JP7003387B2 - Photoelectric conversion element, solar cell and synthesis method - Google Patents
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Description
本発明はホール輸送材料及び、光電変換素子並びにこれを備えた太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a hole transport material, a photoelectric conversion element, and a solar cell provided with the photoelectric conversion element.
近年、電子回路における駆動電力が非常に少なくなり、微弱な電力でもセンサ等の様々な電子部品を駆動することができるようになった。さらに、センサの活用に際し、その場で発電し消費できる自立電源(環境発電素子)への応用が期待されており、その中でも太陽電池は光があればどこでも発電できる素子として注目を集めている。 In recent years, the driving power in electronic circuits has become extremely small, and it has become possible to drive various electronic components such as sensors even with a weak power. Furthermore, when using sensors, it is expected to be applied to self-sustaining power sources (environmental power generation elements) that can generate and consume electricity on the spot. Among them, solar cells are attracting attention as elements that can generate electricity anywhere if there is light.
太陽電池の中でも、スイスローザンヌ工科大学のGraetzelらが発表した色素増感型太陽電池は、微弱な室内光環境化においてアモルファスシリコン太陽電池以上の高い光電変換特性を有することが報告されている(非特許文献1参照)。
発電性能が高い従来の電解液を用いた色素増感型太陽電池は、電解液の揮発や漏れ等の懸念がある。そこで、実用化を想定した際には、電解液の固体化が望まれる。低分子有機ホール輸送材料を用いたもの(例えば、特許文献1、非特許文献2、3参照)等、多く報告されている。室内光のような微弱な光を電気に変換する際には、光電変換素子における内部抵抗による損失電流が顕著であることが報告されている(非特許文献4参照)。
Among the solar cells, the dye-sensitized solar cell announced by Gratezel et al. Of Swiss Federal Institute of Technology has been reported to have higher photoelectric conversion characteristics than the amorphous silicon solar cell in a weak indoor light environment (non-amorphous silicon solar cell). See Patent Document 1).
Dye-sensitized solar cells that use conventional electrolytes with high power generation performance have concerns about volatilization and leakage of the electrolytes. Therefore, when it is assumed that the electrolytic solution will be put into practical use, it is desired that the electrolytic solution be solidified. Many have been reported, such as those using a small molecule organic hole transport material (see, for example,
以上、これまでに検討されてきた固体型光電変換素子は、何れも擬似太陽光における発電性能のみ報告されており、室内光における発電性能は報告されていない。また、非特許文献2記載のspiro-OMeTADと呼ばれるホール輸送材料は、材料コストが高く、低コスト化が望まれる。また、spiro-OMeTADを用いた太陽電池に関する60℃耐熱性試験が報告されている(非特許文献5)。前記試験の結果は、時間と共に出力低下が認められる。
As described above, all of the solid-state photoelectric conversion elements that have been studied so far have reported only the power generation performance in pseudo-sunlight, and not the power generation performance in indoor light. Further, the hole transport material called spiro-OMeTAD described in Non-Patent
そこで、本発明は上記課題を鑑み、高温保存下においても、室内光等の微弱な照射光において、優れた光電変換性を有する光電変換素子を得ることができるホール輸送材料を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a hole transport material capable of obtaining a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion property even under weak irradiation light such as indoor light even under high temperature storage. And.
上記課題を解決するために、本発明のホール輸送材料は以下のとおりである。
下記一般式(1)で表されるホール輸送材料。
A hole transport material represented by the following general formula (1).
本発明によれば、高温保存下においても、室内光等の微弱な照射光において、優れた光電変換性を有する光電変換素子を得ることができるホール輸送材料を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a hole transport material capable of obtaining a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion property even in a weak irradiation light such as indoor light even under high temperature storage.
本発明のホール輸送材料は、下記一般式(1)で表される。
なお、R1とR2とは同一であってもよい。
The hole transport material of the present invention is represented by the following general formula (1).
It should be noted that R 1 and R 2 may be the same.
前記非特許文献2に記載のspiro-OMeTADは、以下の構造式で表され、高温保存下に出力低下が認められる要因の一つに、spiro-OMeTADの結晶化が挙げられる。この結晶化を抑制する一つの方法にホール輸送材料を非対称化することが考えられ、本発明者らが鋭意検討した結果、8つのメトキシ基を4つのエトキシ基と4つのメトキシ基で非対称化させることで、ホール輸送材料の結晶化を抑制できることが明らかになった。また、エトキシ基を用いた原材料費の方が安価に入手することでき、低コスト化にも寄与することができる。
従来のホール輸送材料を用いた場合は、高温プロセス時にホール輸送層中のホール輸送材料と添加剤である塩基性化合物やリチウム塩等の構成材料のモルフォロジーが変化し、出力低下していると考えている。
モルフォロジー変化を抑制する為には、ホール輸送材料を結晶性の高い材料にすることが一つの解決策と考えられるが、固体型色素増感太陽電池におけるホール輸送材料は、アモルファス状態でないと高い出力が得られない。その為、鋭意検討した結果、8つのメトキシ基を4つのエトキシ基と4つのメトキシ基で非対称化することで、よりアモルファス性が高くなり、結晶化抑制が可能となった。結果として、100℃の高温保存下においても、室内光等の微弱な照射光において、優れた光電変換性を有する光電変換素子を得ることができた。
When the conventional hole transport material is used, it is considered that the morphology of the hole transport material in the hole transport layer and the constituent materials such as basic compounds and lithium salts, which are additives, changes during the high temperature process, resulting in a decrease in output. ing.
In order to suppress the change in morphology, it is considered that one solution is to use a highly crystalline material for the hole transport material, but the hole transport material in the solid dye-sensitized solar cell has a high output unless it is in an amorphous state. Cannot be obtained. Therefore, as a result of diligent studies, the asymmetry of the eight methoxy groups with the four ethoxy groups and the four methoxy groups resulted in higher amorphousness and suppression of crystallization. As a result, it was possible to obtain a photoelectric conversion element having excellent photoelectric conversion property even in a weak irradiation light such as indoor light even under high temperature storage at 100 ° C.
前記一般式(1)で表されるホール輸送材料における具体的な例示化合物を下記に記すが、何らこれらに限定されるものではない。
以下、本発明に係る光電変換素子及び太陽電池について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Hereinafter, the photoelectric conversion element and the solar cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments shown below, and can be modified within the range conceivable by those skilled in the art, such as other embodiments, additions, modifications, and deletions. However, as long as the action and effect of the present invention are exhibited, it is included in the scope of the present invention.
本発明の光電変換素子は、第一の電極と、ホールブロッキング層と、電子輸送層と、ホール輸送層と、第二の電極とを有し、前記ホール輸送層は、本発明のホール輸送材料を含む。
光電変換素子及び太陽電池の構成について図1に基づいて説明する。なお、図1は光電変換素子及び太陽電池の断面図の一例である。
図1に示す態様においては、基板1上に第一の電極2が形成され、第一の電極2上にホールブロッキング層3が形成され、ホールブロッキング層3上に電子輸送層4が形成され、電子輸送層4における電子輸送性材料に光増感材料5が吸着し、第一の電極2と対向する第二の電極7との間にホール輸送層6が挟み込まれた構成の例が図示されている。また、図1では、第一の電極2と第二の電極7が導通するようにリードライン8、9が設けられている構成の例が図示されている。以下、詳細を説明する。
The photoelectric conversion element of the present invention has a first electrode, a hole blocking layer, an electron transport layer, a hole transport layer, and a second electrode, and the hole transport layer is the hole transport material of the present invention. including.
The configuration of the photoelectric conversion element and the solar cell will be described with reference to FIG. Note that FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of a photoelectric conversion element and a solar cell.
In the embodiment shown in FIG. 1, the
<基板>
本発明に用いられる基板1としては、特に制限されるものではなく、公知のものを用いることができる。基板1は透明な材質のものが好ましく、例えばガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体等が挙げられる。
<Board>
The
<第一の電極>
本発明に用いられる第一の電極2としては、可視光に対して透明な導電性物質であれば特に限定されるものではなく、通常の光電変換素子、あるいは液晶パネル等に用いられる公知のものを使用できる。
第一の電極の材料としては、例えば、インジウム・スズ酸化物(以下、ITOと称す)、フッ素ドープ酸化スズ(以下、FTOと称す)、アンチモンドープ酸化スズ(以下、ATOと称す)、インジウム・亜鉛酸化物、ニオブ・チタン酸化物、グラフェン等が挙げられ、これらが単独あるいは複数積層されていてもよい。
第一の電極の厚さは5nm~10μmが好ましく、50nm~1μmがさらに好ましい。
<First electrode>
The
Examples of the material of the first electrode include indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO), fluorine-doped tin oxide (hereinafter referred to as FTO), antimonated tin oxide (hereinafter referred to as ATO), and indium tin oxide. Examples thereof include zinc oxide, niobium-titanium oxide, graphene and the like, and these may be used alone or in combination of two or more.
The thickness of the first electrode is preferably 5 nm to 10 μm, more preferably 50 nm to 1 μm.
