JP5644588B2 - Dye-sensitized photoelectric conversion device, manufacturing method thereof, and electronic apparatus - Google Patents
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Description
本開示は、色素増感光電変換装置およびその製造方法ならびに電子機器に関し、例えば色素増感太陽電池に用いて好適な色素増感光電変換装置およびその製造方法ならびにこの色素増感光電変換装置を用いる電子機器に関するものである。 The present disclosure relates to a dye-sensitized photoelectric conversion device, a method for manufacturing the same, and an electronic apparatus. For example, the dye-sensitized photoelectric conversion device suitable for use in a dye-sensitized solar cell, a method for manufacturing the same, and the dye-sensitized photoelectric conversion device are used. It relates to electronic equipment.
太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換装置である太陽電池は太陽光をエネルギー源としているため、地球環境に対する影響が極めて少なく、より一層の普及が期待されている。
従来より、太陽電池としては、単結晶または多結晶のシリコンを用いた結晶シリコン系太陽電池および非晶質(アモルファス)シリコン系太陽電池が主に用いられている。
Solar cells, which are photoelectric conversion devices that convert sunlight into electrical energy, use sunlight as an energy source, and therefore have very little influence on the global environment, and are expected to become more widespread.
Conventionally, crystalline silicon solar cells using single crystal or polycrystalline silicon and amorphous silicon solar cells are mainly used as solar cells.
一方、1991年にグレッツェルらが提案した色素増感太陽電池は、高い光電変換効率を得ることができ、しかも従来のシリコン系太陽電池とは異なり製造の際に大掛かりな装置を必要とせず、低コストで製造することができることなどにより注目されている(例えば、非特許文献1参照。)。 On the other hand, the dye-sensitized solar cell proposed by Gretzell et al. In 1991 can obtain high photoelectric conversion efficiency, and unlike a conventional silicon-based solar cell, it does not require a large-scale device for production, and has a low It is attracting attention because it can be manufactured at low cost (for example, see Non-Patent Document 1).
図11は、一般的な色素増感太陽電池100の構造を示す要部断面図である。色素増感太陽電池100は、主として、ガラスなどの透明基板101、透明導電層102、光増感色素を保持した多孔質光電極103、電解質層104、対極105、電極基板106、および図示省略した封止材などから構成されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a main part showing the structure of a general dye-sensitized
透明導電層102は、ITO(Indium Tin Oxide;インジウム・スズ複合酸化物)やFTO(フッ素がドープされた酸化スズ)などからなり、透明基板101の上に設けられており、負極集電体として機能する。負極である多孔質光電極103は、透明導電層102に接して設けられている。多孔質光電極103としては、酸化チタン(TiO2)などの金属酸化物半導体の微粒子を焼結させた多孔質半導体層などが用いられることが多い。光増感色素は、多孔質光電極103を構成する金属酸化物半導体の表面に吸着されている。電解質層104としては、酸化還元種(レドックス対)を含む電解液などが用いられる。正極である対極105は白金層などで構成され、電極基板106上に設けられている。
The transparent
色素増感太陽電池100は、光が透明基板101側から入射するように構成されている。入射した光の一部は光増感色素によって吸収され、この光吸収によって励起された電子の一部が多孔質光電極103に取り出される。一方、電子を失った光増感色素は、電解質層104中の還元剤によって還元される。この反応によって電解質層104中に生じた酸化剤は、対極(正極)105から電子を受け取り還元される。この結果、色素増感太陽電池100は、透明導電層102および多孔質光電極103を負極、対極105を正極とする光電変換装置として動作する。
The dye-sensitized
色素増感太陽電池の製造には、従来のシリコン系太陽電池とは異なり製造に真空処理工程が必要ないので、大掛かりな装置を必要としない。また、酸化チタンなどの安価な酸化物半導体を用いて、少ない工程で生産性よく製造できるという長所がある。また、可視光領域を中心とした幅広い波長領域の光を吸収できる光増感色素が種々存在するので、多孔質光電極に結合させる光増感色素を選択することにより吸収する光の波長を選択可能にし、複数の光増感色素を組み合わせて多孔質光電極に結合させることによって、広い波長領域の光を利用できるという長所がある。加えて、プラスチックなどの、軽量でフレキシブルな基材を用いて、ロール・ツー・ロール・プロセスで、さらに生産性よく安価に製造できる可能性を秘めている。このため、新世代の光電変換装置として、近年非常に注目されている。 Unlike the conventional silicon-based solar cell, the production of the dye-sensitized solar cell does not require a vacuum processing step, and thus does not require a large-scale apparatus. In addition, there is an advantage in that an inexpensive oxide semiconductor such as titanium oxide can be used to manufacture with few steps and high productivity. In addition, there are various photosensitizing dyes that can absorb light in a wide wavelength range centered on the visible light region, so the wavelength of light to be absorbed can be selected by selecting the photosensitizing dye that is bound to the porous photoelectrode. The advantage is that light in a wide wavelength region can be used by combining a plurality of photosensitizing dyes and bonding them to a porous photoelectrode. In addition, it has the potential to be manufactured at a lower cost with higher productivity by a roll-to-roll process using a lightweight and flexible substrate such as plastic. For this reason, it has attracted much attention in recent years as a new generation photoelectric conversion device.
しかしながら、色素増感太陽電池の光電変換効率は、まだ、シリコン系太陽電池の光電変換効率に比べると低いのが現状である。そこで、光電変換効率の向上のために、様々な取り組みが報告されている。その1つの形態として、多孔質光電極103を透過した光が電解質層104や対極105に吸収されることを防ぐために多孔質光電極103に光散乱機能をもたせて入射した光の利用率を向上させ、光電変換効率を向上させる技術が知られている。
However, at present, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is still lower than the photoelectric conversion efficiency of the silicon-based solar cell. Therefore, various efforts have been reported to improve photoelectric conversion efficiency. As one form, in order to prevent the light transmitted through the
例えば、特許文献1には、図12に示すように、ガラス基板201、電極206、高屈折材料薄膜207、光吸収粒子層203、光反射粒子層208、電解液部204、および対極205で構成されている色素増感太陽電池200が提案されている。
For example,
色素増感太陽電池200の電極206は、格子状あるいは複数の帯状に形成された金属からなり、また、高屈折材料薄膜207は、例えば酸化チタン(ルチル)などの高屈折率材料の薄膜であり、その膜厚は約50〜100nm程度が好ましい。光吸収粒子層203は、高屈折材料薄膜207が形成されたガラス基板201に半導体微粒子213を堆積させ、光増感色素を吸着させた層である。半導体微粒子213は、例えば酸化チタン微粒子(アナターゼ)などであり、その粒径は約80nm以下で、光吸収粒子層203の厚さは約10μm以下であるのが好ましい。光反射粒子層208は、光吸収粒子層203に高屈折材料粒子218を堆積させた層である。高屈折材料粒子218は、例えば酸化チタン(TiO2)微粒子(ルチル)などであり、その粒径は約200〜500nmで、光反射粒子層208の厚さは、約5〜10μm程度であるのが好ましい。電解液部204は、光吸収粒子層203および光反射粒子層208を含むか、あるいは電解液が光吸収粒子層203および光反射粒子層208を浸潤するように設けられている。
The
色素増感太陽電池200の特徴の1つは、高屈折材料粒子218の粒径が、光の散乱が最大になるように、約200〜500nmの範囲で制御されていることである。これにより、光吸収粒子層203を一旦透過した入射光を光反射粒子層208で効率よく反射させ、再度光吸収粒子層203内に戻すことができる。光反射粒子層208による散乱は、散乱による1次回折波の散乱角が、電解液と高屈折材料粒子218の全反射に相当するような散乱をおこす角度になるように、高屈折材料粒子218の粒径を制御した場合に最大になる。
One of the features of the dye-sensitized
色素増感太陽電池200の他の特徴は、光反射粒子層208によって反射され、光吸収粒子層203に戻された光が、再び光吸収粒子層203を透過してしまっても、この反射光のほとんどは高屈折材料薄膜207によって全反射され、光吸収粒子層203内に再度戻されることである。なお、高屈折材料薄膜207は、ガラス基板201側からの光の入射に対しては反射防止膜と同等に作用するので、入射光の透過を低下させることはない。
Another feature of the dye-sensitized
このように、一旦色素増感太陽電池200の光吸収粒子層203に入射した光は、光反射粒子層208による散乱と、高屈折材料薄膜207による全反射とを繰り返すことにより、光吸収粒子層203内に閉じ込められる。このため、光吸収粒子層203を薄層化しても、入射された光は光増感色素によって有効に吸収される。これと、光吸収粒子層203の薄層化による集電効率の向上と低抵抗化とによって、光電変換効率を大幅に高めることができる。
Thus, the light once incident on the light-absorbing
なお、光反射粒子層208の高屈折材料粒子218にも光増感色素を吸着させ、光反射粒子層208においても光電変換を行わせ、変換効率を高めることも可能である。また、高屈折材料粒子218は、光の波数kに対して1.3×π/kの粒径をもつ酸化チタンの粒子を用いるもので、その粒径は約200〜500nmの範囲に包含される。
It is also possible to adsorb the photosensitizing dye also to the high
また、上述した光吸収粒子層203と光反射粒子層208とを積層構造にするのではなく、光吸収粒子層203中に光散乱を目的とした粗大粒子を添加する構成も提案されている。例えば、非特許文献2では、高性能色素増感太陽電池の実現のために、光散乱に適した酸化チタン微粒子の粒径および形状が検討され、六角星状の高純度酸化チタン微粒子を添加することにより、10%の光電変換効率を達成することができた例が示されている。
In addition, a configuration is proposed in which coarse particles for the purpose of light scattering are added to the light absorbing
しかしながら、従来の一般的な色素増感太陽電池100において、多孔質光電極103の厚さを大きくする手法は、実表面積が増加し、単位投影面積に保持することができる光増感色素量が増加するため、入射光の吸収率の向上に一定の効果はあるものの、多孔質光電極103の厚さが増加すると、光増感色素から多孔質光電極103に移行した電子が透明導電層102に達するまでに拡散する距離が増加するため、多孔質光電極103内での電荷再結合による電子の損失も大きくなり内部抵抗が増加する。従って、多孔質光電極103の厚さには最適厚さがあり、多孔質光電極103の厚さの調節だけでは、色素増感光電変換装置の光電変換特性を全体として向上させることはできない。
However, in the conventional general dye-sensitized
また、粒子径の大きい高屈折材料粒子218を用いて光を積極的に散乱させることを目的に、特許文献1のように光反射粒子層208を形成したり、非特許文献2のように多孔質光電極を構成する酸化物微粒子層中に六角星状の高純度酸化チタン微粒子を混在させるなどして、多孔質光電極を透過してしまう入射光を減らし、光の利用率を向上させる手法では、入射光の利用率は上がるものの、光反射粒子層208や光吸収粒子層203の厚さを厚くし過ぎると、前述したような内部抵抗の増加を招くので、この方法で透過してしまう入射光を減らしたとしても、光電変換特性は全体として向上しない。
Further, for the purpose of actively scattering light using the high
そこで、本開示が解決しようとする課題は、多孔質光電極の厚さを必要以上に大きくすることなく、多孔質光電極を一旦透過してしまった入射光を再度利用することができ、入射光の利用率を高めることで優れた光電変換特性を得ることができる色素増感太陽電池などの色素増感光電変換装置およびその製造方法を提供することである。
また、本開示が解決しようとする別の課題は、上記のような優れた色素増感光電変換装置を用いた高性能の電子機器を提供することである。
Therefore, the problem to be solved by the present disclosure is that the incident light once transmitted through the porous photoelectrode can be reused without increasing the thickness of the porous photoelectrode more than necessary. It is to provide a dye-sensitized photoelectric conversion device such as a dye-sensitized solar cell that can obtain excellent photoelectric conversion characteristics by increasing the utilization factor of light, and a method for producing the same.
Another problem to be solved by the present disclosure is to provide a high-performance electronic device using the above-described excellent dye-sensitized photoelectric conversion device.
すなわち、上記課題を解決するために、本開示は、
光増感色素が吸着した多孔質光電極と対極との間に電解質層が充填された構造を有し、
上記電解質層に、表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層が設けられた光散乱粒子が含まれている色素増感光電変換装置である。
That is, in order to solve the above problems, the present disclosure
It has a structure in which an electrolyte layer is filled between a porous photoelectrode adsorbed with a photosensitizing dye and a counter electrode,
In the dye sensitized photoelectric conversion device, the electrolyte layer includes light scattering particles provided with a photosensitizing dye adsorption preventing layer on at least a part of a surface thereof.
また、本開示は、
多孔質光電極と対極との間に充填される電解質層に、表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層を形成した光散乱粒子を含有させる工程を有する色素増感光電変換装置の製造方法である。
In addition, this disclosure
Manufacture of a dye-sensitized photoelectric conversion device having a step of containing light scattering particles in which a photosensitizing dye adsorption preventing layer is formed on at least a part of the surface in an electrolyte layer filled between a porous photoelectrode and a counter electrode Is the method.
