JP7290953B2 - Electrolytes, solar cells and solar modules - Google Patents

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Description

本明細書では、電解質、太陽電池及び太陽電池モジュールを開示する。 Disclosed herein are electrolytes, solar cells and solar cell modules.

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、一価及び二価の銅錯体を含むこと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, as a solar cell, a dye-sensitized solar cell using a copper complex as a redox pair has been proposed (see, for example, Patent Document 1). It is said that this solar cell does not corrode the platinum counter electrode and has good photoelectric conversion characteristics by containing the monovalent and divalent copper complexes. Moreover, 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 has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). It is said that this solar cell can improve power generation efficiency.

特開2006-302849号公報JP 2006-302849 A

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

ところで、上述の特許文献1など、銅錯体を固体電解質とする太陽電池では、色素を吸着した多孔質TiO2電極に、銅錯体と溶媒とを含む電解液を注液後、溶媒を除去することで電解質の充填を行うことがある。しかしながら、このように作製した太陽電池では、時間の経過に伴い、太陽電池特性が低下するという耐久性の問題があった。銅錯体を含む電解質を備えた太陽電池において、太陽電池の耐久性をより高めることが求められていた。 By the way, in a solar cell using a copper complex as a solid electrolyte, such as the above-mentioned Patent Document 1, an electrolytic solution containing a copper complex and a solvent is injected into a porous TiO electrode on which a dye is adsorbed, and then the solvent is removed. Electrolyte filling may be performed at However, the solar cell produced in this way has a durability problem that the solar cell characteristics deteriorate with the lapse of time. It has been desired to further improve the durability of a solar cell provided with an electrolyte containing a copper complex.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、銅錯体を含むものにおいて、太陽電池の耐久性をより高め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。 The present disclosure has been made in view of such problems, and the main purpose of the present disclosure is to provide an electrolyte, a solar cell, and a solar cell module that contain a copper complex and can further increase the durability of the solar cell. do.

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、異なる有機配位子を有する銅錯体を2種以上含むものとすると、出力密度をより向上し、高温での耐久性をより向上するなど、太陽電池特性をより向上することができることを見いだし、本開示を完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-described object, the present inventors have found that when two or more copper complexes having different organic ligands are included, the output density is further improved and the durability at high temperatures is further improved. The inventors have found that the solar cell characteristics can be further improved, such as by increasing

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、
有機配位子を有し銅が複数の価数を有する銅錯体において前記有機配位子の構造が異なる銅錯体を2種以上含有するものである。
Thus, the electrolytes disclosed herein are
An electrolyte interposed 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,
A copper complex having an organic ligand and copper having a plurality of valences contains two or more kinds of copper complexes in which the structure of the organic ligand is different.

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電解質と、
を備えたものである。
The solar cells disclosed herein are
a photoelectrode having a light absorption layer;
a counter electrode arranged to face the photoelectrode;
the electrolyte interposed between the photoelectrode and the counter electrode;
is provided.

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、銅錯体を含むものにおいて、太陽電池特性をより高めることができる。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、銅錯体を固体電解質とする太陽電池では、上述のように、溶媒加えて電解質の充填を行うことがあるが、高い発電特性を得るには銅錯体が分子運動できる状態(非晶質状態)であることが望ましいことがわかった。即ち、銅錯体が結晶化せず、非晶質状態を維持することができるような組成を採用することが重要であると推察される。本開示では、異なる有機配位子を有する2種以上の銅錯体を含む、即ち、構造の異なる有機配位子を複数含むため、銅錯体の整列、即ち結晶化が構造的に阻害されやすく、銅錯体がより非晶質状態を維持しやすくなるものと推察される。このため、銅錯体が結晶化しにくく、初期特性における高出力密度を確保することができ、また、暗所60℃での高温放置などにおける高温耐久性などをより向上することができるものと推察される。 The electrolyte, solar cell, and solar cell module that contain a copper complex can further enhance the solar cell characteristics. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, in a solar cell using a copper complex as a solid electrolyte, the electrolyte may be filled by adding a solvent as described above. ) was found to be desirable. That is, it is presumed that it is important to employ a composition that allows the copper complex to remain in an amorphous state without crystallization. In the present disclosure, since it contains two or more kinds of copper complexes having different organic ligands, i.e., it contains a plurality of organic ligands with different structures, alignment of the copper complexes, i.e., crystallization is likely to be structurally inhibited, It is presumed that the copper complex becomes easier to maintain an amorphous state. For this reason, it is speculated that the copper complex is less likely to crystallize, a high output density can be secured in the initial characteristics, and high-temperature durability, etc., when left in a dark place at a high temperature of 60° C., can be further improved. be.