また、第一の電極は一定の硬性を維持するため、可視光に透明な材質からなる基板1上に設けることが好ましく、基板としては、例えば、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用いられる。
第一の電極と基板とが一体となっている公知のものを用いることもでき、例えば、FTOコートガラス、ITOコートガラス、酸化亜鉛:アルミニウムコートガラス、FTOコート透明プラスチック膜、ITOコート透明プラスチック膜等が挙げられる。
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透明電極、メッシュ状、ストライプ状等、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でもよい。
Further, in order to maintain a certain degree of hardness, the first electrode is preferably provided on a
A known one in which the first electrode and the substrate are integrated can also be used, for example, FTO-coated glass, ITO-coated glass, zinc oxide: aluminum-coated glass, FTO-coated transparent plastic film, ITO-coated transparent plastic film. And so on.
In addition, a transparent 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 or a stripe is provided on a substrate such as a glass substrate. But it may be.
これらは単独あるいは2種以上の混合、または積層したものでも構わない。また抵抗を下げる目的で、金属リード線等を併用してもよい。
前記金属リード線の材質は、アルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル等の金属が挙げられる。金属リード線は、基板に蒸着、スパッタリング、圧着等で設置し、その上にITOやFTOを設ける方法により形成できる。
These may be alone, mixed with two or more kinds, or laminated. Further, for the purpose of lowering the resistance, a metal lead wire or the like may be used together.
Examples of the material of the metal lead wire include metals such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, and nickel. The metal lead wire can be formed by installing it on a substrate by thin film deposition, sputtering, crimping or the like, and then providing ITO or FTO on the metal lead wire.
<ホールブロッキング層>
本発明で用いられるホールブロッキング層3を構成する材料としては、可視光に対して透明であり、かつ電子輸送性材料であれば特に限定されるものではないが、特に酸化チタンが好ましい。ホールブロッキング層は、電解質が電極と接して、電解質中のホールと電極表面の電子が再結合(いわゆる逆電子移動)することによる電力低下を抑制するために設けられる。このホールブロッキング層3の効果は、固体型色素増感型太陽電池において特に顕著である。これは、電解液を用いた湿式色素増感太陽電池と比較し、有機ホール輸送材料等を用いた固体型色素増感型太陽電池はホール輸送材料中のホールと電極表面の電子の再結合(逆電子移動)速度が速いことに起因している。
<Hole blocking layer>
The material constituting the
ホールブロッキング層の製膜方法は限定しないが、室内光における損失電流を抑制するためには、高い内部抵抗が必要であり、製膜方法も重要である。一般的には、湿式製膜となるゾルゲル法が挙げられるが、膜密度が低く十分に損失電流を抑制できない。そのため、より好ましくは、スパッタリング法などの乾式製膜であり、膜密度が十分に高く損失電流を抑制できる。 The film forming method of the hole blocking layer is not limited, but a high internal resistance is required in order to suppress the loss current in the room light, and the film forming method is also important. Generally, a sol-gel method in which a wet film is formed can be mentioned, but the film density is low and the loss current cannot be sufficiently suppressed. Therefore, more preferably, it is a dry film forming method such as a sputtering method, and the film density is sufficiently high and the loss current can be suppressed.
このホールブロッキング層は、第一の電極2とホール輸送層6との電子的コンタクトを防ぐ目的でも形成される。このホールブロッキング層の膜厚は特に制限はないが、5nm~1μmが好ましく、湿式製膜では500~700nmがより好ましく、乾式製膜では10nm~30nmがより好ましい。
This hole blocking layer is also formed for the purpose of preventing electronic contact between the
<電子輸送層>
本発明の光電変換素子及び太陽電池は、上記のホールブロッキング層3上に多孔質状の電子輸送層4を形成するものであり、この電子輸送層は、単層であっても多層であってもよい。
電子輸送層は電子輸送性材料から構成される。電子輸送性材料としては半導体粒子が好ましく用いられる。
多層の場合、粒径の異なる半導体粒子の分散液を多層塗布することも、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。
一度の塗布で膜厚が不足する場合には、多層塗布は有効な手段である。
一般的に、電子輸送層の膜厚が増大するほど単位投影面積当たりの担持光増感材料量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、注入された電子の拡散距離も増えるため電荷の再結合によるロスも大きくなってしまう。
したがって、電子輸送層の膜厚は100nm~100μmが好ましい。
<Electron transport layer>
The photoelectric conversion element and the solar cell of the present invention form a porous
The electron transport layer is composed of an electron transport material. Semiconductor particles are preferably used as the electron transporting material.
In the case of multiple layers, dispersions of semiconductor particles having different particle sizes can be applied in multiple layers, or different types of semiconductors, resins, and coating layers having different composition of additives can be applied in multiple layers.
Multilayer coating is an effective means when the film thickness is insufficient with one coating.
In general, as the film thickness of the electron transport layer increases, the amount of carried light sensitizing material per unit projected area also increases, so the light capture rate increases, but the diffusion distance of the injected electrons also increases, so the charge recombination The loss due to bonding also increases.
Therefore, the film thickness of the electron transport layer is preferably 100 nm to 100 μm.
前記半導体としては特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。
具体的には、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、あるいは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、またはペロブスカイト構造を有する化合物等を挙げることができる。
金属のカルコゲニドとしてはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、あるいはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。
他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、等のリン化物、ガリウム砒素、銅-インジウム-セレン化物、銅-インジウム-硫化物等が好ましい。
また、ペロブスカイト構造を有する化合物としては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等が好ましい。
これらの中でも酸化物半導体が好ましく、特に酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニオブが好ましく、単独、あるいは2種以上の混合で使用しても構わない。これらの半導体の結晶型は特に限定されるものではなく、単結晶でも多結晶でも、あるいは非晶質でも構わない。
The semiconductor is not particularly limited, and known semiconductors can be used.
Specific examples thereof include elemental semiconductors such as silicon and germanium, compound semiconductors typified by metallic chalcogenides, and compounds having a perovskite structure.
Metallic chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lantern, vanadium, niobium, or tantalum oxide, cadmium, zinc, lead, silver, antimony, bismuth. Examples include sulfide, cadmium, lead selenium, and cadmium telluride.
As other compound semiconductors, phosphides such as zinc, gallium, indium and cadmium, gallium arsenic, copper-indium-selenium, copper-indium-sulfide and the like are preferable.
Further, as the compound having a perovskite structure, strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate and the like are preferable.
Of these, oxide semiconductors are preferable, and titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and niobium oxide are particularly preferable, and they may be used alone or in admixture of two or more. The crystal type of these semiconductors is not particularly limited, and may be single crystal, polycrystal, or amorphous.
半導体粒子のサイズに特に制限はないが、一次粒子の平均粒径は1~100nmが好ましく、5~50nmがより好ましい。
また、より大きい平均粒径の半導体粒子を混合あるいは積層して入射光を散乱させる効果により、効率を向上させることも可能である。この場合の半導体の平均粒径は50~500nmが好ましい。
The size of the semiconductor particles is not particularly limited, but the average particle size of the primary particles is preferably 1 to 100 nm, more preferably 5 to 50 nm.
It is also possible to improve efficiency by the effect of mixing or laminating semiconductor particles having a larger average particle size to scatter incident light. In this case, the average particle size of the semiconductor is preferably 50 to 500 nm.
電子輸送層の作製方法には特に制限はなく、スパッタリング等の真空中で薄膜を形成する方法や湿式製膜法が挙げられる。
製造コスト等を考慮した場合、特に湿式製膜法が好ましく、半導体粒子の粉末あるいはゾルを分散したペーストを調製し、電子集電電極基板上に塗布する方法が好ましい。
この湿式製膜法を用いた場合、塗布方法は特に制限はなく、公知の方法にしたがって行なうことができる。
例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法、また、湿式印刷方法として、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等様々な方法を用いることができる。
The method for producing the electron transport layer is not particularly limited, and examples thereof include a method of forming a thin film in a vacuum such as sputtering and a wet film forming method.
In consideration of manufacturing cost and the like, a wet film forming method is particularly preferable, and a method of preparing a paste in which a powder of semiconductor particles or a sol is dispersed and applying it on an electron collecting electrode substrate is preferable.
When this wet film forming method is used, the coating method is not particularly limited and can be carried out according to a known method.
For example, dip method, spray method, wire bar method, spin coating method, roller coating method, blade coating method, gravure coating method, and various wet printing methods such as letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing, etc. Method can be used.
半導体粒子の分散液を機械的粉砕、あるいはミルを使用して作製する場合、少なくとも半導体粒子単独、あるいは半導体粒子と樹脂の混合物を水あるいは有機溶剤に分散して形成される。
このときに使用される樹脂としては、たとえば、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等によるビニル化合物の重合体や共重合体、シリコン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリエステル樹脂、セルロースエステル樹脂、セルロースエーテル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。
半導体粒子を分散する溶媒としては、たとえば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、α-テルピネオール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n-ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、あるいはN-メチル-2-ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1-クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタン、1,5-ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができる。これらは単独、あるいは2種以上の混合溶媒として用いることができる。
When the dispersion liquid of the semiconductor particles is mechanically pulverized or produced by using a mill, it is formed by at least the semiconductor particles alone or a mixture of the semiconductor particles and the resin dispersed in water or an organic solvent.
