JP6490035B2 - Electrolyte, solar cell and solar cell module - Google Patents

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Description

本発明は、電解質、太陽電池及び太陽電池モジュールに関する。   The present invention relates to an electrolyte, a solar cell, and a solar cell module.

従来、太陽電池としては、銅錯体を酸化還元対に用いた色素増感太陽電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この太陽電池では、一価又は二価の銅錯体により白金対極を腐食することなく且つ良好な光電変換特性を有するとしている。また、太陽電池としては、銅(I)ビス(2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン)や銅(II)ビス(2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン)の銅錯体を固体電解質として用いた色素増感型太陽電池が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この太陽電池では、発電効率を高めることができるとしている。   Conventionally, a dye-sensitized solar cell using a copper complex as a redox pair has been proposed as a solar cell (see, for example, Patent Document 1). This solar cell is said to have good photoelectric conversion characteristics without corroding the platinum counter electrode by the monovalent or divalent copper complex. In addition, as a solar cell, a copper complex of copper (I) bis (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) or copper (II) bis (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) is used as a solid electrolyte. A dye-sensitized solar cell used as the above has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). In this solar cell, the power generation efficiency can be increased.

特開2006−302849号公報JP 2006-302849 A

Energy Environ.Sci.,2015,8,2634−2637Energy Environ. Sci. , 2015, 8, 2634-2637

上述の非特許文献1では、銅錯体の価電子帯(VBM)の位置が一般的な電解質に比して深いため、光電極の伝導体準位(CBM)との差が大きくなり、理論上の開放電圧(Voc)が高くなる。しかしながら、実際に太陽電池を構成すると、銅錯体を用いエネルギー準位を理論上深くしても、光電極から電解質への逆電子移動などが生じて電圧が損失し、開放電圧が低くなるという課題があった。   In the above-mentioned Non-Patent Document 1, since the position of the valence band (VBM) of the copper complex is deeper than that of a general electrolyte, the difference from the conductor level (CBM) of the photoelectrode becomes large. Open circuit voltage (Voc) increases. However, when a solar cell is actually constructed, even if the energy level is theoretically deep using a copper complex, reverse electron transfer from the photoelectrode to the electrolyte occurs, resulting in a loss of voltage and a reduction in open circuit voltage. was there.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、太陽電池特性をより向上することができる電解質、太陽電池及び太陽電池モジュールを提供することを主目的とする。   This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the electrolyte, solar cell, and solar cell module which can improve a solar cell characteristic more.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、特定の複素環式化合物と銅錯体とを複合化すると、整流性を向上し、開放電圧や出力密度をより向上することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, the present inventors have improved the rectifying property and the open circuit voltage and output density more when a specific heterocyclic compound and a copper complex are combined. The present invention has been completed.

即ち、本明細書で開示する電解質は、
光吸収層を有する光電極と、前記光電極に向かい合うように配置された対極とを備えた太陽電池の前記光電極と前記対極との間に介在して用いられる電解質であって、
窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物及び窒素を2以上有する単環の複素環式化合物のうち1以上の環式化合物と、銅錯体とを含むものである。
That is, the electrolyte disclosed in this specification is
An electrolyte used between the photoelectrode and the counter electrode of a solar cell comprising a photoelectrode having a light absorption layer and a counter electrode arranged to face the photoelectrode,
Among the heterocyclic compounds having 1 or more nitrogen and having 2 or more rings and monocyclic heterocyclic compounds having 2 or more nitrogen, one or more cyclic compounds and a copper complex are included.

本明細書で開示する太陽電池は、
光吸収層を有する光電極と、
前記光電極に向かい合うように配置された対極と、
前記光電極と前記対極との間に介在する上述の記載の電解質と、
を備えたものである。
The solar cell disclosed in this specification is:
A photoelectrode having a light absorbing layer;
A counter electrode arranged to face the photoelectrode;
The electrolyte described above interposed between the photoelectrode and the counter electrode;
It is equipped with.

本明細書で開示する太陽電池モジュールは、上述した太陽電池を複数備えているものである。   The solar cell module disclosed in this specification includes a plurality of the solar cells described above.

この電解質、太陽電池及び太陽電池モジュールは、太陽電池特性をより向上することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推測される。例えば、銅錯体のみでは、光電極と銅錯体が直接接触することにより電解質への逆電子移動などが生じて電圧が損失するが、この複素環式化合物が複合化することによって、この逆電子移動が抑制され、例えば開放電圧Vocが高くなり出力密度が向上するなど、太陽電池特性をより向上することができるものと推察される。更に、銅錯体に複素環式化合物が複合化することにより、電解質の電気特性を改善し、低抵抗化する効果により、太陽電池の出力特性が向上すると考えられる。   This electrolyte, solar cell, and solar cell module can further improve the solar cell characteristics. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, with the copper complex alone, the photoelectron and the copper complex are in direct contact with each other, causing reverse electron transfer to the electrolyte and the like, resulting in a loss of voltage. However, this heterocyclic compound is complexed to form this reverse electron transfer. It is presumed that the solar cell characteristics can be further improved, for example, the open circuit voltage Voc is increased and the output density is improved. Furthermore, it is considered that the output characteristics of the solar cell are improved due to the effect of improving the electrical characteristics of the electrolyte and lowering the resistance by complexing the heterocyclic compound with the copper complex.

n型半導体層、有機色素、電解質のエネルギー準位の説明図。Explanatory drawing of the energy level of an n-type semiconductor layer, an organic pigment | dye, and electrolyte. 太陽電池モジュール10の構成の概略の一例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a solar cell module 10. 太陽電池40の構成の概略の一例を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of a solar cell 40. 太陽電池モジュール10Bの構成の概略の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the outline of a structure of the solar cell module 10B. 太陽電池40Bの構成の概略の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the outline of a structure of the solar cell 40B. 1sun照射時及び暗下における実験例1、3の電流−電圧特性の測定結果。The measurement result of the current-voltage characteristic of Experimental Examples 1 and 3 during 1 sun irradiation and in the dark. 実験例1、3の交流インピーダンス測定結果。AC impedance measurement results of Experimental Examples 1 and 3. 実験例1、2、4のLED光源1000ルクス光照射時の出力密度、開放電圧及び電流密度の測定結果。The measurement result of the output density at the time of LED light source 1000 lux light irradiation of Experimental example 1,2,4, an open circuit voltage, and a current density. 実験例5、6のLED光源1000ルクス光照射時の出力密度、開放電圧及び電流密度の測定結果。The measurement result of the power density at the time of LED light source 1000 lux light irradiation of Experimental example 5 and 6 and an open circuit voltage and an electric current density. セルを大気中暴露後にシールしたLED光源1000ルクス光照射時の実験例1、2の耐久試験結果。The durability test result of Experimental example 1 and 2 at the time of 1000 lux light irradiation of LED light source which sealed the cell after exposure in air | atmosphere. セルを窒素雰囲気中でシールしたLED光源1000ルクス光照射時の実験例1の耐久試験結果。The durability test result of Experimental example 1 at the time of LED light source 1000 lux light irradiation which sealed the cell in nitrogen atmosphere.

(電解質)
本実施形態で説明する電解質は、光吸収層を有する光電極と、光電極に向かい合うように配置された対極とを備えた太陽電池の光電極と対極との間に介在して用いられるものである。この電解質は、窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物及び窒素を2以上有する単環の複素環式化合物のうち1以上の環式化合物と、銅錯体とを含むものである。図1は、n型半導体層、有機色素、電解質のエネルギー準位の説明図である。銅錯体は、図1に示すように、価電子帯の位置が従来の無機系p型半導体(例えばCuI)に比べてかなり深いため、n型半導体層である酸化チタンの伝導体下端CBMと電解質の価電子端上端VBMとの差で決定される理論上の開放電圧(Voc)が高くなる利点がある。但し、銅錯体のみで太陽電池を構成すると、整流性が悪く、開放電圧Vocや変換効率Effが低下する。ここでは、環式化合物と銅錯体とを複合化することにより、これらの太陽電池特性を向上する。
(Electrolytes)
The electrolyte described in this embodiment is used between a photoelectrode and a counter electrode of a solar cell including a photoelectrode having a light absorption layer and a counter electrode arranged so as to face the photoelectrode. is there. This electrolyte contains one or more cyclic compounds among a heterocyclic compound having one or more nitrogen and having two or more rings and a monocyclic heterocyclic compound having two or more nitrogen and a copper complex. FIG. 1 is an explanatory diagram of energy levels of an n-type semiconductor layer, an organic dye, and an electrolyte. As shown in FIG. 1, since the position of the valence band is much deeper than that of a conventional inorganic p-type semiconductor (for example, CuI), the copper complex has a conductor lower end CBM of titanium oxide which is an n-type semiconductor layer and an electrolyte. There is an advantage that the theoretical open-circuit voltage (Voc) determined by the difference from the upper end VBM of the valence electron is higher. However, when the solar cell is composed of only the copper complex, the rectification property is poor and the open circuit voltage Voc and the conversion efficiency Eff are lowered. Here, these solar cell characteristics are improved by compounding a cyclic compound and a copper complex.