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. 2 is a cross-sectional view showing 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. 2 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a solar cell 40; 電解液注液後の測定時間とオープンセルのJscとの測定結果。The measurement result of Jsc of an open cell and the measurement time after electrolyte injection. 実験例1,2の評価セルの電解質組成の測定結果。4 shows measurement results of electrolyte compositions of evaluation cells of Experimental Examples 1 and 2. FIG. 実験例2-5、2-6の評価セルの太陽電池特性。Solar cell characteristics of the evaluation cells of Experimental Examples 2-5 and 2-6. 実験例2-4~2-6の評価セルの電解質組成の測定結果。Measurement results of the electrolyte composition of the evaluation cells of Experimental Examples 2-4 to 2-6. 実験例2-4~2-6の評価セルの電解質組成のNMR測定結果。NMR measurement results of electrolyte compositions of evaluation cells of Experimental Examples 2-4 to 2-6. 実験例3、4の高温暗所放置時の出力密度の測定結果。Measurement results of output density in Experimental Examples 3 and 4 when left in a high-temperature dark place. 実験例3、4の高温暗所放置時の出力維持率(%)の測定結果。Measurement results of output retention rate (%) when left in a dark place at high temperature in Experimental Examples 3 and 4. 銅錯体に溶媒を加えたあとの写真。Photograph after adding a solvent to the copper complex. 実験例5~8の初期出力密度。Initial power density for Examples 5-8. 実験例5~8の初期の相対出力密度。Initial relative power densities for Examples 5-8. 実験例5~8の60℃暗所放置後の出力維持率。Output retention rate after being left in the dark at 60° C. in Experimental Examples 5-8.

(電解質)
本開示の電解質は、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、有機配位子の構造が異なる銅錯体を2種以上含有する。有機配位子を有し銅が複数の価数を有する銅錯体を含む。銅錯体は、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帯下端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。この電解質は、溶媒を含むものとしてもよい。電解質に溶媒が存在すると、銅錯体の結晶化が更に抑制され、銅錯体を用いた太陽電池の特性をより向上することができる。
(Electrolytes)
The electrolyte of the present disclosure is used by interposing between a photoelectrode and a counter electrode of a solar cell comprising a photoelectrode having a light absorbing layer and a counter electrode arranged to face the photoelectrode. This electrolyte contains two or more copper complexes having different organic ligand structures. It includes a copper complex having an organic ligand and copper having multiple valences. Since the position of the valence band of the copper complex is considerably deeper than that of a conventional inorganic p-type semiconductor (for example, CuI), the conduction band bottom CBM of titanium oxide, which is the n-type semiconductor layer, and the valence band top VBM of the electrolyte There is an advantage that the theoretical open-circuit voltage (Voc) determined by the difference between is increased. The electrolyte may contain a solvent. When the solvent is present in the electrolyte, crystallization of the copper complex is further suppressed, and the characteristics of the solar cell using the copper complex can be further improved.