Examples of the resin used at this time include polymers and copolymers of vinyl compounds such as styrene, vinyl acetate, acrylic acid ester, and methacrylate ester, silicon resin, phenoxy resin, polysulfone resin, polyvinyl butyral resin, and polyvinyl. Examples thereof include formal resin, polyester resin, cellulose ester resin, cellulose ether resin, urethane resin, phenol resin, epoxy resin, polycarbonate resin, polyarylate resin, polyamide resin, and polyimide resin.
Examples of the solvent for dispersing the semiconductor particles include an alcohol solvent such as water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, α-terpineol, a ketone solvent such as acetone, methyl ethyl ketone, or methyl isobutyl ketone, ethyl formate, ethyl acetate, or the like. Ester solvent such as n-butyl acetate, ether solvent such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or N-methyl-2-pyrrolidone. Amido-based solvents such as dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, or halogenated hydrocarbons such as 1-chloronaphthalene. Solvents, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, cumene, etc. A hydrocarbon solvent can be mentioned. These can be used alone or as a mixed solvent of two or more kinds.
半導体粒子の分散液、あるいはゾル-ゲル法等によって得られた半導体粒子のペーストは、粒子の再凝集を防ぐため、塩酸、硝酸、酢酸等の酸、ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル等の界面活性剤、アセチルアセトン、2-アミノエタノール、エチレンジアミン等のキレート化剤等を添加することができる。
また、製膜性を向上させる目的で増粘剤を添加することも有効な手段である。
このとき加える増粘剤としては、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール等の高分子、エチルセルロース等の増粘剤等が挙げられる。
The dispersion liquid of the semiconductor particles or the paste of the semiconductor particles obtained by the sol-gel method or the like is prepared by using an acid such as hydrochloric acid, nitric acid or acetic acid, polyoxyethylene (10) octylphenyl ether or the like in order to prevent the particles from reaggregating. A surfactant, a chelating agent such as acetylacetone, 2-aminoethanol, ethylenediamine and the like can be added.
It is also an effective means to add a thickener for the purpose of improving the film-forming property.
Examples of the thickener to be added at this time include polymers such as polyethylene glycol and polyvinyl alcohol, and thickeners such as ethyl cellulose.
半導体粒子は、塗布した後に粒子同士を電子的にコンタクトさせ、膜強度の向上や基板との密着性を向上させるために焼成、マイクロ波照射、電子線照射、あるいはレーザー光照射を行なうことが好ましい。これらの処理は単独で行なってもあるいは二種類以上組み合わせて行なってもよい。 After coating the semiconductor particles, the particles are preferably electronically contacted with each other, and firing, microwave irradiation, electron beam irradiation, or laser light irradiation is preferably performed in order to improve the film strength and the adhesion to the substrate. .. These processes may be performed individually or in combination of two or more types.
焼成する場合、焼成温度の範囲に特に制限はないが、温度を上げ過ぎると基板の抵抗が高くなったり、溶融したりすることもあるため、30~700℃が好ましく、100~600℃がより好ましい。また、焼成時間にも特に制限はないが、10分~10時間が好ましい。 In the case of firing, the range of the firing temperature is not particularly limited, but if the temperature is raised too much, the resistance of the substrate may increase or the substrate may melt, so 30 to 700 ° C is preferable, and 100 to 600 ° C is more preferable. preferable. Further, the firing time is not particularly limited, but 10 minutes to 10 hours is preferable.
前記マイクロ波照射は、電子輸送層形成側から照射しても、裏側から照射しても構わない。
照射時間には特に制限がないが、1時間以内で行なうことが好ましい。
The microwave irradiation may be performed from the electron transport layer forming side or from the back side.
The irradiation time is not particularly limited, but it is preferably performed within 1 hour.
焼成後、半導体粒子の表面積の増大や、光増感材料から半導体粒子への電子注入効率を高める目的で、例えば四塩化チタンの水溶液や有機溶剤との混合溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行なってもよい。 After firing, for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor particles and increasing the efficiency of electron injection from the photosensitizing material into the semiconductor particles, for example, chemical plating using an aqueous solution of titanium tetrachloride or a mixed solution with an organic solvent or titanium trichloride Electrochemical plating treatment using an aqueous solution may be performed.
直径が数十nmの半導体粒子を焼結等によって積層した膜は、多孔質状態を形成する。このナノ多孔構造は、非常に高い表面積を持ち、その表面積はラフネスファクターを用いて表わすことができる。
このラフネスファクターは、基板に塗布した半導体粒子の面積に対する多孔質内部の実面積を表わす数値である。したがって、ラフネスファクターは大きいほど好ましいが、電子輸送層の膜厚との関係もあり、本発明においては20以上が好ましい。
A film obtained by laminating semiconductor particles having a diameter of several tens of nm by sintering or the like forms a porous state. This nanoporous structure has a very high surface area, which can be expressed using the roughness factor.
This roughness factor is a numerical value representing the actual area inside the porous medium with respect to the area of the semiconductor particles coated on the substrate. Therefore, the larger the roughness factor is, the more preferable it is, but in the present invention, it is preferably 20 or more because of the relationship with the film thickness of the electron transport layer.
<光増感材料>
本発明では変換効率のさらなる向上のため、光増感材料を電子輸送層4である電子輸送性材料の表面に吸着させることが好ましい。
<Light sensitizer material>
In the present invention, in order to further improve the conversion efficiency, it is preferable to adsorb the photosensitizer on the surface of the electron transporting material which is the
光増感材料5は、使用される励起光により光励起される化合物であれば上記に限定されないが、具体的には以下の化合物も挙げられる。
特表平7-500630号公報、特開平10-233238号公報、特開2000-26487号公報、特開2000-323191号公報、特開2001-59062号公報等に記載の金属錯体化合物、特開平10-93118号公報、特開2002-164089号公報、特開2004-95450号公報、J.Phys.Chem.C,7224,Vol.111(2007)等に記載のクマリン化合物、同特開2004-95450号公報、Chem.Commun.,4887(2007)等に記載のポリエン化合物、特開2003-264010号公報、特開2004-63274号公報、特開2004-115636号公報、特開2004-200068号公報、特開2004-235052号公報、J.Am.Chem.Soc.,12218,Vol.126(2004)、Chem.Commun.,3036(2003)、Angew.Chem.Int.Ed.,1923,Vol.47(2008)等に記載のインドリン化合物、J.Am.Chem.Soc.,16701,Vol.128(2006)、J.Am.Chem.Soc.,14256,Vol.128(2006)等に記載のチオフェン化合物、特開平11-86916号公報、特開平11-214730号公報、特開2000-106224号公報、特開2001-76773号公報、特開2003-7359号公報等に記載のシアニン色素、特開平11-214731号公報、特開平11-238905号公報、特開2001-52766号公報、特開2001-76775号公報、特開2003-7360号公報等に記載メロシアニン色素、特開平10-92477号公報、特開平11-273754号公報、特開平11-273755号公報、特開2003-31273号公報等に記載の9-アリールキサンテン化合物、特開平10-93118号公報、特開2003-31273号公報等に記載のトリアリールメタン化合物、特開平9-199744号公報、特開平10-233238号公報、特開平11-204821号公報、特開平11-265738号公報、J.Phys.Chem.,2342,Vol.91(1987)、J.Phys.Chem.B,6272,Vol.97(1993)、Electroanal.Chem.,31,Vol.537(2002)、特開2006-032260号公報、J.Porphyrins Phthalocyanines,230,Vol.3(1999)、Angew.Chem.Int.Ed.,373,Vol.46(2007)、Langmuir,5436,Vol.24(2008)等に記載のフタロシアニン化合物、ポルフィリン化合物等を挙げることができる。特にこの中で、金属錯体化合物、クマリン化合物、ポリエン化合物、インドリン化合物、チオフェン化合物を用いることが好ましい。
The
Metal complex compounds described in JP-A-7-500630, JP-A-10-233238, JP-A-2000-26487, JP-A-2000-323191, JP-A-2001-59062, etc. 10-93118, JP-A-2002-164809, JP-A-2004-95450, J. Mol. Phys. Chem. C, 7224, Vol. 111 (2007) and the like, coumarin compound, JP-A-2004-95450, Chem. Commun. , 4887 (2007) and the like, JP-A-2003-264010, JP-A-2004-63274, JP-A-2004-115636, JP-A-2004-200068, JP-A-2004-235052. Gazette, J. Mol. Am. Chem. Soc. , 12218, Vol. 126 (2004), Chem. Commun. , 3036 (2003), Angew. Chem. Int. Ed. , 1923, Vol. 47 (2008) and the like. Am. Chem. Soc. , 16701, Vol. 128 (2006), J. Mol. Am. Chem. Soc. , 14256, Vol. The thiophene compound described in 128 (2006) and the like, JP-A-11-86916, JP-A-11-214730, JP-A-2000-106224, JP-A-2001-76773, JP-A-2003-7359. Cyanine dyes described in JP-A-11-214731, JP-A-11-238905, JP-A-2001-52766, JP-A-2001-7675, JP-A-2003-7360, etc. Dyes, 9-arylxanthene compounds described in JP-A-10-92477, JP-A-11-273754, JP-A-11-273755, JP-A-2003-31273, etc., JP-A-10-93118. , JP-A-2003-31273, Triarylmethane Compounds, JP-A-9-199744, JP-A-10-233238, JP-A-11-204821, JP-A-11-265738, J. .. Phys. Chem. , 2342, Vol. 91 (1987), J. Mol. Phys. Chem. B, 6272, Vol. 97 (1993), Electrical. Chem. , 31, Vol. 537 (2002), JP-A-2006-032260, J. Mol. Porphyrins Phthalocyanines, 230, Vol. 3 (1999), Angew. Chem. Int. Ed. , 373, Vol. 46 (2007), Langmuir, 5436, Vol. 24 (2008) and the like, the phthalocyanine compound, the porphyrin compound and the like can be mentioned. In particular, among these, it is preferable to use a metal complex compound, a coumarin compound, a polyene compound, an indoline compound, and a thiophene compound.