環式化合物は、イミダゾール構造、ピリジン構造、ピリミジン構造、オキサゾール構造及びチアゾール構造のうち1以上を有するものとしてもよい。この環式化合物は、塩基性を有することが好ましい。したがって、これらの構造では、塩基性が高いことから、イミダゾール構造が好ましい。この環式化合物は、使用温度範囲(例えば室温近傍10℃〜40℃など)において、液体であるものとしてもよいし、固体であるものとしてもよい。この環式化合物が液体である場合電解質は電解液であるものとしてもよく、環式化合物が固体である場合、固体電解質であるものとしてもよい。環式化合物は、環構造を1以上含むが、2以上の環構造が炭素鎖により接合した構造としてもよいし、縮合した環構造としてもよいが縮合した環構造を有することが好ましい。この環式化合物は、窒素を1以上含むが、2以上含むことが好ましい。また、環式化合物は、環構造を1以上含むが、2以上含むことが好ましい。複素環には、窒素のほか、酸素、硫黄などを含むものとしてもよい。また、環式化合物は、その構造中に置換基、ヘテロ原子を有してもよい。例えば、水素基、水素基を置換したアルキル基などを有してもよい。アルキル基としては、炭素数1以上6以下の範囲が好ましい。   The cyclic compound may have one or more of an imidazole structure, a pyridine structure, a pyrimidine structure, an oxazole structure, and a thiazole structure. This cyclic compound is preferably basic. Therefore, in these structures, since basicity is high, an imidazole structure is preferable. The cyclic compound may be a liquid or a solid in a use temperature range (for example, near room temperature to 10 ° C. to 40 ° C.). When the cyclic compound is a liquid, the electrolyte may be an electrolytic solution, and when the cyclic compound is a solid, the electrolyte may be a solid electrolyte. The cyclic compound includes one or more ring structures, but may have a structure in which two or more ring structures are joined by a carbon chain, or a condensed ring structure, but preferably has a condensed ring structure. This cyclic compound contains 1 or more of nitrogen, but preferably contains 2 or more. In addition, the cyclic compound includes one or more ring structures, but preferably includes two or more. The heterocyclic ring may contain oxygen, sulfur, etc. in addition to nitrogen. Further, the cyclic compound may have a substituent or a hetero atom in its structure. For example, you may have a hydrogen group, the alkyl group which substituted the hydrogen group, etc. The alkyl group is preferably in the range of 1 to 6 carbon atoms.

具体的には、環式化合物は、化学式(1)〜(8)のうちいずれか1以上であるものとしてもよい。この式において、Rは水素(H)及び炭素数1〜6のアルキル基であるものとしてもよい。アルキル基は、直鎖状でもよいし、分岐鎖を有していてもよい。化学式(1)〜(5)は、窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物である。化学式(1)は、ベンズイミダゾール及びその誘導体であり、例えば、N−メチルベンズイミダゾールやN−ブチルベンゾイミダゾールなどが挙げられる。化学式(2)は、ピリミジン塩基であり、例えば、1,3,4,6,7,8−ヘキサヒドロ−2H−ピリミド[1,2−a]ピリミジンや、1,3,4,6,7,8−ヘキサヒドロ−1−メチル−2H−ピリミド[1,2a]ピリミジンなどが挙げられる。化学式(3)は、キノリンであり、その誘導体であってもよい。化学式(4)は、ベンゾオキサゾールであり、その誘導体であってもよい。化学式(5)は、ベンゾチアゾールであり、その誘導体であってもよい。化学式(6)〜(8)は、窒素を2以上有する単環の複素環式化合物である。化学式(6)は、イミダゾール及びその誘導体である。化学式(7)は、ピラゾール及びその誘導体である。化学式(8)は、イミダゾリン及びその誘導体である。   Specifically, the cyclic compound may be any one or more of chemical formulas (1) to (8). In this formula, R may be hydrogen (H) and an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. The alkyl group may be linear or may have a branched chain. Chemical formulas (1) to (5) are heterocyclic compounds containing one or more nitrogen atoms and having two or more rings. Chemical formula (1) is benzimidazole and its derivatives, and examples thereof include N-methylbenzimidazole and N-butylbenzimidazole. Chemical formula (2) is a pyrimidine base, for example, 1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido [1,2-a] pyrimidine, 1,3,4,6,7, And 8-hexahydro-1-methyl-2H-pyrimido [1,2a] pyrimidine. Chemical formula (3) is quinoline and may be a derivative thereof. Chemical formula (4) is benzoxazole and may be a derivative thereof. Chemical formula (5) is benzothiazole and may be a derivative thereof. Chemical formulas (6) to (8) are monocyclic heterocyclic compounds having two or more nitrogen atoms. Chemical formula (6) is imidazole and its derivatives. Chemical formula (7) is pyrazole and its derivatives. Chemical formula (8) is imidazoline and its derivatives.

銅錯体は、例えば、有機配位子を有し、銅が価数変化するものであることが好ましい。この銅錯体は、化学式(9)〜(15)のうちいずれか1以上の構造を有するものとしてもよい。有機配位子としては、例えば、窒素を1又は2環以上を有する複素環構造を有するものとしてもよい。この有機配位子としては、例えば、2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン(dmp、化学式(9))や、1,10−フェナントロリン(phen、化学式(10))、[(−)−スパルテイン−N,N’](SP、化学式(11))、2,6−ビス(ベンズイミダゾール−2’−イルチオメチル)ピリジン(bbtmp、化学式(12))、N,N−ビス(ベンズイミダゾール−2’−イルチオメチル)メチルアミン(bbtma、化学式(13))、2,6−ビス(ベンズイミダゾール−2’−イル)ピリジン(bzmpy、化学式(14))、2,6−ビス(エチルチオメチル)ピリジン(betmp、化学式(15))などが挙げられる。また、銅錯体は、他の配位子、例えば、1座配位子(1価のアニオン配位子)を1以上有するものとしてもよい。この配位子は、複数ある場合は、それぞれが同じ配位子であってもよいし、異なる配位子としてもよい。このうち、これらの配位子はすべて同じものとすることがより好ましい。この配位子は、例えば、−F、−Cl、−Br、−I、−OH、−CN、−SCN、−NCSから選択される1以上であるものとしてもよい。このうち、−SCN及び−NCSが好ましく、−NCSがより好ましい。この銅錯体は、有機配位子を有し銅を含むカチオンと、アニオンからなるものとしてもよい。アニオンとしては、例えば、トリフルオロメチルスルホン酸(CF3SO3)、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(TFSI)、ヘキサフルオロリン酸(PF6)などが挙げられる。 The copper complex preferably has, for example, an organic ligand and copper changes in valence. This copper complex is good also as what has any one or more structures among Chemical formula (9)-(15). As an organic ligand, it is good also as what has a heterocyclic structure which has 1 or 2 or more rings, for example. Examples of the organic ligand include 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline (dmp, chemical formula (9)), 1,10-phenanthroline (phen, chemical formula (10)), [(-)- Sparteine-N, N ′] (SP, chemical formula (11)), 2,6-bis (benzimidazol-2′-ylthiomethyl) pyridine (bbtmp, chemical formula (12)), N, N-bis (benzimidazole— 2′-ylthiomethyl) methylamine (bbtma, chemical formula (13)), 2,6-bis (benzimidazol-2′-yl) pyridine (bzmpy, chemical formula (14)), 2,6-bis (ethylthiomethyl) Examples thereof include pyridine (betmp, chemical formula (15)). The copper complex may have one or more other ligands, for example, a monodentate ligand (monovalent anion ligand). When there are a plurality of these ligands, each may be the same ligand or different ligands. Among these, it is more preferable that these ligands are all the same. This ligand may be one or more selected from, for example, -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -CN, -SCN, and -NCS. Of these, -SCN and -NCS are preferred, and -NCS is more preferred. This copper complex may be composed of a cation having an organic ligand and containing copper and an anion. Examples of the anion include trifluoromethylsulfonic acid (CF 3 SO 3 ), bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (TFSI), hexafluorophosphoric acid (PF 6 ), and the like.