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。有機配位子は、例えば、フェナントロリン系配位子、ビピリジルアルキル系配位子、ビピリジン系配位子、スパルテイン系配位子、ビスベンズイミダゾールイルチオメチルピリジン系配位子、ビスベンズイミダゾールイルチオメチルメチルアミン系配位子、ビスベンズイミダゾールイルピリジン系配位子、ビスエチルチオメチルピリジン系配位子のうち1以上であることが好ましい。フェナントロリン系配位子は、フェナントロリン構造やその誘導体を含む。ビピリジルアルキル系配位子は、アルキル鎖の端部にピリジル基が結合した構造を有し、ビピリジルエタン構造やその誘導体を含む。ビピリジン系配位子は、ビピリジン構造やその誘導体を含む。スパルテイン系配位子は、スパルテイン構造又はや誘導体を含む。ビスベンズイミダゾールイルチオメチルピリジン系配位子は、ベンズイミダゾールイルチオメチルピリジン構造やその誘導体を含む。ビスベンズイミダゾールイルチオメチルメチルアミン系配位子は、ベンズイミダゾールイルチオメチルメチルアミン構造やその誘導体を含む、ビスベンズイミダゾールイルピリジン系配位子は、ベンズイミダゾールイルピリジン構造やその誘導体を含む。ビスエチルチオメチルピリジン系配位子は、エチルチオメチルピリジン構造やその誘導体を含む。 A copper complex has, for example, an organic ligand, and the valence of copper changes. Examples of organic ligands include phenanthroline ligands, bipyridylalkyl ligands, bipyridine ligands, sparteine ligands, bisbenzimidazolylthiomethylpyridine ligands, bisbenzimidazolyl It is preferably one or more of a luthiomethylmethylamine-based ligand, a bisbenzimidazolylpyridine-based ligand, and a bisethylthiomethylpyridine-based ligand. Phenanthroline-based ligands include phenanthroline structures and derivatives thereof. The bipyridylalkyl-based ligand has a structure in which a pyridyl group is bonded to the ends of an alkyl chain, and includes a bipyridylethane structure and derivatives thereof. Bipyridine-based ligands include bipyridine structures and derivatives thereof. A sparteine-based ligand includes a sparteine structure or derivative. Bisbenzimidazolylthiomethylpyridine-based ligands include benzimidazolylthiomethylpyridine structures and derivatives thereof. Bisbenzimidazolylthiomethylmethylamine-based ligands include benzimidazolylthiomethylmethylamine structures and derivatives thereof, and bisbenzimidazolylpyridine-based ligands include benzimidazolylpyridine structures and derivatives thereof. Bisethylthiomethylpyridine-based ligands include ethylthiomethylpyridine structures and derivatives thereof.

この銅錯体は、化学式(1)~(4)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(1))や、1,1-ビス(2-ピリジル)エタン(bpye、化学式(2))、4,4’,6,6’-テトラメチル-2,2’-ビピリジン(tmby、化学式(3))、6,6’-ジメチル-2,2’-ビピリジン(dmby、化学式(4))などが挙げられる。また、この有機配位子としては、例えば、1,10-フェナントロリン(phen、化学式(5))、[(-)-スパルテイン-N,N’](SP、化学式(6))、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(7))、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(8))、2,6-ビス(ベンズイミダゾール-2’-イル)ピリジン(bzmpy、化学式(9))、2,6-ビス(エチルチオメチル)ピリジン(betmp、化学式(10))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)、ビス(フルオロスルホニル)イミド(FSI)、ヘキサフルオロリン酸(PF6)などが挙げられる。 This copper complex may have a structure represented by one or more of chemical formulas (1) to (4). The organic ligand may have, for example, a heterocyclic structure containing one or more nitrogen atoms. Examples of this organic ligand include 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline (dmp, chemical formula (1)) and 1,1-bis(2-pyridyl)ethane (bpye, chemical formula (2)). , 4,4′,6,6′-tetramethyl-2,2′-bipyridine (tmby, chemical formula (3)), 6,6′-dimethyl-2,2′-bipyridine (dmby, chemical formula (4)) etc. Examples of the organic ligand include 1,10-phenanthroline (phen, chemical formula (5)), [(−)-sparteine-N,N′] (SP, chemical formula (6)), 2, 6-bis(benzimidazol-2′-ylthiomethyl)pyridine (bbtmp, chemical formula (7)), N,N-bis(benzimidazol-2′-ylthiomethyl)methylamine (bbtma, chemical formula (8)), 2,6 -bis(benzimidazol-2′-yl)pyridine (bzmpy, chemical formula (9)), 2,6-bis(ethylthiomethyl)pyridine (betmp, chemical formula (10)), and the like. Moreover, the copper complex may have one or more other ligands, for example, a monodentate ligand (monovalent anion ligand). When there are a plurality of ligands, they may be the same ligand or different ligands. Among these, it is more preferable that all of these ligands are the same. This ligand may be, for example, one or more selected from -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 consist of a cation having an organic ligand and containing copper, and an anion. Examples of anions include trifluoromethylsulfonic acid (CF 3 SO 3 ), bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI), bis(fluorosulfonyl)imide (FSI), hexafluorophosphoric acid (PF 6 ), and the like. mentioned.