更に好ましくは、三菱製紙社製の下記構造式(3)で表されるD131、下記構造式(4)で表されるD102、下記構造式(5)で表されるD358が挙げられる。
電子輸送層4に光増感材料5を吸着させる方法としては、光増感材料溶液中あるいは分散液中に半導体粒子を含有する電子集電電極を浸漬する方法、溶液あるいは分散液を電子輸送層に塗布して吸着させる方法を用いることができる。
前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等を用いることができる。
後者の場合は、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。
また、二酸化炭素などを用いた超臨界流体中で吸着させても構わない。
As a method of adsorbing the
In the former case, a dipping method, a dip method, a roller method, an air knife method, or the like can be used.
In the latter case, a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, a spray method and the like can be used.
Further, it may be adsorbed in a supercritical fluid using carbon dioxide or the like.
光増感材料を吸着させる際、縮合剤を併用してもよい。
前記縮合剤は、無機物表面に物理的あるいは化学的に光増感材料と電子輸送化合物を結合すると思われる触媒的作用をするもの、または化学量論的に作用し、化学平衡を有利に移動させるものの何れであってもよい。
さらに、縮合助剤としてチオールやヒドロキシ化合物を添加してもよい。
When adsorbing the photosensitizer, a condensing agent may be used in combination.
The condensing agent has a catalytic action that seems to physically or chemically bind the photosensitizer and the electron transport compound to the surface of the inorganic substance, or acts stoichiometrically to advantageously move the chemical equilibrium. Any of them may be used.
Further, a thiol or a hydroxy compound may be added as a condensation aid.
光増感材料を溶解、あるいは分散する溶媒としては、たとえば、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、
アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、
ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n-ブチル等のエステル系溶媒、
ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、
N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、あるいはN-メチル-2-ピロリドン等のアミド系溶媒、
ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1-クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、
n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタン、1,5-ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができ、これらは単独、あるいは2種以上の混合として用いることができる。
Examples of the solvent for dissolving or dispersing the photosensitizing material include alcohol-based solvents such as water, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol.
Ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, or methyl isobutyl ketone,
Ester solvents such as ethyl formate, ethyl acetate, or n-butyl acetate,
Ethereal solvents such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or dioxane,
Amide solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or N-methyl-2-pyrrolidone,
Halogenated hydrocarbon solvents such as dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichlorethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, or 1-chloronaphthalene,
Hydrocarbons such as n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, or cumene. Examples of the system solvent can be mentioned, and these can be used alone or as a mixture of two or more kinds.
また、光増感材料は、その種類によっては化合物間の凝集を抑制した方がより効果的に働くものが存在するため、凝集解離剤を併用しても構わない。
前記凝集解離剤としてはコール酸、ケノデオキシコール酸などのステロイド化合物、長鎖アルキルカルボン酸または長鎖アルキルホスホン酸が好ましく、用いる光増感材料に対して適宜選ばれる。
これら凝集解離剤の添加量は、光増感材料1質量部に対して0.01~500質量部が好ましく、0.1~100質量部がより好ましい。
Further, depending on the type of the photosensitizer, there is a material that works more effectively if the aggregation between the compounds is suppressed, so that an aggregation dissociating agent may be used in combination.
As the coagulation dissociator, a steroid compound such as cholic acid or chenodeoxycholic acid, a long-chain alkylcarboxylic acid or a long-chain alkylphosphonic acid is preferable, and a photosensitizing material to be used is appropriately selected.
The amount of these coagulation dissociators added is preferably 0.01 to 500 parts by mass, more preferably 0.1 to 100 parts by mass with respect to 1 part by mass of the photosensitizer.
これらを用い、光増感材料、あるいは光増感材料と凝集解離剤を吸着する際の温度としては、-50℃以上、200℃以下が好ましい。
また、この吸着は静置しても攪拌しながら行なっても構わない。
Using these, the temperature at which the photosensitizer or the photosensitizer and the agglutination dissociator are adsorbed is preferably −50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
Further, this adsorption may be carried out by allowing it to stand still or stirring it.
前記攪拌する場合の方法としては、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザー、あるいは超音波分散等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
吸着に要する時間は、5秒以上、1000時間以下が好ましく、10秒以上、500時間以下がより好ましく、1分以上、150時間がさらに好ましい。
また、吸着は暗所で行なうことが好ましい。
Examples of the method for stirring include, but are not limited to, a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, and ultrasonic dispersion.
The time required for adsorption is preferably 5 seconds or more and 1000 hours or less, more preferably 10 seconds or more and 500 hours or less, and even more preferably 1 minute or more and 150 hours.
Further, it is preferable that the adsorption is performed in a dark place.
<ホール輸送層>
一般的にホール輸送層としては、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、無機ホール輸送材料、有機ホール輸送材料等が用いられるが、本発明の光電変換素子のホール輸送層6は、下記一般式(1)で表される有機ホール輸送材料を含有する。
Generally, the hole transport layer includes an electrolytic solution in which an oxidation-reduction pair is dissolved in an organic solvent, a gel electrolyte in which a liquid in which an oxidation-reduction pair is dissolved in an organic solvent is impregnated in a polymer matrix, a molten salt containing an oxidation-reduction pair, and a solid. An electrolyte, an inorganic hole transport material, an organic hole transport material, and the like are used, and the
ホール輸送層は、前記一般式(1)で表される有機ホール輸送材料を50~95質量%含有することが好ましく、70~85質量%含有することがより好ましい。
本発明のホール輸送材料は、高温環境下保管性に優れた光電変換特性を得ることができる。さらに、報告例が少ない室内光等の微弱光における光電変換する際に、特に際立って優位性が現れることを検証することができた。
The hole transport layer preferably contains 50 to 95% by mass, more preferably 70 to 85% by mass, of the organic hole transport material represented by the general formula (1).
The hole transport material of the present invention can obtain photoelectric conversion characteristics excellent in storage in a high temperature environment. Furthermore, it was possible to verify that the superiority appears particularly remarkably in the case of photoelectric conversion in weak light such as indoor light, which is rarely reported.
また、本発明においては、ホール輸送層6に下記一般式(2)で表される塩基性化合物を添加することが好ましく、前記塩基性化合物を添加することにより、特に高い開放電圧を得ることができる。また、光電変換素子における内部抵抗が高まり、室内光等の微弱光における損失電流を低減することができる。よって、従来の塩基性化合物より高い開放電圧を得られる。
前記R3、及びR4は、同一であっても良い。
前記アルキル基としては、炭素数が1~12のアルキル基が好ましく、分岐鎖を有しても良い。前記芳香族炭化水素基としては、フェニル基、ナフチル基が好ましい。前記アルキル基は、置換基を有するアルキル基及び置換基を有しないアルキル基を含み、前記芳香族炭素水基は、置換基を有する芳香族炭化水素基及び置換基を有しない芳香族炭化水素基を含む。前記置換基としては、フェニル基等が挙げられる。
また、R3とR4は互いに結合し、窒素原子を含む、複素環基を形成する場合、該複素環基中に酸素原子や窒素原子が含まれても良い。また、前記複素環基は、置換基を有する複素環基及び置換基を有しない複素環基を含み、該置換基としては、フェニル基等が挙げられる。
Further, in the present invention, it is preferable to add the basic compound represented by the following general formula (2) to the
The R 3 and R 4 may be the same.
As the alkyl group, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms is preferable, and an alkyl group may have a branched chain. As the aromatic hydrocarbon group, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. The alkyl group contains an alkyl group having a substituent and an alkyl group having no substituent, and the aromatic carbon aqueous group is an aromatic hydrocarbon group having a substituent and an aromatic hydrocarbon group having no substituent. including. Examples of the substituent include a phenyl group and the like.
Further, when R 3 and R 4 are bonded to each other to form a heterocyclic group containing a nitrogen atom, the heterocyclic group may contain an oxygen atom or a nitrogen atom. Further, the heterocyclic group includes a heterocyclic group having a substituent and a heterocyclic group having no substituent, and examples of the substituent include a phenyl group and the like.
従来から前記一般式(2)で表される塩基性化合物に分類される化合物の一部は知られている。また、その一部の化合物は、ヨウ素電解液型色素増感太陽電池においては、塩基性化合物として用いることが知られている。しかし、前記塩基性化合物を用いたヨウ素電解液型色素増感太陽電池は開放電圧が高いが、短絡電流密度が大幅に減少し、光電変換特性は著しく悪化することが報告されている。 Conventionally, some of the compounds classified into the basic compounds represented by the general formula (2) are known. Further, some of the compounds are known to be used as basic compounds in an iodine electrolyte type dye-sensitized solar cell. However, it has been reported that although the iodine electrolyte type dye-sensitized solar cell using the basic compound has a high open circuit voltage, the short-circuit current density is significantly reduced and the photoelectric conversion characteristics are significantly deteriorated.