このような銅錯体の具体例としては、例えば、銅(I)ビス(2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン)ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド((Cu(dmp)2TFSI)、銅(II)ビス(2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン)ビス[ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド]((Cu(dmp)2(TFSI)2)、銅(I)ビス(1,10−フェナントロリン)ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド((Cu(phen)2TFSI)、銅(II)ビス(1,10−フェナントロリン)ビス[ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド]((Cu(phen)2(TFSI)2)、[(−)−スパルテイン−N,N’](マレオニトリルジチオラト−S,S’)銅([Cu(SP)(mmt)])、2,6−ビス(ベンズイミダゾール−2’−イルチオメチル)ピリジン硝酸塩([Cu(bbtmp)(NO3)]NO3)などが挙げられる。 Specific examples of such a copper complex include, for example, copper (I) bis (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ((Cu (dmp) 2 TFSI), copper (II) Bis (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) bis [bis (trifluoromethylsulfonyl) imide] ((Cu (dmp) 2 (TFSI) 2 ), copper (I) bis (1,10 -Phenanthroline) bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ((Cu (phen) 2 TFSI), copper (II) bis (1,10-phenanthroline) bis [bis (trifluoromethylsulfonyl) imide] ((Cu (phen) 2 (TFSI) 2), [ (-) - sparteine -N, N '] (Mareo nitrile dithio Lato -S, S') of copper ([Cu (SP (Mmt)]), 2,6-bis (benzimidazol-2'-ylthiomethyl) pyridine nitrate ([Cu (bbtmp) (NO 3)] NO 3) , and the like.

この電解質には、溶媒や添加剤が含まれていてもよい。溶媒としては、アセトニトリル(AcCN)やバレロニトリル(VaCN)などのニトリル系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテルなどのエーテル系溶媒、メタノール、エタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコールなどのアルコール系溶媒などが挙げられる。これらは、単独で、あるいは複数を混合して用いることができる。添加剤としては、例えば、TiO2などの光電極材料の伝導帯下端(CBM)を下げて色素からTiO2への電子注入効率を向上させ短絡電流密度Jscを増加させるものとして、LiTFSI、LiIなどが挙げられる。これらは、単独で、あるいは複数を混合して用いることができる。 This electrolyte may contain a solvent and an additive. As the solvent, nitrile solvents such as acetonitrile (AcCN) and valeronitrile (VaCN), ether solvents such as diethyl ether, tetrahydrofuran, ethylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, methanol, ethanol, ethylene glycol, propylene glycol, Examples include alcohol solvents such as polyethylene glycol. These can be used alone or in combination. As the additive, for example, as to increase the electron injection efficiency to improve the short-circuit current density Jsc of lowering the conduction band of the photoelectrode material (CBM) from the dye to the TiO 2, such as TiO 2, LiTFSI, LiI, etc. Is mentioned. These can be used alone or in combination.

(太陽電池)
本実施形態で説明する太陽電池は、光吸収層を有する光電極と、光電極に向かい合うように配置された対極と、光電極と対極との間に介在する上述したいずれかの電解質と、を備えたものである。この光電極は、光吸収層で被覆されたn型半導体層(電子輸送層)を光透過導電性基板上に備えているものとしてもよい。図2は、太陽電池モジュール10の構成の概略の一例を示す断面図である。図2に示すように、本実施形態に係る太陽電池モジュール10は、光透過導電性基板14に複数の太陽電池40(以下セルとも称する)が順次配列した構成となっている。これらのセルは直列に接続されている。この太陽電池モジュール10では、各セルの間を埋めるように、シール材32が形成されており、光透過導電性基板14とは反対側のシール材32の面に平板状の保護部材34が形成されている。本実施形態に係る太陽電池40は、光吸収層とn型半導体層とを含む電子輸送層24を下地層22を介して光透過導電性基板14上に備えた光電極20と、光電極20に向かい合うように配置された対極30と、光電極20と対極30との間に介在する電解質層26と、セパレータ29とを備えている。光電極20は、光が透過する光透過基板11の表面に光が透過する光透過導電膜12が形成されている光透過導電性基板14と、光透過導電膜12に形成された電子輸送層24と、を備えている。電子輸送層24は、光透過基板11の受光面13の反対側の面に分離形成された光透過導電膜12に配設され受光に伴い電子を放出する層である。本発明の太陽電池40は、電子輸送層24には、光を吸収する光吸収材が配設されている。
(Solar cell)
The solar cell described in this embodiment includes a photoelectrode having a light absorption layer, a counter electrode disposed so as to face the photoelectrode, and any one of the above-described electrolytes interposed between the photoelectrode and the counter electrode. It is provided. The photoelectrode may have an n-type semiconductor layer (electron transport layer) covered with a light absorption layer on a light-transmitting conductive substrate. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of the solar cell module 10. As shown in FIG. 2, the solar cell module 10 according to this embodiment has a configuration in which a plurality of solar cells 40 (hereinafter also referred to as cells) are sequentially arranged on a light-transmitting conductive substrate 14. These cells are connected in series. In this solar cell module 10, a sealing material 32 is formed so as to fill between the cells, and a flat protective member 34 is formed on the surface of the sealing material 32 on the side opposite to the light-transmitting conductive substrate 14. Has been. The solar cell 40 according to this embodiment includes a photoelectrode 20 including an electron transport layer 24 including a light absorption layer and an n-type semiconductor layer on a light-transmitting conductive substrate 14 via a base layer 22, and a photoelectrode 20 Counter electrode 30 disposed so as to face each other, an electrolyte layer 26 interposed between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30, and a separator 29. The photoelectrode 20 includes a light-transmitting conductive substrate 14 on which a light-transmitting conductive film 12 that transmits light is formed on the surface of a light-transmitting substrate 11 that transmits light, and an electron transport layer formed on the light-transmitting conductive film 12. 24. The electron transport layer 24 is a layer that is disposed on the light-transmitting conductive film 12 formed separately on the surface opposite to the light-receiving surface 13 of the light-transmitting substrate 11 and emits electrons upon receiving light. In the solar cell 40 of the present invention, the electron transport layer 24 is provided with a light absorbing material that absorbs light.

光透過導電性基板14は、光透過基板11と光透過導電膜12とにより構成され、光透過性及び導電性を有するものである。具体的には、フッ素ドープSnO2コートガラス、ITOコートガラス、ZnO:Alコートガラス、アンチモンドープ酸化スズ(SnO2−Sb)コートガラス等が挙げられる。また、酸化スズや酸化インジウムに原子価の異なる陽イオン若しくは陰イオンをドープした光透過電極、メッシュ状、ストライプ状など光が透過できる構造にした金属電極をガラス基板等の基板上に設けたものも使用できる。この光透過導電性基板14の光透過導電膜12側の両端には、集電電極16,17が設けられており、この集電電極16,17を介して太陽電池40で発電した電力を利用することができる。 The light transmissive conductive substrate 14 is composed of the light transmissive substrate 11 and the light transmissive conductive film 12, and has light transmissive and conductive properties. Specific examples include fluorine-doped SnO 2 coated glass, ITO coated glass, ZnO: Al coated glass, and antimony-doped tin oxide (SnO 2 —Sb) coated glass. In addition, a light transmissive electrode in which tin oxide or indium oxide is doped with cations or anions having different valences, or a metal electrode having a structure capable of transmitting light, such as a mesh shape or a stripe shape, is provided on a substrate such as a glass substrate. Can also be used. Current collecting electrodes 16 and 17 are provided at both ends of the light transmitting conductive substrate 14 on the light transmitting conductive film 12 side, and electric power generated by the solar cell 40 via the current collecting electrodes 16 and 17 is used. can do.

