JP6024359B2 - Dye-sensitized solar cell - Google Patents

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Description

本発明は、耐熱性に優れる上に、高い開放電圧の値を示し、高い光電変換効率が期待される色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell that is excellent in heat resistance, shows a high open-circuit voltage value, and is expected to have high photoelectric conversion efficiency.

色素増感太陽電池は、シリコン系太陽電池や化合物系太陽電池と比較して、資源的制約が無く、原材料が安価であり、製法が簡便であるため生産コストを低く抑えることができ、軽量で柔軟性をもたせることができるなどの利点を有している。これらの利点のため、色素増感太陽電池は、次世代の太陽電池として大きな期待を集めている。   Compared to silicon solar cells and compound solar cells, dye-sensitized solar cells have less resource constraints, are cheaper in raw materials, and have a simple manufacturing method. It has the advantage of being able to give flexibility. Because of these advantages, dye-sensitized solar cells are highly expected as next-generation solar cells.

この色素増感太陽電池は、対を成す酸化種と還元種とを含む電解質層が、光増感剤としての色素を含む半導体層を有する陰極と、電解質層中の酸化種を還元種に変換する触媒層を有する陽極との間に挟み込まれた構造を有している。一般に、ガラスなどの透明基体の表面にスズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)などの半導体セラミックスの蒸着層を形成した透明電極の上にルテニウム錯体などの色素を担持した酸化物半導体層を形成した電極が陰極として使用されており、上述した透明電極や鋼などの基体上にPtをスパッタリング法、真空蒸着法などにより付着させた電極が陽極として使用されている。透明電極を介して半導体層の色素に光が照射されると、色素が光エネルギーを吸収して励起状態となり、電子を半導体に向けて放出する。放出された電子は半導体層から透明電極へと移動し、さらに透明電極から外部回路を経由して陽極へと移動する。そして、陽極のPt触媒層の作用により電解質層の酸化種が陽極から電子を受け取って還元種へと変換され、さらに還元種が色素に電子を放出して酸化種へと変換される。   In this dye-sensitized solar cell, an electrolyte layer containing a pair of oxidizing species and reducing species converts a cathode having a semiconductor layer containing a dye as a photosensitizer, and converts the oxidizing species in the electrolyte layer into reducing species. And having a structure sandwiched between the anode having the catalyst layer. In general, an oxide semiconductor in which a dye such as ruthenium complex is supported on a transparent electrode in which a deposited layer of semiconductor ceramics such as tin-doped indium oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO) is formed on the surface of a transparent substrate such as glass An electrode in which a layer is formed is used as a cathode, and an electrode obtained by adhering Pt on a substrate such as the above-described transparent electrode or steel by a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like is used as an anode. When light is irradiated onto the dye of the semiconductor layer through the transparent electrode, the dye absorbs light energy to be in an excited state and emits electrons toward the semiconductor. The emitted electrons move from the semiconductor layer to the transparent electrode, and further move from the transparent electrode to the anode via the external circuit. Then, by the action of the anode Pt catalyst layer, the oxidized species in the electrolyte layer receive electrons from the anode and are converted into reduced species, and the reduced species emit electrons to the dye and are converted into oxidized species.

ところで、これまでに検討されている色素増感太陽電池には、専ら、光電変換効率が高いI/I 酸化還元対が電解質層中で用いられてきた。しかし、I/I 酸化還元対は2電子酸化還元系であるため、酸化還元反応が複雑である。また、I/I 酸化還元対を含む電解質層は、腐食性が強く、ヨウ素が揮発しやすいという問題を有している。 Meanwhile, the dye-sensitized solar cell which has been considered so far exclusively high photoelectric conversion efficiency I - / I 3 - redox couple have been used in the electrolyte layer. However, I - / I 3 - for redox pairs are two-electron redox system is a complex redox reactions. Also, I - / I 3 - electrolyte layer containing a redox pair, strongly corrosive, has a problem that iodine tends to volatilize.

/I 酸化還元対に代替する酸化還元対として、Co(II/III)外圏錯体系酸化還元対が検討されている(例えば、非特許文献1(J. Am. Chem. Soc, 2002, 124(37), 11215−11222)参照)。Co(II/III)の語は、酸化還元によりコバルトの価数が二価と三価の間で変化することを意味する。 I - / I 3 -.. . As an oxidation-reduction pair to replace the redox couple, Co (II / III) an outer sphere complex system redox pairs have been studied (e.g., Non-Patent Document 1 (J Am Chem Soc , 2002, 124 (37), 11215-11222)). The term Co (II / III) means that the valence of cobalt changes between divalent and trivalent by redox.

Co(II/III)外圏錯体系は1電子酸化還元系であるため、酸化還元反応が比較的単純である。また、この錯体系酸化還元対を含む電解質層は、揮発性、腐食性が弱い上に、可視光領域における吸収が弱いため、色素の光吸収を妨害せず、高濃度の酸化還元対を電解質層中に含むことができる。さらに、色素増感太陽電池の開放電圧を支配する酸化還元準位を比較すると、Co(II/III)外圏錯体系酸化還元対は、I/I 酸化還元対と同程度であるか、或いはより低い酸化還元準位を有しており、この錯体系酸化還元対の使用により、高い開放電圧を有し、高い光電変換効率を有する色素増感太陽電池が得られると期待される。しかし、特許文献1の報告によると、最も良好な特性を示すトリス(4,4´−ジ−t−ブチル−2,2´−ビピリジル)Co(II/III)パークロレートを含む電解質層を用いた色素増感太陽電池であっても、その開放電圧は約450mV〜550mVに留まっており、I/I 酸化還元対を含む電解質層を用いた色素増感太陽電池の約80%の光電変換効率しか得られていない。 Since the Co (II / III) outer sphere complex system is a one-electron redox system, the redox reaction is relatively simple. In addition, the electrolyte layer containing this complex-type redox couple is weak in volatility and corrosivity, and has a weak absorption in the visible light region. It can be included in the layer. Furthermore, when comparing the redox level governing the open circuit voltage of the dye-sensitized solar cell, the Co (II / III) an outer sphere complex system redox couple, I - is the redox couple as much - / I 3 Or having a lower redox level, it is expected that a dye-sensitized solar cell having a high open-circuit voltage and high photoelectric conversion efficiency can be obtained by using this complex-based redox level. . However, according to a report in Patent Document 1, an electrolyte layer containing tris (4,4′-di-t-butyl-2,2′-bipyridyl) Co (II / III) perchlorate which exhibits the best characteristics is used. even dye-sensitized solar cell had, the open voltage is only about 450mV~550mV, I - / I 3 - about 80% of the dye-sensitized solar cell using the electrolyte layer containing a redox couple Only photoelectric conversion efficiency is obtained.

J. Am. Chem. Soc, 2002, 124(37), 11215−11222J. et al. Am. Chem. Soc, 2002, 124 (37), 11215-11222

これまでのCo(II/III)外圏錯体系酸化還元対の検討では、陽極の触媒層のためにPt等の金属又はカーボンが用いられてきた。   In the examination of Co (II / III) outer sphere complex-based redox couples so far, metals such as Pt or carbon have been used for the catalyst layer of the anode.

これに対し、出願人は、色素増感太陽電池の触媒層のための導電性ポリマー層についての検討を続けてきた。そして、本願出願時には未公開であるPCT/JP2012/58761及びPCT/JP2012/58762において、3位と4位に置換基を有するチオフェン(以下、3位と4位に置換基を有するチオフェンを、「置換チオフェン」と表わす。)から成る群から選択された少なくとも一種のモノマーから構成されたポリマーと、該ポリマーに対するドーパントとしての、非スルホン酸系有機化合物であって該化合物のアニオンの分子量が200以上である少なくとも一種の化合物から発生したアニオンと、を含む導電性ポリマー層が、優れた耐熱性を有する上に、電解質層中の酸化種を還元種に変換する触媒能にも優れていること、さらには、上記導電性ポリマー層の密度を1.15〜1.80g/cmの範囲に限定することにより、耐熱性がさらに向上することを報告した。ここで、「非スルホン酸系有機化合物」とは、スルホン酸基及び/又はスルホン酸塩基を有していない有機化合物を意味する。 On the other hand, the applicant has continued examination about the conductive polymer layer for the catalyst layer of the dye-sensitized solar cell. And in PCT / JP2012 / 58771 and PCT / JP2012 / 58762, which are unpublished at the time of filing this application, thiophene having substituents at the 3-position and 4-position (hereinafter, thiophene having substituents at the 3-position and 4-position, A polymer composed of at least one monomer selected from the group consisting of a substituted thiophene) and a non-sulfonic acid organic compound as a dopant for the polymer, the molecular weight of the anion of the compound being 200 or more A conductive polymer layer containing an anion generated from at least one kind of compound having excellent heat resistance and excellent catalytic ability to convert oxidized species in the electrolyte layer to reducing species, Furthermore, by limiting the density of the conductive polymer layer to a range of 1.15 to 1.80 g / cm 3. It was reported that the heat resistance was further improved. Here, the “non-sulfonic acid organic compound” means an organic compound having no sulfonic acid group and / or sulfonic acid group.

本発明の目的は、上述した知見を基礎として、耐熱性に優れる上に、高い開放電圧を有し、高い光電変換効率を有する色素増感太陽電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell that is excellent in heat resistance, has a high open-circuit voltage, and has high photoelectric conversion efficiency based on the above-described knowledge.

発明者らは、鋭意検討した結果、Co(II/III)外圏錯体系酸化還元対を含む電解質層を有する色素増感太陽電池において、陽極上の触媒層として上述したポリマー層を使用することにより、I/I 酸化還元対を含む電解質層を用いた色素増感太陽電池における開放電圧よりも高い開放電圧を有する色素増感太陽電池が得られることを発見した。 As a result of intensive studies, the inventors have used the polymer layer described above as a catalyst layer on the anode in a dye-sensitized solar cell having an electrolyte layer containing a Co (II / III) outer-sphere complex-based redox couple. the, I - / I 3 - was found that dye-sensitized solar cell having high open-circuit voltage than the open circuit voltage of the dye sensitized solar cell using the electrolyte layer containing a redox couple is obtained.