本発明におけるホール輸送層は、有機ホール輸送材料を用いるものであり、前記ヨウ素電解液等による正孔輸送モデルとは異なるものである。したがって、前記一般式(2)で表される塩基性化合物を用いても、短絡電流密度の低下量が少なく、高い開放電圧が得られることで、優れた光電変換特性を得ることができる。さらに、報告例が少ない室内光等の微弱光における光電変換する際に、特に際立って優位性が現れることを検証することができた。 The hole transport layer in the present invention uses an organic hole transport material and is different from the hole transport model using the iodine electrolytic solution or the like. Therefore, even if the basic compound represented by the general formula (2) is used, excellent photoelectric conversion characteristics can be obtained by obtaining a high open circuit voltage with a small decrease in short-circuit current density. Furthermore, it was possible to verify that the superiority appears particularly remarkably in the case of photoelectric conversion in weak light such as indoor light, which is rarely reported.
以下に前記一般式(2)における具体的な例示化合物を下記に記すが、何らこれらに限定されるものではない。なお、下記構造式の横に番号が記載されている場合、該番号は独立行政法人科学技術振興機構が公開している化学物質データベース「日本化学物質辞書」中の化合物番号を意味する。
前記一般式(2)で表される塩基性化合物のホール輸送層中の添加量は、有機ホール輸送材料100質量部に対して、1質量部以上30質量部以下であることが好ましく、5質量部以上20質量部以下であることがより好ましい。 The amount of the basic compound represented by the general formula (2) added to the hole transport layer is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the organic hole transport material. More preferably, it is 20 parts by mass or less.
本発明における有機ホール輸送層は、単層構造でも異なる化合物からなる積層構造でも構わない。積層構造の場合、第二の電極7に近い有機ホール輸送材料層に高分子材料を用いることが好ましい。
製膜性に優れる高分子材料を用いることで多孔質状の電子輸送層の表面をより平滑化することができ、光電変換特性を向上することができるためである。
また、高分子材料は多孔質状の電子輸送層内部へ浸透することが困難であるため、逆に多孔質状の電子輸送層表面の被覆にも優れ、電極を設ける際の短絡防止にも効果を発揮するため、より高い性能を得ることが可能となる。
The organic hole transport layer in the present invention may have a single-layer structure or a laminated structure composed of different compounds. In the case of a laminated structure, it is preferable to use a polymer material for the organic hole transport material layer near the
This is because the surface of the porous electron transport layer can be further smoothed and the photoelectric conversion characteristics can be improved by using a polymer material having excellent film forming properties.
In addition, since it is difficult for the polymer material to penetrate into the porous electron transport layer, it is also excellent in covering the surface of the porous electron transport layer, and is also effective in preventing short circuits when providing electrodes. Therefore, it is possible to obtain higher performance.
単層構造において用いられる有機ホール輸送材料、積層構造において第二の電極から遠い有機ホール輸送層に用いられる有機ホール輸送材料としては、前記一般式(1)で表される有機ホール輸送性化合物が用いられる。 As the organic hole transporting material used in the single layer structure and the organic hole transporting material used in the organic hole transporting layer far from the second electrode in the laminated structure, the organic hole transporting compound represented by the general formula (1) is used. Used.
積層構造において用いられる第二の電極7に近い有機ホール輸送層に用いられる高分子材料としては、公知のホール輸送性高分子材料が用いられる。
その具体例としては、ポリ(3-n-ヘキシルチオフェン)、ポリ(3-n-オクチルオキシチオフェン)、ポリ(9,9’-ジオクチル-フルオレン-コ-ビチオフェン)、ポリ(3,3’’’-ジドデシル-クォーターチオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(2,5-ビス(3-デシルチオフェン-2-イル)チエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(3,4-ジデシルチオフェン-コ-チエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン-コ-チエノ[3,2-b]チオフェン)、ポリ(3,6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン-コ-チオフェン)、ポリ(3.6-ジオクチルチエノ[3,2-b]チオフェン-コ-ビチオフェン)等のポリチオフェン化合物、
ポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2-メトキシ-5-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[(2-メトキシ-5-(2-エチルフェキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン)-コ-(4,4’-ビフェニレン-ビニレン)]等のポリフェニレンビニレン化合物、
ポリ(9,9’-ジドデシルフルオレニル-2,7-ジイル)、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジビニレンフルオレン)-alt-コ-(9,10-アントラセン)]、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジビニレンフルオレン)-alt-コ-(4,4’-ビフェニレン)]、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジビニレンフルオレン)-alt-コ-(2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレン)]、ポリ[(9,9-ジオクチル-2,7-ジイル)-コ-(1,4-(2,5-ジヘキシルオキシ)ベンゼン)]等のポリフルオレン化合物、
ポリ[2,5-ジオクチルオキシ-1,4-フェニレン]、ポリ[2,5-ジ(2-エチルヘキシルオキシ-1,4-フェニレン]等のポリフェニレン化合物、
ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-コ-(N,N’-ジフェニル)-N,N’-ジ(p-ヘキシルフェニル)-1,4-ジアミノベンゼン]、ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-コ-(N,N’-ビス(4-オクチルオキシフェニル)ベンジジン-N,N’-(1,4-ジフェニレン)]、ポリ[(N,N’-ビス(4-オクチルオキシフェニル)ベンジジン-N,N’-(1,4-ジフェニレン)]、ポリ[(N,N’-ビス(4-(2-エチルヘキシルオキシ)フェニル)ベンジジン-N,N’-(1,4-ジフェニレン)]、ポリ[フェニルイミノ-1,4-フェニレンビニレン-2,5-ジオクチルオキシ-1,4-フェニレンビニレン-1,4-フェニレン]、ポリ[p-トリルイミノ-1,4-フェニレンビニレン-2,5-ジ(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン-1,4-フェニレン]、ポリ[4-(2-エチルヘキシルオキシ)フェニルイミノ-1,4-ビフェニレン]等のポリアリールアミン化合物、
ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-コ-(1,4-ベンゾ(2,1’,3)チアジアゾール]、ポリ(3,4-ジデシルチオフェン-コ-(1,4-ベンゾ(2,1’,3)チアジアゾール)等のポリチアジアゾール化合物を挙げることができる。
この中で、キャリア移動度やイオン化ポテンシャルを考慮するとポリチオフェン化合物とポリアリールアミン化合物が特に好ましい。
As the polymer material used for the organic hole transport layer close to the
Specific examples thereof include poly (3-n-hexylthiophene), poly (3-n-octyloxythiophene), poly (9,9'-dioctyl-fluorene-co-bithiophene), and poly (3,3''. '-Gidodecyl-quarterthiophene), poly (3,6-dioctylthiophene [3,2-b] thiophene), poly (2,5-bis (3-decylthiophen-2-yl) thieno [3,2-b] ] Thiophene), Poly (3,4-didecylthiophene-thiophene [3,2-b] thiophene), Poly (3,6-dioctylthiophene [3,2-b] Thiophene-cothieno [3, 2-b] thiophene), poly (3,6-dioctylthiophene [3,2-b] thiophene-co-thiophene), poly (3.6-dioctylthiophene [3,2-b] thiophene-co-bithiophene) Polythiophene compounds, etc.
Poly [2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylene vinylene], poly [2-methoxy-5- (3,7-dimethyloctyloxy) -1,4-phenylene vinylene], poly Polyphenylene vinylene compounds such as [(2-methoxy-5- (2-ethylphenyloxy) -1,4-phenylene vinylene) -co- (4,4'-biphenylene-vinylene)],
Poly (9,9'-zidodecylfluorenyl-2,7-diyl), poly [(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorene) -alt-co- (9,10-anthracene)] , Poly [(9,9-dioctyl-2,7-dibinylene fluorene) -alt-co- (4,4'-biphenylene)], poly [(9,9-dioctyl-2,7-dibinylene fluorene)) -Alt-co- (2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylene)], poly [(9,9-dioctyl-2,7-diyl) -co- (1,4-diyl) (2,5-dihexyloxy) benzene)] and other polyfluorene compounds,
Polyphenylene compounds such as poly [2,5-dioctyloxy-1,4-phenylene] and poly [2,5-di (2-ethylhexyloxy-1,4-phenylene]],
Poly [(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) -alt-co- (N, N'-diphenyl) -N, N'-di (p-hexylphenyl) -1,4-diamino Benzene], poly [(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) -alt-co- (N, N'-bis (4-octyloxyphenyl) benzidine-N, N'-(1, 4-Diphenylene)], Poly [(N, N'-bis (4-octyloxyphenyl) benzidine-N, N'-(1,4-diphenylene)], Poly [(N, N'-bis (4-) (2-Ethylhexyloxy) phenyl) benzidine-N, N'-(1,4-diphenylene)], poly [Phenylimino-1,4-phenylenebinylene-2,5-dioctyloxy-1,4-phenylenebinylene- 1,4-Phenylene], Poly [p-triluimino-1,4-phenylenebinylene-2,5-di (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenebinylene-1,4-phenylene], poly [4- (2-Ethylhexyloxy) Phenylimino-1,4-biphenylene] and other polyarylamine compounds,
Poly [(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) -alt-co- (1,4-benzo (2,1', 3) thiadiazole]], poly (3,4-didecylthiophene- Polythiadiazole compounds such as co- (1,4-benzo (2,1', 3) thiadiazole) can be mentioned.