また、本開示は、
少なくとも一つの光電変換装置を有し、
上記光電変換装置が、
多孔質光電極と対極との間に電解質層が充填された構造を有し、
上記電解質層に、表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層が設けられた光散乱粒子が含まれている色素増感光電変換装置である電子機器である。
In addition, this disclosure
Having at least one photoelectric conversion device;
The photoelectric conversion device is
It has a structure in which an electrolyte layer is filled between the porous photoelectrode and the counter electrode,
The electronic device is a dye-sensitized photoelectric conversion device in which the electrolyte layer includes light scattering particles having a photosensitizing dye adsorption preventing layer provided on at least a part of a surface thereof.
本開示において、多孔質光電極としては、典型的には、半導体微粒子を焼結させた多孔質半導体層が用いられる。光増感色素は多孔質半導体層を構成している半導体微粒子表面に吸着している。半導体微粒子の材料としては、シリコンに代表される元素半導体、化合物半導体、ペロブスカイト構造を有する導体などを用いることができる。これらの半導体は、光励起下で伝導帯電子がキャリアとなり、アノード電流を生じるn型半導体であることが好ましい。具体的には例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化スズ(SnO2)などの半導体が用いられる。これらの半導体の中でも、TiO2、取り分けアナターゼ型のTiO2を用いることが望ましい。ただし、半導体の種類はこれに限定されるものではなく、必要に応じて、二種類以上の半導体を混合または複合化して用いることもできる。また、半導体微粒子の形態は粒状、針状、棒状、紡鐘状、楕円体状、カプセル状などのいずれであってもよく、これらのうち複数を組み合わせて多孔質光電極を構成してもよい。 In the present disclosure, as the porous photoelectrode, a porous semiconductor layer obtained by sintering semiconductor fine particles is typically used. The photosensitizing dye is adsorbed on the surface of the semiconductor fine particles constituting the porous semiconductor layer. As a material for the semiconductor fine particles, an elemental semiconductor typified by silicon, a compound semiconductor, a conductor having a perovskite structure, or the like can be used. These semiconductors are preferably n-type semiconductors in which conduction band electrons become carriers under photoexcitation and generate an anode current. Specifically, for example, titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), tin oxide (SnO 2 ), etc. These semiconductors are used. Among these semiconductors, it is desirable to use TiO 2 , especially anatase TiO 2 . However, the type of semiconductor is not limited to this, and two or more types of semiconductors can be mixed or combined as needed. Further, the shape of the semiconductor fine particles may be any of granular, needle-like, rod-like, bell-shaped, ellipsoidal, capsule-like, etc., and a plurality of these may be combined to constitute a porous photoelectrode. .
上記の半導体微粒子の粒径に特に制限はないが、一次粒子の平均粒径で1〜200nmが好ましく、特に好ましくは5〜100nmである。また、多孔質光電極の対極に対向する面に高屈折材料粒子を堆積させて光反射粒子層を構成し、量子収率を向上させることも可能である。高屈折材料粒子の一次粒子の平均粒径は約20〜500nmであることが好ましいが、これに限定されるものではない。 Although there is no restriction | limiting in particular in the particle size of said semiconductor fine particle, 1-200 nm is preferable at the average particle diameter of a primary particle, Most preferably, it is 5-100 nm. It is also possible to improve the quantum yield by forming a light-reflecting particle layer by depositing highly refractive material particles on the surface of the porous photoelectrode facing the counter electrode. The average particle size of the primary particles of the high refractive material particles is preferably about 20 to 500 nm, but is not limited thereto.
多孔質光電極は、できるだけ多くの光増感色素を結合できるように、半導体微粒子からなる多孔質光電極の内部の空孔に面する微粒子表面も含めた実表面積の大きいものが好ましい。このため、色素増感光電変換装置として利用可能に構成された多孔質光電極の表面積は、多孔質光電極の外側表面積(投影面積)に対して10倍以上であることが好ましく、100倍以上であることがさらに好ましい。この比に特に上限はないが、通常1000倍程度である。 The porous photoelectrode preferably has a large actual surface area including the surface of fine particles facing pores inside the porous photoelectrode made of semiconductor fine particles so that as many photosensitizing dyes can be bonded as possible. For this reason, the surface area of the porous photoelectrode configured to be usable as a dye-sensitized photoelectric conversion device is preferably 10 times or more, and 100 times or more the outer surface area (projected area) of the porous photoelectrode. More preferably. There is no particular upper limit to this ratio, but it is usually about 1000 times.
多孔質光電極の厚さは、厚くしすぎると前述したような内部抵抗の増加を招くので、適正な厚さに設定する必要がある。多孔質光電極の最適な厚さは0.1〜100μmの範囲内であり、1〜50μmの範囲内であることが好ましく、3〜30μmの範囲内であることが特に好ましい。 If the thickness of the porous photoelectrode is excessively increased, the internal resistance increases as described above, and therefore it is necessary to set the thickness to an appropriate thickness. The optimum thickness of the porous photoelectrode is in the range of 0.1 to 100 μm, preferably in the range of 1 to 50 μm, and particularly preferably in the range of 3 to 30 μm.
多孔質光電極に結合させる光増感色素は増感作用を示すものであれば特に制限はないが、この多孔質光電極の表面に吸着する酸官能基を有するものが好ましい。光増感色素は、一般的には、カルボキシ基、リン酸基などを有するものが好ましく、この中でも特にカルボキシ基を有するものが好ましい。 The photosensitizing dye bonded to the porous photoelectrode is not particularly limited as long as it exhibits a sensitizing action, but preferably has an acid functional group adsorbed on the surface of the porous photoelectrode. In general, the photosensitizing dye preferably has a carboxy group, a phosphoric acid group, and the like, and among them, those having a carboxy group are particularly preferable.
光増感色素の多孔質光電極への吸着方法に特に制限はないが、上記の光増感色素を例えばアルコール類、ニトリル類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ジメチルスルホキシド、アミド類、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類、炭酸エステル類、ケトン類、炭化水素、水などの溶媒に溶解させ、これに多孔質光電極を浸漬したり、光増感色素を含む溶液を多孔質光電極上に塗布したりすることができる。また、光増感色素の分子同士の会合を低減する目的でデオキシコール酸などを添加してもよい。必要に応じて紫外線吸収剤を併用することもできる。 The method for adsorbing the photosensitizing dye to the porous photoelectrode is not particularly limited. For example, alcohols, nitriles, nitromethane, halogenated hydrocarbons, ethers, dimethyl sulfoxide, amides, Dissolve in a solvent such as N-methylpyrrolidone, 1,3-dimethylimidazolidinone, 3-methyloxazolidinone, esters, carbonates, ketones, hydrocarbons, water, and soak a porous photoelectrode A solution containing a photosensitizing dye can be applied on the porous photoelectrode. Further, deoxycholic acid or the like may be added for the purpose of reducing association between molecules of the photosensitizing dye. If necessary, an ultraviolet absorber can be used in combination.
多孔質光電極に光増感色素を吸着させた後に、過剰に吸着した光増感色素の除去を促進する目的で、アミン類を用いて多孔質光電極の表面を処理してもよい。アミン類の例としてはピリジン、4−tert−ブチルピリジン、ポリビニルピリジンなどが挙げられ、これらが液体の場合はそのまま用いてもよいし、有機溶媒に溶解して用いてもよい。 After the photosensitizing dye is adsorbed on the porous photoelectrode, the surface of the porous photoelectrode may be treated with amines for the purpose of promoting the removal of the excessively adsorbed photosensitizing dye. Examples of amines include pyridine, 4-tert-butylpyridine, polyvinylpyridine, and the like. When these are liquid, they may be used as they are, or may be used after being dissolved in an organic solvent.
対極の材料としては、導電性物質であれば任意のものを用いることができるが、絶縁性材料の電解質層に面している側に導電層が形成されていれば、これを用いることが可能である。対極の材料としては、電気化学的に安定な材料を用いることが好ましく、具体的には、白金、金、カーボン、導電性ポリマーなどを用いることが望ましい。 Any material can be used as the counter electrode material as long as it is a conductive substance, but it can be used if a conductive layer is formed on the side of the insulating material facing the electrolyte layer. It is. As the counter electrode material, an electrochemically stable material is preferably used. Specifically, platinum, gold, carbon, a conductive polymer, or the like is preferably used.
また、対極での還元反応に対する触媒作用を向上させるために、電解質層に接している対極の表面は、微細構造が形成され、実表面積が増大するように形成されていることが好ましい。例えば、対極の表面は、白金であれば白金黒の状態に、カーボンであれば多孔質カーボンの状態に形成されていることが好ましい。白金黒は、白金の陽極酸化法や塩化白金酸処理などによって、また多孔質カーボンは、カーボン微粒子の焼結や有機ポリマーの焼成などの方法によって形成することができる。 In order to improve the catalytic action for the reduction reaction at the counter electrode, the surface of the counter electrode in contact with the electrolyte layer is preferably formed so that a fine structure is formed and the actual surface area is increased. For example, the surface of the counter electrode is preferably formed in a platinum black state if platinum, and in a porous carbon state if carbon. Platinum black can be formed by anodization of platinum or chloroplatinic acid treatment, and porous carbon can be formed by a method such as sintering of carbon fine particles or firing of an organic polymer.
電解質層を構成するものとしては、電解液、ゲル状あるいは固体状の電解質が使用可能である。電解質としては、酸化還元系(レドックス対)を含む溶液が挙げられる。 As the constituent of the electrolyte layer, an electrolytic solution, a gel-like or solid electrolyte can be used. Examples of the electrolyte include a solution containing a redox system (redox couple).
光散乱粒子の材料としては、電解質と反応性を有しない物質であれば基本的にはどのようなものであってもよいが、屈折率が使用する電解質よりも可視光領域において0.3以上大きい高屈折材料が好適である。光散乱粒子の材料は、電解液との屈折率差が大きく、光電変換に用いることのできる波長の光の吸収が少ない材料ほど、散乱光強度が強くなることを考慮し、必要に応じて選ばれる。一般的に使用される電解液の屈折率は1.45〜1.50程度であるので、光散乱粒子の屈折率は1.75以上であることが好適であって、1.80以上であることがより好適である。 The material of the light scattering particles may be basically any material as long as it has no reactivity with the electrolyte, but the refractive index is 0.3 or more in the visible light region than the electrolyte used. A large highly refractive material is preferred. The material of the light scattering particle is selected as necessary in consideration of the fact that the material having a larger refractive index difference from the electrolyte and having a smaller absorption of light having a wavelength that can be used for photoelectric conversion has a stronger scattered light intensity. It is. Since the refractive index of the electrolyte used generally is about 1.45 to 1.50, the refractive index of the light scattering particles is preferably 1.75 or more, and 1.80 or more. Is more preferred.
光散乱粒子の形態は、典型的には球形状であるが、これに限られず異方的形状であってもよい。異方的形状としては、針形状、棒形状、紡鐘形状、楕円体形状、カプセル形状などが挙げられ、特に平均長径が0.3μm以上であって、短径に対する長径の比が2以上であるのが好ましいが、これに限定されるものではない。また、異なる形状の光散乱粒子、具体的には短径に対する長径の比が2未満である球形状あるいは粒形状の光散乱粒子と、上記異方的形状の光散乱粒子とを組み合わせる形態、同一の形状であっても異なる粒径の光散乱粒子を組み合わせる形態も有効である。 The form of the light scattering particles is typically a spherical shape, but is not limited thereto, and may be an anisotropic shape. Examples of the anisotropic shape include a needle shape, a rod shape, a bell shape, an ellipsoidal shape, and a capsule shape. Particularly, the average major axis is 0.3 μm or more, and the ratio of the major axis to the minor axis is 2 or more. Although it is preferable, it is not limited to this. In addition, a combination of light scattering particles having different shapes, specifically, spherical or granular light scattering particles having a ratio of the major axis to the minor axis of less than 2, and the anisotropic light scattering particles are the same. It is also effective to combine light scattering particles having different particle diameters even with the above-mentioned shape.
光増感色素吸着防止層は、例えば、光散乱粒子に色素を吸着させたり、光散乱粒子に化合物を包被したりすることにより形成することができる。色素としては上記の光増感色素を含む各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。化合物は有機化合物であっても無機化合物であってもよく、必要に応じて選ばれる。化合物の一例を挙げると共吸着剤である。特に、光散乱粒子の材料が無機物質である場合は、例えばメチルイミダゾリウム化合物による表面処理が好適である。色素あるいは化合物は二種類以上のものを混合して用いることもできる。 The photosensitizing dye adsorption preventing layer can be formed, for example, by adsorbing the dye to the light scattering particles or encapsulating the light scattering particles with a compound. Various dyes including the above-described photosensitizing dye can be used as the dye, and are selected as necessary. The compound may be an organic compound or an inorganic compound, and is selected as necessary. An example of a compound is a coadsorbent. In particular, when the material of the light scattering particles is an inorganic substance, for example, surface treatment with a methyl imidazolium compound is suitable. Two or more kinds of dyes or compounds can be mixed and used.