Figure 0007290953000001
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Figure 0007290953000002
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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 copper complexes include 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 ), [(-)-spartein-N,N'] (maleonitriledithiolato-S,S') copper ([Cu(SP)(mmt)]), 2,6-bis(benzimidazole-2 '-ylthiomethyl)pyridine nitrate ([Cu(bbtmp)(NO 3 )]NO 3 ) and the like.

この電解質は、有機配位子の構造が異なる銅錯体を2種以上含有する。銅錯体を2種以上含むものとすれば、銅錯体が結晶化しにくくなり、非晶質状態を維持しやすい。このため、銅錯体が結晶化して発生しうる太陽電池特性の低下をより抑制することができる。有機配位子の構造は、例えば、誘導体など基本構造が同じで置換基が異なるものとしてもよいし、基本構造が異なるものとしてもよいが、基本構造が異なることがより好ましい。基本構造が異なると、銅錯体の整列、即ち結晶化が構造的に阻害されやすいため、より非晶質状態を維持しやすくなりより好ましい。例えば、基本構造が同じ有機配位子としては、フェナントロリン系配位子とその誘導体との組合せや、ビピリジルアルキル系配位子とその誘導体との組合せ、ビピリジン系配位子とその誘導体の組合せなどが挙げられる。基本構造が異なる有機配位子としては、フェナントロリン系配位子とビピリジルアルキル系配位子との組合せや、フェナントロリン系配位子とビピリジン系配位子との組合せビピリジルアルキル系配位子とビピリジン系配位子との組合せなどが挙げられる。このような電解質としては、具体的には、ビス(2,9-ジメチル-1,10-フェナントロリン)銅錯体及びビス(4,4’,6,6’-テトラメチル-2,2’-ビピリジン)銅錯体の2種の組合せなどが好ましい。銅錯体の配合比は、例えば、有機配位子が異なる第1銅錯体と第2銅錯体とを少なくとも含むものとしたとき、第1銅錯体のモル数M1と銅錯体全体のモル数Maとの割合M1/Ma×100(mol%)が30mol%以上70mol%以下の範囲であることが好ましく、33mol%以上67mol%以下の範囲であることがより好ましく、40mol%以上60mol%以下の範囲であるものとしてもよい。また、2種の銅錯体のみを含む場合も上記と同様の範囲が好ましい。また、銅錯体は、銅(1価+2価)の全体に対する2価の銅のモル比率X(CuII/(CuI+CuII)が0≦X<0.2の範囲内にあるものとしてもよい。モル比率Xにおいて、2価の銅錯体の存在は、より少ないことが好ましい。なお、化学式(1)~(4)などに示すように、銅の価数及びアニオンの数のみが異なる銅錯体や、化学式(1)、(1’)に示すようにアニオンの種別のみが異なる銅錯体は、上記「有機配位子の構造が異なる銅錯体」には含まれないものとする。 This electrolyte contains two or more copper complexes having different organic ligand structures. If two or more kinds of copper complexes are included, the copper complexes are less likely to crystallize, and the amorphous state is likely to be maintained. Therefore, it is possible to further suppress deterioration of solar cell characteristics that may occur due to crystallization of the copper complex. The organic ligands may have the same basic structure but different substituents, such as derivatives, or may have different basic structures, but different basic structures are more preferable. If the basic structure is different, alignment of the copper complex, that is, crystallization is likely to be structurally inhibited, so that the amorphous state is more likely to be maintained, which is more preferable. For example, organic ligands having the same basic structure include a combination of a phenanthroline ligand and its derivative, a combination of a bipyridylalkyl ligand and its derivative, a combination of a bipyridine ligand and its derivative, and the like. is mentioned. Organic ligands with different basic structures include a combination of a phenanthroline ligand and a bipyridylalkyl ligand, a combination of a phenanthroline ligand and a bipyridine ligand, a bipyridylalkyl ligand and bipyridine. A combination with a system ligand and the like can be mentioned. Specific examples of such electrolytes include bis(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) copper complex and bis(4,4′,6,6′-tetramethyl-2,2′-bipyridine ) combinations of two copper complexes and the like are preferred. The compounding ratio of the copper complex is, for example, when at least a cuprous complex and a cupric complex having different organic ligands are included, the number of moles M1 of the cuprous complex and the number of moles Ma of the entire copper complex The ratio M1 / Ma × 100 (mol%) is preferably in the range of 30 mol% to 70 mol%, more preferably in the range of 33 mol% to 67 mol%, and in the range of 40 mol% to 60 mol% It may be a certain one. Also, when only two kinds of copper complexes are included, the same range as above is preferable. In addition, in the copper complex, even if the molar ratio X (Cu II /(Cu I + Cu II ) of bivalent copper to the total of copper (monovalent + divalent) is within the range of 0 ≤ X < 0.2 It is preferable that the presence of a divalent copper complex is less in the molar ratio X. As shown in chemical formulas (1) to (4), copper that differs only in the number of valences and anions of copper Complexes and copper complexes in which only the types of anions differ as shown in chemical formulas (1) and (1') are not included in the above-mentioned "copper complexes with different organic ligand structures".