Among these, polythiophene compounds and polyarylamine compounds are particularly preferable in consideration of carrier mobility and ionization potential.
また、上記に示した有機ホール輸送材料に各種添加剤を加えても構わない。
添加剤としては、ヨウ素、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化カルシウム、ヨウ化銅、ヨウ化鉄、ヨウ化銀等の金属ヨウ化物、
ヨウ化テトラアルキルアンモニウム、ヨウ化ピリジニウム等の4級アンモニウム塩、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、臭化カルシウム等の金属臭化物、
臭化テトラアルキルアンモニウム、臭化ピリジニウム等の4級アンモニウム化合物の臭素塩、
塩化銅、塩化銀等の金属塩化物、酢酸銅、酢酸銀、酢酸パラジウム等の酢酸金属塩、
硫酸銅、硫酸亜鉛等の金属硫酸塩、フェロシアン酸塩-フェリシアン酸塩、フェロセン-フェリシニウムイオン等の金属錯体、
ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール-アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、
ビオロゲン色素、ヒドロキノン等、ヨウ化1,2-ジメチル-3-n-プロピルイミダゾイニウム塩、ヨウ化1-メチル-3-n-ヘキシルイミダゾリニウム塩、1,2-ジメチル-3-エチルイミダゾリウムトリフロオロメタンスルホン酸塩、1-メチル-3-ブチルイミダゾリウムノナフルオロブチルスルホン酸塩、1-n-ヘキシル-3-メチルイミダゾリニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、1-メチル-3-エチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチル)スルホニルイミド等のInorg.Chem.35(1996)1168に記載のイオン液体のイミダゾリウム化合物、ピリジン、4-t-ブチルピリジン、ベンズイミダゾール等の塩基性化合物、
リチウムトリフルオロメタンスルホニルイミド、リチウムジイソプロピルイミド、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等のリチウム化合物を挙げることができる。
イオン液体のイミダゾリウム化合物を用いてもよく、具体的には、1-n-ヘキシル-3-メチルイミダゾリニウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドが好ましい。
Further, various additives may be added to the organic hole transport material shown above.
Examples of the additive include metal iodides such as iodine, lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, calcium iodide, copper iodide, iron iodide, and silver iodide.
Quaternary ammonium salts such as tetraalkylammonium iodide and pyridinium iodide, metallic bromides such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, calcium bromide, etc.
Bromates of quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium bromide and pyridinium bromide,
Metal chlorides such as copper chloride and silver chloride, metal acetates such as copper acetate, silver acetate and palladium acetate,
Metal sulfates such as copper sulphate and zinc sulphate, metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ion,
Sulfur compounds such as polysodium sulfide, alkylthiols-alkyldisulfides,
Viologen dye, hydroquinone, etc., 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolinium iodide, 1-methyl-3-n-hexylmidazolinium iodide, 1,2-dimethyl-3-ethylimidazole Rium trifluoromethanesulfonate, 1-methyl-3-butylimidazolium nonafluorobutyl sulfonate, 1-n-hexyl-3-methylimidazolinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-methyl-3 -Inorg such as ethylimidazolium bis (trifluoromethyl) sulfonylimide. Chem. 35 (1996) 1168. Ionic liquid imidazolium compound, basic compound such as pyridine, 4-t-butylpyridine, benzimidazole, etc.
Examples thereof include lithium compounds such as lithium trifluoromethanesulfonylimide, lithium diisopropylimide, and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide.
An ionic liquid imidazolium compound may be used, and specifically, 1-n-hexyl-3-methylimidazolinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide is preferable.
また導電性を向上させる目的で、有機ホール輸送材料の一部をラジカルカチオンにするための酸化剤を添加しても構わない。
その酸化剤としては、ヘキサクロロアンチモン酸トリス(4-ブロモフェニル)アミニウム、ヘキサフルオロアンチモネート銀、ニトロソニウムテトラフルオボラート、硝酸銀、コバルト錯体系化合物等が挙げられる。
この酸化剤の添加によって全ての有機ホール輸送材料が酸化される必要はなく、一部のみが酸化されていればよい。また添加した酸化剤は添加した後、系外に取り出しても、取り出さなくてもよい。
Further, for the purpose of improving the conductivity, an oxidizing agent for converting a part of the organic hole transport material into a radical cation may be added.
Examples of the oxidizing agent include tris (4-bromophenyl) aminium hexachloroantimonate, silver hexafluoroantimonate, nitrosonium tetrafluoroborate, silver nitrate, and cobalt complex compounds.
It is not necessary that all the organic hole transport materials are oxidized by the addition of this oxidizing agent, and only a part thereof needs to be oxidized. Further, the added oxidizing agent may or may not be taken out of the system after being added.
有機ホール輸送層は光増感材料を担持した電子輸送層4の上に、直接ホール輸送層を形成する。有機ホール輸送層の作製方法には特に制限はなく、真空蒸着等の真空中で薄膜を形成する方法や湿式製膜法が挙げられる。製造コスト等を考慮した場合、特に湿式製膜法が好ましく、電子輸送層上に塗布する方法が好ましい。
この湿式製膜法を用いた場合、塗布方法は特に制限はなく、公知の方法にしたがって行なうことができる。例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法、また、湿式印刷方法として、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等様々な方法を用いることができる。また、超臨界流体あるいは臨界点より低い温度・圧力の亜臨界流体中で製膜してもよい。
The organic hole transport layer directly forms a hole transport layer on the
When this wet film forming method is used, the coating method is not particularly limited and can be carried out according to a known method. For example, dip method, spray method, wire bar method, spin coating method, roller coating method, blade coating method, gravure coating method, and various wet printing methods such as letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing, etc. Method can be used. Further, the film may be formed in a supercritical fluid or a subcritical fluid having a temperature and pressure lower than the critical point.
前記超臨界流体は、気体と液体が共存できる限界(臨界点)を超えた温度・圧力領域において非凝集性高密度流体として存在し、圧縮しても凝集せず、臨界温度以上、かつ臨界圧力以上の状態にある流体である限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、臨界温度が低いものが好ましい。
超臨界流体としては、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、窒素、水、メタノール、エタノール、n-ブタノールなどのエルコール系溶媒、エタン、プロパン、2,3-ジメチルブタン、ベンゼン、トルエンなどの炭化水素系溶媒、塩化メチレン、クロロトリフロロメタンなどのハロゲン系溶媒、ジメチルエーテルなどのエーテル系溶媒が好適である。これらの中でも、二酸化炭素は、臨界圧力7.3MPa、臨界温度31℃であることから、容易に超臨界状態をつくり出せるともに、不燃性で取扱いが容易であり、特に好ましい。
また、これらの流体は、単独であっても二種以上の混合であっても構わない。
The supercritical fluid exists as a non-aggregating high-density fluid in a temperature / pressure region exceeding the limit (critical point) at which a gas and a liquid can coexist, does not aggregate even when compressed, and has a critical temperature or higher and a critical pressure. The fluid is not particularly limited as long as it is in the above state, and can be appropriately selected depending on the intended purpose, but a fluid having a low critical temperature is preferable.
Examples of the supercritical fluid include carbon monoxide, carbon dioxide, ammonia, nitrogen, water, methanol, ethanol, ercoal solvents such as n-butanol, ethane, propane, 2,3-dimethylbutane, benzene, toluene and the like. Hydrocarbon-based solvents, halogen-based solvents such as methylene chloride and chlorotrifluoromethane, and ether-based solvents such as dimethyl ether are suitable. Among these, carbon dioxide is particularly preferable because it has a critical pressure of 7.3 MPa and a critical temperature of 31 ° C., so that a supercritical state can be easily created, and it is nonflammable and easy to handle.
Further, these fluids may be used alone or in a mixture of two or more kinds.
前記亜臨界流体としては、臨界点近傍の温度及び圧力領域において、高圧液体として存在する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
上述した超臨界流体として挙げられる化合物は、亜臨界流体としても好適に使用することができる。
The subcritical fluid is not particularly limited as long as it exists as a high-pressure liquid in the temperature and pressure regions near the critical point, and can be appropriately selected depending on the intended purpose.
The above-mentioned compounds listed as supercritical fluids can also be suitably used as subcritical fluids.
超臨界流体の臨界温度及び臨界圧力は特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、臨界温度としては、-273℃以上300℃以下が好ましく、0℃以上200℃以下が特に好ましい。 The critical temperature and critical pressure of the supercritical fluid are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose. However, the critical temperature is preferably -273 ° C or higher and 300 ° C or lower, and 0 ° C or higher and 200 ° C or lower. preferable.