光増感色素吸着防止層の形成方法は、基本的にはどのような方法であってもよく、典型的には吸着、塗布などが挙げられる。また、結合力や被覆力を高める目的で、二段階以上の工程や二種類以上の色素また化合物で複合的に表面処理することもできる。 The method of forming the photosensitizing dye adsorption preventing layer may be basically any method, and typically includes adsorption and coating. In addition, for the purpose of increasing the bonding strength and covering power, surface treatment can be performed in combination with two or more steps or two or more types of dyes or compounds.
色素増感光電変換装置は、最も典型的には、太陽電池として構成される。ただし、色素増感光電変換装置は、太陽電池以外のもの、例えば光センサーなどであってもよい。 The dye-sensitized photoelectric conversion device is most typically configured as a solar cell. However, the dye-sensitized photoelectric conversion device may be other than a solar cell, for example, an optical sensor.
電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体的に挙げると、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品、産業機器などである。この場合、色素増感光電変換装置は例えばこれらの電子機器の電源として用いられる色素増感太陽電池である。 Electronic devices may be basically any type, including both portable and stationary types, and specifically include mobile phones, mobile devices, robots, personal computers. Vehicle equipment, various household electrical appliances, industrial equipment, and the like. In this case, the dye-sensitized photoelectric conversion device is, for example, a dye-sensitized solar cell used as a power source for these electronic devices.
上述の本開示においては、色素増感光電変換装置の電解質層に、上記高屈折率微粒子の表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層が設けられた光散乱粒子が含まれているので、多孔質光電極を一旦透過した入射光が上記光散乱粒子の表面で散乱させられることで再度多孔質光電極内に戻り、入射光の利用率を高めることができるとともに、多孔質光電極の表面に結合した光増感色素の脱離を有効に抑えることが可能となり、多孔質光電極に担持された光増感色素の脱離によって起きる光電変換特性の経時劣化を抑えることができる。 In the present disclosure described above, the electrolyte layer of the dye-sensitized photoelectric conversion device includes light scattering particles in which a photosensitizing dye adsorption preventing layer is provided on at least a part of the surface of the high refractive index fine particles. The incident light once transmitted through the porous photoelectrode is scattered on the surface of the light scattering particles so that it returns to the inside of the porous photoelectrode to increase the utilization rate of the incident light. Desorption of the photosensitizing dye bonded to the surface can be effectively suppressed, and deterioration with time of photoelectric conversion characteristics caused by desorption of the photosensitizing dye supported on the porous photoelectrode can be suppressed.
本開示によれば、多孔質光電極の厚さを必要以上に大きくすることなく、多孔質光電極を一旦透過してしまった入射光を再度利用することができるので、入射光の利用率が高く、優れた光電変換特性を持続して得ることができる色素増感光電変換装置を実現することができる。そして、この優れた色素増感光電変換装置を用いることにより、高性能の電子機器を実現することができる。 According to the present disclosure, the incident light once transmitted through the porous photoelectrode can be reused without increasing the thickness of the porous photoelectrode more than necessary. It is possible to realize a dye-sensitized photoelectric conversion device that can obtain high and excellent photoelectric conversion characteristics continuously. By using this excellent dye-sensitized photoelectric conversion device, a high-performance electronic device can be realized.
本発明者らは、上述の課題を解決すべく鋭意研究を行った。その研究の過程において、本発明者らは、色素増感光電変換装置において、屈折率が電解質層よりも0.3以上大きい高屈折率材料からなる高屈折率微粒子を光散乱粒子として上記電解質層中に分散させた状態で含有させると、多孔質光電極を一旦透過した入射光が上記光散乱粒子の表面で散乱させられることで再度上記多孔質光電極内に戻り、上記入射光の利用率を高めることができ、色素増感光電変換装置の光電変換特性を向上させることを見出した。 The present inventors have conducted intensive research to solve the above-described problems. In the course of the research, the present inventors in the dye-sensitized photoelectric conversion device, the electrolyte layer as described above using, as light scattering particles, high refractive index fine particles made of a high refractive index material having a refractive index of 0.3 or more larger than that of the electrolyte layer. When contained in a dispersed state, the incident light once transmitted through the porous photoelectrode is scattered on the surface of the light scattering particles, so that it returns to the porous photoelectrode again. It has been found that the photoelectric conversion characteristics of the dye-sensitized photoelectric conversion device can be improved.
図1は、色素増感光電変換装置40の電解質層42中に光散乱粒子43を含有させた電解質層42を有する色素増感光電変換装置40の構成を示した要部断面図である。
この色素増感光電変換装置40においては、ガラスなどの透明基板31の一主面にFTO(フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO2)などの透明導電層からなる透明電極32が設けられ、この透明電極32上に酸化チタン(TiO2)の微粒子である半導体微粒子33を焼結させた多孔質層からなる多孔質光電極34が設けられ、この多孔質光電極34の対極35に対向する面には、半導体微粒子33と球形の酸化チタン(TiO2)の微粒子である高屈折材料粒子36とを混合し堆積させるような形態で構成されている光反射粒子層37が設けられている。多孔質光電極34および光反射粒子層37を構成している半導体微粒子33には一種または複数種の光増感色素38が結合している。一方、対向基板39の一主面に透明導電層41が設けられ、この透明導電層41上に対極35が設けられている。そして、透明基板31上の多孔質光電極34に堆積させるような形態で構成されている光反射粒子層37と対向基板39上の対極35との間に電解質層42が設けられている。電解質層42には、球形状の酸化チタン(TiO2)の微粒子である光散乱粒子43が分散した形態で含まれている。透明基板41および対向基板39の外周部は封止材(図示せず)で封止されている。
図1に示すとおり、多孔質光電極34および光反射粒子層37を一旦透過した入射光が光散乱粒子43の表面で散乱させられることで再度上記多孔質光電極34内に戻り、入射光の利用率を高めることができ、色素増感光電変換装置の光電変換特性を向上させることができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a dye-sensitized
In this dye-sensitized
As shown in FIG. 1, incident light once transmitted through the
しかしながら、光散乱粒子43を電解質層42に含有させた色素増感光電変換装置は、作製直後は光散乱粒子を電解質層中に含まない色素増感光電変換装置よりも光電変換効率が向上するものの、時間の経過と共に光電変換特性は低下し、一定時間が経過した後では、光散乱粒子を電解質層中に含まない色素増感光電変換装置よりも光電変換特性が劣化してしまうという問題に直面した。
However, the dye-sensitized photoelectric conversion device in which the
図2AおよびBは実際に作製を行った色素増感光電変換装置40の平面図および断面図であり、平面図は色素増感光電変換装置40を光の入射する方向である透明基板31側から見たときの図、断面図は色素増感光電変換装置40を透明基板31に直交する平面で切った垂直断面の図である。また、図2Aは色素増感光電変換装置40の作製直後の平面図および断面図、図2Bは色素増感光電変換装置40の作製から外部温度85℃で300時間経過後の平面図および断面図である。
図2AおよびBに示すとおり、色素増感光電変換装置40の作製直後では光増感色素を担持した多孔質光電極34と、電解質層42を介してその下層に見える対極35との境界は明確であるが、色素増感光電変換装置40の作製から外部温度85℃で300時間経過後にあっては、光増感色素を担持した多孔質光電極34の周辺の電解質層42に光増感色素が移行し、光増感色素を担持した多孔質光電極34と、電解質層42を介してその下層に見える対極35との境界が不明瞭となり、光増感色素を担持した多孔質光電極34における光増感色素の濃度も作製直後よりも低下していることが分かった。
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of the dye-sensitized
As shown in FIGS. 2A and 2B, immediately after the production of the dye-sensitized
そこで、本発明者らは、上記の問題を解決すべく更に鋭意研究を進めた。その結果、前述した光電変換特性の劣化は、多孔質光電極34の表面に結合した光増感色素38が脱離することで電解質層中42に遊離し、電解質層42を介して光散乱粒子43に吸着結合することにより、電解質層42中に遊離した光増感色素の濃度が減少し、更に多孔質光電極34からの光増感色素38の脱離が促進されることが原因であるという結論に至った。
Therefore, the present inventors have made further studies to solve the above problems. As a result, the deterioration of the photoelectric conversion characteristics described above is released to the
図3は、外部温度85℃で300時間経過後の色素増感光電変換素子40の構成を示す要部断面図である。
図3に示すように、多孔質光電極34の表面から脱離した光増感色素38が電解質層中42に遊離し、光増感色素38が光散乱粒子43に吸着結合することで、更に多孔質光電極34からの光増感色素38の脱離が促進される。
このように、光増感色素38の脱離が促進されることにより多孔質光電極34の表面に結合した光増感色素38が著しく減少し多孔質光電極34の表面の露出部分が増加することにより、励起電子量が減少すると共に暗電流が増加し、これにより時間の経過と共に光電変換特性が劣化してしまう。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part showing the configuration of the dye-sensitized
As shown in FIG. 3, the
As described above, the detachment of the
上記の問題を解決するために、種々の光散乱粒子を電解質層に分散させた状態で含有させる試みを行った結果、光散乱粒子の表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層を設けた光散乱粒子とすると、多孔質光電極の表面に結合した光増感色素の脱離の進行を有効に抑えることができ、光電変換特性の経時劣化を抑えることができることを見出し、本技術を案出するに至った。 In order to solve the above problems, as a result of attempts to contain various light scattering particles dispersed in the electrolyte layer, a photosensitizing dye adsorption prevention layer is provided on at least a part of the surface of the light scattering particles. It was found that the light scattering particles can effectively suppress the progress of desorption of the photosensitizing dye bonded to the surface of the porous photoelectrode, and can suppress the deterioration of photoelectric conversion characteristics with time. It came to devise.
以下、発明を実施するための形態(以下「実施の形態」という)について説明する。説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(色素増感光電変換装置およびその製造方法)
2.第2の実施の形態(色素増感光電変換装置およびその製造方法)
3.第3の実施の形態(色素増感光電変換装置およびその製造方法)
4.第4の実施の形態(色素増感光電変換装置およびその製造方法)
Hereinafter, modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described. The description will be made in the following order.