したがって、本発明は、光増感剤としての色素を含む半導体層を有する陰極と、該陰極の半導体層上に積層された、対を成す酸化種と還元種とを含む電解質層と、該電解質層上に積層された、上記酸化種を上記還元種に変換する触媒として作用する導電性ポリマー層を有する陽極と、を備えた色素増感太陽電池であって、上記陽極における導電性ポリマー層が、3位と4位に置換基を有するチオフェンから成る群から選択された少なくとも一種のモノマーから構成されたポリマーと、該ポリマーに対するドーパントとしての、非スルホン酸系有機化合物であって該化合物のアニオンの分子量が200以上である少なくとも一種の化合物から発生したアニオンと、を含み、上記電解質層中の対を成す酸化種及び還元種が、2,2´−ビピリジン、4,4´−ジメチル−2,2´−ビピリジン、及び4,4´−ジ−t−ブチル−2,2´−ビピリジンからなる群から選択された配位子を有するCo(III)外圏錯体及び該錯体のCo(II)還元体である、ことを特徴とする色素増感太陽電池を提供する。色素増感太陽電池の光電変換効率は開放電圧の値に比例するため、本発明により高い光電変換効率を有する色素増感太陽電池が得られると期待される。   Accordingly, the present invention provides a cathode having a semiconductor layer containing a dye as a photosensitizer, an electrolyte layer stacked on the semiconductor layer of the cathode and containing a pair of oxidized species and reduced species, and the electrolyte. A dye-sensitized solar cell comprising a conductive polymer layer that acts as a catalyst for converting the oxidized species to the reduced species, and the conductive polymer layer in the anode comprises: A polymer composed of at least one monomer selected from the group consisting of thiophene having substituents at the 3-position and 4-position, and a non-sulfonic acid organic compound as a dopant for the polymer, the anion of the compound And an anion generated from at least one compound having a molecular weight of 200 or more, and the oxidizing and reducing species forming a pair in the electrolyte layer are 2,2′-bipyridine Co (III) outer sphere having a ligand selected from the group consisting of 4,4'-dimethyl-2,2'-bipyridine and 4,4'-di-t-butyl-2,2'-bipyridine Provided is a dye-sensitized solar cell which is a complex and a Co (II) reductant of the complex. Since the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is proportional to the value of the open circuit voltage, it is expected that a dye-sensitized solar cell having high photoelectric conversion efficiency can be obtained by the present invention.

上記導電性ポリマー層には、ドーパントとして、非スルホン酸系有機化合物であってそのアニオンの分子量が200以上である化合物から発生したアニオンが含まれる。無機化合物から発生したアニオン、或いは、有機化合物であってもスルホン酸基及び/又はスルホン酸塩基を有する化合物から発生したアニオン、或いは、スルホン酸基及び/又はスルホン酸塩基を有していない有機化合物であってもアニオンの分子量が200未満である化合物から発生したアニオンは、耐熱性に優れた導電性ポリマー層を与えない(PCT/JP2012/58761及びPCT/JP2012/58762参照)。   The conductive polymer layer contains, as a dopant, an anion generated from a non-sulfonic acid organic compound having a molecular weight of 200 or more. Anions generated from inorganic compounds, or organic compounds that are organic compounds that do not have sulfonate groups and / or sulfonate groups generated from compounds having sulfonate groups and / or sulfonate groups Even so, an anion generated from a compound having a molecular weight of less than 200 does not give a conductive polymer layer having excellent heat resistance (see PCT / JP2012 / 58761 and PCT / JP2012 / 58762).

非スルホン酸系有機化合物であってそのアニオンの分子量が200以上である化合物のなかでも、ボロジサリチル酸、ボロジサリチル酸塩、式(I)又は式(II)

Figure 0006024359
(式中、mが1〜8の整数、好ましくは1〜4の整数、特に好ましくは2を意味し、nが1〜8の整数、好ましくは1〜4の整数、特に好ましくは2を意味し、oが2又は3を意味する)で表わされるスルホニルイミド酸及びこれらの塩から選択された化合物は、特に耐熱性に優れた導電性ポリマー層を与えるため好ましい。 Among the non-sulfonic acid organic compounds whose anion molecular weight is 200 or more, borodisalicylic acid, borodisalicylate, formula (I) or formula (II)
Figure 0006024359
(In the formula, m represents an integer of 1 to 8, preferably an integer of 1 to 4, particularly preferably 2, and n represents an integer of 1 to 8, preferably an integer of 1 to 4, particularly preferably 2. In addition, a compound selected from sulfonylimidic acid represented by (2) or (3) and salts thereof is particularly preferable because it provides a conductive polymer layer excellent in heat resistance.

上記導電性ポリマー層を構成するためのモノマーには、置換チオフェン、すなわち、3位と4位に置換基を有するチオフェンから成る群から選択された化合物であれば、特に限定が無い。チオフェン環の3位と4位の置換基は、3位と4位の炭素と共に環を形成していても良い。特にモノマーがEDOTであると、環境安定性に優れる上に、電解質層中の酸化種を還元種に変換する触媒能に優れた導電性ポリマー層が得られるため好ましい。   The monomer for forming the conductive polymer layer is not particularly limited as long as it is a compound selected from the group consisting of substituted thiophenes, that is, thiophenes having substituents at the 3-position and 4-position. The substituents at the 3-position and 4-position of the thiophene ring may form a ring together with the carbons at the 3-position and 4-position. In particular, when the monomer is EDOT, it is preferable because a conductive polymer layer having excellent catalytic stability for converting oxidized species in the electrolyte layer into reducing species can be obtained in addition to excellent environmental stability.

上記導電性ポリマー層の密度は、1.15〜1.80g/cmの範囲であるのが好ましく、1.20〜1.80g/cmの範囲であるのがより好ましく、1.60〜1.80g/cmの範囲であるのが特に好ましい。密度が1.15g/cm未満であると、耐熱性が急激に低下し、密度が1.80g/cmを超える導電性ポリマー層の製造は困難である。また、柔軟性を有する陽極を得る場合には、導電性ポリマー層の密度が高すぎると導電性ポリマー層が固くなって柔軟性に乏しくなるため、導電性ポリマー層の密度が1.75g/cm以下であるのが好ましく、1.70g/cm以下であるのが特に好ましい。 The density of the conductive polymer layer is preferably in the range of 1.15~1.80g / cm 3, more preferably in the range of 1.20~1.80g / cm 3, 1.60~ A range of 1.80 g / cm 3 is particularly preferred. When the density is less than 1.15 g / cm 3 , the heat resistance is drastically lowered, and it is difficult to produce a conductive polymer layer having a density exceeding 1.80 g / cm 3 . When obtaining a flexible anode, if the density of the conductive polymer layer is too high, the conductive polymer layer becomes hard and lacks flexibility, so the density of the conductive polymer layer is 1.75 g / cm. It is preferably 3 or less, particularly preferably 1.70 g / cm 3 or less.

1.15〜1.80g/cmの範囲の密度を有する導電性ポリマー層は、100〜80質量%の水と0〜20質量%の有機溶媒とから成る溶媒と、モノマーとしての置換チオフェンと、上述した特定範囲の非スルホン酸系有機化合物と、を含む重合液を用いた電解重合により得ることができる。この特定範囲の非スルホン酸系有機化合物は、重合液において支持電解質として作用するため、「非スルホン酸系有機支持電解質」とも表わされる。また、100〜80質量%の水と0〜20質量%の有機溶媒とから成る溶媒を、以下「水リッチ溶媒」と表わす。水リッチ溶媒において、水と有機溶媒との合計量は100質量%である。水リッチ溶媒における有機溶媒の含有量が増加すると、ポリマー粒子が緻密に充填された導電性ポリマー層が電解重合により基体上に形成されにくくなり、有機溶媒の含有量が溶媒全体の20質量%を超えると、得られた導電性ポリマー層の耐熱性が顕著に低下する(PCT/JP2012/58761及びPCT/JP2012/58762参照)。電解重合により得られた上記導電性ポリマー層の表面抵抗は、10Ω/□以下である。表面抵抗が低いほど、色素増感太陽電池全体の抵抗が減少し、電池の光電変換効率が増加するが、この低い表面抵抗は、高い光電変換効率へと導くため好ましい。 The conductive polymer layer having a density in the range of 1.15 to 1.80 g / cm 3 comprises a solvent composed of 100 to 80% by mass of water and 0 to 20% by mass of an organic solvent, a substituted thiophene as a monomer, It can be obtained by electrolytic polymerization using a polymerization solution containing the above-mentioned specific range non-sulfonic acid organic compound. Since this specific range of non-sulfonic acid-based organic compound acts as a supporting electrolyte in the polymerization solution, it is also referred to as a “non-sulfonic acid-based organic supporting electrolyte”. A solvent composed of 100 to 80% by mass of water and 0 to 20% by mass of an organic solvent is hereinafter referred to as “water-rich solvent”. In the water-rich solvent, the total amount of water and the organic solvent is 100% by mass. When the content of the organic solvent in the water-rich solvent is increased, the conductive polymer layer in which the polymer particles are densely packed becomes difficult to be formed on the substrate by electrolytic polymerization. When it exceeds, the heat resistance of the obtained conductive polymer layer will fall remarkably (refer to PCT / JP2012 / 57661 and PCT / JP2012 / 58762). The surface resistance of the conductive polymer layer obtained by electrolytic polymerization is 10Ω / □ or less. The lower the surface resistance, the lower the resistance of the entire dye-sensitized solar cell and the higher the photoelectric conversion efficiency of the battery. This low surface resistance is preferable because it leads to high photoelectric conversion efficiency.

上記陰極における半導体層は、従来の色素増感太陽電池において半導体層のために使用されているいずれの材料を用いて形成しても良いが、光電変換効率が高い酸化チタンを使用するのが好ましい。半導体層の厚みには厳密な制限がないが、一般には1〜100μm、好ましくは3〜50μm、特に好ましくは3〜20μmの範囲である。半導体層の厚みが1μmより薄いと光の吸収が不十分な場合があり、半導体層の厚みが100μmより厚いと、酸化物半導体から基体の導電性部分に電子が到達する距離が長くなって電子が失活するため好ましくない。   The semiconductor layer in the cathode may be formed using any material used for the semiconductor layer in the conventional dye-sensitized solar cell, but it is preferable to use titanium oxide having high photoelectric conversion efficiency. . Although there is no strict restriction | limiting in the thickness of a semiconductor layer, Generally it is 1-100 micrometers, Preferably it is 3-50 micrometers, Most preferably, it is the range of 3-20 micrometers. If the thickness of the semiconductor layer is less than 1 μm, light absorption may be insufficient. If the thickness of the semiconductor layer is greater than 100 μm, the distance from which the electrons reach the conductive portion of the base becomes long, and the electrons Is not preferable because of inactivation.

