do not occur in the reverse electron prevention layer 13b. For example, even if the surface of the metal substrate 11 is a rough surface having a large surface roughness, in the power generation region X, the surface is It is completely covered with the reverse electron prevention layer 13b, so that the surface of the metal substrate 11 is not exposed and does not directly contact the porous oxide semiconductor layer 13a. In addition, the reverse electron prevention layer 13b is formed of a metal oxide having resistance to the electrolyte. Therefore, corrosion of the metal substrate 11 by the electrolyte solution from the electrolyte layer 20 can be surely prevented, and this dye-sensitized solar cell exhibits extremely high durability and effectively prevents a decrease in conversion efficiency over time. ing.

さらに、上記の太陽電池では、逆電子防止層13bと多孔質酸化物半導体層13aとからなる多孔質光電変換層13を一段のコーティングで形成することができるため、その生産性は極めて高い。   Furthermore, in the above solar cell, since the porous photoelectric conversion layer 13 composed of the reverse electron prevention layer 13b and the porous oxide semiconductor layer 13a can be formed by a single coating, the productivity is extremely high.

尚、上述した例では、コーティング組成物により形成する多孔質光電変換層を金属基板の表面に形成する場合を例にとって説明したが、このような多孔質光電変換層は、上記の例に限定されるものではなく、例えば透明電極基板の表面に形成することも勿論可能である。
また、本発明のコーティング組成物を、公知の手段によって形成されている金属基板上の逆電防止層の上に塗布して多孔質光電変換層を形成することも可能である。また、本発明のコーティング組成物を用いて多孔質光電変換層を形成した後、従来公知の手段によって、この上に、さらに多孔質光電変換層を重ねて形成することも勿論可能である。
In the example described above, the case where the porous photoelectric conversion layer formed of the coating composition is formed on the surface of the metal substrate has been described as an example. However, such a porous photoelectric conversion layer is limited to the above example. Of course, it may be formed on the surface of the transparent electrode substrate, for example.
Moreover, it is also possible to apply | coat the coating composition of this invention on the reverse electricity prevention layer on the metal substrate currently formed by the well-known means, and to form a porous photoelectric converting layer. Moreover, after forming a porous photoelectric converting layer using the coating composition of this invention, of course, it is also possible to form a porous photoelectric converting layer further on this by a conventionally well-known means.

本発明の優れた効果を次の実験例で説明する。
<実施例1>
(酸化物半導体層形成用ペースト作製)
球状の粒径30nmと多面体状(不定形状)の粒径15nmの市販TiO粒子2種類を主剤とし、溶媒として、エタノールをペースト中70重量%の量、分散剤として、酢酸をペースト中0.05重量%の量で含むTiOペーストを調製した。
The excellent effects of the present invention will be described in the following experimental examples.
<Example 1>
(Preparation of oxide semiconductor layer forming paste)
Two types of commercially available TiO 2 particles having a spherical particle size of 30 nm and a polyhedral (irregular shape) particle size of 15 nm are used as a main agent, ethanol is used in an amount of 70% by weight in the paste, and acetic acid is used as a dispersant in the paste in an amount of 0.0%. A TiO 2 paste containing 05 wt% was prepared.

(逆電子防止層形成用ペースト作製)
チタンテトライソプロポキシドを主剤とし、溶媒として、テルピネオールとエチルセルロースを2/98の重量比の混合溶媒、安定化剤としてブチルセロソルブを3重量%濃度となるように混合し、チタン濃度が0.5重量%となるように逆電子防止層用ペーストを調製した。
(Preparation of reverse electron prevention layer forming paste)
Titanium tetraisopropoxide is the main agent, terpineol and ethylcellulose are mixed in a 2/98 weight ratio as a solvent, and butyl cellosolve is mixed at a concentration of 3% by weight as a stabilizer. %, A paste for a reverse electron prevention layer was prepared.

上記の酸化物半導体形成用ペースト及び逆電子防止層形成用ペーストを撹拌させながら混合し、混合ペーストを作製した。   The paste for forming an oxide semiconductor and the paste for forming a reverse electron prevention layer were mixed while being stirred to prepare a mixed paste.

次いで、金属基板として、市販のアルミニウム板(厚み0.3mm)を用意し、このアルミニウム板上に、上記で調製した混合ペーストを塗布し、その後、450℃で30分間焼成して、逆電子防止層及び酸化物半導体層を作製した。このようにして形成された逆電防止層及び酸化物半導体層の断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)によるHAADF像により観察したところ、各層の厚みは逆電子防止層が約200nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。   Next, a commercially available aluminum plate (thickness 0.3 mm) is prepared as a metal substrate, and the above-prepared mixed paste is applied to the aluminum plate, and then baked at 450 ° C. for 30 minutes to prevent reverse electrons. A layer and an oxide semiconductor layer were manufactured. When the cross sections of the anti-electrostatic layer and the oxide semiconductor layer thus formed were observed with a HAADF image by a transmission electron microscope (TEM), the thickness of each layer was about 200 nm for the anti-electron prevention layer. The layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.