1. First Embodiment (Dye-sensitized photoelectric conversion device and manufacturing method thereof)
2. Second Embodiment (Dye-sensitized photoelectric conversion device and manufacturing method thereof)
3. Third Embodiment (Dye-sensitized photoelectric conversion device and manufacturing method thereof)
4). Fourth Embodiment (Dye-sensitized photoelectric conversion device and manufacturing method thereof)
<1.第1の実施の形態>
図4は第1の実施の形態による色素増感光電変換装置10を示す断面図である。
図4に示すように、この色素増感光電変換装置10においては、ガラスなどの透明基板1の一主面にFTO(フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO2)などの透明導電層からなる透明電極2が設けられ、この透明電極2上に半導体微粒子3を焼結させた多孔質層からなる多孔質光電極4が設けられ、この多孔質光電極4の対極5に対向する面には、半導体微粒子3と例えば球形の微粒子である高屈折材料粒子6とを混合し堆積させるような形態で構成されている光反射粒子層7が設けられている。多孔質光電極4および光反射粒子層7を構成している半導体微粒子3には一種または複数種の光増感色素8が結合している。一方、対向基板9の一主面に透明導電層11が設けられ、この透明導電層11上に対極5が設けられている。そして、透明基板1上の多孔質光電極4に堆積させるような形態で構成されている光反射粒子層7と対向基板9上の対極5との間に電解質層12が設けられている。電解質層12には、球形状の光散乱粒子13が分散した形態で含まれている。光散乱粒子13の表面には、光散乱粒子13の表面における光増感色素8が吸着するサイト(典型的にはOH基であるが、これに限定されるものではない)の少なくとも一部、最も好適には全部を消滅させる目的で、光増感色素吸着防止層14が設けられている。これらの透明基板1および対向基板9の外周部は封止材(図示せず)で封止されている。
<1. First Embodiment>
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the dye-sensitized
As shown in FIG. 4, in this dye-sensitized
透明基板1は、光が透過しやすい材質と形状のものであれば特に限定されるものではなく、種々の基板材料を用いることができるが、特に可視光の透過率が高い基板材料を用いることが好ましい。また、色素増感光電変換装置10の外部から侵入しようとする水分やガスを阻止する遮断性能が高く、また、耐溶剤性や耐候性に優れている材料が好ましい。具体的には、透明基板1の材料としては、石英やガラスなどの透明無機材料や、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、ポリオレフィン類などの透明プラスチックが挙げられる。透明基板1の厚さは特に制限されず、光の透過率や、光電変換装置内外を遮断する性能を勘案して、適宜選択することができる。
The
透明基板1上に設けられる透明電極2は、シート抵抗が小さいほど好ましく、具体的には500Ω/□以下であることが好ましく、100Ω/□以下であることがさらに好ましい。透明電極2を形成する材料としては公知の材料を用いることができ、必要に応じて選択される。この透明電極2を形成する材料は、具体的には、インジウム−スズ複合酸化物(ITO)、フッ素がドープされた酸化スズ(IV)SnO2(FTO)、酸化スズ(IV)SnO2、酸化亜鉛(II)ZnO、インジウム−亜鉛複合酸化物(IZO)などが挙げられる。ただし、透明電極2を形成する材料は、これらに限定されるものではなく、二種類以上を組み合わせて用いることもできる。
The
半導体微粒子3としては、すでに挙げたものの中から必要に応じて選ばれる。
光増感色素8は多孔質光電極の表面に吸着する酸官能基を有するものが好ましい。光増感色素は、一般的には、カルボキシ基、リン酸基などを有するものが好ましく、この中でも特にカルボキシ基を有するものが好ましい。光増感色素8の具体例を挙げると、例えば、ローダミンB、ローズベンガル、エオシン、エリスロシンなどのキサンテン系色素、メロシアニン、キノシアニン、クリプトシアニンなどのシアニン系色素、フェノサフラニン、カブリブルー、チオシン、メチレンブルーなどの塩基性染料、クロロフィル、亜鉛ポルフィリン、マグネシウムポルフィリンなどのポルフィリン系化合物が挙げられ、その他のものとしてはアゾ色素、フタロシアニン化合物、クマリン系化合物、ビピリジン錯化合物、アントラキノン系色素、多環キノン系色素などが挙げられる。これらの中でも、リガンド(配位子)がピリジン環またはイミダゾリウム環を含み、Ru、Os、Ir、Pt、Co、FeおよびCuからなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属の錯体の色素は量子収率が高く好ましい。特に、シス−ビス(イソチオシアナート)−N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(II)またはトリス(イソチオシアナート)−ルテニウム(II)−2,2' :6' ,2" −ターピリジン−4,4' ,4" −トリカルボン酸を基本骨格とする色素分子は吸収波長域が広く好ましい。ただし、光増感色素8は、これらに限定されるものではない。光増感色素8としては、典型的には、これらのうちの一種類のものを用いるが、二種類以上の光増感色素8を混合して用いてもよい。二種類以上の光増感色素を混合して用いる場合、光増感色素8は、好適には、多孔質光電極4に保持された、MLCT(Metal to Ligand Charge Transfer)を引き起こす性質を有する無機錯体色素と、この多孔質光電極4に保持された、分子内CT(Charge Transfer)の性質を有する有機分子色素とを有する。この場合、無機錯体色素と有機分子色素とは、多孔質光電極4に互いに異なる立体配座で吸着する。無機錯体色素は、好適には、多孔質光電極4に結合する官能基としてカルボキシル基またはホスホノ基を有する。また、有機分子色素は、好適には、同一炭素に、多孔質光電極に結合する官能基としてカルボキシル基またはホスホノ基とシアノ基、アミノ基、チオール基またはチオン基とを有する。無機錯体色素は例えばポリピリジン錯体、有機分子色素は例えば、電子供与性の基と電子受容性の基とを併せ持ち、分子内CTの性質を有する芳香族多環共役系分子である。
The
The
電解質層12を構成する電解質としては、電解液、ゲル状あるいは固体状の電解質からなる。電解質としては、典型的には酸化還元系(レドックス対)を含む溶液が挙げられる。具体的には、ヨウ素(I2)と金属ヨウ化物塩または有機ヨウ化物塩との組み合わせや、臭素(Br2)と金属臭化物塩または有機臭化物塩との組み合わせを用いる。そのほか、フェロシアン酸塩/フェリシアン酸塩やフェロセン/フェリシニウムイオンなどの金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール/アルキルジスルフィドなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン/キノンなどを用いることができる。上記金属化合物を構成するカチオンは、リチウム(Li+)、ナトリウム(Na+)、カリウム(K+)、セシウム(Cs+)、マグネシウム(Mg2+)、およびカルシウム(Ca2+)などであり、上記有機化合物を構成するカチオンは、テトラアルキルアンモニウムイオン類、ピリジニウムイオン類、イミダゾリウムイオン類などの第4級アンモニウムイオンが好適であるが、これらに限定されるものではなく、単独もしくは2種類以上を混合して用いることができる。
The electrolyte constituting the
電解質層12を構成する電解質としては、上記のほかに、フェロシアン酸塩とフェリシアン酸塩との組み合わせや、フェロセンとフェリシニウムイオンとの組み合わせなどの金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオールとアルキルジスルフィドとの組み合わせなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノンとキノンの組み合わせなどを用いることもできる。
In addition to the above, the electrolyte constituting the
電解質層12の電解質としては、上記の中でも特に、ヨウ素(I2)とヨウ化リチウム(LiI)、ヨウ化ナトリウム(NaI)、イミダゾリウムヨーダイドなどの第四級アンモニウム化合物とを組み合わせた電解質が好ましい。電解質塩の濃度は溶媒に対して0.05M〜10Mが好ましく、さらに好ましくは0.2〜3Mである。ヨウ素(I2)または臭素(Br2)の濃度は0.0005〜1Mが好ましく、さらに好ましくは0.001〜0.5Mである。また、光散乱粒子13を分散させた状態で電解質層12に含有させるために、電解質はゲル状であることが好ましく、具体的には上記の電解質を含有する電解液にシリカを混合させることによりゲル化する方法が好適である。
As the electrolyte of the
光散乱粒子13の材料としては、電解質層12を構成する電解質と反応性を有しない物質であれば基本的にはどのようなものであってもよいが、屈折率が使用する電解質よりも可視光領域において0.3以上大きい高屈折材料が好適である。光散乱粒子13の材料は、電解液との屈折率差が大きく、光電変換に用いることのできる波長の光の吸収が少ない材料ほど、散乱光強度が強くなることを考慮し、必要に応じて選ばれる。一般的に使用される電解液の屈折率は1.45〜1.50程度であるので光散乱粒子の屈折率は1.75以上であることが好適であって、1.80以上であることがより好適である。具体的な材料としては、金属酸化物、金属硫化物、金属塩化物、ヨウ化物、臭化物、チタン酸化合物、ケイ酸化合物、クロム酸化合物、金属テルル化物、セレン化合物、ガラス類、金属単体、鉱物、無機顔料などが挙げられ、金属酸化物であれば、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化銅(Cu2O)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化カドミウム(CdO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化第二鉄(Fe2O3)、鉄黒(Fe3O4)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ユーロピウム(Eu2O3)、酸化ランタン(La2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、鉛丹(Pb3O4)黄色酸化鉄などが挙げられる。金属硫化物であれば、例えば、硫化亜鉛(ZnS)、硫化バリウム(BaS)、硫化ストロンチウム(SrS)、硫化水銀(HgS)、硫化カドミウム(CdS)などが挙げられる。金属塩化物であれば、例えば、塩化銀(AgCl)、塩化第一銅(CuCl)、塩化バリウム(BaCl2)、塩化タリウム(TlCl)などが挙げられる。ヨウ化物であれば、例えば、ヨウ化カリ(KI)、ヨウ化セシウム(CsI)などが挙げられる。臭化物であれば、例えば、臭化ナトリウム(NaBr)、臭化タリウム(TlBr)などが挙げられる。チタン酸化合物であれば、例えば、チタン酸鉛(PbTiO2)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)チタン酸バリウム(BaTiO2)などが挙げられる。ケイ酸化合物であれば、例えば、ジルコン(ZrSiO4)などが挙げられる。クロム酸化合物であれば、例えば、バリウム黄色(BaCrO4)黄鉛(PbCrO4)、亜鉛黄(ZnCrO4)、ストロンチウム黄(SrCrO4)などが挙げられる。金属テルル化物であれば、例えば、テルル亜鉛(ZnTe)などが挙げられる。セレン化合物であれば、例えば、セレン化ヒ素(As2Se3)などが挙げられる。ガラス類であれば、例えば、SF−2光学ガラス、Ag2S3ガラス、三硫化砒素ガラスなどが挙げられる。炭化物であれば、例えば、グラファイトおよびダイヤモンドなどの炭素単体、炭化ケイ素(β−SiC)などが挙げられる。金属単体であれば、例えば、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、白金(Pt)、ゲルマニウム(Ge)などが挙げられる。鉱物であれば、例えば、サファイヤ、エメラルド緑、エボナイト、尖晶石、バライトなどが挙げられる。無機顔料であれば、例えば、鉛白、黄色酸化鉄、カドミウムレッド、コバルト青、クロム緑、カドミウムレッド、マンガン紫、コバルト緑、コバルト紫、セルリアン(CoO・nSnO2)などが挙げられる。特に、感度が可視光領域において特に高い光増感色素を用いた色素増感光電変換装置に適用することを考えた場合、可視光領域において透明である物質のほうが入射光を反射する効率が高くなるため、可視光領域で透明である酸化チタン(TiO2)、硫化亜鉛(ZnS)、酸化マグネシウム(MgO)などは、より好適であるが、これらに限定されるものではなく、電解質層12に設けた気泡も光散乱粒子13とすることができ、単独もしくは二種類以上の光散乱粒子13を混合して用いることもできる。
The material of the
光散乱粒子13の粒径は、入射光を最も効果的に散乱する粒径を最適粒径として決定される。光散乱粒子13は球形であるので、光を散乱させる粒径は散乱される光の波長に比例する。これに基づき、光散乱粒子13の最適粒径は入射光の波長を複数の経験式に代入することによってが決定される(非特許文献2参照)。例えば、入射光の波長が400nmであるときは、光散乱粒子13の最適な粒径は一次粒子の平均粒径で0.15〜0.22μmであり、入射光の波長が800nmであるときは、光散乱粒子13の最適な粒径は、一次粒子の平均粒径で0.30〜0.45μmである。この条件に基づいて、0.15〜0.45μmの範囲で入射光の波長分布に対応する粒径の球状粒子を複数選び、波長分布より配合割合を適宜決定する。
The particle diameter of the
電解質層12における光散乱粒子13の含有率は1〜50質量%であることが好ましい。光散乱粒子13の含有率が1質量%より小さいと、光散乱粒子13の有意な効果が得られない。逆に、光散乱粒子13の含有率が50質量%を超えると、流動性や多孔質光電極4への浸潤性が損なわれ、取り扱いが難しくなる。
The content of the
光増感色素吸着防止層14を形成するために光散乱粒子13の表面に吸着させる物質は、光散乱粒子13における光増感色素が吸着するサイト(典型的にはOH基であるが、これに限定されるものではない)を消滅することが可能であれば基本的にはどのようなものであってもよい。典型的には光増感色素8が用いられるが、これに限られず共吸着剤などでも良く、共吸着剤であれば、例えば、ホスホン酸化合物、カルボン酸化合物、イソシアネート化合物、シラン化合物などが挙げられる。ホスホン酸化合物としては、1−デシルホスホン酸、デカンホスホン酸、オクタデシルホスホン酸、アミノメチルホスホン酸などが挙げられる。カルボン酸化合物としては、CnHmCOOHで例示されるような炭素数の異なる飽和脂肪酸などが挙げられる。イソシアネート化合物としては、CH3CnNCOで例示されるような炭素数の異なるアルキルイソシアネートなどが挙げられる。シラン化合物としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、メチルハイドロジェンシロキサン、シリコーンオイルなどが挙げられる。
A substance adsorbed on the surface of the
上記物質の光散乱粒子13への吸着方法には特に制限はないが、例えば、上記物質をアルコール類、ニトリル類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ジメチルスルホキシド、アミド類、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類、炭酸エステル類、ケトン類、炭化水素、水などの溶媒に溶解させ、これに光散乱粒子13を浸漬したりする。吸着は単層吸着に限られないので溶媒に溶解させる吸着物質の分量はできるだけ多いほうが好ましい。
The method for adsorbing the substance onto the
電解質層12中に光散乱粒子13を分散させやすいように、電解質は、電解液にゲル化剤を含ませたゲル電解質であることが好ましい。ゲル電解質は電解質構成物にゲル化剤、ポリマー、架橋モノマーなどを溶解させるほか、無機セラミック粒子を分散させてゲル状電解質として用いることも可能である。ゲル化剤と電解質構成物との比率は、電解質構成物が多ければイオン導電率は高くなるが、機械的強度は低下する。逆に、電解質構成物が少なすぎると、機械的強度は大きいが、イオン導電率は低下し、流動性および浸透性が低くなる。そうすると、多孔質光電極4および光反射粒子層7に対して十分に電解液が浸潤しないので、光電変換効率が低下するおそれがある。この問題を解決するために多孔質光電極4および光反射粒子層7には浸潤しやすい電解液を浸潤する形で充填し、電解質層12には光散乱粒子13を分散させたゲル電解質を充填させる多層電解質構造とすることもできる。電解質層12を構成する電解質はゲル電解質に限られず、ゾル電解質、固体電解質などとの多層電解質構造であってもよい。また、多層電解質構造にあっては、電解質層12を複数の屈折率の異なるゲル電解質などで構成し、電解質層12に形成された界面で入射光を散乱させることもできる。
It is preferable that the electrolyte is a gel electrolyte in which a gelling agent is included in the electrolytic solution so that the
ゲル電解質は、温度依存性が小さく電解液と同等のイオン電導度の高いゲル状の電解質であれば、基本的にはどのようなものであってもよく、水素結合、イオン結合、配位結合などによって架橋された、いわゆる物理ゲルであっても、化学反応による共有結合によって架橋された、いわゆる化学ゲルであってもよいが、化学的に安定な化学ゲルが好適である。また、ゲル電解質の構造は均一相であっても、機械的強度を有し固体形状を支持する支持部と高いイオン電導度を有し電子の移動の媒体となる導電部とに分離した、いわゆる相分離構造であってもよい。相分離構造にあっては支持部が固相、導電部が液相であり部分的に分離したゲルであるミクロ相分離型ゲルであることが好ましい。 The gel electrolyte may be basically any gel electrolyte as long as it has a low temperature dependency and has a high ionic conductivity equivalent to that of the electrolyte, such as a hydrogen bond, an ionic bond, or a coordinate bond. A so-called physical gel crosslinked by a chemical reaction or a so-called chemical gel crosslinked by a covalent bond by a chemical reaction may be used, but a chemically stable chemical gel is preferable. Moreover, even if the structure of the gel electrolyte is a homogeneous phase, it is separated into a support part that has mechanical strength and supports a solid shape and a conductive part that has high ionic conductivity and serves as a medium for electron transfer, so-called It may be a phase separation structure. In the phase separation structure, a micro phase separation type gel in which the support part is a solid phase and the conductive part is a liquid phase and is partially separated is preferable.