光透過基板11としては、例えば、透明ガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などが挙げられ、このうち、透明ガラスが好ましい。この光透過基板11は、透明なガラス基板、ガラス基板表面を適当に荒らすなどして光の反射を防止したもの、すりガラス状の半透明のガラス基板など光を透過するものなどとしてもよい。光透過導電膜12は、例えば、光透過基板11上に酸化スズを付着させることにより形成することができる。特に、フッ素をドープした酸化スズ(FTO)等の金属酸化物を用いれば、好適な光透過導電膜12を形成することができる。光透過導電膜12は、所定の間隔に溝18が形成されており、この溝18の幅に相当する間隔を隔てて複数の光透過導電膜12の領域が分離形成されている。   Examples of the light transmitting substrate 11 include transparent glass, a transparent plastic plate, a transparent plastic film, and an inorganic transparent crystal, and among these, transparent glass is preferable. The light transmitting substrate 11 may be a transparent glass substrate, a glass substrate whose surface is appropriately roughened to prevent light reflection, or a light-transmitting substrate such as a frosted glass-like translucent glass substrate. The light transmissive conductive film 12 can be formed, for example, by depositing tin oxide on the light transmissive substrate 11. In particular, if a metal oxide such as tin oxide (FTO) doped with fluorine is used, a suitable light-transmitting conductive film 12 can be formed. The light transmissive conductive film 12 has grooves 18 formed at predetermined intervals, and a plurality of regions of the light transmissive conductive film 12 are separately formed at intervals corresponding to the width of the grooves 18.

下地層22は、光透過導電性基板14から電解質層26へのリーク電流(逆電子移動)を抑制もしくは防止する層であり、例えば、透光性及び導電性のある材料が好ましく、例えば、酸化チタンや酸化亜鉛、酸化スズなどのn型半導体などが挙げられ、このうち酸化チタンがより好ましい。酸化チタンは、リーク電流を抑制・防止し、且つ電子輸送層24から光透過導電性基板14へ電子を流しやすいからである。下地層22では、電子輸送層24に比してより緻密な材料とすることが好ましい。なお、この下地層22を形成しないものとしても太陽電池40として十分機能することから、この下地層22を省略しても構わない。   The underlayer 22 is a layer that suppresses or prevents leakage current (reverse electron transfer) from the light-transmitting conductive substrate 14 to the electrolyte layer 26. For example, a light-transmitting and conductive material is preferable. Examples include n-type semiconductors such as titanium, zinc oxide, and tin oxide. Among these, titanium oxide is more preferable. This is because titanium oxide suppresses and prevents leakage current and easily allows electrons to flow from the electron transport layer 24 to the light-transmitting conductive substrate 14. The underlayer 22 is preferably made of a denser material than the electron transport layer 24. Note that even if the base layer 22 is not formed, the base layer 22 may be omitted because it functions sufficiently as the solar cell 40.

電子輸送層24は、光吸収材と、光吸収材を含む多孔質のn型半導体層とにより形成されている。n型半導体としては、金属酸化物半導体や金属硫化物半導体などが適しており、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、硫化カドミウム(CdS)、硫化亜鉛(ZnS)のうち少なくとも1以上であることが好ましく、このうち多孔質の酸化チタンがより好ましい。これらの半導体材料を微結晶又は多結晶状態にして薄膜化することにより、良好な多孔質のn型半導体層を形成することができる。特に、多孔質の酸化チタン層は、光電極20のn型半導体層として好適である。また、酸化チタンとしては、伝導帯の下端のエネルギー準位がより高く、開放端電圧がより高いことから、ルチル型TiO2よりもアナターゼ型TiO2が好ましい。 The electron transport layer 24 is formed of a light absorbing material and a porous n-type semiconductor layer containing the light absorbing material. As the n-type semiconductor, a metal oxide semiconductor or a metal sulfide semiconductor is suitable. For example, titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), cadmium sulfide (CdS), sulfide It is preferable that it is at least 1 or more among zinc (ZnS), and among these, porous titanium oxide is more preferable. By thinning these semiconductor materials into a microcrystalline or polycrystalline state, a good porous n-type semiconductor layer can be formed. In particular, the porous titanium oxide layer is suitable as the n-type semiconductor layer of the photoelectrode 20. Further, as titanium oxide, anatase TiO 2 is preferable to rutile TiO 2 because the energy level at the lower end of the conduction band is higher and the open-circuit voltage is higher.

光吸収層には、有機色素、金属錯体及び有機ハロゲン化金属化合物のうち1以上の光吸収材が含まれるものとしてもよい。この光吸収材は、有機色素としてもよい。有機色素は、例えば、BODIPY系色素(BODIPY−FLなど)、インドリン系色素(D131,D149,D205,D358など)、カルバゾール系色素(MK2など)、クマリン系色素(C343,NKX−2587,NKX−2677など)及びスクワリリウム系色素(SQ2など)などのうち1以上であるものとしてもよい。また、有機色素として、芳香族アミンをドナーに、π共役系分子を介してシアノカルボン酸アンカー基を持つものとしてもよい。このような色素としては、例えば、また、3-[6-[4-[bis(2',4'-dibutyloxybiphenyl-4yl)amino-]phenyl]-4,4-dihexyl-cyclopenta-[2,1-b;3,4-b']dithiophene-2-yl]-2-cyanoacylic acid色素(化学式(16))などが挙げられ、この色素を用いることが好ましい。また、光吸収材は、金属錯体であるものとしてもよい。金属錯体に含まれる金属は、例えば、Zn,Cu,Fe,Pd,Pt,Ni,Co,Ruなどが挙げられる。このうち、Ru錯体(Ruthenizer470(Ru470),N719,Z907など)、金属ポルフィリン系色素(PtTPTBP,PdTPTBP、DTBCなど)、金属フタロシアニン系色素(CuPc,ZnPcなど)及び金属ナフタロシアニン系色素(CuNc,ZnNcなど)などのうち1以上であるものとしてもよい。これらの光吸収材は、単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。このうち、色素としては、Ru錯体化合物(Z907、N719)、Znポルフィリン化合物(DTBC)、カルバゾール系色素(MK2)、及びインドリンダブルロダニン化合物(D149及びD358)などが好ましい。また、光吸収材としての有機ハロゲン化金属化合物としては、CH3NH3PbI3などのペロブスカイト結晶などが挙げられる。例示した化合物の構造式を下記の化学式に示す。なお、下記の化学式には示さなかったが、PdTPTBPはPtTPTBPのPtがPdになったもの、ZnPcはCuPcのCuがZnになったもの、ZnNcはCuNcのCuがZnになったものである。 The light absorbing layer may include one or more light absorbing materials among organic dyes, metal complexes, and organic metal halide compounds. This light absorbing material may be an organic dye. Examples of organic dyes include BODIPY dyes (such as BODIPY-FL), indoline dyes (such as D131, D149, D205, and D358), carbazole dyes (such as MK2), and coumarin dyes (C343, NKX-2587, NKX-). 2677 or the like) or squarylium dye (SQ2 or the like). The organic dye may have an aromatic amine as a donor and a cyanocarboxylic acid anchor group via a π-conjugated molecule. Examples of such a dye include 3- [6- [4- [bis (2 ′, 4′-dibutyloxybiphenyl-4yl) amino-] phenyl] -4,4-dihexyl-cyclopenta- [2,1 -b; 3,4-b '] dithiophene-2-yl] -2-cyanoacylic acid dye (chemical formula (16)) and the like, and it is preferable to use this dye. Further, the light absorbing material may be a metal complex. Examples of the metal contained in the metal complex include Zn, Cu, Fe, Pd, Pt, Ni, Co, Ru, and the like. Among these, Ru complexes (Ruthenizer 470 (Ru470), N719, Z907, etc.), metal porphyrin dyes (PtTPTBP, PdTPTBP, DTBC, etc.), metal phthalocyanine dyes (CuPc, ZnPc, etc.) and metal naphthalocyanine dyes (CuNc, ZnNc) Etc.) may be one or more. These light absorbing materials may be used alone or in combination. Of these, Ru complex compounds (Z907, N719), Zn porphyrin compounds (DTBC), carbazole dyes (MK2), indoline double rhodanine compounds (D149 and D358) and the like are preferable. Examples of the organic metal halide compound as the light absorbing material include perovskite crystals such as CH 3 NH 3 PbI 3 . The structural formulas of the exemplified compounds are shown in the following chemical formula. Although not shown in the following chemical formula, PdTPTBP is obtained by changing Pt of PtTPTBP to Pd, ZnPc is obtained by changing Cu of CuPc to Zn, and ZnNc is obtained by changing Cu of CuNc to Zn.