本発明のCo(II/III)外圏錯体系を含む電解質層を有する色素増感太陽電池において、陽極の触媒層として使用される特定範囲の導電性ポリマー層は、電解質層中の酸化種を還元種に変換する触媒能に優れる上に、耐熱性に優れる。また、この特定範囲の導電性ポリマー層を有する陽極を備えた本発明の色素増感太陽電池は、I/I 酸化還元対を含む電解質層を用いた色素増感太陽電池における開放電圧よりも高い開放電圧を有する。したがって、高い光電変換効率を有する色素増感太陽電池が得られることが期待される。 In the dye-sensitized solar cell having the electrolyte layer containing the Co (II / III) outer sphere complex system of the present invention, the specific range of the conductive polymer layer used as the anode catalyst layer is selected from the oxidized species in the electrolyte layer. In addition to excellent catalytic ability to convert to reducing species, it also has excellent heat resistance. Further, the dye-sensitized solar cell of the present invention with an anode having a conductive polymer layer in this particular range, I - / I 3 - open circuit voltage of the dye sensitized solar cell using the electrolyte layer containing a redox couple Has a higher open circuit voltage. Therefore, it is expected that a dye-sensitized solar cell having high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

導電性ポリマー層の厚みと表面抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of a conductive polymer layer, and surface resistance.

まず、上述した特定範囲の導電性ポリマー層を備えた陽極について説明し、次いで、色素増感太陽電池の全体について説明する。   First, the anode provided with the conductive polymer layer in the specific range described above will be described, and then the entire dye-sensitized solar cell will be described.

A:陽極
本発明の色素増感太陽電池のための陽極は、置換チオフェンから選択された少なくとも一種のモノマーから構成されたポリマーと、該ポリマーに対するドーパントとしての、非スルホン酸系有機化合物であって該化合物のアニオンの分子量が200以上である少なくとも一種の化合物から発生したアニオンと、を含む導電性ポリマー層を備えている。そして、この導電性ポリマー層は、上記モノマーと上記非スルホン酸系有機化合物とを含む電解重合用の重合液を得る調製工程、及び、得られた重合液に導電性部分を有する基体を導入し、電解重合を行うことにより、上記モノマーの重合により得られた導電性ポリマー層を上記基体の導電性部分の上に形成する重合工程、を含む方法により製造することができる。以下、各工程について説明する。
A: Anode The anode for the dye-sensitized solar cell of the present invention is a non-sulfonic acid organic compound as a dopant composed of at least one monomer selected from substituted thiophenes and a dopant for the polymer. And an anion generated from at least one compound having a molecular weight of 200 or more of the anion of the compound. The conductive polymer layer is prepared by introducing a preparation step for obtaining a polymerization solution for electrolytic polymerization containing the monomer and the non-sulfonic acid organic compound, and a substrate having a conductive portion in the obtained polymerization solution. By conducting electrolytic polymerization, it can be produced by a method including a polymerization step of forming a conductive polymer layer obtained by polymerization of the monomer on a conductive portion of the substrate. Hereinafter, each step will be described.

(1)調製工程
この工程で調製する電解重合用の重合液は、水リッチ溶媒と、モノマーとしての置換チオフェンと、上述した特定範囲の非スルホン酸系有機化合物と、を必須成分として含む。
(1) Preparation Step The polymerization solution for electrolytic polymerization prepared in this step contains a water-rich solvent, a substituted thiophene as a monomer, and the above-mentioned specific range non-sulfonic acid organic compound as essential components.

重合液の調製には、環境負荷が小さく、経済的にも優れる水を主溶媒として使用する。この重合液には、水に加えて、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、エチレングリコール、アセトニトリル、アセトン、テトラヒドロフラン、酢酸メチルなどの有機溶媒が含まれていてもよいが、溶媒全体の80質量%以上は水である。水は溶媒全体の90質量%以上であるのが好ましく、溶媒全体の95質量%以上であるのがより好ましく、溶媒が水のみから成るのが特に好ましい。水リッチ溶媒における有機溶媒の含有量が増加すると、ポリマー粒子が緻密に充填された導電性ポリマー層が電解重合により基体上に形成されにくくなり、有機溶媒の含有量が溶媒全体の20質量%を超えると、得られた導電性ポリマー層の耐熱性が顕著に低下する。   For the preparation of the polymerization solution, water having a small environmental load and economically excellent is used as a main solvent. In addition to water, this polymerization solution may contain an organic solvent such as methanol, ethanol, isopropanol, butanol, ethylene glycol, acetonitrile, acetone, tetrahydrofuran, and methyl acetate. Is water. Water is preferably 90% by mass or more of the whole solvent, more preferably 95% by mass or more of the whole solvent, and particularly preferably the solvent consists of water alone. When the content of the organic solvent in the water-rich solvent increases, the conductive polymer layer in which the polymer particles are densely packed becomes difficult to be formed on the substrate by electrolytic polymerization, and the content of the organic solvent is reduced to 20% by mass of the whole solvent. When it exceeds, the heat resistance of the obtained conductive polymer layer will fall remarkably.

モノマーとしては、置換チオフェン、すなわち、3位と4位に置換基を有するチオフェンから選択されたモノマーが用いられる。チオフェン環の3位と4位の置換基は、3位と4位の炭素と共に環を形成していても良い。使用可能なモノマーの例としては、3,4−ジメチルチオフェン、3,4−ジエチルチオフェンなどの3,4−ジアルキルチオフェン、3,4−ジメトキシチオフェン、3,4−ジエトキシチオフェンなどの3,4−ジアルコキシチオフェン、3,4−メチレンジオキシチオフェン、EDOT、3,4−(1,2−プロピレンジオキシ)チオフェンなどの3,4−アルキレンジオキシチオフェン、3,4−メチレンオキシチアチオフェン、3,4−エチレンオキシチアチオフェン、3,4−(1,2−プロピレンオキシチア)チオフェンなどの3,4−アルキレンオキシチアチオフェン、3,4−メチレンジチアチオフェン、3,4−エチレンジチアチオフェン、3,4−(1,2−プロピレンジチア)チオフェンなどの3,4−アルキレンジチアチオフェン、チエノ[3,4−b]チオフェン、イソプロピルチエノ[3,4−b]チオフェン、t−ブチル−チエノ[3,4−b]チオフェンなどのアルキルチエノ[3,4−b]チオフェンが挙げられる。モノマーとして、単独の化合物を使用しても良く、2種以上の化合物を混合して使用しても良い。特に、EDOTを使用するのが好ましい。   As the monomer, a substituted thiophene, that is, a monomer selected from thiophenes having substituents at the 3-position and the 4-position is used. The substituents at the 3-position and 4-position of the thiophene ring may form a ring together with the carbons at the 3-position and 4-position. Examples of monomers that can be used include 3,4-dialkylthiophenes such as 3,4-dimethylthiophene and 3,4-diethylthiophene, 3,4 such as 3,4-dimethoxythiophene and 3,4-diethoxythiophene. -Dialkoxythiophene, 3,4-methylenedioxythiophene, EDOT, 3,4-alkylenedioxythiophene such as 3,4- (1,2-propylenedioxy) thiophene, 3,4-methyleneoxythiathiophene, 3,4-alkyleneoxythiathiophene such as 3,4-ethyleneoxythiathiophene, 3,4- (1,2-propyleneoxythia) thiophene, 3,4-methylenedithiathiophene, 3,4-ethylenedithia 3,4-alkylene such as thiophene, 3,4- (1,2-propylenedithia) thiophene Alkylthieno [3,4-b] thiophenes such as thiathiophene, thieno [3,4-b] thiophene, isopropylthieno [3,4-b] thiophene, t-butyl-thieno [3,4-b] thiophene Can be mentioned. A single compound may be used as the monomer, or two or more compounds may be mixed and used. In particular, it is preferable to use EDOT.

重合液中の支持電解質としては、非スルホン酸系有機化合物であって該化合物のアニオンの分子量が200以上である化合物が用いられる。これらの支持電解質のアニオンが、以下に示す電解重合の過程でドーパントとして導電性ポリマーフィルム中に含まれる。特に、ボロジサリチル酸、ボロジサリチル酸塩、式(I)又は式(II)

Figure 0006024359
(式中、mが1〜8の整数、好ましくは1〜4の整数、特に好ましくは2を意味し、nが1〜8の整数、好ましくは1〜4の整数、特に好ましくは2を意味し、oが2又は3を意味する)で表わされるスルホニルイミド酸及びこれらの塩を好ましく使用することができる。塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩などのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、エチルアンモニウム塩、ブチルアンモニウム塩などのアルキルアンモニウム塩、ジエチルアンモニウム塩、ジブチルアンモニウム塩などのジアルキルアンモニウム塩、トリエチルアンモニウム塩、トリブチルアンモニウム塩などのトリアルキルアンモニウム塩、テトラエチルアンモニウム塩、テトラブチルアンモニウム塩などのテトラアルキルアンモニウム塩を例示することができる。これらの支持電解質は、特に耐熱性に優れた導電性ポリマー層を与える。中でも、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド酸の塩、例えばカリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩は、極めて高い耐熱性を有する導電性ポリマー層を与える。 As the supporting electrolyte in the polymerization solution, a non-sulfonic acid organic compound having an anion molecular weight of 200 or more is used. The anion of these supporting electrolytes is contained in the conductive polymer film as a dopant in the process of electrolytic polymerization shown below. In particular, borodisalicylic acid, borodisalicylate, formula (I) or formula (II)
Figure 0006024359
(In the formula, m represents an integer of 1 to 8, preferably an integer of 1 to 4, particularly preferably 2, and n represents an integer of 1 to 8, preferably an integer of 1 to 4, particularly preferably 2. And o means 2 or 3) and salts thereof can be preferably used. Examples of the salt include alkali metal salts such as lithium salt, sodium salt and potassium salt, alkyl ammonium salts such as ammonium salt, ethyl ammonium salt and butyl ammonium salt, dialkyl ammonium salts such as diethyl ammonium salt and dibutyl ammonium salt, and triethyl ammonium salt. And trialkylammonium salts such as tributylammonium salt, and tetraalkylammonium salts such as tetraethylammonium salt and tetrabutylammonium salt. These supporting electrolytes provide a conductive polymer layer that is particularly excellent in heat resistance. Among them, salts of bis (pentafluoroethanesulfonyl) imidic acid, such as potassium salt, sodium salt, and ammonium salt, give a conductive polymer layer having extremely high heat resistance.