封止材の材料としては、耐光性、絶縁性、防湿性などを備えた材料を用いることが好ましい。封止材の材料の具体例を挙げると、エポキシ樹脂、紫外線硬化樹脂、アクリル樹脂、ポリイソブチレン樹脂、EVA(エチレンビニルアセテート)、アイオノマー樹脂、エラストマー樹脂、セラミック、各種熱融着フィルムなどである。 As a material of the sealing material, it is preferable to use a material having light resistance, insulation, moisture resistance, and the like. Specific examples of the material for the sealing material include epoxy resin, ultraviolet curable resin, acrylic resin, polyisobutylene resin, EVA (ethylene vinyl acetate), ionomer resin, elastomer resin, ceramic, and various heat-sealing films.
また、電解液を注入する場合、注入口が必要であるが、多孔質光電極4およびこれに対向する部分の対極5上でなければ注入口の場所は特に限定されない。
Moreover, when inject | pouring electrolyte solution, although an injection port is required, unless it is on the
[色素増感光電変換装置の製造方法]
次に色素増感光電変換装置10の製造方法について説明する。
まず、透明基板1の一主面にスパッタリング法などにより透明導電層を形成して透明電極2を形成する。
次に、透明電極2上に多孔質光電極4を形成する。この多孔質光電極4の形成方法に特に制限はないが、物性、利便性、製造コストなどを考慮した場合、湿式製膜法を用いるのが好ましい。湿式製膜法では、半導体微粒子3の粉末あるいはゾルを水などの溶媒に均一に分散させたペースト状の分散液を調製し、この分散液を透明基板1の透明電極2上に塗布または印刷する方法が好ましい。分散液の塗布方法または印刷方法に特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法などを用いることができる。また、印刷方法としては、凸版印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、凹版印刷法、ゴム版印刷法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
[Method for producing dye-sensitized photoelectric conversion device]
Next, a method for manufacturing the dye-sensitized
First, the
Next, the
半導体微粒子3の材料としてアナターゼ型TiO2を用いる場合、このアナターゼ型TiO2は、粉末状、ゾル状、またはスラリー状の市販品を用いてもよいし、酸化チタンアルコキシドを加水分解するなどの公知の方法によって所定の粒径のものを形成してもよい。市販の粉末を使用する際には粒子の二次凝集を解消することが好ましく、ペースト状分散液の調製時に、乳鉢やボールミルなどを使用して粒子の粉砕を行うことが好ましい。このとき、二次凝集が解消された粒子が再度凝集するのを防ぐために、アセチルアセトン、塩酸、硝酸、界面活性剤、キレート剤などをペースト状分散液に添加することができる。また、ペースト状分散液の粘性を増すために、ポリエチレンオキシドやポリビニルアルコールなどの高分子、あるいはセルロース系の増粘剤などの各種増粘剤をペースト状分散液に添加することもできる。
When using anatase type TiO 2 as a material of the
多孔質光電極4は、半導体微粒子3を透明電極2上に塗布または印刷した後に、半導体微粒子3同士を電気的に接続し、多孔質光電極4の機械的強度を向上させ、透明電極2との密着性を向上させるために、焼成することが好ましい。焼成温度の範囲に特に制限はないが、温度を上げ過ぎると透明電極2の電気抵抗が高くなり、さらには透明電極2が溶融することもあるため、通常は40〜700℃が好ましく、40〜650℃がより好ましい。また、焼成時間にも特に制限はないが、通常は10分〜10時間程度である。また、多孔質光電極4の透明電極2と接する面と逆の面に高屈折材料粒子6と半導体微粒子3との混合物を堆積させて光反射粒子層7を設けた上で焼成してもよく、必要に応じて適宜選択する。
The
焼成後、半導体微粒子3の表面積を増加させたり、半導体微粒子3間のネッキングを高めたりする目的で、例えば、四塩化チタン水溶液や直径10nm以下の酸化チタン超微粒子ゾルによるディップ処理を行ってもよい。透明電極2を支持する透明基板1としてプラスチック基板を用いる場合には、結着剤を含むペースト状分散液を用いて透明電極2上に多孔質光電極4を製膜し、加熱プレスによって透明電極2に圧着することも可能である。
For example, a dip treatment with a titanium tetrachloride aqueous solution or a titanium oxide ultrafine particle sol having a diameter of 10 nm or less may be performed for the purpose of increasing the surface area of the
次に、多孔質光電極4が形成された透明基板1を、光増感色素8を所定の溶媒に溶解した溶液中に浸漬することにより、多孔質光電極4に光増感色素8を結合させる。
Next, the
一方、対向基板9上にスパッタリング法などにより透明導電層11および対極5を順次形成する。
次に、透明基板1と対向基板9とを多孔質光電極4と対極5とが所定の間隔、例えば1〜100μm、好ましくは1〜50μmの間隔をおいて互いに対向するように配置する。そして、透明基板1および対向基板9の外周部に封止材(図示せず)を形成して電解質層12が封入される空間を作る。
On the other hand, the transparent
Next, the
次に、電解質層12に分散された状態で含まれる光散乱粒子13に、光増感色素吸着防止層14を形成する。具体的には光散乱粒子13にTiO2を用いる場合においては、単層吸着するよりも十分に濃度の濃い、光増感色素および/または共吸着剤などを含む溶液にTiO2粒子を投入し、攪拌、遠心分離などの工程によって光散乱粒子13表面に上記物質を十分に吸着および/または包被させることによって光増感色素吸着防止層14を形成する。
Next, the photosensitizing dye
電解質層12はゲル電解質であって、電解液にシリカ微粒子を添加し攪拌することで調製される。また、有機化合物、特にポリマーに電解液を膨潤させてゲル電解質を構成する方法で電解液をゲル化してもよく、典型的には、ポリエチレンオキシド(PEO;[CH2−CH2−O]n)、ポリアクリルニトリル(PAN;[CH2(CN)−CH2]n)、ポリフッ化ビリニデン(PVDF;[CH2−CF2]n)、ポリメチルメタクリレート(PMMA;[C(CH3)(COOCH3)−CH2]n)、ポリフッ化ビリニデン(PVDF;[CH2−CF2]n)とヘキサフルオロプロピレン(HFP;CF3−CF=CF2)との共重合体PVDF−HFPなどに電解液を膨潤させてゲル電解質を調製する方法が好適であるが、これらの方法に限定されず、電解液と反応性の小さい物質による電解液のゲル化が可能あれば基本的にはどのような方法であってもよく、電解液が水溶液である場合は寒天やゼラチンなどの植物由来の増粘多糖類などの物質を使用してゲル電解質を調製してもよい。
The
上記ゲル電解質に光増感色素吸着防止層14を形成した光散乱粒子13を含有率が50質量%を超えない範囲で加え、攪拌などの工程により光散乱粒子13を上記ゲル電解質中に分散させ、光散乱性ゲル電解液を調製する。
The
次に、電解質層12が封入される空間に例えば封止材に予め形成された注液口(図示せず)から光散乱性ゲル電解液を注入し、電解質層12を形成する。その後、この注液口を塞ぐ。電解液と光散乱性ゲル電解液との多層電解質構造とする場合には、まず、電解液を注液口から注入して多孔質光電極4と光反射粒子層7に十分に浸潤させ、次に光散乱性ゲル電解液を注入し、電解質層12を形成する。その後、この注液口を塞ぐ。また、電解質が、ポリマーなどを用いてゲル化されたゲル電解質や、全固体型のゲル電解質である場合、電解質と可塑剤とを含むポリマー溶液を、多孔質光電極4の上にキャスト法などによって塗布する。その後、可塑剤を揮発させ、完全に除去した後、上記と同様に封止材によって封止する。この封止は、真空シーラーなどを用いて、不活性ガス雰囲気下、もしくは減圧中で行うことが好ましい。封止を行った後、電解質層12の電解液が多孔質光電極4と光反射粒子層7に十分に浸潤するように、必要に応じて加熱、加圧の操作を行うことや、電解液をさらに注入して多孔質光電極4と光反射粒子層7に十分に浸潤させることもできる。
以上により、目的とする色素増感光電変換装置10が製造される
Next, a light scattering gel electrolyte solution is injected into a space in which the
Thus, the target dye-sensitized
[色素増感光電変換装置の動作]
次に、この色素増感光電変換装置10の動作について説明する。
[Operation of dye-sensitized photoelectric conversion device]
Next, the operation of the dye-sensitized
色素増感光電変換装置10は、光が入射すると、対極5を正極、多孔質光電極4を負極とする光電池として動作する。
When light is incident, the dye-sensitized
すなわち、透明基板1および透明電極2を透過してきた光子を多孔質光電極4に担持された光増感色素8が吸収すると、光増感色素8中の電子が基底状態から励起状態へ励起される。励起状態の電子は、光増感色素8と多孔質光電極4との間の電気的結合を介して、多孔質光電極4の伝導帯に取り出され、多孔質光電極4を通って透明電極2に到達する。
That is, when the
一方、電子を失った光増感色素8は、電解質層12中の還元剤、例えばI-から下記の反応
2I- → I2 + 2e-
I2 + I- → I3 -
によって電子を受け取り、電解質層12中に酸化剤、例えばI3 -を生成させる。生じた酸化剤は拡散によって対極5に到達し、上記の反応の逆反応
I3 - → I2 + I-
I2 + 2e- → 2I-
によって対極5から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
On the other hand, the
I 2 + I - → I 3 -
To receive electrons and produce an oxidant, for example I 3 − , in the
I 2 + 2e - → 2I -
Then, electrons are received from the
透明電極2から外部回路へ流れ出した電子は、外部回路で電気的仕事をした後、対極5に戻る。このようにして、光増感色素8にも電解質層12にも何の変化も残さず、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
The electrons flowing out from the
一方、多孔質光電極4に担持された光増感色素8が吸収されずに透過した入射光は、光反射粒子層7で散乱され、散乱された光子が多孔質光電極4に再び入射することで、上記と同様に光エネルギーが電気エネルギーに変換される。また、光反射粒子層7で反射されずに透過した光は電解質層12内の光散乱粒子13によって散乱され、散乱された光子が多孔質光電極4に再び入射することで、上記と同様に光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
On the other hand, the incident light transmitted without being absorbed by the
以上のように、この第1の実施形態によれば、電解質層12中に分散させた状態で含有させた光散乱粒子13の表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層14が設けられているので、多孔質光電極4に担持された光増感色素8の脱離を有効に抑えることが可能となる。このため、多孔質光電極4に担持された光増感色素8の脱離によって起きる光電変換特性の経時劣化を抑えることができる。これにより、入射光の利用率を高めるために多孔質光電極4および光反射粒子層7の厚さを必要以上に厚くする必要がなくなり、最適な厚さとすることができる。また、電解質層12中に光散乱粒子13が分散されているので、入射光の利用率の向上を図ることができる。また、電解質層12をゲル電解質としたので、電解質層12内の光散乱粒子13が凝集しにくくなることにより、光散乱粒子13による入射光の散乱効率が向上し、また、電解質層12の外部への漏液や、電解液を構成する溶媒の揮発を減少させることもできる。以上により、多孔質光電極4を厚くする必要がなく、光電変換効率が高く、しかも光電変換効率の経時劣化の少ない高性能の色素増感光電変換装置10を実現することができる。
As described above, according to the first embodiment, the photosensitizing dye
<2.第2の実施の形態>
図5は、第2の実施の形態による色素増感光電変換装置10を示す断面図である。
図5に示すように、光散乱粒子13は、粒径が一次粒子の平均粒径で0.15〜0.22μmの範囲の球形である光散乱粒子13aと、粒径が一次粒子の平均粒径で0.30〜0.45μmの範囲の球形である光散乱粒子13bとをほぼ等しい割合で構成されている。この第2の実施の形態においては、波長成分が400nmと800nmの2成分で、2波長成分が等しい割合で分布している入射光を光散乱粒子13により散乱させる場合に好適である。
この色素増感光電変換装置10の上記以外の構成および製造方法は第1の実施の形態と同様である。
<2. Second Embodiment>
FIG. 5 is a sectional view showing the dye-sensitized
As shown in FIG. 5, the
Other configurations and manufacturing method of the dye-sensitized
この第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様の利点に加えて、次のような利点を得ることができる。すなわち、光散乱粒子13の粒径を複数設定し電解質層12中に含有させたので、入射光の波長分布に応じて光散乱粒子13の粒径や含有率を設定することで、ナトリウムランプのような線スペクトル光や、LED照明などの特定のスペクトルの光を合成した光などにおいて特に利用率を高めることができる。
According to the second embodiment, in addition to the same advantages as those of the first embodiment, the following advantages can be obtained. That is, since a plurality of particle sizes of the
<3.第3の実施の形態>
図6は第3の実施の形態による色素増感光電変換装置20を示す断面図である。