電解質層26は、光電極20に隣接して形成されている。この電解質層26は、上述した電解質のいずれかが含まれている。電解質層26が固体であるときに、この太陽電池モジュール10の構造を採用することができる。   The electrolyte layer 26 is formed adjacent to the photoelectrode 20. The electrolyte layer 26 includes any of the electrolytes described above. When the electrolyte layer 26 is solid, the structure of the solar cell module 10 can be adopted.

セパレータ29は、下地層22、電子輸送層24が積層された光電極20及び電解質層26の1つの側面に隣接するように断面I字状に形成されている。セパレータ29の一端は光透過導電性基板14上の溝18と接触している。これにより、光電極20と対極30との直接接触が回避される。セパレータ29は、絶縁性の材料からなり、例えば、ガラスビーズ、二酸化ケイ素(シリカ)及びルチル型の酸化チタンなどで形成されていてもよい。このセパレータ29としては、シリカ粒子を焼結した絶縁体が好ましい。シリカ粒子は、屈折率が低く光散乱が小さく、良好な透明性を有するため、セパレータに好ましい。このセパレータ29は、良好な透明性を確保する観点から、平均粒径が5〜200nmであることが好ましい。また、セパレータは、空気や空気層としてもよい。   The separator 29 is formed in an I-shaped cross section so as to be adjacent to one side surface of the photoelectrode 20 and the electrolyte layer 26 on which the base layer 22 and the electron transport layer 24 are laminated. One end of the separator 29 is in contact with the groove 18 on the light transmitting conductive substrate 14. Thereby, the direct contact with the photoelectrode 20 and the counter electrode 30 is avoided. The separator 29 is made of an insulating material, and may be formed of, for example, glass beads, silicon dioxide (silica), rutile titanium oxide, or the like. The separator 29 is preferably an insulator in which silica particles are sintered. Silica particles are preferable for the separator because they have a low refractive index, low light scattering, and good transparency. The separator 29 preferably has an average particle size of 5 to 200 nm from the viewpoint of ensuring good transparency. The separator may be air or an air layer.

対極30は、セパレータ29の外面と電解質層26の裏面27とに接触するよう、断面L字状に形成されている。この対極30は、一端が電解質層26の裏面27に接続されていると共に、他端が接続部21を介して隣側の光透過導電膜12に接続されている。この対極30の裏面27と接触する面は、光電極20に対して所定の間隔を隔てて対向している。対極30としては、導電性及び電解質層26との接合性を有するものであれば特に限定されず、例えば、Pt,Au,カーボンなどが挙げられ、このうちカーボンが好ましい。   The counter electrode 30 is formed in an L-shaped cross section so as to contact the outer surface of the separator 29 and the back surface 27 of the electrolyte layer 26. One end of the counter electrode 30 is connected to the back surface 27 of the electrolyte layer 26, and the other end is connected to the adjacent light transmitting conductive film 12 via the connection portion 21. The surface of the counter electrode 30 that is in contact with the back surface 27 faces the photoelectrode 20 at a predetermined interval. The counter electrode 30 is not particularly limited as long as it has conductivity and bondability with the electrolyte layer 26, and examples thereof include Pt, Au, and carbon. Among these, carbon is preferable.

シール材32は、絶縁性の部材であれば特に限定されずに用いることができる。このシール材32としては、例えば、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂フィルム、あるいはエポキシ系接着剤を使用することができる。   The sealing material 32 can be used without particular limitation as long as it is an insulating member. As the sealing material 32, for example, a thermoplastic resin film such as polyethylene or an epoxy adhesive can be used.

保護部材34は、太陽電池40の保護を図る部材であり、例えば、防湿フィルムや保護ガラスなどとすることができる。   The protection member 34 is a member that protects the solar cell 40, and can be, for example, a moisture-proof film or protective glass.

この太陽電池40に対して、透明基板11の受光面13側から光を照射すると、透明導電膜12の受光面15及び下地層22の受光面23を介して光が電子輸送層24へ到達し、光吸収材が光を吸収して電子が発生する。発生した電子は光電極20から透明導電膜12、接続部21を経由して隣の対極30へ移動する。太陽電池40では、この電子の移動により起電力が発生し、電池の発電作用が得られる。この太陽電池モジュール10では、電解質層26に、窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物及び窒素を2以上有する単環の複素環式化合物のうち1以上の環式化合物と、銅錯体とを含むため、開放電圧Vocや変換効率Effが向上するなど、太陽電池特性をより向上することができる。   When the solar cell 40 is irradiated with light from the light receiving surface 13 side of the transparent substrate 11, the light reaches the electron transport layer 24 through the light receiving surface 15 of the transparent conductive film 12 and the light receiving surface 23 of the base layer 22. The light absorbing material absorbs light and generates electrons. The generated electrons move from the photoelectrode 20 to the adjacent counter electrode 30 via the transparent conductive film 12 and the connection portion 21. In the solar cell 40, an electromotive force is generated by the movement of the electrons, and the power generation action of the battery is obtained. In this solar cell module 10, in the electrolyte layer 26, one or more cyclic compounds of a heterocyclic compound having one or more nitrogen and having two or more rings and a monocyclic heterocyclic compound having two or more nitrogen and copper, Since the complex is contained, the solar cell characteristics can be further improved, for example, the open circuit voltage Voc and the conversion efficiency Eff are improved.

この太陽電池モジュール10は、製造方法として、基板作製工程、電子輸送層形成工程、電解質層形成工程、セパレータ形成工程、対極形成工程及び保護部材形成工程を経て製造することができる。基板作製工程では、複数の透明導電膜12の間に溝18を形成しつつ透明導電膜12を透明基板11上に形成する。電子輸送層形成工程では、透明導電膜12上に下地層22を介してn型半導体層を形成し、光吸収材をn型半導体層に形成させ、電子輸送層24を形成する。ここでは、n型半導体層として、多孔質の酸化チタンを用いるものとした。次に、電解質層形成工程では、電子輸送層24の裏面25へ上述した電解質層を供給し、その後乾燥させて電解質層26を形成してもよい。ここでは、電解質層として、上述した環式化合物と銅錯体とを含む材料を用いるものとした。続いて、セパレータ形成工程では、溝18に合わせて光電極20の側面にセパレータ29を形成する。対極形成工程では、セパレータ29と電解質層26とに接するように対極30を形成する。対極30は、例えばカーボンとしてもよい。保護部材形成工程では、各セルを覆うようにシール材32を形成すると共にシール材32に保護部材34を形成する。このようにして、発電特性が向上した太陽電池40及び太陽電池モジュール10を作製することができる。   This solar cell module 10 can be manufactured through a substrate manufacturing process, an electron transport layer forming process, an electrolyte layer forming process, a separator forming process, a counter electrode forming process, and a protective member forming process as a manufacturing method. In the substrate manufacturing process, the transparent conductive film 12 is formed on the transparent substrate 11 while forming the grooves 18 between the plurality of transparent conductive films 12. In the electron transport layer forming step, an n-type semiconductor layer is formed on the transparent conductive film 12 via the base layer 22, a light absorbing material is formed on the n-type semiconductor layer, and the electron transport layer 24 is formed. Here, porous titanium oxide is used as the n-type semiconductor layer. Next, in the electrolyte layer forming step, the above-described electrolyte layer may be supplied to the back surface 25 of the electron transport layer 24 and then dried to form the electrolyte layer 26. Here, a material containing the above-described cyclic compound and a copper complex is used as the electrolyte layer. Subsequently, in the separator forming step, a separator 29 is formed on the side surface of the photoelectrode 20 in alignment with the groove 18. In the counter electrode forming step, the counter electrode 30 is formed in contact with the separator 29 and the electrolyte layer 26. The counter electrode 30 may be carbon, for example. In the protective member forming step, the sealing material 32 is formed so as to cover each cell, and the protective member 34 is formed on the sealing material 32. In this way, the solar cell 40 and the solar cell module 10 with improved power generation characteristics can be produced.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば上述した実施形態では、太陽電池モジュール10としたが、特にこれに限定されず、図3に示す、太陽電池40としてもよい。図3は、太陽電池40の構成の概略の一例を示す断面図である。図3では、図2で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。図3に示すように、太陽電池40を単体とする場合は、対極30の断面をL字状ではなく平板状に形成するものとしてもよい。また、セパレータ29を省略するものとしてもよい。また、対極30は、例えば光透過導電性基板14と同じ構成を有するものを用いるものとしてもよいし、透明導電膜12に白金を付着させたものや、白金などの金属薄膜などとしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the solar cell module 10 is used. However, the solar cell module 10 is not particularly limited thereto, and may be a solar cell 40 illustrated in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of the solar cell 40. 3, the same components as those described in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. As shown in FIG. 3, when the solar cell 40 is used as a single unit, the counter electrode 30 may be formed in a flat plate shape instead of an L shape. Further, the separator 29 may be omitted. The counter electrode 30 may be, for example, one having the same configuration as that of the light-transmitting conductive substrate 14, or may be one in which platinum is attached to the transparent conductive film 12 or a metal thin film such as platinum.