また、ボロジサリチル酸及びボロジサリチル酸塩は、安価で経済的に有利であり、特に耐熱性に優れた導電性ポリマー層を与えるため好ましいが、ボロジサリチル酸及びボロジサリチル酸塩に含まれるボロジサリチル酸イオンが水中で水への溶解度が極めて小さいサリチル酸とホウ酸とに加水分解することがわかっている。そのため、ボロジサリチル酸及び/又はボロジサリチル酸塩を支持電解質として使用すると、徐々に重合液中に沈殿が生じて使用に耐えなくなる。このことを回避するため、ボロジサリチル酸及び/又はボロジサリチル酸塩を支持電解質として使用する場合には、この支持電解質を液に添加した後沈殿生成前に電解重合を行うか、或いは、ボロジサリチル酸イオンの加水分解を抑制する作用を有するニトロベンゼン及びニトロベンゼン誘導体から成る群から選択された安定化剤と併用する。上記安定化剤は、単独の化合物であっても良く、2種以上の化合物であっても良い。ニトロベンゼン誘導体としては、ニトロフェノール、ニトロベンジルアルコール、ニトロ安息香酸、ジニトロ安息香酸、ジニトロベンゼン、ニトロアニソール、ニトロアセトフェノンを例示することができ、o−ニトロフェノール、m−ニトロフェノール、p−ニトロフェノール、及びこれらの混合物が好ましい。   In addition, borodisalicylic acid and borodisalicylate are inexpensive and economically advantageous, and are particularly preferable because they provide a conductive polymer layer having excellent heat resistance. However, borodisalicylic acid and borodisalicylate are preferable. It has been found that salicylate ions hydrolyze into salicylic acid and boric acid, which have very low water solubility in water. For this reason, when borodisalicylic acid and / or borodisalicylate is used as a supporting electrolyte, precipitation gradually occurs in the polymerization solution, making it unusable. In order to avoid this, when borodisalicylic acid and / or borodisalicylate is used as the supporting electrolyte, the supporting electrolyte is added to the solution and then subjected to electrolytic polymerization before formation of the precipitate, Used in combination with a stabilizer selected from the group consisting of nitrobenzene and nitrobenzene derivatives, which have the action of inhibiting the hydrolysis of salicylate ions. The stabilizer may be a single compound or two or more compounds. Examples of the nitrobenzene derivative include nitrophenol, nitrobenzyl alcohol, nitrobenzoic acid, dinitrobenzoic acid, dinitrobenzene, nitroanisole, nitroacetophenone, o-nitrophenol, m-nitrophenol, p-nitrophenol, And mixtures thereof are preferred.

支持電解質は、単独の化合物を使用しても良く、2種以上の化合物を使用しても良く、重合液に対する飽和溶解量以下の濃度で且つ電解重合のために充分な電流が得られる量で使用され、好ましくは10mM以上の濃度で、特に好ましくは30mM以上の濃度で使用される。   As the supporting electrolyte, a single compound may be used, or two or more compounds may be used, and the amount is sufficient to obtain a sufficient current for electrolytic polymerization at a concentration equal to or lower than the saturated dissolution amount in the polymerization solution. Used, preferably at a concentration of 10 mM or more, particularly preferably at a concentration of 30 mM or more.

重合液の調製は、モノマーの含有量に応じて、以下のような方法により行う。モノマーが飽和溶解量以下の量である場合には、重合液製造用の容器に、水リッチ溶媒、モノマーとしての置換チオフェン、及び上述した特定範囲の支持電解質を導入し、手作業により或いは機械的な攪拌手段を使用して各成分を水リッチ溶媒に溶解させることにより、重合液を調製する。モノマーが飽和溶解量を超える量である場合には、すなわち、重合液製造用の容器に、水リッチ溶媒、モノマーとしての置換チオフェン、及び上述した特定範囲の支持電解質を導入して攪拌・均一化した後静置するとモノマーが相分離する場合には、液に超音波照射を施して相分離したモノマーを重合液中に油滴として分散させることにより重合液を調製することができる。水リッチ溶媒に飽和溶解量を超える量のモノマーを添加した液に超音波照射を施してモノマーを油滴として分散させ、次いで得られた液に支持電解質を添加することにより、本発明の重合液を得ることもできる。重合液における各成分が安定であれば、調製時の温度に制限は無い。なお、本明細書において、「超音波」とは10kHz以上の周波数を有する音波を意味する。   The polymerization solution is prepared by the following method depending on the monomer content. When the monomer is less than the saturated dissolution amount, a water-rich solvent, a substituted thiophene as a monomer, and the above-mentioned specific range of supporting electrolyte are introduced into a container for producing a polymerization solution, and are manually or mechanically A polymerization solution is prepared by dissolving each component in a water-rich solvent using a proper stirring means. If the monomer exceeds the saturated dissolution amount, that is, a water-rich solvent, a substituted thiophene as a monomer, and the above-mentioned specific range of supporting electrolyte are introduced into a container for producing a polymerization solution, and stirred and homogenized. In the case where the monomer phase-separates upon standing, the polymerization solution can be prepared by irradiating the solution with ultrasonic waves and dispersing the phase-separated monomer as oil droplets in the polymerization solution. The polymerization liquid of the present invention is obtained by irradiating a liquid obtained by adding a monomer exceeding the amount of saturated dissolution in a water-rich solvent with ultrasonic irradiation to disperse the monomer as oil droplets, and then adding a supporting electrolyte to the obtained liquid. You can also get If each component in the polymerization solution is stable, there is no limitation on the temperature during preparation. In this specification, “ultrasound” means a sound wave having a frequency of 10 kHz or more.

超音波照射のために、超音波洗浄機用、細胞粉砕機用等として従来から知られている超音波発振器を特に限定なく使用することができる。モノマー油滴が水リッチ溶媒に安定に分散している液を超音波照射により得るためには、相分離しているモノマーを数μm以下の直径を有する油滴にする必要があり、そのためには、少なくとも機械的作用が強い数百nm〜数μmのキャビテーションを発生させることができる15〜200kHzの周波数の超音波を相分離液に照射する必要がある。超音波の出力は、4W/cm以上であるのが好ましい。超音波照射時間には厳密な制限はないが、2〜10分の範囲であるのが好ましい。照射時間が長いほど、モノマー油滴の凝集が阻害され、解乳化までの時間が長期化する傾向にあるが、超音波照射時間が10分以上では、油滴の凝集阻害効果が飽和する傾向が認められる。異なる周波数及び/又は出力を有する超音波を用いて複数回の照射を行うことも可能である。飽和溶解量を超えるモノマーの含有量は、超音波照射により解乳化が抑制された分散液が得られる量であれば良く、モノマーの種類ばかりでなく、支持電解質の種類と量、超音波照射条件によっても変化する。 For ultrasonic irradiation, an ultrasonic oscillator conventionally known for ultrasonic cleaners, cell grinders and the like can be used without particular limitation. In order to obtain a liquid in which monomer oil droplets are stably dispersed in a water-rich solvent by ultrasonic irradiation, the phase-separated monomer must be oil droplets having a diameter of several μm or less. In addition, it is necessary to irradiate the phase separation liquid with ultrasonic waves having a frequency of 15 to 200 kHz that can generate cavitation of several hundred nm to several μm at least having strong mechanical action. The output of the ultrasonic wave is preferably 4 W / cm 2 or more. The ultrasonic irradiation time is not strictly limited but is preferably in the range of 2 to 10 minutes. The longer the irradiation time, the more the aggregation of monomer oil droplets is inhibited, and the time until demulsification tends to be longer. However, when the ultrasonic irradiation time is 10 minutes or more, the aggregation effect of oil droplets tends to be saturated. Is recognized. It is also possible to perform multiple irradiations using ultrasonic waves having different frequencies and / or outputs. The monomer content exceeding the saturated dissolution amount may be an amount that can obtain a dispersion in which demulsification is suppressed by ultrasonic irradiation. Not only the type of monomer but also the type and amount of supporting electrolyte, ultrasonic irradiation conditions It also changes depending on.

本発明の重合液には、水リッチ溶媒、置換チオフェンから選択されたモノマー、及び上記特定範囲の支持電解質に加えて、本発明に悪影響を与えない範囲内で他の添加物が含まれていても良い。好適な添加物として、水溶性のノニオン界面活性剤が挙げられる。モノマーがノニオン界面活性剤のミセル中に濃縮されるため、速やかに電解重合が進行し、高電導度を示すポリマーが得られる。その上、ノニオン界面活性剤自体はイオン化せず、上記特定範囲の支持電解質のアニオンによるポリマーへのドーピングを阻害することが無い。   The polymerization liquid of the present invention contains a water-rich solvent, a monomer selected from substituted thiophenes, and other additives within a range that does not adversely affect the present invention in addition to the above-mentioned specific range of supporting electrolyte. Also good. Suitable additives include water-soluble nonionic surfactants. Since the monomer is concentrated in the micelles of the nonionic surfactant, electrolytic polymerization proceeds rapidly, and a polymer exhibiting high conductivity is obtained. In addition, the nonionic surfactant itself does not ionize, and does not inhibit doping of the polymer in the specific range with the anion of the supporting electrolyte.

ノニオン界面活性剤としては、公知の水溶性のノニオン界面活性剤を特に限定無く使用することができる。例としては、ポリアルキレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレンスチリルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレンベンジルフェニルエーテル、ポリオキシアルキレン付加アルキルフェノールホルムアルデヒド縮合物、ポリオキシアルキレン付加スチリルフェノールホルムアルデヒド縮合物、ポリオキシアルキレン付加ベンジルフェノールホルムアルデヒド縮合物、アルキンジオール、ポリオキシアルキレン付加アルキンジオール、ポリオキシアルキレン脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレンひまし油、ポリオキシアルキレン硬化ひまし油、ポリグリセリンアルキルエーテル、ポリグリセリン脂肪酸エステルなどが挙げられる。これらは単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。また、例えば2,4,7,9−テトラメチル−5−デシン−4,7−ジオールのような分散効果が高いアルキンジオールと他のノニオン界面活性剤、好ましくは、ポリオキシエチレン(9)ノニルフェニルエーテル分岐型のようなポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルとの組み合わせを重合液において使用すると、重合液におけるモノマーの含有量を大幅に増加させることができるため好ましい。   As the nonionic surfactant, a known water-soluble nonionic surfactant can be used without any particular limitation. Examples include polyalkylene glycol, polyvinyl alcohol, polyoxyalkylene alkyl ether, polyoxyalkylene alkyl phenyl ether, polyoxyalkylene styryl phenyl ether, polyoxyalkylene benzyl phenyl ether, polyoxyalkylene-added alkylphenol formaldehyde condensate, polyoxyalkylene Addition styrylphenol formaldehyde condensate, polyoxyalkylene addition benzylphenol formaldehyde condensate, alkyne diol, polyoxyalkylene addition alkyne diol, polyoxyalkylene fatty acid ester, polyoxyalkylene sorbitan fatty acid ester, polyoxyalkylene castor oil, polyoxyalkylene hydrogenated castor oil , Polyglycerin alkyl agent Le, such as polyglycerol fatty acid esters. These may be used alone or in combination of two or more. Further, for example, alkynediol having high dispersion effect such as 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol and other nonionic surfactants, preferably polyoxyethylene (9) nonyl Use of a combination with a polyoxyethylene alkylphenyl ether such as a phenyl ether branched type in the polymerization liquid is preferable because the monomer content in the polymerization liquid can be greatly increased.