図6に示すように、この色素増感光電変換装置20においては、電解質層12中に、異方的形状を有する光散乱粒子23の表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層14が設けられたものが分散されている。
<3. Third Embodiment>
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a dye-sensitized
As shown in FIG. 6, in the dye-sensitized
光散乱粒子23の形状は異方的形状を有していれば基本的にはどのような形状であってもよいが、短径に対する長径の比が2以上である細長い形状が好ましく、典型的には、針形状、棒形状、紡鐘形状、楕円形状、カプセル形状などが挙げられる。特に、可視光領域である波長が400nm〜800nmの範囲の入射光を全て効果的に散乱させたい場合は、光散乱粒子23の形状は平均長径が0.3μm以上であって、短径に対する長径の比が2以上であればよい。
光散乱粒子23の材料としては、屈折率が使用する電解質よりも0.3以上大きく、上記電解質に溶解しない高屈折材料が好適である。光散乱粒子の材料は、電解液との屈折率差が大きく、光電変換に用いることのできる波長の光の吸収が少ない材料ほど、散乱光強度が強くなることを考慮し、必要に応じて選ばれる。一般的に使用される電解液の屈折率は1.45〜1.50程度であるので、光散乱粒子の屈折率は1.75以上であることが好適であって、1.80以上であることがより好適である。
The
As the material of the
電解質層12における光散乱粒子23の含有率は1〜50質量%であることが好ましい。光散乱粒子23の含有率が1質量%より小さいと、光散乱粒子23の有意な効果が得られない。逆に、光散乱粒子23の含有率が50質量%を超えると、流動性や浸潤性が損なわれ、取り扱いが難しくなる。
The content of the
この色素増感光電変換装置20の上記以外の構成および製造方法は第1の実施の形態と同様である。
Other configurations and manufacturing method of the dye-sensitized
[色素増感光電変換装置の動作]
色素増感光電変換装置20は、光が入射すると、対極5を正極、多孔質光電極4を負極とする光電池として動作する。
[Operation of dye-sensitized photoelectric conversion device]
When light is incident, the dye-sensitized
すなわち、透明基板1および透明電極2を透過してきた光子を多孔質光電極4に担持された光増感色素8が吸収すると、光増感色素8中の電子が基底状態から励起状態へ励起される。励起状態の電子は、光増感色素8と多孔質光電極4との間の電気的結合を介して、多孔質光電極4の伝導帯に取り出され、多孔質光電極4を通って透明電極2に到達する。
That is, when the
一方、電子を失った光増感色素8は、電解質層12中の還元剤、例えばI-から下記の反応
2I- → I2 + 2e-
I2 + I- → I3 -
によって電子を受け取り、電解質層12中に酸化剤、例えばI3−を生成させる。生じた酸化剤は拡散によって対極5に到達し、上記の反応の逆反応
I3- → I2 + I-
I2 + 2e- → 2I-
によって対極5から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
On the other hand, the
I 2 + I - → I 3 -
To receive an electron and produce an oxidant, eg, I 3-in the
I 2 + 2e - → 2I -
Then, electrons are received from the
透明電極2から外部回路へ流れ出した電子は、外部回路で電気的仕事をした後、対極5に戻る。このようにして、光増感色素8にも電解質層12にも何の変化も残さず、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
The electrons flowing out from the
一方、多孔質光電極4に担持された光増感色素8が吸収されずに透過した入射光は、光反射粒子層7で散乱され、散乱された光子が多孔質光電極4に再び入射することで、上記と同様に光エネルギーが電気エネルギーに変換される。また、光反射粒子層7で反射されずに透過した光は電解質層12内の光散乱粒子23によって散乱される。このとき、光散乱粒子23は異方的形状を有するので、幅広い波長域の光が効果的に散乱される。散乱された光子が多孔質光電極4に再び入射し、上述したように光エネルギーは電気エネルギーに変換される。
On the other hand, the incident light transmitted without being absorbed by the
〈実施例1〉
色素増感光電変換装置を以下のようにして製造した。
まず、透明電極2として、アモルファス太陽電池用のFTO層付き導電性ガラス基板(日本板硝子(株)製、シート抵抗10Ω/□、厚さ1.1mm)を用い、縦15mm×横25mmの長方形に加工した。この導電性ガラス基板を、洗浄用溶媒としてアセトン、アルコール、アルカリ系洗浄液、および超純水を順に用いて超音波洗浄した後、十分に乾燥させた。この導電性ガラス基板のうち、横方向の一方の端部から10mmまでの領域を電極引き出し部として用い、残りの縦15mm×横15mmの正方形の領域に多孔質光電極4を形成する。
<Example 1>
A dye-sensitized photoelectric conversion device was produced as follows.
First, as the
次に、TiO2のペースト状分散液を、透明電極2の上記長方形の領域のFTO層に塗布し、直径5mm、厚さ20μmの酸化チタン微粒子ペースト層を形成した。この際、スクリーン印刷機と円形スクリーンマスクを用い、まずFTO層上に透明なTi−Nanoxide TSPペースト(商品名;Solaronix社製)層を7μmの厚さで形成し、次に散乱粒子を含むTi−Nanoxide DSPペースト(商品名;Solaronix社製)層を13μmの厚さで積層し、合計20μmの厚さの酸化チタン微粒子ペースト層を形成した。その後、500℃に30分間保持して、TiO2微粒子をFTO層上に焼結した。焼結されたTiO2膜へ0.1Mの塩化チタン(IV)TiCl4水溶液を滴下し、70℃の下で30分間保持した。次に、純水およびエタノールを用いて酸化チタン多孔質層を十分に洗浄し、乾燥させた。この後、再び500℃で30分間焼成を行った。これらの工程で、
次式
TiCl4 + 2H2O → TiO2 + 4HCl
で表される化学反応が起こり、生成した酸化チタンによって、酸化チタン多孔質層における酸化チタン微粒子間のネッキングが強化される。この後、紫外光照射装置を用いてTiO2焼結体に紫外光を30分間照射し、このTiO2焼結体に含まれる有機物などの不純物をTiO2の光触媒作用によって酸化分解して除去し、TiO2焼結体の活性を高める処理を行った。
Next, a paste dispersion of TiO 2 was applied to the FTO layer in the rectangular region of the
The following formula: TiCl 4 + 2H 2 O → TiO 2 + 4HCl
The necking between the titanium oxide fine particles in the titanium oxide porous layer is strengthened by the generated titanium oxide. Thereafter, the ultraviolet light irradiation apparatus is used to irradiate the TiO 2 sintered body with ultraviolet light for 30 minutes, and impurities such as organic substances contained in the TiO 2 sintered body are oxidatively decomposed and removed by the photocatalytic action of TiO 2. The treatment for increasing the activity of the TiO 2 sintered body was performed.
光増感色素8として、十分に精製したZ907 23.8mgを、アセトニトリルとtert−ブタノールとを1:1の体積比で混合した混合溶媒50mlに溶解させ、光増感色素8の溶液を調製した。Z907は、シス−ビス(イソチオシアナト)(H2dcbpy)(dnbpy)ルテニウム錯体(ここで、H2dcbpyは4,4‘―ジカルボキシ―2,2’―ビピリジンであり、dnbpyは4,4‘―ジノニル―2,2’―ビピリジンである。)である。
As the
次に、多孔質光電極4をこの光増感色素8の溶液に室温下で24時間浸漬し、TiO2微粒子表面に光増感色素8を保持させた。次に、4−tert−ブチルピリジンのアセトニトリル溶液およびアセトニトリルを順に用いて多孔質光電極4を洗浄した後、暗所で溶媒を蒸発させ、乾燥させた。この結果、光増感色素8が吸着された多孔質光電極4が得られた。
Next, the
次に、1,3−ジメチル−3−イミダゾリウムヨーダイド1.65g(1mol/L)、ヨウ素(I2)0.28g(0.15mol/L)、N−ブチル−ベンズイミダゾール0.64g(0.5mol/L)、およびグアニジンチオシアネート0.09g(0.1mol/L)を3−メトキシプロピオニトリル7.35gに溶解させ、液体状の電解質組成物を調製した(上記()内の濃度は、電解質組成物における各成分のモル濃度である。)。得られた電解質組成物1.84gに対し、ゲル化剤として、表面が疎水性化されたシリカ微粒子R805(商品名;日本アエロジル(株)製)0.16gを添加した後、ミキサー(THINKY社製)を用いてよく攪拌し、ゲル電解液を調製した。ゲル電解液における質量比は、
液体状電解質組成物:シリカ微粒子R805 = 92:8
である。
Next, 1.65 g (1 mol / L) of 1,3-dimethyl-3-imidazolium iodide, 0.28 g (0.15 mol / L) of iodine (I 2 ), 0.64 g of N-butyl-benzimidazole ( 0.5 mol / L) and 0.09 g (0.1 mol / L) of guanidine thiocyanate were dissolved in 7.35 g of 3-methoxypropionitrile to prepare a liquid electrolyte composition (the concentration in () above) Is the molar concentration of each component in the electrolyte composition.) After adding 0.16 g of silica fine particles R805 (trade name; manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) having a hydrophobic surface as a gelling agent to 1.84 g of the obtained electrolyte composition, a mixer (THINKY Corporation) was added. The gel electrolyte solution was prepared by thoroughly stirring the mixture. The mass ratio in the gel electrolyte is
Liquid electrolyte composition: silica fine particles R805 = 92: 8
It is.
次に、光散乱粒子23に光増感色素吸着防止層を形成するため、吸着させる色素として十分に精製したZ907 184mgを、アセトニトリルとtert−ブタノールとを1:1の体積比で混合した混合溶媒30mlに溶解させ、吸着色素溶液を調製した
Next, in order to form a photosensitizing dye adsorption preventing layer on the
次に、光散乱粒子23として異方的形状である針状酸化チタン微粒子FTL100(商品名;石原産業(株)製)1gを上記の吸着色素溶液に加え、室温にて86時間攪拌し、FTL100にZ907を吸着させた。次に、遠心分離により2回洗浄し、60℃で2時間真空乾燥させた。この結果、吸着したZ907からなる光増感色素吸着防止層14を備えた異方的形状の光散乱粒子23を得た。
Next, 1 g of acicular titanium oxide fine particles FTL100 (trade name; manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd.) having an anisotropic shape as the
次に、1,3−ジメチル−3−イミダゾリウムヨーダイド1.65g(1mol/L)、ヨウ素(I2)0.28g(0.15mol/L)、N−ブチル−ベンズイミダゾール0.64g(0.5mol/L)、およびグアニジンチオシアネート0.09g(0.1mol/L)を3−メトキシプロピオニトリル7.35gに溶解させ、液体状の電解質組成物を調製した(上記()内の濃度は、電解質組成物における各成分のモル濃度である。)。得られた電解質組成物1.84gに対し、ゲル化剤として、表面が疎水性化されたシリカ微粒子R805(商品名;日本アエロジル(株)製)0.16gを添加した後、ミキサー(THINKY社製)を用いてよく攪拌し、ゲル電解液を調製した。ゲル電解液における質量比は、
液体状電解質組成物:シリカ微粒子R805 = 92:8である。
Next, 1.65 g (1 mol / L) 1,3-dimethyl-3-imidazolium iodide, 0.28 g (0.15 mol / L) iodine (I 2 ), 0.64 g N-butyl-benzimidazole ( 0.5 mol / L) and 0.09 g (0.1 mol / L) of guanidine thiocyanate were dissolved in 7.35 g of 3-methoxypropionitrile to prepare a liquid electrolyte composition (the concentration in () above) Is the molar concentration of each component in the electrolyte composition.) After adding 0.16 g of silica fine particles R805 (trade name; manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) having a hydrophobic surface as a gelling agent to 1.84 g of the obtained electrolyte composition, a mixer (THINKY Corporation) was added. The gel electrolyte solution was prepared by thoroughly stirring the mixture. The mass ratio in the gel electrolyte is
Liquid electrolyte composition: silica fine particles R805 = 92: 8.