上述した実施形態では、電解質層26が固体である場合について説明したが、特にこれに限定されず、図4に示すように、電解液を含む電解質層26Bとしてもよい。図4は、太陽電池モジュール10Bの構成の概略の一例を示す断面図である。この太陽電池モジュール10Bは、電解質層26Bを有する太陽電池40Bを複数備えている。なお、図4では、下地層22及びセパレータ29を省略したものを示した。電解質層26Bは、液状またはゲル状の電解質を含むものであり、例えば、多孔質体に電解液を含む層とすることが好ましい。この多孔質体は、電解液を保持可能であり、電子伝導性を有さない多孔体であれば特に限定されず、例えば、多孔質体として、ルチル型の酸化チタン粒子により形成した多孔体を使用してもよい。多孔質体は、電子輸送層24の裏面25を覆う部分と、電子輸送層24のうち裏面25に隣接する側面に密着する顎状の縁部分とを有し、断面L字状に形成されている。この鍔状の縁部分は、透明基板11の表面が露出される深さの溝18に挿入され、透明基板11に直接、接触している。なお、電解質層26Bにおいて、多孔質体を省略し、光電極20と対極30Bとの間の空間に電解液を収容するものとしてもよい。   In the embodiment described above, the case where the electrolyte layer 26 is solid has been described. However, the present invention is not particularly limited thereto, and may be an electrolyte layer 26B containing an electrolytic solution as shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of the solar cell module 10B. The solar cell module 10B includes a plurality of solar cells 40B having an electrolyte layer 26B. In FIG. 4, the base layer 22 and the separator 29 are omitted. The electrolyte layer 26B contains a liquid or gel electrolyte, and is preferably a layer containing an electrolyte solution in a porous body, for example. The porous body is not particularly limited as long as it is capable of holding an electrolytic solution and does not have electron conductivity. For example, a porous body formed of rutile titanium oxide particles is used as the porous body. May be used. The porous body has a portion that covers the back surface 25 of the electron transport layer 24 and a jaw-shaped edge portion that is in close contact with the side surface adjacent to the back surface 25 of the electron transport layer 24, and is formed in an L-shaped cross section. Yes. This bowl-shaped edge portion is inserted into the groove 18 having a depth at which the surface of the transparent substrate 11 is exposed, and is in direct contact with the transparent substrate 11. In the electrolyte layer 26B, the porous body may be omitted, and the electrolytic solution may be accommodated in the space between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30B.

電解質層26Bに含まれる電解液は、上述した、窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物及び窒素を2以上有する単環の複素環式化合物のうち1以上の環式化合物と、銅錯体とを含むものとすればよい。電解液に含まれる環状化合物の濃度は、例えば、0.01mol/L以上5.0mol/L以下の範囲であることが好ましい。電解液に含まれる銅錯体の濃度は、例えば、0.01mol/L以上5.0mol/L以下の範囲であることが好ましい。電解液に含まれる溶媒は、上述した溶媒を用いることができる。電解液に含まれる添加剤としては、LiTFSIや、グアニジンチオシアネート、LiIなどが挙げられる。このような添加剤を添加することにより、太陽電池の耐久性がより一層向上する。更に、TiO2などの光電極材料の伝導帯下端(CBM)を下げて色素からTiO2への電子注入効率を向上させ、短絡電流密度Jscを増加させることができる。電解液中の添加剤の濃度は0.01mol/L以上2.0mol/L以下の範囲であることが好ましい。対極30Bは、電解質層26Bの裏面27及び鍔状の縁部分とに接触するよう、鍔状の縁部分を有する断面L字状に形成されている。この対極30Bは、電解質層26の裏面に接続されていると共に、鍔状の縁部分が接続部21を介して隣側の透明導電膜12に接続されている。電解質層26Bの裏面27と接触するこの対極30Bの面は、光電極20に対して所定の間隔を隔てて対向している。対極30Bとしては、導電性及び電解質層26Bとの接合性を有するものであれば特に限定されず、例えば、Pt,Au,カーボンなどが挙げられ、このうちカーボンが好ましい。この対極30Bは、例えば、カーボンブラック粒子と、グラファイト粒子と、アナターゼ型の酸化チタン粒子等の導電性酸化物粒子とを構成材料として形成された多孔質の炭素電極としてもよい。なお、この対極30Bには、例えば、電極反応の速度をより速やかに進行させる観点から、Pt微粒子などの触媒微粒子が分散担持されていてもよい。このように形成された太陽電池モジュール10Bにおいても、上述した実施形態と同様に、電解質層26Bに環式化合物と銅錯体とを含むため、開放電圧Vocや変換効率Effが向上するなど、太陽電池特性をより向上することができる。 The electrolytic solution contained in the electrolyte layer 26B includes one or more cyclic compounds among the above-described heterocyclic compounds having one or more nitrogen and having two or more rings and monocyclic heterocyclic compounds having two or more nitrogens, and What is necessary is just to include a copper complex. The concentration of the cyclic compound contained in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol / L or more and 5.0 mol / L or less, for example. The concentration of the copper complex contained in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol / L to 5.0 mol / L, for example. The solvent mentioned above can be used for the solvent contained in electrolyte solution. Examples of the additive contained in the electrolytic solution include LiTFSI, guanidine thiocyanate, and LiI. By adding such an additive, the durability of the solar cell is further improved. Furthermore, the conduction band lower end (CBM) of the photoelectrode material such as TiO 2 can be lowered to improve the efficiency of electron injection from the dye to TiO 2 , and the short-circuit current density Jsc can be increased. The concentration of the additive in the electrolytic solution is preferably in the range of 0.01 mol / L to 2.0 mol / L. The counter electrode 30B is formed in an L-shaped cross section having a bowl-shaped edge portion so as to contact the back surface 27 of the electrolyte layer 26B and the bowl-shaped edge portion. The counter electrode 30 </ b> B is connected to the back surface of the electrolyte layer 26, and the flange-shaped edge portion is connected to the adjacent transparent conductive film 12 via the connection portion 21. The surface of the counter electrode 30B that is in contact with the back surface 27 of the electrolyte layer 26B is opposed to the photoelectrode 20 at a predetermined interval. The counter electrode 30B is not particularly limited as long as it has conductivity and bondability with the electrolyte layer 26B, and examples thereof include Pt, Au, and carbon. Among these, carbon is preferable. The counter electrode 30B may be, for example, a porous carbon electrode formed using carbon black particles, graphite particles, and conductive oxide particles such as anatase-type titanium oxide particles as constituent materials. The counter electrode 30B may carry, for example, catalyst fine particles such as Pt fine particles in a dispersed manner from the viewpoint of more promptly increasing the speed of the electrode reaction. Also in the solar cell module 10B formed in this way, as in the above-described embodiment, the electrolyte layer 26B includes the cyclic compound and the copper complex, and thus the open-circuit voltage Voc and the conversion efficiency Eff are improved. The characteristics can be further improved.