さらに、純度99.5%のエタノールに分散させたルテニウム錯体色素からなる色素溶液中に、上記の酸化物半導体層を24時間漬浸させ、次いで乾燥することにより、負極構造体を得た。尚、用いたルテニウム錯体色素は、下記式で表される。
[Ru(dcbpy)(NCS)]・2H
一方、白金を蒸着したITO/PENフィルムで構成される対向電極(正極)構造体を用意した。
Further, the oxide semiconductor layer was immersed in a dye solution composed of a ruthenium complex dye dispersed in ethanol having a purity of 99.5% for 24 hours, and then dried to obtain a negative electrode structure. The ruthenium complex dye used is represented by the following formula.
[Ru (dcbpy) 2 (NCS) 2 ] · 2H 2 O
On the other hand, a counter electrode (positive electrode) structure composed of an ITO / PEN film deposited with platinum was prepared.

この対向電極構造体と上記で作製した負電極構造体との間に電解質液を挟みこんで色素増感型太陽電池を作製した。尚、電解質液としては、LiI/I(0.5mol/0.025mol)をメトキシプロピオニトリルに溶かしたものに4−tert−ブチルピリジンを添加したものを用いた。
得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
A dye-sensitized solar cell was manufactured by sandwiching an electrolyte solution between the counter electrode structure and the negative electrode structure prepared above. As the electrolyte solution, used was added 4-tert-butylpyridine LiI / I 2 a (0.5 mol / 0.025 mol) to those dissolved in methoxypropionitrile.
The obtained battery was stored in a room temperature environment and checked after 1000 hours. As a result, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例2>
酸化物半導体層形成用ペーストの分散剤として、酢酸の代わりにブチルセロソルブを使用した以外は実施例1と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 2>
An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 1 except that butyl cellosolve was used instead of acetic acid as a dispersant for the oxide semiconductor layer forming paste.
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例3>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりにトリメチル酢酸を使用した以外は実施例2と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 3>
An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 2 except that trimethylacetic acid was used in place of butyl cellosolve as a dispersant for the paste for forming the oxide semiconductor layer.
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例4>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりに、酢酸と蒸留水の混合品(酢酸/蒸留水=50/50wt%)を使用した以外は実施例2と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 4>
An electrode under the same conditions as in Example 2 except that a mixture of acetic acid and distilled water (acetic acid / distilled water = 50/50 wt%) was used instead of butyl cellosolve as a dispersant for the paste for forming the oxide semiconductor layer. A dye-sensitized solar cell was prepared.
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例5>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりに、アセチルアセトンを使用した以外は実施例1と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 5>
An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 1 except that acetylacetone was used in place of butyl cellosolve as a dispersant for the oxide semiconductor layer forming paste.
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例6>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりに、酢酸と蒸留水の混合品(酢酸/蒸留水=50/50wt%)を使用した。また、逆電子防止層形成用ペーストとして、溶媒としてテルピネオールとエチルセルロースを2/98の重量比の混合溶媒を使用し、この混合溶媒に、チタンテトライソプロポキシド(主剤)及び分散剤(安定化成分)としてプロピルセロソルブを混合したものを使用した(プロピルセロソルブ濃度;3重量%、チタン濃度;0.5重量%)。この酸化物半導体層形成用のペーストと逆電子防止層形成用ペーストとを用いた以外は、実施例2と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 6>
As a dispersant for the paste for forming the oxide semiconductor layer, a mixture of acetic acid and distilled water (acetic acid / distilled water = 50/50 wt%) was used instead of butyl cellosolve. Moreover, as a reverse electron prevention layer forming paste, a mixed solvent of terpineol and ethyl cellulose in a weight ratio of 2/98 is used as a solvent, and titanium tetraisopropoxide (main agent) and a dispersant (stabilizing component) are used as the mixed solvent. ) Was used as a mixture of propyl cellosolve (propyl cellosolve concentration: 3 wt%, titanium concentration: 0.5 wt%). An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 2 except that this oxide semiconductor layer forming paste and the reverse electron blocking layer forming paste were used.
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例7>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりに、酢酸と蒸留水の混合品(酢酸/蒸留水=50/50wt%)を使用し、逆電防止層形成用ペーストの分散剤(安定化成分)としてブチルセロソルブの濃度を0.01重量%に変更したものを用いた以外は、実施例2と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 7>
As a dispersant for the paste for forming the oxide semiconductor layer, a mixture of acetic acid and distilled water (acetic acid / distilled water = 50/50 wt%) is used instead of butyl cellosolve. An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 2 except that the butyl cellosolve concentration was changed to 0.01 wt% as the (stabilizing component).
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例8>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりに、酢酸と蒸留水の混合品(酢酸/蒸留水=50/50wt%)を使用し、逆電防止層形成用ペーストの分散剤(安定化成分)としてブチルセロソルブの濃度を20重量%とした以外は、実施例2と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 8>
As a dispersant for the paste for forming the oxide semiconductor layer, a mixture of acetic acid and distilled water (acetic acid / distilled water = 50/50 wt%) is used instead of butyl cellosolve. An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 2 except that the concentration of butyl cellosolve was 20% by weight as (stabilizing component).
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<実施例9>
酸化物半導体層形成用のペーストの分散剤として、ブチルセロソルブの代わりに、酢酸と蒸留水の混合品(酢酸/蒸留水=50/50wt%)を使用し、逆電防止層形成用ペーストの分散剤(安定化成分)としてブチルセロソルブの濃度を50重量%とした以外は、実施例2と同様の条件で電極および色素増感太陽電池の作成を行った。
電極の断面観察をTEMで行ったところ、逆電子防止層が約150nm、酸化物半導体層が約10μmであった。また、酸化物半導体層を形成している二酸化チタンの粒子が、その下の緻密な逆電防止層に食い込んでいることを確認した。
さらに、得られた電池を、室温環境下にて保管し、1000時間後に確認したところ、腐食は未発現であり、変換効率の低下もなかった。
<Example 9>
As a dispersant for the paste for forming the oxide semiconductor layer, a mixture of acetic acid and distilled water (acetic acid / distilled water = 50/50 wt%) is used instead of butyl cellosolve. An electrode and a dye-sensitized solar cell were prepared under the same conditions as in Example 2 except that the concentration of butyl cellosolve was 50% by weight as (stabilizing component).
When the cross section of the electrode was observed with TEM, the reverse electron blocking layer was about 150 nm and the oxide semiconductor layer was about 10 μm. In addition, it was confirmed that the titanium dioxide particles forming the oxide semiconductor layer dig into the dense back-prevention layer underneath.
Furthermore, when the obtained battery was stored in a room temperature environment and confirmed after 1000 hours, corrosion was not developed and there was no decrease in conversion efficiency.