次に、上記ゲル電解液に光増感色素吸着防止層14が形成された光散乱粒子23を加え、光散乱性ゲル電解液を調製した。光散乱性ゲル電解液における質量比は
ゲル電解液:光散乱粒子23 = 80:20
である。この光散乱粒子23を含んだゲル電解液を、透明電極2上の多孔質光電極4に被着させた。
Next,
It is. The gel electrolyte containing the
一方、対向基板9として、前述した透明電極2を設けた透明基板1と同様、アモルファス太陽電池用のFTO層付き導電性ガラス基板(日本板硝子(株)製、シート抵抗10Ω/□、厚さ1.1mm)を、縦15mm×横25mmの長方形に加工したものを用意した。この導電性ガラス基板のうち、横方向の一方の端部から10mmまでの領域を電極引き出し部として用いた。残る縦15mm×横15mmの正方形の領域のFTO層上に、スパッタリング法によって、厚さ50nmのクロム(Cr)層と厚さ100nmの白金(Pt)層とを順次積層して形成し、対極5を作製した。
On the other hand, as the
次に、ディスペンサーを用いて、正方形の領域の外周から内側の領域に2mmの幅で硬化するよう、透明電極2上に紫外線(UV)硬化型接着剤を被着させた。この後、多孔質光電極4と対極5とが向かい合うように、透明電極2を設けた透明基板1および対向基板9のそれぞれの正方形の領域を対向させ、貼り合せた。対向基板9には直径0.5mmの孔が設けられており、この孔は接着する際の空気の逃げ道として機能する。
Next, using a dispenser, an ultraviolet (UV) curable adhesive was deposited on the
次に、対向基板9に設けられた孔を紫外線(UV)硬化型接着剤で埋めて封止した後、紫外線(UV)を照射して紫外線(UV)硬化型接着剤を硬化させ、色素増感光電変換装置を完成した。
Next, after the hole provided in the
〈実施例2〉
光散乱粒子23に光増感吸着防止層14を形成するため、吸着物質として十分に精製したDPA(1−デシルホスホン酸)を用いた。その他は実施例1と同様にして色素増感光電変換装置を製造した。
<Example 2>
In order to form the photosensitized
色素増感光電変換装置における多孔質光電極4に吸着した光増感色素8の脱離について検証を行った。
まず、実施例1において製造された、光増感色素8であるZ907が吸着した多孔質光電極4が形成された透明電極2を5枚、密封可能な容器に入れ、実施例1のゲル電解液のみを、それぞれの多孔質光電極4全体を覆うようにして浸した後に、ゲル電解液の揮発がないように密封する。この試料を「光散乱粒子なし」とする。一方、実施例1において製造された、光増感色素8が吸着した多孔質光電極4が形成された透明電極2を5枚、「光散乱粒子なし」とは別の密封可能な容器に入れ、光散乱粒子23が実施例1と同様な割合で混合されている光散乱性ゲル電解液を多孔質光電極4全体を覆うようにして浸した後に、光散乱性ゲル電解液の揮発がないように密封する。この試料を「光散乱粒子あり」とする。この二つの容器を外気温85℃の環境下で730時間放置した後に、容器から取り出された5枚の透明電極2のうち2枚を、電解液をゲル電解液のみとして、その他は実施例1と同様にして色素増感太陽電池をそれぞれ製造した。また、容器から取り出された残りの3枚の透明電極2は、多孔質光電極4を洗浄した後に、多孔質光電極4に吸着している光増感色素8の量をそれぞれ測定した。それぞれ製造された色素増感光電変換装置の特性を表1に示す。また、それぞれの色素増感光電変換装置の開放電圧と短絡電流の値を比較したグラフを図7に示す。また、それぞれの色素増感光電変換装置の光電変換効率と光増感色素8の吸着量の比較を示したグラフを図8に示す。図8は、棒グラフで示したものが変換効率、折れ線グラフで示したものが光増感色素8であるZ907の吸着量である。
First, five
図8に示すように、「光散乱粒子あり」の透明電極2を用いて製造された色素増感光電変換装置は、「光散乱粒子なし」の透明電極2を用いて製造された色素増感光電変換装置よりも、多孔質光電極4に吸着した光増感色素8であるZ907の吸着量が減少しており、光電変換効率も低下している。また、表1および図7に示すように、「光散乱粒子あり」の透明電極2を用いて製造された色素増感光電変換装置は、「光散乱粒子なし」の透明電極2を用いて製造された色素増感光電変換装置よりも、開放電圧、短絡電流がともに大きく減少しており、内部抵抗は増加している。開放電圧の低下は多孔質光電極4から光増感色素8が脱離したことにともない、励起電子量が減少したことが原因と考えられ、短絡電流の低下は多孔質光電極4から光増感色素8が脱離したことにともない、多孔質光電極4を形成している酸化チタン表面の露出部分が増加し、暗電流が増加したからであると考えられる。
As shown in FIG. 8, the dye-sensitized photoelectric conversion device manufactured using the
〈比較例1〉
上記ゲル電解液に加える光散乱粒子23として、光増感色素吸着防止層15を設けていない球形状の酸化チタン微粒子P25を用いた。その他は実施例1と同様にして色素増感光電変換装置を製造した。
<Comparative example 1>
As the
〈比較例2〉
上記ゲル電解液に加える光散乱粒子23として、光増感色素吸着防止層15を設けていない球形状の酸化チタン微粒子TA300を用いた。その他は実施例1と同様にして色素増感光電変換装置を製造した。
<Comparative example 2>
As the
〈比較例3〉
上記ゲル電解液に加える光散乱粒子23として、光増感色素吸着防止層15を設けていない異方的形状の針状酸化チタン微粒子FTL100を用いた。その他は実施例1と同様にして色素増感光電変換装置を製造した。
<Comparative Example 3>
As the
〈比較例4〉
高屈折微粒子を加えず、ゲル電解液をそのまま電解質として用いた。その他は実施例1と同様にして色素増感光電変換装置を製造した。
<Comparative example 4>
The gel electrolyte was used as an electrolyte as it was without adding highly refractive fine particles. Otherwise, a dye-sensitized photoelectric conversion device was produced in the same manner as in Example 1.
表2は実施例1および2、比較例1〜4で用いた光散乱粒子23の特徴を示す。
各実施例および比較例において面積0.188cm2の円形マスクを用いて擬似太陽光(AM1.5、100mW/cm2)を照射しながら、製造した色素増感光電変換装置光電変換効率を24℃にて評価した。 While irradiating pseudo sunlight (AM1.5,100mW / cm 2) using a circular mask area 0.188Cm 2 In each of the examples and comparative examples, 24 ° C. The prepared dye-sensitized photoelectric conversion device photoelectric conversion efficiency Evaluated.
表3は比較例1〜4で作製した色素増感光電変換装置の特性の一例を示す。
表3において、比較例1〜3と比較例4との色素増感光電変換装置を製造した直後における光電変換効率の比較から、高屈折率である酸化チタン微粒子を電解質層12に混合させると、光電変換効率を向上させる効果があることがわかる。特に、散乱効率の高い針状形状のFTL100では光電変換効率の向上の度合いが高く、その光電変換効率は電解質層12にFTL100を電解質層12に混合させない場合の光電変換効率と比較して7%程度の大幅な向上が見られる。
In Table 3, from the comparison of photoelectric conversion efficiency immediately after producing the dye-sensitized photoelectric conversion devices of Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Example 4, when titanium oxide fine particles having a high refractive index were mixed into the
表4は実施例1〜2および比較例3〜4で作製した色素増感光電変換装置の光電変換効率の経時変化を示した表である。
図9は、各実施例および各比較例における色素増感光電変換装置の光電変換効率の経時変化を示した図である。 FIG. 9 is a diagram showing a change with time in photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized photoelectric conversion device in each example and each comparative example.
表4および図9において、実施例1〜2および比較例4と比較例3との経過時間116時間における光電変換効率の比較から、光増感色素吸着防止層15を設けていないFTL100を電解質層12に混合させた比較例3の色素増感光電変換装置は、時間の経過と共に急激な光電変換効率の低下が見られ、経過時間116時間の時点で電解質層12にFTL100を混合させない比較例4の色素増感光電変換装置よりも光電変換効率は低くなることがわかる。これは、前述した図3にも示すように比較例3の色素増感光電変換装置は、時間の経過とともに、多孔質光電極4に吸着した光増感色素8が電解質層12の光散乱微粒子に移行することが原因であると考えられ、具体的には、多孔質光電極4に吸着した光増感色素8が脱離し電解液に移行した後に、光散乱粒子23に吸着することで電解質層12中の光増感色素8の濃度が低下し、更に光増感色素8の脱離が進むというものである。対して、光散乱粒子23への光増感色素8の吸着を防ぐ光増感色素吸着防止層15を設けたFTL100を電解質層12に混合させた実施例1および2の色素増感光電変換装置は、光電変換効率の低下はみられるものの、その変化は光増感色素吸着防止層15を設けていないFTL100を電解質層12に混合させた実施例3の色素増感光電変換装置と比較して穏やかで、経過時間116時間の時点で比較例3の色素増感放電変換装置と比較して光電変換効率は十分に高い値を維持している。これは、多孔質光電極4から電解質層12中に光増感色素8が脱離するなどの要因で、当初は急激に光電変換効率が低下するものの、電解質層12中に光増感色素8がある程度移行すると、電解質層12中の光増感色素8の濃度が飽和状態となり、また、光散乱粒子23には光増感色素8の吸着を防ぐ光増感色素吸着防止層15を設けているので、光散乱粒子23への光増感色素8の吸着は起こらず、74時間経過後からはその脱離速度は穏やかとなると考えられ、光電変換効率の低下速度も比較例3の色素増感光電変換装置と比較して1/3程度となる。
In Table 4 and FIG. 9, from the comparison of the photoelectric conversion efficiency in the elapsed time of 116 hours between Examples 1-2 and Comparative Example 4 and Comparative Example 3, FTL100 in which the photosensitizing dye adsorption preventing layer 15 is not provided is used as the electrolyte layer. In the dye-sensitized photoelectric conversion device of Comparative Example 3 mixed with No. 12, the photoelectric conversion efficiency drastically decreases with time, and Comparative Example 4 does not mix
実施例1〜2および比較例4と比較例3との経過時間509時間における光電変換効率の比較から、比較例3は、色素増感光電変換装置の作製から509時間経過後の時点での光電変換効率は、作製直後の光電変換効率と比較して64%程度と大幅に落ち込み、比較例4の色素増感光電変換装置と比較して光電変換効率は大幅に低くなる。その光電変換効率は比較例4の色素増感光電変換装置と比較して85%に留まる。これは、前述した時間の経過とともに、多孔質光電極4に吸着した光増感色素8が電解質層12中の光散乱粒子23に移行することが原因であると考えられ、作製から509時間経過後の時点で電解質層12中に光増感色素8が移行し、電解質層12中の光増感色素8の濃度がほぼ飽和状態となっている実施例1〜2および比較例4の色素増感光電変換装置に対して、比較例3の光増感光電変換装置は、電解質層12中の光散乱粒子23に光増感色素8が吸着するために、電解質層12中の光増感色素8の濃度は飽和状態とならず、509時間経過後時点であっても、多孔質光電極4からの光増感色素8の脱離速度は74時間経過後時点での速度を維持していると考えられ、光電変換効率もこれに比例し低下すると考えられる。一方、光増感色素吸着防止層15を設けたFTL100を電解質層12中に混合させた実施例1の色素増感光電変換装置は、光電変換効率の低下はみられるものの、その変化は緩やかで、実施例1〜2は共に、509時間経過後の時点での光電変換効率は作製直後の光電変換効率と比較して88%と高い値を維持しており、電解質層12中にFTL100に混合させない比較例4の色素増感光電変換装置と比較しても、実施例1〜2の光電変換効率は共に高い値を維持している。509時間を経過するまで、その光電変換効率は電解質層12中にFTL100を電解質層12に混合させない比較例4の色素増感光電変換装置と比較して実施例1、2共に105%以上を維持している。
From the comparison of photoelectric conversion efficiency at the elapsed time of 509 hours between Examples 1 and 2 and Comparative Example 4 and Comparative Example 3, Comparative Example 3 shows the photoelectric at the time after 509 hours have elapsed since the preparation of the dye-sensitized photoelectric conversion device. The conversion efficiency is greatly reduced to about 64% as compared with the photoelectric conversion efficiency immediately after the production, and the photoelectric conversion efficiency is significantly lower than that of the dye-sensitized photoelectric conversion device of Comparative Example 4. The photoelectric conversion efficiency remains at 85% as compared with the dye-sensitized photoelectric conversion device of Comparative Example 4. This is considered to be caused by the fact that the
以上のように、この第3の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な利点を得ることができるとともに、光散乱微粒子23を異方的形状としたので、その配向方向によって、透過光に対する実効的な粒径を連続的に変化させることができる。特に、異方的形状を有する光散乱粒子23を用いていることにより、1種類の異方的形状を有する光散乱粒子23を電解質層12中に含有させるだけで多くの波長成分を連続的に含む連続スペクトル光である太陽光などを波長全域に渡って効果的に散乱させることができ、波長分布に応じて多種の粒径の球形微粒子を含有させる必要がなくなり、1種類の異方的形状を有する光散乱粒子23を含有させるという簡易な構成で効果的に入射光を散乱させることができる。
As described above, according to the third embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained, and the light scattering
<4.第4の実施の形態>
図10は第4の実施の形態による色素増感光電変換装置30を示す断面図である。
図10に示すように、この色素増感光電変換装置においては、電解質層12中に異方的形状を有する光散乱粒子23を分散させた状態で含有させ、さらに球形状のスペーサ微粒子18を電解質層12中に含有させている。
<4. Fourth Embodiment>
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a dye-sensitized
As shown in FIG. 10, in this dye-sensitized photoelectric conversion device,
スペーサ微粒子18の粒径は一次粒子の平均粒径が異方的形状を有する光散乱粒子23の短径以上であり、かつ長径以下である。色素増感光電変換装置の電解質層12はごく薄く形成され、スペーサ微粒子18は多孔質光電極4と対極5とを繋ぐスペーサとなるように配置される。異方的形状を有する光散乱粒子23は、長径が対極5の面におおよそ平行に、対極5の面と垂直な方向に重ならないように連続して配置される。
The particle diameter of the spacer