上述した実施形態では、太陽電池モジュール10Bとしたが、特にこれに限定されず、太陽電池40Bとしてもよい。図5は、太陽電池40Bの構成の概略の一例を示す断面図である。図5では、図1〜4で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。図5に示すように、太陽電池40Bの単体では、電解質層26Bや対極30Bを断面をL字状ではなく、鍔状の縁部分を省略して平板状に形成するものとしてもよい。また、対極30Bは、例えば光透過導電性基板14と同じ構成を有するものを用いるものとしてもよいし、透明導電膜12に白金を付着させたものや、白金などの金属薄膜などとしてもよい。更に、電解質層26Bは、多孔質体を省略し、光電極20と対極30との空間に電解液を収容したものとしてもよい。こうしても、電解質層26に環式化合物と銅錯体とを含むため、開放電圧Vocや変換効率Effが向上するなど、太陽電池特性をより向上することができる。   In the above-described embodiment, the solar cell module 10B is used. FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an example of a schematic configuration of the solar battery 40B. In FIG. 5, the same components as those described in FIGS. As shown in FIG. 5, in the single solar cell 40B, the electrolyte layer 26B and the counter electrode 30B may be formed in a flat plate shape with the cross-section not being L-shaped but omitting the bowl-shaped edge portion. Further, the counter electrode 30B may be, for example, one having the same configuration as that of the light-transmitting conductive substrate 14, or may be one in which platinum is attached to the transparent conductive film 12, or a metal thin film such as platinum. Furthermore, the electrolyte layer 26 </ b> B may omit the porous body and contain the electrolyte in the space between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30. Even in this case, since the electrolyte layer 26 includes the cyclic compound and the copper complex, the solar cell characteristics can be further improved, such as the open circuit voltage Voc and the conversion efficiency Eff are improved.

以下には、本発明の電解質及び太陽電池を具体的に作製した例を実験例として説明する。以下の実施例においては、実験例1、5、6が本発明の実施例に相当し、実験例3、4が比較例に相当し、実験例2が参考例に相当する。   Below, the example which produced the electrolyte and solar cell of this invention concretely is demonstrated as an experiment example. In the following examples, Experimental Examples 1, 5, and 6 correspond to Examples of the present invention, Experimental Examples 3 and 4 correspond to Comparative Examples, and Experimental Example 2 corresponds to a Reference Example.

[実験例1の電解質]
溶媒としてアセトニトリル(AcCN)を80体積%、バレロニトリル(VaCN)を20体積%の混合液を用いた。この混合液に、銅錯体として、銅(I)ビス(2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン)ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド((Cu(dmp)2TFSI)を0.2M、銅(II)ビス(2,9−ジメチル−1,10−フェナントロリン)ビス[ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド]((Cu(dmp)2(TFSI)2)を0.05M、LiTFSIを0.1M、環状化合物としてN−メチルベンズイミダゾール(NMBI)を0.5Mとなるよう各々を加えた。得られた電解質(電解液)を実験例1の電解質とした。
[Electrolyte of Experimental Example 1]
A mixed solution of 80% by volume of acetonitrile (AcCN) and 20% by volume of valeronitrile (VaCN) was used as a solvent. To this mixed solution, 0.2 M copper (I) bis (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ((Cu (dmp) 2 TFSI) as a copper complex, copper (II) Bis (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) bis [bis (trifluoromethylsulfonyl) imide] ((Cu (dmp) 2 (TFSI) 2 ) 0.05M, LiTFSI 0.1M Each of N-methylbenzimidazole (NMBI) as a cyclic compound was added to a concentration of 0.5 M. The obtained electrolyte (electrolytic solution) was used as the electrolyte of Experimental Example 1.

[実験例2の電解質]
NMBIの代わりに、4−tert−ブチルピリジン(TBP)を0.5Mとなるよう加えた以外は、実験例1と同様にして得られたものを実験例2の電解質とした。
[Electrolyte of Experimental Example 2]
The electrolyte obtained in Experimental Example 2 was obtained in the same manner as in Experimental Example 1 except that 4-tert-butylpyridine (TBP) was added to 0.5 M instead of NMBI.

[実験例3の電解質]
環状化合物であるNMBIを加えずに実験例1と同様にして得られたものを実験例3の電解質とした。
[Electrolyte of Experimental Example 3]
The electrolyte obtained in Experimental Example 3 was obtained in the same manner as in Experimental Example 1 without adding the cyclic compound NMBI.

[実験例1〜3の色素増感型太陽電池の作製]
透明導電膜(SnO2)の電極上に、原子層堆積法で緻密TiO2膜(10nm)を形成し、酸化チタン粒子(粒子径:数10nm〜400nm)を印刷し、500℃で焼結後、チタン化合物中に浸漬させ、更に500℃で加熱することによりTiO2電極(光電極)を作製した。インドリンダブルロダニン系の赤色系有機色素(色素1;D358)を光電極に吸着させ、上記作製した電解質を充填させ、溶媒を除去したのち、白金対向電極を光電極に対向させて配置し、シールで固定させた色素増感型太陽電池を作製した。
[Production of dye-sensitized solar cells of Experimental Examples 1 to 3]
A dense TiO 2 film (10 nm) is formed on an electrode of a transparent conductive film (SnO 2 ) by an atomic layer deposition method, titanium oxide particles (particle diameter: several tens of nm to 400 nm) are printed, and sintered at 500 ° C. Then, it was immersed in a titanium compound and further heated at 500 ° C. to prepare a TiO 2 electrode (photoelectrode). An indoline double rhodanine red organic dye (Dye 1; D358) is adsorbed on the photoelectrode, filled with the prepared electrolyte, and after removing the solvent, the platinum counter electrode is placed facing the photoelectrode, A dye-sensitized solar cell fixed with a seal was prepared.

[実験例4の太陽電池]
光吸収層をアモルファスSi(a−Si)とする屋内用の市販太陽電池を実験例4とした。
[Solar Cell of Experimental Example 4]
An indoor commercial solar cell in which the light absorption layer was amorphous Si (a-Si) was used as Experimental Example 4.

[実験例5、6の色素増感型太陽電池の作製]
有機色素を化学式(16)に示す赤色系有機色素(色素2:芳香族アミンをドナーに、π共役系分子を介してシアノカルボン酸アンカー基を持つもの)を用いた以外は、実験例1と同様に作製したものを実験例5の太陽電池とした。また、環状化合物をN−ブチルベンゾイミダゾール(NBBI)とした以外は、実験例5と同様に作製したものを実験例6の太陽電池とした。
[Preparation of dye-sensitized solar cells of Experimental Examples 5 and 6]
Experimental Example 1 except that the organic dye is a red organic dye represented by the chemical formula (16) (Dye 2: having an aromatic amine as a donor and having a cyanocarboxylic acid anchor group via a π-conjugated molecule) A solar cell of Experimental Example 5 was made in the same manner. A solar cell of Experimental Example 6 was prepared in the same manner as Experimental Example 5 except that the cyclic compound was N-butylbenzimidazole (NBBI).

(太陽電池の評価)
1000ルクスのLED光源照射、及び擬似太陽光(Xe+Ha)ランプで1sunでの太陽電池の電流−電圧特性を評価した。また、光を照射しない暗下での電流−電圧特性も評価した。Xeランプの1sun光照射時の交流インピーダンスにより内部抵抗を評価した。また、実験例1、2については、1000ルクスの光源照射下で太陽電池に外部負荷抵抗を接続した作動状態で出力変化を観測する、セルの耐久試験を実施した。耐久試験では、セルを大気中に暴露したのちシールした実験例1、2の太陽電池と、セルを窒素雰囲気中でシールした実験例1の太陽電池とを用いて評価した。
(Evaluation of solar cells)
The current-voltage characteristics of the solar cell at 1 sun were evaluated with 1000 lux LED light source irradiation and pseudo sunlight (Xe + Ha) lamp. Moreover, the current-voltage characteristic in the dark without irradiating light was also evaluated. The internal resistance was evaluated based on the AC impedance when the Xe lamp was irradiated with 1 sun light. In addition, for Experimental Examples 1 and 2, a cell durability test was performed in which an output change was observed in an operating state in which an external load resistor was connected to a solar cell under irradiation of a light source of 1000 lux. In the endurance test, evaluation was performed using the solar cells of Experimental Examples 1 and 2 that were sealed after the cells were exposed to the atmosphere and the solar cell of Experimental Example 1 that sealed the cells in a nitrogen atmosphere.