さらに、上述の超臨界流体及び亜臨界流体に加え、有機溶媒やエントレーナーを併用することもできる。
有機溶媒及びエントレーナーの添加により、超臨界流体中での溶解度の調整をより容易に行なうことができる。
このような有機溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
例えば、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、
ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n-ブチル等のエステル系溶媒、
ジイソプロピルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、
N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、あるいはN-メチル-2-ピロリドン等のアミド系溶媒、
ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o-ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1-クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、
n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタン、1,5-ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒などが挙げられる。
Further, in addition to the above-mentioned supercritical fluid and subcritical fluid, an organic solvent or an entrainer can be used in combination.
By adding an organic solvent and an entrainer, the solubility in a supercritical fluid can be adjusted more easily.
The organic solvent is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
For example, a ketone solvent such as acetone, methyl ethyl ketone, or methyl isobutyl ketone,
Ester solvents such as ethyl formate, ethyl acetate, or n-butyl acetate,
Ethereal solvents such as diisopropyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or dioxane,
Amide solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or N-methyl-2-pyrrolidone,
Halogenated hydrocarbon solvents such as dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichlorethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, or 1-chloronaphthalene,
Hydrocarbons such as n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, or cumene. Examples include system solvents.
本発明では、光増感材料を担持した電子輸送層を設けた第一の電極上に有機ホール輸送層を設けた後、プレス処理工程を施しても構わない。
このプレス処理を施すことによって、有機ホール輸送材料がより多孔質電極と密着するため効率が改善すると考えている。
プレス処理方法に特に制限はないが、IR錠剤整形器に代表されるような平板を用いたプレス成型法、ローラーなどを用いたロールプレス法を挙げることができる。
圧力としては10kgf/cm2以上が好ましく、30kgf/cm2以上がより好ましい。プレス処理する時間に特に制限はないが、1時間以内で行なうことが好ましい。また、プレス処理時に熱を加えても構わない。
In the present invention, the organic hole transport layer may be provided on the first electrode provided with the electron transport layer carrying the photosensitizer material, and then the press treatment step may be performed.
It is believed that this press treatment will improve the efficiency because the organic hole transport material will be in close contact with the porous electrode.
The press processing method is not particularly limited, and examples thereof include a press molding method using a flat plate as typified by an IR tablet shaper, and a roll press method using a roller or the like.
The pressure is preferably 10 kgf / cm 2 or more, and more preferably 30 kgf / cm 2 or more. The press processing time is not particularly limited, but it is preferably performed within 1 hour. Further, heat may be applied during the pressing process.
また、上述のプレス処理の際、プレス機と電極間に離型材を挟んでも構わない。
前記離型材としては、ポリ四フッ化エチレン、ポリクロロ三フッ化エチレン、四フッ化エチレン六フッ化プロピレン共重合体、ペルフルオロアルコキシフッ化樹脂、ポリフッ化ビニリデン、エチレン四フッ化エチレン共重合体、エチレンクロロ三フッ化エチレン共重合体、ポリフッ化ビニルなどのフッ素樹脂を挙げることができる。
Further, during the above-mentioned pressing process, a mold release material may be sandwiched between the press machine and the electrodes.
Examples of the release material include polytetrafluorinated ethylene, polychlorotrifluoroethylene, tetrafluorinated ethylene hexafluoropropylene copolymer, perfluoroalkoxyfluororesin, polyvinylidene fluoride, ethylene tetrafluorinated ethylene copolymer, and ethylene. Fluororesin such as chlorotrifluoroethylene copolymer and polyvinylidene fluoride can be mentioned.
上記プレス処理工程を行った後、対極を設ける前に、有機ホール輸送層と第二の電極の間に金属酸化物を設けても良い。設けてもよい金属酸化物としては、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化ニッケルを挙げることができ、特に酸化モリブデンが好ましい。
これら金属酸化物をホール輸送層上に設ける方法としては特に制限はなく、スパッタリングや真空蒸着等の真空中で薄膜を形成する方法や湿式成膜法が挙げることができる。
湿式製膜法においては、金属酸化物の粉末あるいはゾルを分散したペーストを調製し、ホール輸送層上に塗布する方法が好ましい。
この湿式成膜法を用いた場合、塗布方法は特に制限はなく、公知の方法にしたがって行なうことができる。
例えば、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法、また、湿式印刷方法として、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等様々な方法を用いることができる。膜厚としては0.1~50nmが好ましく、1~10nmがより好ましい。
After performing the above press processing step and before providing the counter electrode, a metal oxide may be provided between the organic hole transport layer and the second electrode. Examples of the metal oxide that may be provided include molybdenum oxide, tungsten oxide, vanadium oxide, and nickel oxide, and molybdenum oxide is particularly preferable.
The method of providing these metal oxides on the hole transport layer is not particularly limited, and examples thereof include a method of forming a thin film in vacuum such as sputtering and vacuum vapor deposition, and a wet film forming method.
In the wet film forming method, a method of preparing a paste in which a metal oxide powder or a sol is dispersed and applying the paste on the hole transport layer is preferable.
When this wet film forming method is used, the coating method is not particularly limited and can be carried out according to a known method.
For example, dip method, spray method, wire bar method, spin coating method, roller coating method, blade coating method, gravure coating method, and various wet printing methods such as letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing, etc. Method can be used. The film thickness is preferably 0.1 to 50 nm, more preferably 1 to 10 nm.
<第二の電極>
第二の電極は、ホール輸送層形成後あるいは上述の金属酸化物上に新たに付与する。
また第二の電極は、通常前述の第一の電極と同様のものを用いることができ、強度や密封性が充分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必要ではない。
第二の電極材料の具体例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素系化合物、ITO、FTO、ATO等の導電性金属酸化物、ポリチオフェン、ポリアニリン等の導電性高分子が挙げられる。
第二の電極層の膜厚には特に制限はなく、また単独あるいは2種以上の混合で用いても構わない。
第二の電極の塗設については、用いられる材料の種類やホール輸送層の種類により、適宜ホール輸送層上に塗布、ラミネート、蒸着、CVD、貼り合わせ等の手法により形成可能である。
<Second electrode>
The second electrode is newly applied after the hole transport layer is formed or on the above-mentioned metal oxide.
Further, as the second electrode, the same one as the above-mentioned first electrode can be usually used, and the support is not always necessary in the configuration in which the strength and the sealing property are sufficiently maintained.
Specific examples of the second electrode material include metals such as platinum, gold, silver, copper and aluminum, carbon-based compounds such as graphite, fullerene, carbon nanotubes and graphene, and conductive metal oxides such as ITO, FTO and ATO. , Polythiophene, polyaniline and other conductive polymers.
The film thickness of the second electrode layer is not particularly limited, and may be used alone or in a mixture of two or more kinds.
The coating of the second electrode can be appropriately formed on the hole transport layer by a method such as coating, laminating, vapor deposition, CVD, or bonding, depending on the type of material used and the type of hole transport layer.
光電変換素子として動作するためには、第一の電極と第二の電極の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。
本発明の光電変換素子においては、第一の電極側が透明であり、太陽光を第一の電極側から入射させる方法が好ましい。この場合、第二の電極側には光を反射させる材料を使用することが好ましく、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、あるいは金属薄膜が好ましい。
また、太陽光の入射側に反射防止層を設けることも有効な手段である。
In order to operate as a photoelectric conversion element, at least one of the first electrode and the second electrode must be substantially transparent.
In the photoelectric conversion element of the present invention, the method in which the first electrode side is transparent and sunlight is incident from the first electrode side is preferable. In this case, it is preferable to use a material that reflects light on the second electrode side, and a metal, glass on which a conductive oxide is vapor-deposited, plastic, or a metal thin film is preferable.
It is also an effective means to provide an antireflection layer on the incident side of sunlight.
<用途>
本発明の光電変換素子は、太陽電池及びこれを備えた電源装置に応用できる。
応用例としては、従来から太陽電池やそれを用いた電源装置を利用している機器類であれば、いずれのものでも可能である。
例えば電子卓上計算機や腕時計用の太陽電池に用いてもよいが、本発明の光電変換素子の特徴を活用する一例として、携帯電話、電子手帳、電子ペーパー等の電源装置が挙げられる。また充電式や乾電池式の電気器具の連続使用時間を長くするための補助電源として用いることもできる。更には、センサ用の自立型電源として、二次電池と組み合わせた一次電池代替としても用いることができる。
<Use>
The photoelectric conversion element of the present invention can be applied to a solar cell and a power supply device including the solar cell.
As an application example, any device that has conventionally used a solar cell or a power supply device using the solar cell can be used.
For example, it may be used for a solar cell for an electronic desk computer or a wristwatch, and an example of utilizing the features of the photoelectric conversion element of the present invention is a power supply device such as a mobile phone, an electronic personal organizer, or an electronic paper. It can also be used as an auxiliary power source for prolonging the continuous use time of rechargeable or dry battery type electric appliances. Furthermore, it can be used as a self-supporting power source for a sensor and as a substitute for a primary battery in combination with a secondary battery.
<本発明のホール輸送材料の合成方法
報告例(J. Org .Chem., 67 (2002) 3029)同様に下記ルートから容易に合成することができる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明の実施の形態はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the embodiments of the present invention are not limited to these Examples.