<比較例1>
(酸化物半導体層形成用ペースト)
酸化物半導体層を形成するためのペーストは、実験例1と同様に作製した。
(逆電子防止層形成用ペースト)
逆電子防止層を形成するためのペーストは、実験例1と同様に作製した。
<Comparative Example 1>
(Oxide semiconductor layer forming paste)
A paste for forming the oxide semiconductor layer was manufactured in the same manner as in Experimental Example 1.
(Reverse electron prevention layer forming paste)
The paste for forming the reverse electron prevention layer was prepared in the same manner as in Experimental Example 1.

次いで、実験例1と同様のアルミニウム板上に、まず、上記で調製した逆電子防止層用ペーストを塗布し、120℃で乾燥させ、その後、その上にTiOペーストを塗布し、その後、450℃で30分間焼成して、逆電子防止層及び酸化物半導体層を作成した。各層の厚みは逆電子防止層が約200nm、酸化物半導体層が約10μmであった。その後、実験例1と同様に焼成して逆電子防止層及び酸化物半導体層を形成した。各層の膜厚を測定したところ、逆電子防止層は約20〜500nmと不均一な膜厚であり、酸化物半導体層は約10μmであった。
そして、実施例1と同様に電池を作製し、室温環境下にて保管し、24時間後に確認したところ、腐食が発現しており、電池としてほぼ機能していなかった。
腐食が発現していた現象より、これは、アルミニウム表面の露出部の存在を有することが原因と考えられる。
Next, on the same aluminum plate as in Experimental Example 1, first, the paste for a reverse electron prevention layer prepared above was applied, dried at 120 ° C., and then a TiO 2 paste was applied thereon, and then 450 The reverse electron blocking layer and the oxide semiconductor layer were prepared by baking at 30 ° C. for 30 minutes. The thickness of each layer was about 200 nm for the reverse electron blocking layer and about 10 μm for the oxide semiconductor layer. Thereafter, firing was performed in the same manner as in Experimental Example 1 to form a reverse electron prevention layer and an oxide semiconductor layer. When the film thickness of each layer was measured, the reverse electron prevention layer had a non-uniform film thickness of about 20 to 500 nm, and the oxide semiconductor layer had a thickness of about 10 μm.
Then, a battery was produced in the same manner as in Example 1, stored in a room temperature environment, and confirmed after 24 hours. As a result, corrosion occurred and the battery did not function substantially.
From the phenomenon in which corrosion has developed, this is considered to be due to the presence of exposed portions on the aluminum surface.