ノニオン界面活性剤を併用する場合には、重合液製造用の容器に、水リッチ溶媒、モノマー、上記特定範囲の支持電解質、及びノニオン界面活性剤を導入し、手作業により或いは機械的な攪拌手段を使用して或いは超音波を照射して各成分を水リッチ溶媒に溶解させることにより、重合液を調製する。また、重合液製造用の容器に、水リッチ溶媒、モノマー、及びノニオン界面活性剤を導入して、各成分を水リッチ溶媒に溶解させた液を調製した後、電解重合直前に、この液に上記特定範囲の支持電解質を添加して溶解させても良い。   When a nonionic surfactant is used in combination, a water-rich solvent, a monomer, the above-mentioned specific range of supporting electrolyte, and a nonionic surfactant are introduced into a container for producing a polymerization solution, and are manually or mechanically stirred. A polymerization solution is prepared by dissolving each component in a water-rich solvent by using or irradiating ultrasonic waves. In addition, a water-rich solvent, a monomer, and a nonionic surfactant are introduced into a container for producing a polymerization solution to prepare a solution in which each component is dissolved in a water-rich solvent. The supporting electrolyte in the specific range may be added and dissolved.

いずれの重合液の製造方法においても、支持電解質としてのボロジサリチル酸及び/又はボロジサリチル酸塩と、安定化剤としてのニトロベンゼン及び/又はニトロベンゼン誘導体と、を併用する場合には、重合液製造用の容器に両者をほぼ同時に導入するか、或いは安定化剤を先に導入する。安定化剤はボロジサリチル酸イオンの加水分解を抑制するために使用されるからである。   In any method for producing a polymerization liquid, when borodisalicylic acid and / or borodisalicylate as a supporting electrolyte and nitrobenzene and / or a nitrobenzene derivative as a stabilizer are used in combination, the polymerization liquid is produced. Both are introduced into the container almost simultaneously, or the stabilizer is introduced first. This is because the stabilizer is used to suppress hydrolysis of borodisalicylate ions.

(2)重合工程
上述の調製工程により得られた重合液に、少なくとも表面に導電性部分を有する作用極(導電性ポリマー層の基体)と対極とを導入し、電解重合を行うことにより、置換チオフェンの重合により得られた導電性ポリマー層を作用極の導電性部分の上に形成し、色素増感太陽電池のための陽極を得る。
(2) Polymerization step The polymerization solution obtained by the above-described preparation step is substituted by introducing a working electrode (substrate of the conductive polymer layer) having at least a conductive portion on the surface and a counter electrode, and performing electrolytic polymerization. A conductive polymer layer obtained by polymerization of thiophene is formed on the conductive portion of the working electrode to obtain an anode for a dye-sensitized solar cell.

少なくとも表面に導電性部分を有する作用極の材質、形状及び大きさは、用途に応じて適宜選択される。基体の導電性部分は、単層であっても良く、異なる種類の複数の層を含んでいても良い。例えば、白金、金、ニッケル、チタン、鋼、ロジウム、ルテニウムなどの導電体の板或いは箔を作用極として使用することができる。しかしながら、この重合工程で得られる導電性ポリマー層は透明性に優れるため、光学ガラス、石英ガラス、無アルカリガラスなどの透明で絶縁性のガラス基板、又は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルサルホン、ポリアクリレートなどの透明で絶縁性のプラスチック基板の表面に酸化インジウム、スズドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化インジウム(IZO)、酸化スズ、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化亜鉛、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)などの透明導電層を蒸着又は塗布により設けた透明基体を作用極として使用するのが好ましい。この他、上述のガラス基板又はプラスチック基板の上に、白金、ニッケル、チタン、ロジウム、ルテニウムなどの金属膜を蒸着又は塗布により設けた基体を作用極とすることもできる。   The material, shape, and size of the working electrode having at least a conductive portion on the surface are appropriately selected according to the application. The conductive portion of the substrate may be a single layer or may include a plurality of different types of layers. For example, a conductive plate or foil of platinum, gold, nickel, titanium, steel, rhodium, ruthenium or the like can be used as a working electrode. However, since the conductive polymer layer obtained in this polymerization step is excellent in transparency, it is transparent and insulating glass substrate such as optical glass, quartz glass, alkali-free glass, or polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, poly On the surface of transparent and insulating plastic substrates such as ether sulfone and polyacrylate, indium oxide, tin-doped indium oxide (ITO), zinc-doped indium oxide (IZO), tin oxide, antimony-doped tin oxide (ATO), fluorine-doped oxidation It is preferable to use, as a working electrode, a transparent substrate on which a transparent conductive layer such as tin (FTO), zinc oxide, or aluminum-doped zinc oxide (AZO) is provided by vapor deposition or coating. In addition, a substrate in which a metal film such as platinum, nickel, titanium, rhodium, ruthenium, or the like is provided on the glass substrate or plastic substrate described above by vapor deposition or coating can be used as a working electrode.

電解重合の対極としては、白金、ニッケルなどの板を用いることができる。   As a counter electrode for electrolytic polymerization, a plate of platinum, nickel, or the like can be used.

電解重合は、調製工程により得られた重合液を用いて、定電位法、定電流法、電位掃引法のいずれかの方法により行われる。定電位法による場合には、モノマーの種類に依存するが、飽和カロメル電極に対して1.0〜1.5Vの電位が好適であり、定電流法による場合には、モノマーの種類に依存するが、1〜10000μA/cm、好ましくは5〜500μA/cm、より好ましくは10〜100μA/cmの電流値が好適であり、電位掃引法による場合には、モノマーの種類に依存するが、飽和カロメル電極に対して−0.5〜1.5Vの範囲を5〜200mV/秒の速度で掃引するのが好適である。重合温度には厳密な制限がないが、一般的には10〜60℃の範囲である。重合時間は重合液の組成や電解重合条件に依存して変化するが、一般的には0.6秒〜2時間、好ましくは1〜10分、特に好ましくは2〜6分の範囲である。 The electrolytic polymerization is performed by any one of a constant potential method, a constant current method, and a potential sweep method using the polymerization solution obtained in the preparation step. In the case of the constant potential method, depending on the type of monomer, a potential of 1.0 to 1.5 V is suitable for the saturated calomel electrode, and in the case of the constant current method, it depends on the type of monomer. However, a current value of 1 to 10000 μA / cm 2 , preferably 5 to 500 μA / cm 2 , more preferably 10 to 100 μA / cm 2 is suitable, and depending on the type of monomer when the potential sweep method is used. It is preferable to sweep the range of −0.5 to 1.5 V with respect to the saturated calomel electrode at a speed of 5 to 200 mV / sec. The polymerization temperature is not strictly limited, but is generally in the range of 10 to 60 ° C. The polymerization time varies depending on the composition of the polymerization solution and the electrolytic polymerization conditions, but is generally in the range of 0.6 seconds to 2 hours, preferably 1 to 10 minutes, particularly preferably 2 to 6 minutes.

電解重合により、上述した特定範囲の非スルホン酸系有機支持電解質のアニオンをドーパントとして含む導電性ポリマー層が作用極の導電性部分の上に形成される。得られる導電性ポリマー層の密度は、1.15〜1.80g/cmの範囲である。導電性ポリマー層の密度が1.15g/cm未満であると、耐熱性が急激に低下し、密度が1.80g/cmを超える導電性ポリマー層の製造は困難である。耐熱性に優れた導電性ポリマー層の密度は、好ましくは1.20〜1.80g/cmの範囲、特に好ましくは1.60〜1.80g/cmの範囲である。また、柔軟性を有する陽極を得る場合には、導電性ポリマー層の密度が高すぎると導電性ポリマー層が固くなって柔軟性に乏しくなるため、導電性ポリマー層の密度が1.75g/cm以下であるのが好ましく、1.70g/cm以下であるのが特に好ましい。また、得られる導電性ポリマー層の表面抵抗は、10Ω/□以下である。表面抵抗が低いほど、色素増感太陽電池全体の抵抗が減少し、電池の光電変換効率が増加するが、この低い表面抵抗は、高い光電変換効率へと導くため好ましい。 By the electropolymerization, a conductive polymer layer containing the anion of the above-mentioned specific range non-sulfonic acid organic supporting electrolyte as a dopant is formed on the conductive portion of the working electrode. The density of the conductive polymer layer obtained is in the range of 1.15 to 1.80 g / cm 3 . When the density of the conductive polymer layer is less than 1.15 g / cm 3 , the heat resistance is drastically lowered, and it is difficult to produce a conductive polymer layer having a density exceeding 1.80 g / cm 3 . The density of the conductive polymer layer having excellent heat resistance is preferably in the range of 1.20 to 1.80 g / cm 3 , particularly preferably in the range of 1.60 to 1.80 g / cm 3 . When obtaining a flexible anode, if the density of the conductive polymer layer is too high, the conductive polymer layer becomes hard and lacks flexibility, so the density of the conductive polymer layer is 1.75 g / cm. It is preferably 3 or less, particularly preferably 1.70 g / cm 3 or less. Moreover, the surface resistance of the conductive polymer layer obtained is 10Ω / □ or less. The lower the surface resistance, the lower the resistance of the entire dye-sensitized solar cell and the higher the photoelectric conversion efficiency of the battery. This low surface resistance is preferable because it leads to high photoelectric conversion efficiency.