スペーサ微粒子18の材料としては、電解質と反応性を有しない物質であれば基本的にはどのようなものであってもよいが、屈折率が使用する電解質よりも可視光領域において0.3以上大きい高屈折材料を用いることもでき、必要に応じて選ばれる。一般的に使用される電解液の屈折率は1.45〜1.50程度であるので光散乱粒子の屈折率は1.75以上であることが好適であって、1.80以上であることがより好適であり、具体的な材料としては、金属酸化物、金属硫化物、金属塩化物、ヨウ化物、臭化物、チタン酸化合物、ケイ酸化合物、クロム酸化合物、金属テルル化物、セレン化合物、ガラス類、金属単体、鉱物、無機顔料などが挙げられ、金属酸化物であれば、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化銅(Cu2O)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化カドミウム(CdO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化第二鉄(Fe2O3)、鉄黒(Fe3O4)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ユーロピウム(Eu2O3)、酸化ランタン(La2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、鉛丹(Pb3O4)黄色酸化鉄などが挙げられる。金属硫化物であれば、例えば、硫化亜鉛(ZnS)、硫化バリウム(BaS)、硫化ストロンチウム(SrS)、硫化水銀(HgS)、硫化カドミウム(CdS)などが挙げられる。金属塩化物であれば、例えば、塩化銀(AgCl)、塩化第一銅(CuCl)、塩化バリウム(BaCl2)、塩化タリウム(TlCl)などが挙げられる。ヨウ化物であれば、例えば、ヨウ化カリ(KI)、ヨウ化セシウム(CsI)などが挙げられる。臭化物であれば、例えば、臭化ナトリウム(NaBr)、臭化タリウム(TlBr)などが挙げられる。チタン酸化合物であれば、例えば、チタン酸鉛(PbTiO2)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)チタン酸バリウム(BaTiO2)などが挙げられる。ケイ酸化合物であれば、例えば、ジルコン(ZrSiO4)などが挙げられる。クロム酸化合物であれば、例えば、バリウム黄色(BaCrO4)黄鉛(PbCrO4)、亜鉛黄(ZnCrO4)、ストロンチウム黄(SrCrO4)などが挙げられる。金属テルル化物であれば、例えば、テルル亜鉛(ZnTe)などが挙げられる。セレン化合物であれば、例えば、セレン化ヒ素(As2Se3)などが挙げられる。ガラス類であれば、例えば、SF−2光学ガラス、Ag2S3ガラス、三硫化砒素ガラスなどが挙げられる。炭化物であれば、例えば、グラファイトおよびダイヤモンドなどの炭素単体、炭化ケイ素(β−SiC)などが挙げられる。金属単体であれば、例えば、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、白金(Pt)、ゲルマニウム(Ge)などが挙げられる。鉱物であれば、例えば、サファイヤ、エメラルド緑、エボナイト、尖晶石、バライトなどが挙げられる。無機顔料であれば、例えば、鉛白、黄色酸化鉄、カドミウムレッド、コバルト青、クロム緑、カドミウムレッド、マンガン紫、コバルト緑、コバルト紫、セルリアン(CoO・nSnO2)などが挙げられる。特に、酸化チタン(TiO2 )、硫化亜鉛(ZnS)、酸化マグネシウム(MgO)などは、可視光領域で透明であるので、感度が可視光領域において特に高い光増感色素8を用いた色素増感光電変換装置に適用することを考えた場合、可視光領域において透明である物質のほうが入射光を反射する効率が高くなるため、より好適であるが、これらに限定されるものではなく、単独もしくは二種類以上の光散乱粒子13を混合して用いることもできる。
The material of the spacer
電解質層12における光散乱粒子23の含有率は、1〜50質量%の範囲が好ましく、特にスペーサ微粒子18を加えた状態で50質量%を超えないようにすることが望ましい。光散乱粒子23の含有率が1質量%より小さいと、光散乱粒子23の有意な効果が得られなく、逆に、光散乱粒子23とスペーサ微粒子18を合わせた含有率が50質量%を超えると、流動性や浸潤性が損なわれ、取り扱いが難しくなる。
The content of the
光散乱粒子23への物質の吸着方法には特に制限はないが、例えば物質をアルコール類、ニトリル類、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ジメチルスルホキシド、アミド類、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類、炭酸エステル類、ケトン類、炭化水素、水などの溶媒に溶解させ、これに光散乱粒子23を浸漬したり、光増感色素を含む溶液を多孔質光電極4上に塗布したりすることができる。吸着は単層吸着に限られないので溶媒に溶解させる物質の分量はできるだけ多いほうが好ましい。
The method for adsorbing the substance to the
また、スペーサ微粒子18の表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層14を設けることも有効である。光増感色素吸着防止層14の構成は光散乱粒子23に設けられたものと同様である。
It is also effective to provide the photosensitizing dye
[色素増感光電変換装置の動作]
この色素増感光電変換装置30は、光が入射すると、対極5を正極、多孔質光電極4を負極とする光電池として動作する。
[Operation of dye-sensitized photoelectric conversion device]
When light is incident, the dye-sensitized
すなわち、透明基板1および透明電極2を透過してきた光子を多孔質光電極4に担持された光増感色素8が吸収すると、光増感色素8中の電子が基底状態から励起状態へ励起される。励起状態の電子は、光増感色素8と多孔質光電極4との間の電気的結合を介して、多孔質光電極4の伝導帯に取り出され、多孔質光電極4を通って透明電極2に到達する。
That is, when the
一方、電子を失った光増感色素8は、電解質層12中の還元剤、例えばI-から下記の反応
2I- → I2 + 2e-
I2 + I- → I3 -
によって電子を受け取り、電解質層12中に酸化剤、例えばI3 -を生成させる。生じた酸化剤は拡散によって対極5に到達し、上記の反応の逆反応
I3 - → I2 + I-
I2 + 2e- → 2I-
によって対極5から電子を受け取り、もとの還元剤に還元される。
On the other hand, the
I 2 + I - → I 3 -
To receive electrons and produce an oxidant, for example I 3 − , in the
I 2 + 2e - → 2I -
Then, electrons are received from the
透明電極2から外部回路へ流れ出した電子は、外部回路で電気的仕事をした後、対極5に戻る。このようにして、光増感色素8にも電解質層12にも何の変化も残さず、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
The electrons flowing out from the
一方、多孔質光電極4に担持された光増感色素8が吸収されずに透過した入射光は、光反射粒子層7で散乱され、散乱された光子が多孔質光電極4に再び入射することで、上記と同様に光エネルギーが電気エネルギーに変換される。また、光反射粒子層7で反射されずに透過した光は電解質層12内の光散乱粒子23によって散乱される。このとき、異方的形状を有する光散乱粒子23は長径が対極5の面とおおよそ平行になるように配向されているので、幅広い波長域の光が効果的に散乱される。散乱された光子が多孔質光電極4に再び入射し、上述したように光エネルギーは電気エネルギーに変換される。
On the other hand, the incident light transmitted without being absorbed by the
この第4の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な利点に加え、次のような利点を得ることができる。すなわち、電解質層12に、球状で平均直径が光散乱粒子23の短径以上で、かつ長径以下であるスペーサ微粒子18が含まれており、スペーサ微粒子18が多孔質光電極4と対極5とのスペーサになるように電解質層12を薄く形成し、光散乱粒子23を長径が対極5の面とおおよそ平行になるように配向したので、光散乱粒子23がランダムに配向している場合と比べて、透過光を効率よく散乱して、多孔質光電極4内に戻すことができ、これにより光の利用率を高めることができる。
According to the fourth embodiment, in addition to the same advantages as those of the first embodiment, the following advantages can be obtained. That is, the
以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本技術は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present technology is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present disclosure. Is possible.
For example, the numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like given in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different numerical values, structures, configurations, shapes, materials, etc. are used as necessary. Also good.
1、31…透明基板、2、32…透明電極、3、33…半導体微粒子、4,34…多孔質光電極、5、35…対極、6、36…高屈折材料粒子、7、37…光反射粒子層、8、38…光増感色素、9、39…対向基板、10、20、40…色素増感光電変換装置、11、41…透明導電層、12,42…電解質層、13、13a、13b、23、43…光散乱粒子、14…光増感色素吸着防止層
DESCRIPTION OF
Claims (13)
上記電解質層に分散させた状態で、表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層が設けられた光散乱粒子が含まれており、
上記光増感色素吸着防止層は上記光散乱粒子の表面を包被した化合物から成る、
色素増感光電変換装置。 It has a structure in which an electrolyte layer is filled between a porous photoelectrode adsorbed with a photosensitizing dye and a counter electrode,
In a state of being dispersed in the electrolyte layer, light scattering particles provided with a photosensitizing dye adsorption prevention layer on at least a part of the surface are included ,
The photosensitizing dye adsorption-preventing layer is composed of a compound covering the surface of the light scattering particles.
Dye-sensitized photoelectric conversion device.
請求項1に記載の色素増感光電変換装置。 The refractive index of the light scattering particles is 0.3 or more larger than the refractive index of the electrolyte layer ,
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の色素増感光電変換装置。 The electrolyte layer is made of a gel electrolyte .
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to claim 1 or 2 .
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の色素増感光電変換装置。 The light scattering particles have an anisotropic shape ,
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の色素増感光電変換装置。 The light scattering particles are made of titanium oxide ,
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 4 .
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の色素増感光電変換装置。 The light scattering particles have a particle size in the range of 0.15 μm to 0.45 μm .
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の色素増感光電変換装置。 The porous photoelectrode is composed of fine particles made of a semiconductor .
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 6 .
請求項7に記載の色素増感光電変換装置。 The fine particles made of the semiconductor are anatase-type titanium oxide .
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to claim 7 .
請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の色素増感光電変換装置。 The compound is 1-decylphosphonic acid ,
The dye-sensitized photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 8 .
上記光増感色素吸着防止層を、上記光散乱粒子に化合物を包被することにより形成する、
色素増感光電変換装置の製造方法。 The electrolyte layer is filled between the porous photoelectrode and the counter electrode, it has a step of incorporating in a state in which light scattering particles are dispersed forming a photosensitizing dye adsorption preventive layer on at least a portion of the surface,
The photosensitizing dye adsorption preventing layer is formed by encapsulating the light scattering particles with a compound.
A method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion device.
請求項10に記載の色素増感光電変換装置の製造方法。 The light scattering particles are made of titanium oxide .
The manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion apparatus of Claim 10 .
請求項10または請求項11に記載の色素増感光電変換装置の製造方法。 The compound is 1-decylphosphonic acid ,
The manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion apparatus of Claim 10 or Claim 11 .
上記光電変換装置が、
多孔質光電極と対極との間に電解質層が充填された構造を有し、
上記電解質層に分散させた状態で、表面の少なくとも一部に光増感色素吸着防止層が設けられた光散乱粒子が含まれており、
上記光増感色素吸着防止層は上記光散乱粒子の表面を包被した化合物から成る、
色素増感光電変換装置である電子機器。 Having at least one photoelectric conversion device;
The photoelectric conversion device is
It has a structure in which an electrolyte layer is filled between the porous photoelectrode and the counter electrode,
In a state of being dispersed in the electrolyte layer, light scattering particles provided with a photosensitizing dye adsorption prevention layer on at least a part of the surface are included ,
The photosensitizing dye adsorption-preventing layer is composed of a compound covering the surface of the light scattering particles.
Electronic equipment that is a dye-sensitized photoelectric conversion device.
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