1:透明電極基板
3:透明基板
5:透明導電層
10:負極基板
11(50):金属基板
13:多孔質光電変換層
13a(55):酸化物半導体多孔質層
13b(53):逆電子防止層
20:電解質層
1: Transparent electrode substrate 3: Transparent substrate 5: Transparent conductive layer 10: Negative electrode substrate 11 (50): Metal substrate 13: Porous photoelectric conversion layer 13a (55): Porous oxide semiconductor layer 13b (53): Reverse electron Prevention layer 20: electrolyte layer

Claims (9)

電極基板上に多孔質光電変換層を形成するために使用されるコーティング組成物であって、
金属酸化物、熱処理により酸化物を形成し得る金属化合物、分散剤及び有機溶媒を含み、
該金属酸化物は分散粒子として存在し、該金属化合物は溶質として存在し
前記分散剤は、前記金属酸化物を分散させるための第1の分散剤と、前記金属化合物を溶質安定化するための第2の分散剤とを含有していることを特徴とするコーティング組成物。
A coating composition used to form a porous photoelectric conversion layer on an electrode substrate,
Including a metal oxide, a metal compound capable of forming an oxide by heat treatment, a dispersant and an organic solvent,
The metal oxide is present as dispersed particles, the metal compound is present as a solute ,
The dispersant contains a first dispersant for dispersing the metal oxide and a second dispersant for solute stabilization of the metal compound . .
前記金属酸化物が、チタン、亜鉛及びジルコニウムからなる群より選択された金属の酸化物である請求項1に記載のコーティング組成物。   The coating composition according to claim 1, wherein the metal oxide is an oxide of a metal selected from the group consisting of titanium, zinc, and zirconium. 前記金属化合物が、チタン、亜鉛及びジルコニウムからなる群より選択された金属のアルコキシドもしくは塩化物である請求項1または2に記載のコーティング組成物。   The coating composition according to claim 1 or 2, wherein the metal compound is an alkoxide or chloride of a metal selected from the group consisting of titanium, zinc and zirconium. 前記第1の分散剤が、酢酸、トリメチル酢酸、グリコールエーテル、β−ジケトン及び水からなる群より選択された少なくとも1種である請求項に記載のコーティング組成物。 The coating composition according to claim 1 , wherein the first dispersant is at least one selected from the group consisting of acetic acid, trimethylacetic acid, glycol ether, β-diketone, and water. 前記第2の分散剤が、グリコールエーテルである請求項1に記載のコーティング組成物。 The coating composition according to claim 1, wherein the second dispersant is a glycol ether. 前記有機溶媒が、炭素数4以下の低級アルコール、エチルセルロース及びテルピネオールからなる群より選択された少なくとも1種である請求項1〜5の何れかに記載のコーティング組成物。 The coating composition according to any one of claims 1 to 5 , wherein the organic solvent is at least one selected from the group consisting of lower alcohols having 4 or less carbon atoms, ethyl cellulose, and terpineol. 前記金属化合物を、金属換算で、前記金属酸化物当り0.01乃至50重量%の量で含有している請求項1〜6の何れかに記載のコーティング組成物。 The coating composition according to any one of claims 1 to 6 , wherein the metal compound is contained in an amount of 0.01 to 50% by weight per metal oxide in terms of metal. 金属換算で、前記第1の分散剤を、前記金属酸化物当り0.01乃至50重量%の量で含有し、前記第2の分散剤を、前記金属化合物当り0.01乃至50重量%の量で含有している請求項に記載のコーティング組成物。 In terms of metal, the first dispersant is contained in an amount of 0.01 to 50% by weight per the metal oxide, and the second dispersant is 0.01 to 50% by weight per the metal compound. The coating composition according to claim 1 , which is contained in an amount. 請求項1〜8の何れかに記載のコーティング組成物を、電極基板に塗布し、次いで熱処理することにより、電極基板表面に形成された逆電子防止層と逆電子防止層上に形成された多孔質酸化物半導体層とからなる多孔質光電変換層を、一段で形成することを特徴とする多孔質光電変換層の形成方法。 A coating composition according to any one of claims 1 to 8 is applied to an electrode substrate, and then heat-treated to form a reverse electron blocking layer formed on the electrode substrate surface and a porous layer formed on the reverse electron blocking layer. A porous photoelectric conversion layer comprising a porous oxide semiconductor layer is formed in a single step.
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