導電性ポリマー層の厚みは、一般的には1〜10000nmの範囲である。導電性ポリマーの厚みが10000nm以上では、内部抵抗が高くなって電解質中の酸化種を還元種に変換する還元反応速度が十分でなくなり、また電解重合に時間がかかるため経済的に不利である。導電性ポリマー層の厚みが1nm以下では、電解質層中の酸化種を還元種に変換する触媒能が不十分となる。なお、導電性ポリマーの厚みは、以下のようにして算出した。まず、ITO電極上に0.1mA/cmの条件で定電流電解重合を1分間行うことにより導電性ポリマー層を形成し、原子間力顕微鏡によりポリマー層の厚みを測定する実験を行った。次いで、ITO電極上に0.1mA/cmの条件で定電流電解重合を28.6分間行うことにより導電性ポリマー層を形成し、段差計によりポリマー層の厚みを測定する実験を行った。この2つの実験から電荷量と導電性ポリマー層の厚みとの関係式を導出した。そして、導出された関係式を用いて、電解重合の電荷量を導電性ポリマー層の厚みに換算した。 The thickness of the conductive polymer layer is generally in the range of 1 to 10,000 nm. If the thickness of the conductive polymer is 10000 nm or more, the internal resistance becomes high, the reduction reaction rate for converting the oxidized species in the electrolyte to the reduced species becomes insufficient, and it takes time for the electrolytic polymerization, which is economically disadvantageous. When the thickness of the conductive polymer layer is 1 nm or less, the catalytic ability to convert the oxidized species in the electrolyte layer to reduced species becomes insufficient. The thickness of the conductive polymer was calculated as follows. First, an experiment was conducted in which a conductive polymer layer was formed by performing constant current electrolytic polymerization for 1 minute on an ITO electrode under the condition of 0.1 mA / cm 2 , and the thickness of the polymer layer was measured with an atomic force microscope. Next, an experiment was conducted in which a conductive polymer layer was formed on the ITO electrode by performing constant-current electrolytic polymerization under the condition of 0.1 mA / cm 2 for 28.6 minutes, and the thickness of the polymer layer was measured with a step gauge. From these two experiments, a relational expression between the charge amount and the thickness of the conductive polymer layer was derived. And the amount of electric charge of electrolytic polymerization was converted into the thickness of a conductive polymer layer using the derived | led-out relational expression.

電解重合後の導電性ポリマー層を水、エタノール等で洗浄し、乾燥することにより、耐熱性に優れた導電性ポリマー層が基体上に密着性良く形成された陽極を得ることができる。得られた陽極の導電性ポリマー層は、空気中の水分に安定であり、また中性付近のpHを示すため、太陽電池の製造或いは使用の過程で他の構成要素が腐食されるおそれも無い。   By washing the conductive polymer layer after electrolytic polymerization with water, ethanol or the like and drying, an anode in which a conductive polymer layer having excellent heat resistance is formed on the substrate with good adhesion can be obtained. The obtained conductive polymer layer of the anode is stable to moisture in the air and exhibits a pH near neutral, so that other components are not corroded in the process of manufacturing or using the solar cell. .

B:色素増感太陽電池
色素増感太陽電池は、光増感剤としての色素を含む半導体層を有する陰極と、該陰極の半導体層上に積層された対を成す酸化種と還元種とを含む電解質層と、上述した陽極と、を備えている。上述した陽極の導電性ポリマー層は、電解質層中で酸化還元対を構成する酸化種を還元種に変換させるのに十分な触媒能を有している。
B: Dye-sensitized solar cell A dye-sensitized solar cell includes a cathode having a semiconductor layer containing a dye as a photosensitizer, and a pair of oxidized and reduced species stacked on the semiconductor layer of the cathode. And an electrolyte layer including the anode described above. The conductive polymer layer of the anode described above has sufficient catalytic ability to convert the oxidizing species constituting the redox couple into the reducing species in the electrolyte layer.

色素増感太陽電池における陰極を構成する導電性基体及び半導体層は、従来の色素増感太陽電池における導電性基体及び半導体層を特に限定無く使用することができる。   As the conductive substrate and the semiconductor layer constituting the cathode in the dye-sensitized solar cell, the conductive substrate and the semiconductor layer in the conventional dye-sensitized solar cell can be used without any particular limitation.

導電性基体としては、少なくとも表面に導電性部分を有する基体を使用することができ、基体の導電性部分は、単層であっても良く、異なる種類の複数の層を含んでいても良い。例えば、白金、ニッケル、チタン、鋼、クロム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、タンタル、タングステン、イリジウム、ハステロイなどの導電体の板或いは箔を基体として使用することができ、或いは、光学ガラス、石英ガラス、無アルカリガラスなどの透明で絶縁性のガラス基板、又は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルサルホン、ポリアクリレートなどの透明で絶縁性のプラスチック基板の表面に酸化インジウム、ITO、IZO、酸化スズ、ATO、FTO、酸化亜鉛、AZOなどの透明導電層を蒸着又は塗布により設けた透明基体を使用することもできる。この他、上述のガラス基板又はプラスチック基板の上に、白金、ニッケル、チタン、ロジウム、ルテニウムなどの金属膜を蒸着又は塗布により設けた基体を使用することもできる。陽極に含まれる基体が不透明である場合には、透明な基体を陰極の基体として使用する。また、陽極に含まれる基体が透明であっても、陰極のためにも透明基体を使用することにより、全透明型の太陽電池を構成することもできる。   As the conductive substrate, a substrate having a conductive portion at least on the surface can be used, and the conductive portion of the substrate may be a single layer or may include a plurality of different types of layers. For example, a plate or foil of a conductor such as platinum, nickel, titanium, steel, chromium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, tantalum, tungsten, iridium, or hastelloy can be used as a substrate, or optical glass, quartz On the surface of a transparent and insulating glass substrate such as glass and alkali-free glass, or transparent and insulating plastic substrate such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polyethersulfone, polyacrylate, indium oxide, ITO, A transparent substrate provided with a transparent conductive layer such as IZO, tin oxide, ATO, FTO, zinc oxide, and AZO by vapor deposition or coating can also be used. In addition, a substrate in which a metal film such as platinum, nickel, titanium, rhodium, and ruthenium is provided on the above glass substrate or plastic substrate by vapor deposition or coating can be used. When the substrate contained in the anode is opaque, a transparent substrate is used as the cathode substrate. Moreover, even if the base contained in the anode is transparent, an all-transparent solar cell can be constructed by using a transparent base for the cathode.

半導体層は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニッケル、酸化ニオブ、酸化マグネシウム、酸化タングステン、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化タリウム、酸化ランタン、酸化イットリウム、酸化ホスホニウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムなどの酸化物半導体を使用して形成することができる。酸化物半導体は、単一の化合物を使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。光電変換効率が高い酸化チタンを使用するのが好ましい。酸化物半導体は、通常、多くの色素を半導体層に担持できるように、多孔質の形態で使用される。   Semiconductor layer is titanium oxide, zirconium oxide, zinc oxide, tin oxide, nickel oxide, niobium oxide, magnesium oxide, tungsten oxide, bismuth oxide, indium oxide, thallium oxide, lanthanum oxide, yttrium oxide, phosphonium oxide, cerium oxide, oxide An oxide semiconductor such as aluminum, cadmium sulfide, cadmium selenide, cadmium telluride, calcium titanate, strontium titanate, or barium titanate can be used. As the oxide semiconductor, a single compound may be used, or two or more kinds may be mixed and used. It is preferable to use titanium oxide having high photoelectric conversion efficiency. An oxide semiconductor is usually used in a porous form so that a large amount of dye can be supported on a semiconductor layer.

光増感剤として作用する色素としては、可視光領域及び/又は赤外光領域に吸収を有する有機色素又は金属錯体色素などを使用することができる。有機色素としては、トリフェニルアミン系、クマリン系、シアニン系、メロシアニン系、フタロシアニン系、ポルフィリン系、アゾ系、キノン系、キノンイミン系、キナクリドン系、スクアリリウム系、トリフェニルメタン系、キサンテン系、ペリレン系、インジゴ系、ナフタロシアニン系などの色素を使用することができ、トリフェニルアミン系の色素を使用するのが好ましい。金属錯体色素としては、オスミウム錯体、ルテニウム錯体、鉄錯体、亜鉛錯体、白金錯体、パラジウム錯体などを使用することができ、特に、幅広い吸収帯を有する点で、N3、N719のようなルテニウムビピリジン錯体、N749のようなルテニウムターピリジン錯体及びルテニウムクォーターピリジン錯体を使用するのが好ましい。また、多孔性酸化物半導体層に色素を強固に吸着させ、励起状態の色素と多孔性酸化物半導体層の伝導帯との間の電子移動を容易にするために、色素分子中にカルボキシル基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基等のインターロック基を有するものが好ましく、これらの中でもカルボキシル基を有するものが特に好ましい。また、カルボキシル基などの酸官能基の一部をアルカリ金属水酸化物、テトラアルキルアンモニウム水酸化物、イミダゾリウム水酸化物、及びピリジニウム水酸化物などで中和してアニオン化しておくと、アニオン間に働く斥力により色素分子同士の会合が抑制され、色素分子間の電子トラップの大幅な低減を図ることができる。これらの色素も、単一の化合物を使用しても良く、2種以上の混合物を使用しても良い。   As the dye acting as a photosensitizer, an organic dye or a metal complex dye having absorption in the visible light region and / or the infrared light region can be used. Organic dyes include triphenylamine, coumarin, cyanine, merocyanine, phthalocyanine, porphyrin, azo, quinone, quinoneimine, quinacridone, squarylium, triphenylmethane, xanthene, and perylene. Indigo and naphthalocyanine dyes can be used, and triphenylamine dyes are preferably used. As the metal complex dye, an osmium complex, a ruthenium complex, an iron complex, a zinc complex, a platinum complex, a palladium complex, or the like can be used, and in particular, a ruthenium bipyridine complex such as N3 or N719 in that it has a wide absorption band. It is preferable to use a ruthenium terpyridine complex and a ruthenium quarterpyridine complex such as N749. Further, in order to strongly adsorb the dye to the porous oxide semiconductor layer and facilitate the electron transfer between the excited dye and the conduction band of the porous oxide semiconductor layer, a carboxyl group in the dye molecule, Those having an interlock group such as an alkoxy group, a hydroxyl group, a hydroxyalkyl group, a sulfonic acid group, an ester group, a mercapto group, and a phosphonyl group are preferable, and among these, a group having a carboxyl group is particularly preferable. In addition, if an acid functional group such as a carboxyl group is neutralized with an alkali metal hydroxide, a tetraalkylammonium hydroxide, an imidazolium hydroxide, a pyridinium hydroxide, or the like, an anion is obtained. The repulsive force acting between them suppresses the association between the dye molecules, and can greatly reduce the electron trap between the dye molecules. As these dyes, a single compound may be used, or a mixture of two or more kinds may be used.