[実施例I-1]
(ホール輸送材料(化合物No.1-2)の合成)
次に、得られたアセトアニリド中間体:10.3gと水酸化カリウム(関東化学社製):5gをエタノール:150mlを四つ口フラスコに秤量し、還流攪拌を10時間実施した。反応物を、抽出し、硫酸マグネシウムを加えた後、濾過し、濃縮した。粗収物をカラムクロマトグラフィー(トルエン/酢酸エチル=9/1)で精製し、無色粉末状のアミン中間体(4.6g)を得た。
[Example I-1]
(Synthesis of Hall Transport Material (Compound No. 1-2))
Next, 10.3 g of the obtained acetanilide intermediate and 5 g of potassium hydroxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were weighed in a four-necked flask with 150 ml of ethanol, and reflux stirring was carried out for 10 hours. The reaction was extracted, added with magnesium sulfate, filtered and concentrated. The crude product was purified by column chromatography (toluene / ethyl acetate = 9/1) to obtain a colorless powdery amine intermediate (4.6 g).
[実施例II-1]
(酸化チタン半導体電極の作製)
金属チタンからなるターゲットを用いた酸素ガスによる反応性スパッタにより、ITO系ガラス基板上に酸化チタンの緻密なホールブロッキング層を形成した。
次に、酸化チタン(日本エアロジル社製P90)3g、アセチルアセトン0.2g、界面活性剤(和光純薬社製ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル)0.3gを水5.5g、エタノール1.0gと共にビーズミル処理を12時間施した。
得られた分散液にポリエチレングリコール(#20,000)1.2gを加えてペーストを作製した。
このペーストを、上記ホールブロッキング層上に膜厚1.5μmになるように塗布し、室温で乾燥後、空気中500℃で30分間焼成し、多孔質状の電子輸送層を形成した。
[Example II-1]
(Manufacturing of titanium oxide semiconductor electrode)
A dense hole blocking layer of titanium oxide was formed on an ITO-based glass substrate by reactive sputtering with oxygen gas using a target made of metallic titanium.
Next, bead mill with 3 g of titanium oxide (P90 manufactured by Nippon Aerodil), 0.2 g of acetylacetone, 0.3 g of surfactant (polyoxyethylene octylphenyl ether manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) with 5.5 g of water and 1.0 g of ethanol. The treatment was carried out for 12 hours.
1.2 g of polyethylene glycol (# 20,000) was added to the obtained dispersion to prepare a paste.
This paste was applied onto the hole blocking layer to a film thickness of 1.5 μm, dried at room temperature, and then calcined in air at 500 ° C. for 30 minutes to form a porous electron transport layer.
(光電変換素子の作製)
上記酸化チタン半導体電極を、増感色素として前記構造式(4)で表される三菱製紙社製D102(0.5mM、アセトニトリル/t-ブタノール(体積比1:1)溶液)に浸漬し、1時間暗所にて静置し光増感材料を吸着させた。
光増感材料を担持した半導体電極上に、前記一般式(1)で表される有機ホール輸送材料(例示化合物No.1-1):183.3mgのクロロベンゼン溶液:1mlに、関東化学社製リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド:12.83mg、前記一般式(2)で表される塩基性化合物(化合物No.2-1):36.66mgを加えて得た溶液を、光増感材料を担持した半導体電極上にスピンコートにてホール輸送層を成膜した。この上に銀を100nm真空蒸着して第二の電極を作製し、光電変換素子を作製した。
(Manufacturing of photoelectric conversion element)
The titanium oxide semiconductor electrode is immersed as a sensitizing dye in D102 (0.5 mM, acetonitrile / t-butanol (volume ratio 1: 1) solution) manufactured by Mitsubishi Paper Mills Limited represented by the structural formula (4). It was allowed to stand in a dark place for a while to adsorb the photosensitizer.
On a semiconductor electrode carrying a photosensitizing material, an organic hole transport material represented by the general formula (1) (exemplified compound No. 1-1): 183.3 mg of a chlorobenzene solution was added to 1 ml, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. A solution obtained by adding lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide: 12.83 mg and the basic compound represented by the general formula (2) (Compound No. 2-1): 36.66 mg was used as a photosensitizing material. A hole transport layer was formed by spin coating on the semiconductor electrode carrying the above. Silver was vacuum-deposited on this by 100 nm to prepare a second electrode, and a photoelectric conversion element was manufactured.
(光電変換素子の評価)
得られた光電変換素子の白色LED照射下(100ルクス:25μW/cm2)における光電変換効率を測定した。白色LEDはコスモテクノ社製デスクランプCDS-90α(スタディーモード)、評価機器はNF回路設計ブロック社製太陽電池評価システムAs-510-PV03にて測定した。初期特性を測定した後、光電変換素子を100℃恒温槽中に真空保存で、1000時間放置した。取り出し後、常温下で24時間放置し、光電変換率を同様に測定し、下記式により維持率を求め、評価を行った。その結果を表1に表す。
維持率=(100℃1000時間保存後の変換効率/初期の変換効率)×100
(Evaluation of photoelectric conversion element)
The photoelectric conversion efficiency of the obtained photoelectric conversion element under white LED irradiation (100 lux: 25 μW / cm 2 ) was measured. The white LED was measured by a desk lamp CDS-90α (study mode) manufactured by Cosmo Techno, and the evaluation device was measured by a solar cell evaluation system As-510-PV03 manufactured by NF Circuit Design Block. After measuring the initial characteristics, the photoelectric conversion element was stored in a vacuum at a constant temperature of 100 ° C. for 1000 hours. After taking out, it was left at room temperature for 24 hours, the photoelectric conversion rate was measured in the same manner, and the maintenance rate was obtained by the following formula and evaluated. The results are shown in Table 1.
Maintenance rate = (conversion efficiency after storage at 100 ° C for 1000 hours / initial conversion efficiency) x 100
[実施例II-2~II-8]
実施例II-1における有機ホール輸送材料と塩基性化合物を表1に記載の化合物No.の化合物に変更した以外は、実施例II-1と同様にして光電変換素子を作製し、評価した。その結果を表1に示す。
[Examples II-2 to II-8]
The organic hole transport material and the basic compound in Example II-1 are listed in Compound No. 1 in Table 1. A photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example II-1 except that the compound was changed to the above compound. The results are shown in Table 1.
[実施例II-9]
実施例II-1における塩基性化合物No.2-1をターシャルブチルピリジン(tBP:アルドリッチ社製)に変更した以外は、実施例II-1と同様にして光電変換素子を作製し、評価した。その結果を表1に示す。
[Example II-9]
Basic compound No. in Example II-1. A photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example II-1 except that 2-1 was changed to tertiary butylpyridine (tBP: manufactured by Aldrich). The results are shown in Table 1.
[比較例1]
実施例II-1における有機ホール輸送材料化合物No.1-1を有機ホール輸送材料Spiro-MeOTAD(2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamino)-9,9’-spirobifluorene)(SHT-263、メルク株式会社製)に変更した以外は、実施例II-1と同様にして光電変換素子を作製し、評価した。その結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
The organic hole transport material compound No. in Example II-1. 1-1 is an organic hole transport material Spiro-MeOTAD (2,2', 7,7'-tetrakis (N, N-di-p-methoxyphenylamino) -9,9'-spirobifluorene) (SHT-263, Merck Group, Inc. A photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example II-1 except that it was changed to (manufactured). The results are shown in Table 1.
[比較例2]
実施例II-1における有機ホール輸送材料化合物No.1-1を有機ホール輸送材料Spiro-MeOTAD-HTM1(LT-S9170、Luminescence Technology株式会社製)に変更した以外は、実施例II-1と同様にして光電変換素子を作製し、評価した。その結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
The organic hole transport material compound No. in Example II-1. A photoelectric conversion element was produced and evaluated in the same manner as in Example II-1 except that 1-1 was changed to the organic hole transport material Spiro-MeOTAD-HTM1 (LT-S9170, manufactured by Luminescence Technology Co., Ltd.). The results are shown in Table 1.
前記一般式(1)で表されるホール輸送材料を用いた実施例II-1~II-9の光電変換素子は、比較例1及び2の光電変換素子と比べて、初期変換効率は若干劣るものの、100℃1000時間後の変換効率は優れており、維持率は非常に良い結果となった。以上明らかなように、本発明の光電変換素子は、微弱光環境下における光電変換特性が優れており、また、高温保存性に優れていることがわかる。 The photoelectric conversion elements of Examples II-1 to II-9 using the hole transport material represented by the general formula (1) are slightly inferior in initial conversion efficiency to the photoelectric conversion elements of Comparative Examples 1 and 2. However, the conversion efficiency after 1000 hours at 100 ° C. was excellent, and the maintenance rate was very good. As is clear from the above, it can be seen that the photoelectric conversion element of the present invention has excellent photoelectric conversion characteristics in a weak light environment and also has excellent high-temperature storage stability.
Claims (10)
前記ホール輸送層は、下記一般式(1)で表される有機ホール輸送材料を50~95質量%含有することを特徴とする光電変換素子。
The hole transport layer is a photoelectric conversion element containing 50 to 95% by mass of an organic hole transport material represented by the following general formula (1).
(式中、R1、及びR2は、それぞれ独立に、水素原子、メチル基、及びメトキシ基のいずれかを表す。) A synthetic method comprising synthesizing a compound represented by the following general formula (1) by the reaction shown in the following synthetic reaction formula.
(In the formula, R 1 and R 2 each independently represent one of a hydrogen atom, a methyl group, and a methoxy group.)
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