(結果と考察)
表1には、実験例1〜6の光吸収層の種別、環状化合物の種別、開放電圧Voc(V)、短絡電流密度Jsc(mA/m2)、出力密度(mW/m2)をまとめた。図6は、1sun照射時及び暗下における実験例1、3の電流−電圧特性測定結果である。図6に示すように、環状化合物を添加しない実験例3の色素増感型太陽電池では、1sun照射時、暗下いずれも整流性が悪く、開放電圧、変換効率も低かった。一方、銅錯体に環状化合物を添加した実験例1では、整流性がよく、開放電圧や変換効率も高かった。図7は、実験例1、3の交流インピーダンス測定結果である。図7に示すように、環状化合物を添加しない実験例3では、内部抵抗が500Ωであるのに対し、環状化合物を添加した実験例1では、内部抵抗が60Ωであり、内部抵抗が格段に低下した。この結果より、太陽電池の出力向上が見込まれた。図8は、室内光を考慮した実験例1、2、4のLED光源1000ルクス光照射時の出力密度、開放電圧及び電流密度の測定結果である。図8及び表1に示すように、NMBIを用いた実験例1は、TBPを用いた実験例2に比して出力密度や開放電圧が向上することがわかった。また、低光量照射下においては、従来のアモルファスシリコン太陽電池に比して2倍以上の出力密度を有することがわかった。図9は、実験例5、6のLED光源1000ルクス光照射時の出力密度、開放電圧及び電流密度の測定結果である。図9、表1に示すように、NBBIを用いた実験例6では、NMBIを用いた実験例5に比して、短絡電流密度Jscは同程度であったが、開放電圧Vocが更に向上し、出力密度が向上した。図10は、セルを大気中暴露後にシールした実験例1、2のLED光源1000ルクス光照射時の耐久試験結果である。図11は、セルを窒素雰囲気中でシールした実験例1のLED光源1000ルクス光照射時の耐久試験結果である。図10、11に示すように、実験例1の太陽電池は、実験例2に比して出力密度の維持率が高い特徴を有することがわかった。
(Results and discussion)
Table 1 summarizes the types of light absorbing layers, types of cyclic compounds, open circuit voltage Voc (V), short circuit current density Jsc (mA / m 2 ), and output density (mW / m 2 ) of Experimental Examples 1 to 6. It was. FIG. 6 shows the current-voltage characteristic measurement results of Experimental Examples 1 and 3 during 1 sun irradiation and in the dark. As shown in FIG. 6, in the dye-sensitized solar cell of Experimental Example 3 in which no cyclic compound was added, the rectifying property was poor in the dark when irradiated with 1 sun, and the open-circuit voltage and the conversion efficiency were low. On the other hand, in Experimental Example 1 in which the cyclic compound was added to the copper complex, the rectification was good, and the open circuit voltage and the conversion efficiency were high. FIG. 7 shows AC impedance measurement results of Experimental Examples 1 and 3. As shown in FIG. 7, in Experimental Example 3 in which no cyclic compound was added, the internal resistance was 500Ω, whereas in Experimental Example 1 in which a cyclic compound was added, the internal resistance was 60Ω, and the internal resistance was significantly reduced. did. From this result, the output improvement of the solar cell was expected. FIG. 8 shows the measurement results of the output density, open circuit voltage, and current density when the LED light source 1000 lux light was irradiated in Experimental Examples 1, 2, and 4 in consideration of room light. As shown in FIG. 8 and Table 1, it was found that Experimental Example 1 using NMBI improves the output density and open circuit voltage compared to Experimental Example 2 using TBP. Further, it was found that under low light irradiation, the output density was twice or more that of a conventional amorphous silicon solar cell. FIG. 9 shows the measurement results of the output density, the open circuit voltage, and the current density when the LED light source of Example 5 and 6 is irradiated with 1000 lux light. As shown in FIG. 9 and Table 1, in Experimental Example 6 using NBBI, the short-circuit current density Jsc was comparable to that in Experimental Example 5 using NMBI, but the open-circuit voltage Voc was further improved. , Power density improved. FIG. 10 shows the endurance test results when the LED light source of Experimental Examples 1 and 2 was irradiated with 1000 lux light after the cell was sealed after being exposed to the atmosphere. FIG. 11 shows a durability test result when the LED light source of Experimental Example 1 was irradiated with 1000 lux light in which the cell was sealed in a nitrogen atmosphere. As shown in FIGS. 10 and 11, the solar cell of Experimental Example 1 was found to have a feature that the output density maintenance rate was higher than that of Experimental Example 2.

以上の実験結果より、銅錯体、特に銅が価数変化する銅錯体に、窒素を含む塩基性有機化合物であるNMBIやNBBIを複合化させると、太陽電池特性がより向上することがわかった。塩基性有機化合物としては、例えば、化学式(2)〜(8)のようなものも同様の効果が得られると推察された。   From the above experimental results, it was found that when NMBI or NBBI, which is a basic organic compound containing nitrogen, is combined with a copper complex, particularly a copper complex in which copper has a valence change, the solar cell characteristics are further improved. As the basic organic compound, for example, it is presumed that the same effects as those of the chemical formulas (2) to (8) can be obtained.

本発明は、太陽電池及び太陽電池モジュールに好適に利用可能である。   The present invention can be suitably used for solar cells and solar cell modules.

10,10B 太陽電池モジュール、11 透明基板、12 透明導電膜、13 受光面、14 光透過導電性基板、15 受光面、16,17 集電電極、18 溝、20 光電極、21 接続部、22 下地層、23 受光面、24 電子輸送層、25 裏面、26,26B 電解質層、27 裏面、29 セパレータ、30,30B 対極、32 シール材、34 保護部材、40,40B 太陽電池。   10, 10B Solar cell module, 11 Transparent substrate, 12 Transparent conductive film, 13 Light receiving surface, 14 Light transmitting conductive substrate, 15 Light receiving surface, 16, 17 Current collecting electrode, 18 Groove, 20 Photo electrode, 21 Connection portion, 22 Underlayer, 23 Light-receiving surface, 24 Electron transport layer, 25 Back surface, 26, 26B Electrolyte layer, 27 Back surface, 29 Separator, 30, 30B Counter electrode, 32 Seal material, 34 Protection member, 40, 40B Solar cell.

Claims (9)

光吸収層を有する光電極と、前記光電極に向かい合うように配置された対極とを備えた太陽電池の前記光電極と前記対極との間に介在して用いられる電解質であって、
窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物である環式化合物と、銅錯体とを含む、電解質。
An electrolyte used between the photoelectrode and the counter electrode of a solar cell comprising a photoelectrode having a light absorption layer and a counter electrode arranged to face the photoelectrode,
An electrolyte comprising a cyclic compound, which is a heterocyclic compound having one or more nitrogen atoms and having two or more rings, and a copper complex.
前記環式化合物は、イミダゾール構造、ピリジン構造、ピリミジン構造、オキサゾール構造及びチアゾール構造のうち1以上を有する、請求項1に記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1, wherein the cyclic compound has one or more of an imidazole structure, a pyridine structure, a pyrimidine structure, an oxazole structure, and a thiazole structure. 前記環式化合物は、化学式(1)〜()のうちいずれか1以上である、請求項1又は2に記載の電解質。
The electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the cyclic compound is any one or more of chemical formulas (1) to ( 5 ).
前記銅錯体は、有機配位子を有し、銅が価数変化する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the copper complex has an organic ligand and copper changes in valence. 前記銅錯体は、化学式()〜(12)のうちいずれか1以上の構造を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質。
The electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein the copper complex has any one or more structures of chemical formulas ( 6 ) to ( 12 ).
光吸収層を有する光電極と、
前記光電極に向かい合うように配置された対極と、
前記光電極と前記対極との間に介在する請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質と、
を備えた太陽電池。
A photoelectrode having a light absorbing layer;
A counter electrode arranged to face the photoelectrode;
The electrolyte according to any one of claims 1 to 5, which is interposed between the photoelectrode and the counter electrode,
Solar cell with
前記光電極は、有機色素、金属錯体及び有機ハロゲン化金属化合物のうち1以上の前記光吸収層を有する、請求項6に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 6, wherein the photoelectrode includes one or more of the light absorption layers of an organic dye, a metal complex, and an organic metal halide compound. 前記光電極は、前記光吸収層で被覆されたn型半導体層を光透過導電性基板上に備えている、請求項6又は7に記載の太陽電池。   The solar cell according to claim 6 or 7, wherein the photoelectrode includes an n-type semiconductor layer covered with the light absorption layer on a light-transmitting conductive substrate. 請求項6〜8のいずれか1項に記載の太陽電池を複数備えている、太陽電池モジュール。   The solar cell module provided with two or more solar cells of any one of Claims 6-8.
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