色素増感太陽電池の陰極は、公知の方法により得ることができる。例えば、基体の導電性部分の上に、上述した酸化物半導体粒子とポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロースなどの有機バインダーとを含む分散物をスピンコート、バーコート、キャストコートなどの湿式法により積層し、加熱乾燥した後、400〜500℃の温度で焼成することにより、酸化物半導体の多孔質層を基体上に設ける。多孔質層を設ける前に、厚みが10nm以下のTiO薄膜から成るブロッキング層を基体上に形成し、ブロッキング層上に多孔質層を設けるのが好ましい。このブロッキング層は、Co(III)酸化種が多孔質層を保持する透明基板部分で還元されるのを抑制し、暗電流による色素増感太陽電池の劣化を防止する。このブロッキング層は、チタンアルコキシドと水とを用いた原子層体積法により好適に形成することができる。 The cathode of the dye-sensitized solar cell can be obtained by a known method. For example, a dispersion containing the above-described oxide semiconductor particles and an organic binder such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or carboxymethyl cellulose on a conductive portion of a substrate is wet by spin coating, bar coating, cast coating, or the like. After laminating by the method, heating and drying, the porous layer of the oxide semiconductor is provided on the substrate by firing at a temperature of 400 to 500 ° C. Before providing the porous layer, it is preferable to form a blocking layer composed of a TiO 2 thin film having a thickness of 10 nm or less on the substrate and to provide the porous layer on the blocking layer. This blocking layer suppresses the Co (III) oxidizing species from being reduced at the transparent substrate portion holding the porous layer, and prevents deterioration of the dye-sensitized solar cell due to dark current. This blocking layer can be suitably formed by an atomic layer volume method using titanium alkoxide and water.

多孔質層を形成するための酸化物半導体粒子としては、1〜200nmの平均一次粒子径を有する、球状、棒状、針状等の粒子が好ましく使用される。また、酸化物半導体粒子間のネッキングを向上させ、電子輸送特性を向上させ、光電変換効率を向上させるために、酸化物半導体の多孔質層にTiCl溶液を浸透させて表面を水洗した後、400〜500℃の温度で焼成しても良い。次いで、エタノール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール等の溶剤に上述した色素を溶解した液に焼成後の基体を浸漬し、所定時間経過後に浸漬液から取り出し、乾燥して酸化物半導体に色素を担持することにより、陰極を得ることができる。酸化物半導体に色素を担持させた後、半導体と結合するイミダゾリル基、カルボキシ基、ホスホン基などの官能基を有する逆電子移動防止剤、例えば、tert−ブチルピリジン、1−メトキシベンゾイミダゾール、デカンリン酸などの長鎖アルキル基(炭素数13程度)を持つホスホン酸、を溶解させた液に得られた基体を浸漬し、逆電子移動防止剤を半導体表面の色素間の隙間に吸着させると、電解液中の逆電子移動を防止することができる上に、色素が電解液に溶出しにくくなるため好ましい。半導体層の厚みは、一般には1〜100μm、好ましくは3〜50μm、特に好ましくは3〜20μmの範囲である。半導体層の厚みが1μmより薄いと光の吸収が不十分な場合があり、半導体層の厚みが100μmより厚いと、酸化物半導体から基体の導電性部分に電子が到達する距離が長くなって電子が失活するため好ましくない。 As the oxide semiconductor particles for forming the porous layer, spherical, rod-like, needle-like particles having an average primary particle diameter of 1 to 200 nm are preferably used. Further, in order to improve necking between oxide semiconductor particles, improve electron transport properties, and improve photoelectric conversion efficiency, after immersing the TiCl 4 solution in the porous layer of the oxide semiconductor and washing the surface with water, You may bake at the temperature of 400-500 degreeC. Next, the substrate after baking is immersed in a solution in which the above-described dye is dissolved in a solvent such as ethanol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, etc., taken out from the immersion liquid after a predetermined time, and dried to carry the dye on the oxide semiconductor. Thus, a cathode can be obtained. After supporting a dye on an oxide semiconductor, a reverse electron transfer inhibitor having a functional group such as an imidazolyl group, a carboxy group, or a phosphone group that binds to the semiconductor, such as tert-butylpyridine, 1-methoxybenzimidazole, decanoic acid When the obtained substrate is immersed in a solution in which a phosphonic acid having a long-chain alkyl group (having about 13 carbon atoms) is dissolved and the reverse electron transfer inhibitor is adsorbed in the gap between the dyes on the semiconductor surface, It is preferable because reverse electron transfer in the liquid can be prevented and the dye is less likely to be eluted into the electrolytic solution. The thickness of the semiconductor layer is generally in the range of 1 to 100 μm, preferably 3 to 50 μm, particularly preferably 3 to 20 μm. If the thickness of the semiconductor layer is less than 1 μm, light absorption may be insufficient. If the thickness of the semiconductor layer is greater than 100 μm, the distance from which the electrons reach the conductive portion of the base becomes long, and the electrons Is not preferable because of inactivation.

色素増感太陽電池の電解質層には、酸化還元対として、2,2´−ビピリジン、4,4´−ジメチル−2,2´−ビピリジン、及び4,4´−ジ−t−ブチル−2,2´−ビピリジンからなる群から選択された配位子を有するCo(III)外圏錯体及び該錯体のCo(II)還元体が含まれる。外圏錯体の対アニオンとしては、過塩素酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオンが好適である。これらの酸化還元対を形成する電解液は、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールなどの有機溶剤に、上記錯体のうちの還元種(Co(II)錯体)を溶解させた後、硼弗化ニトロソニウム等の酸化剤を添加し、還元種の一部を酸化種(Co(III)錯体)に変換することによって得られる。また、色素増感太陽電池の開放電圧を向上させる目的で、4−tert−ブチルピリジンやカルボン酸などの各種添加剤を加えることもできる。さらに、電解液には、必要に応じて、ヨウ化リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウムなどの支持電解質を添加しても良い。   The electrolyte layer of the dye-sensitized solar cell has 2,2′-bipyridine, 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine, and 4,4′-di-t-butyl-2 as redox couples. Co (III) outer sphere complexes having a ligand selected from the group consisting of 2,2'-bipyridine and Co (II) reductants of the complexes. As the counter anion of the outer sphere complex, perchlorate ion and hexafluorophosphate ion are preferable. The electrolytic solution that forms these redox pairs is reduced to an organic solvent such as acetonitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, ethylene glycol, and the reduced species ( After the Co (II) complex is dissolved, an oxidizing agent such as nitrosonium borofluoride is added to convert a part of the reduced species into an oxidized species (Co (III) complex). Various additives such as 4-tert-butylpyridine and carboxylic acid can also be added for the purpose of improving the open circuit voltage of the dye-sensitized solar cell. Further, a supporting electrolyte such as lithium iodide or lithium tetrafluoroborate may be added to the electrolytic solution as necessary.

また、上記電解液にゲル化剤を添加して擬固体化したゲル電解質により電解質層を形成することもできる。物理ゲルとする場合には、ゲル化剤としてポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンなどを使用することができ、化学ゲルとする場合には、ゲル化剤としてアクリル(メタクリル)エステルオリゴマー、テトラ(ブロモメチル)ベンゼンとポリビニルピリジンとの組み合わせなどを使用することができる。   Moreover, an electrolyte layer can also be formed with the gel electrolyte pseudo-solidified by adding a gelling agent to the electrolyte solution. When used as a physical gel, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, or the like can be used as a gelling agent. When used as a chemical gel, an acrylic (methacrylic) ester oligomer or tetra (bromomethyl) benzene as a gelling agent. A combination of polyvinyl pyridine and polyvinyl pyridine can be used.

色素増感太陽電池は、上述した陽極を使用して公知の方法により得ることができる。例えば、陰極の半導体層と陽極の導電性ポリマー層とを所定の間隙を開けて配置し、間隙に電解液を注入し、必要に応じて加熱して電解質層を形成することにより、色素増感太陽電池を得ることができる。電解質層の厚みは、半導体層内に浸透した電解質層の厚みを除いて、一般には1〜100μm、好ましくは1〜50μmの範囲である。電解質層の厚みが1μmより薄いと、陰極の半導体層が短絡するおそれがあり、電解質層の厚みが100μmより厚いと、内部抵抗が高くなるため好ましくない。   The dye-sensitized solar cell can be obtained by a known method using the above-described anode. For example, by disposing a cathode semiconductor layer and an anode conductive polymer layer with a predetermined gap, injecting an electrolyte into the gap, and heating as necessary to form an electrolyte layer, dye sensitization A solar cell can be obtained. The thickness of the electrolyte layer is generally in the range of 1 to 100 μm, preferably 1 to 50 μm, excluding the thickness of the electrolyte layer that has penetrated into the semiconductor layer. If the thickness of the electrolyte layer is less than 1 μm, the semiconductor layer of the cathode may be short-circuited. If the thickness of the electrolyte layer is more than 100 μm, the internal resistance increases, which is not preferable.

以下に本発明の実施例を示すが、本発明は以下の実施例に限定されない。   Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to the following examples.

まず本発明の色素増感太陽電池に用いられる陽極について説明し、次に本発明の色素増感太陽電池について説明する。   First, the anode used in the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described, and then the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described.

(a)陽極の製造
ガラス容器に蒸留水50mLを導入し、この液にp−ニトロフェノールを0.10Mの濃度で、EDOTを0.0148Mの濃度で、ボロジサリチル酸アンモニウムを0.08Mの濃度で、この順番に添加して攪拌し、全てのEDOTが溶解した重合液を得た。得られた重合液に、1cmの面積を有するITO電極(ITO層表面抵抗:10Ω/□)を作用極として、5cmの面積を有するSUSメッシュを対極として、それぞれ導入し、100μA/cmの条件で定電流電解重合を行った。重合時間は、異なる厚みのPEDOT層が得られるように、0.2〜3分の範囲で調整した。重合後の作用極をメタノールで洗浄した後、160℃で30分間乾燥することにより、ITO電極上に10〜105nmの厚みのPEDOT層(ドーパント:ボロジサリチル酸アニオン)が形成された電極体を得た。PEDOT層の密度は、約1.6g/cmであった。
(A) Production of anode 50 mL of distilled water was introduced into a glass container, and p-nitrophenol was introduced at a concentration of 0.10 M, EDOT at a concentration of 0.0148 M, and ammonium borodisalicylate at a concentration of 0.08 M. In this order, they were added and stirred to obtain a polymerization solution in which all EDOT was dissolved. An ITO electrode (ITO layer surface resistance: 10Ω / □) having an area of 1 cm 2 was introduced into the obtained polymerization solution as a working electrode, and a SUS mesh having an area of 5 cm 2 was introduced as a counter electrode, respectively, and 100 μA / cm 2 The constant current electropolymerization was performed under the following conditions. The polymerization time was adjusted in the range of 0.2 to 3 minutes so that PEDOT layers having different thicknesses were obtained. The working electrode after polymerization is washed with methanol and then dried at 160 ° C. for 30 minutes to obtain an electrode body in which a PEDOT layer (dopant: borodisalicylate anion) having a thickness of 10 to 105 nm is formed on the ITO electrode. It was. The density of the PEDOT layer was about 1.6 g / cm 3 .

得られた陽極について、PETOT層の表面抵抗を測定した。図1には、PEDOT層の厚みと表面抵抗との関係を示す。PEDOT層が厚くなるにつれて、その表面抵抗が低下することがわかる。電解重合により得られる導電性ポリマー層は、作用極の導電性部分の表面抵抗より一般に高い表面抵抗を有するが、上記重合工程で得られた導電性ポリマー層は、作用極の導電性部分(ITO層)の表面抵抗(10Ω/□)より低い表面抵抗を有していた。表面抵抗が低いほど、色素増感太陽電池全体の抵抗が減少し、電池の光電変換効率が増加するが、この低い表面抵抗は、電池の高い光電変換効率へと導くため好ましい。   About the obtained anode, the surface resistance of the PETOT layer was measured. FIG. 1 shows the relationship between the thickness of the PEDOT layer and the surface resistance. It can be seen that as the PEDOT layer becomes thicker, its surface resistance decreases. The conductive polymer layer obtained by electrolytic polymerization has a surface resistance generally higher than the surface resistance of the conductive portion of the working electrode. However, the conductive polymer layer obtained in the above polymerization step has a conductive portion (ITO) of the working electrode. Layer) surface resistance (10Ω / □). The lower the surface resistance, the lower the resistance of the entire dye-sensitized solar cell and the higher the photoelectric conversion efficiency of the battery. This low surface resistance is preferable because it leads to a high photoelectric conversion efficiency of the battery.

(b)色素増感太陽電池の製造
実施例1
1当量のCoCl・6HOを少量のメタノールに溶解させた液を、3当量の4,4´−ジ−t−ブチル−2,2´−ビピリジン(t−Bubpy)を含むメタノール溶液に添加し、2時間攪拌した。次いで、過剰のNHPFを添加し、黄色の[Co(II)(t−Bubpy)][PF(還元種)を沈殿させた。この沈殿をろ過し、エタノール、メタノール及びエーテルで洗浄した後、真空中で乾燥した。アセトニトリル中に、0.22Mの[Co(II)(t−Bubpy)][PF、0.20MのLiClO、0.20Mの4−t−ブチルピリジン、及び0.02MのNOBFを添加し、還元種の一部を酸化種(Co(III)錯体)に変換して、Co(II/III)錯体系を含む電解液を調製した。
(B) Production of dye-sensitized solar cell Example 1
Methanol containing 3 equivalents of 4,4′-di-t-butyl-2,2′-bipyridine (t-Bu 2 bpy) obtained by dissolving 1 equivalent of CoCl 2 .6H 2 O in a small amount of methanol Added to the solution and stirred for 2 hours. Then, excess NH 4 PF 6 was added to precipitate yellow [Co (II) (t-Bu 2 bpy) 3 ] [PF 6 ] 2 (reducing species). The precipitate was filtered, washed with ethanol, methanol and ether and then dried in vacuo. In acetonitrile, 0.22 M [Co (II) (t-Bu 2 bpy) 3 ] [PF 6 ] 2 , 0.20 M LiClO 4 , 0.20 M 4-t-butylpyridine, and 0.02 M Of NOBF 4 was added to convert some of the reduced species into oxidized species (Co (III) complex) to prepare an electrolytic solution containing a Co (II / III) complex system.

1cmの表面積を有するFTO電極上に、チタンイソプロポキシドと水とを用いた原子層体積法により、酸化チタン薄膜から成るブロッキング層を形成した。次いで、ブロッキング層の表面に酸化チタンペースト(日揮触媒化成株式会社製)をスクリーン印刷法により膜厚が約10μmになるように塗布し、60℃で30分間予備乾燥し、さらに450℃で15分間焼成することにより、FTO電極上に酸化チタン多孔質層を形成した。焼成後の酸化チタンの厚みは8μmであった。さらに、式(III)で表わされるトリフェニルアミン系色素を0.2mMの濃度で含むエタノール溶液に酸化チタン多孔質層を24時間浸漬した後、室温にて乾燥することにより、酸化チタン多孔質層に式(III)で表わされる色素を添着させ、色素増感太陽電池の陰極を得た。

Figure 0006024359
A blocking layer made of a titanium oxide thin film was formed on an FTO electrode having a surface area of 1 cm 2 by an atomic layer volume method using titanium isopropoxide and water. Next, a titanium oxide paste (manufactured by JGC Catalysts & Chemicals Co., Ltd.) is applied to the surface of the blocking layer by screen printing so that the film thickness is about 10 μm, pre-dried at 60 ° C. for 30 minutes, and further at 450 ° C. for 15 minutes By firing, a porous titanium oxide layer was formed on the FTO electrode. The thickness of the titanium oxide after firing was 8 μm. Furthermore, after immersing the titanium oxide porous layer in an ethanol solution containing the triphenylamine dye represented by the formula (III) at a concentration of 0.2 mM for 24 hours, the titanium oxide porous layer is dried at room temperature. A dye represented by the formula (III) was added to obtain a cathode of a dye-sensitized solar cell.
Figure 0006024359

次いで、得られた陰極と、105nmのPEDOT層(ドーパント:ボロジサリチル酸アニオン)を有する陽極とを、酸化チタン多孔質層と導電性ポリマー層とが50μmのスペーサーを介して対向するように張り合わせ、間隙に上記電解液を含浸させることにより電解質層を形成して、色素増感太陽電池を得た。   Next, the obtained cathode and an anode having a 105 nm PEDOT layer (dopant: borodisalicylate anion) are laminated so that the titanium oxide porous layer and the conductive polymer layer face each other with a spacer of 50 μm, An electrolyte layer was formed by impregnating the above-mentioned electrolytic solution into the gap to obtain a dye-sensitized solar cell.

比較例1
実施例1の電解液の代わりに、0.1Mのヨウ化リチウム、0.05Mのヨウ素、0.6Mの1,2−ジメチル−1,3−プロピルイミダゾリウムヨウ化物、及び0.5Mの4−t−ブチルピリジンをアセトニトリルに溶解させた電解液を用いて、実施例1の手順を繰り返した。
Comparative Example 1
Instead of the electrolyte of Example 1, 0.1 M lithium iodide, 0.05 M iodine, 0.6 M 1,2-dimethyl-1,3-propylimidazolium iodide, and 0.5 M 4 The procedure of Example 1 was repeated using an electrolytic solution in which t-butylpyridine was dissolved in acetonitrile.

(c)色素増感太陽電池の評価
実施例1及び比較例1の色素増感太陽電池について、ソーラシュミレータによる100mW/cm、AM1.5Gの照射条件下での電流−電圧特性を評価した。
(C) Evaluation of dye-sensitized solar cell About the dye-sensitized solar cell of Example 1 and the comparative example 1, the current-voltage characteristic under the irradiation conditions of 100 mW / cm < 2 > and AM1.5G by a solar simulator was evaluated.

表1に、得られた開放電圧の値を示す。

Figure 0006024359
Table 1 shows the obtained open circuit voltage values.
Figure 0006024359

表1から明らかなように、本発明の色素増感太陽電池は、従来のI/I 酸化還元対を含む電解質層を用いた色素増感太陽電池に比較して、高い開放電圧の値を示した。 As apparent from Table 1, the dye-sensitized solar cell of the present invention, a conventional I - / I 3 - as compared to the dye-sensitized solar cell using the electrolyte layer containing a redox pair, the higher open circuit voltage The value is shown.

本発明により、耐熱性に優れる上に、開放電圧が高く、高い変換効率が期待される色素増感太陽電池が得られる。   According to the present invention, a dye-sensitized solar cell that is excellent in heat resistance, has a high open-circuit voltage, and is expected to have high conversion efficiency can be obtained.

Claims (3)

光増感剤としての色素を含む半導体層を有する陰極と、
該陰極の半導体層上に積層された、対を成す酸化種と還元種とを含む電解質層と、
該電解質層上に積層された、前記酸化種を前記還元種に変換する触媒として作用する導電性ポリマー層を有する陽極と、
を備えた色素増感太陽電池であって、
前記陽極における導電性ポリマー層が、
3位と4位に置換基を有するチオフェンから成る群から選択された少なくとも一種のモノマーから構成されたポリマーと、
該ポリマーに対するドーパントとしての、非スルホン酸系有機化合物であって該化合物のアニオンの分子量が200以上である少なくとも一種の化合物から発生したアニオンと、
を含み、
前記非スルホン酸系有機化合物が、ボロジサリチル酸及びボロジサリチル酸塩から成る群から選択された少なくとも一種の化合物であり、
前記電解質層中の対を成す酸化種及び還元種が、2,2´−ビピリジン、4,4´−ジメチル−2,2´−ビピリジン、及び4,4´−ジ−t−ブチル−2,2´−ビピリジンからなる群から選択された配位子を有するCo(III)外圏錯体及び該錯体のCo(II)還元体である
ことを特徴とする色素増感太陽電池。
A cathode having a semiconductor layer containing a dye as a photosensitizer;
An electrolyte layer comprising a pair of oxidized and reduced species laminated on the cathode semiconductor layer;
An anode having a conductive polymer layer laminated on the electrolyte layer and acting as a catalyst for converting the oxidized species to the reduced species;
A dye-sensitized solar cell comprising:
The conductive polymer layer in the anode is
A polymer composed of at least one monomer selected from the group consisting of thiophene having substituents at the 3-position and 4-position;
An anion generated from at least one compound which is a non-sulfonic acid organic compound and has a molecular weight of 200 or more as a dopant for the polymer;
Including
The non-sulfonic acid organic compound is at least one compound selected from the group consisting of borodisalicylic acid and borodisalicylate;
The oxidizing and reducing species forming a pair in the electrolyte layer are 2,2′-bipyridine, 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine, and 4,4′-di-t-butyl-2, A dye-sensitized solar cell comprising a Co (III) outer sphere complex having a ligand selected from the group consisting of 2'-bipyridine and a Co (II) reductant of the complex.
前記導電性ポリマー層の密度が1.15〜1.80g/cmの範囲である、請求項1に記載の色素増感太陽電池。 The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the density of the conductive polymer layer is in the range of 1.15 to 1.80 g / cm 3 . 前記モノマーが3,4−エチレンジオキシチオフェンである、請求項1又は2に記載の色素増感太陽電池。 The dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2 , wherein the monomer is 3,4-ethylenedioxythiophene.
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