この電解質は、有機溶媒及び/又はイオン液体を含む溶媒を含むものとしてもよい。この有機溶媒は、例えば、沸点が200℃以上であり比誘電率εrが30以上100以下の範囲であり25℃での粘度ηが0.5mPa・s以上10mPa・s以下の範囲であるものが好ましい(以下、単に有機溶媒と称する)。有機溶媒が揮発しにくく、電解質に残存することによって、銅錯体の結晶化をより抑制することができるからである。この有機溶媒は、沸点がより高いことが揮発性の観点から好ましく、例えば、220℃以上であることが好ましく、240℃以上であることがより好ましく、260℃以上であるものとしてもよい。有機溶媒の沸点は、例えば、400℃以下であるものとしてもよい。この有機溶媒は、比誘電率εrが35以上であることが好ましく、40以上であることがより好ましく、50以上であるものとしてもよい。また、有機溶媒は、比誘電率εrが90以下であるものとしてもよく、80以下としてもよい。この有機溶媒は、粘度がより低いことが好ましく、25℃の粘度が8mPa・s以下であることが好ましく、6mPa・s以下であることがより好ましく、5mPa・s以下であるものとしてもよい。また、有機溶媒は、25℃の粘度が0.5mPa・s以上であるものとしてもよく、1mPa・s以上としてもよい。 The electrolyte may contain solvents including organic solvents and/or ionic liquids. The organic solvent has, for example, a boiling point of 200° C. or higher, a dielectric constant εr of 30 or more and 100 or less, and a viscosity η of 0.5 mPa·s or more and 10 mPa·s or less at 25° C. Preferred (hereinafter simply referred to as an organic solvent). This is because the organic solvent is difficult to volatilize and remains in the electrolyte, thereby further suppressing the crystallization of the copper complex. From the viewpoint of volatility, the organic solvent preferably has a higher boiling point. For example, the boiling point is preferably 220° C. or higher, more preferably 240° C. or higher, and may be 260° C. or higher. The boiling point of the organic solvent may be, for example, 400° C. or lower. The organic solvent preferably has a dielectric constant ∈r of 35 or more, more preferably 40 or more, and may be 50 or more. Further, the organic solvent may have a dielectric constant εr of 90 or less, or 80 or less. The viscosity of this organic solvent is preferably lower, and the viscosity at 25° C. is preferably 8 mPa·s or less, more preferably 6 mPa·s or less, and may be 5 mPa·s or less. Further, the organic solvent may have a viscosity at 25° C. of 0.5 mPa·s or more, or 1 mPa·s or more.

有機溶媒は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートを含むカーボネート類、γ-ブチルラクトン及びγ-バレロラクトンを含む環状エステル類、アジポニトリルを含むニトリル類、N-メチルピロリドンを含むピロリドン類、3-メチル-2-オキサゾリドンを含むオキサゾリドン類、及びグルタロニトリルを含むジニトリル類のうち1以上であるものとしてもよい。このうち、オキサゾリドン類やジニトリル類などがより好ましく、3-メチル-2-オキサゾリドンやグルタロニトリルなどが、沸点や粘度、比誘電など観点からより好ましい。 Organic solvents include carbonates including ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, cyclic esters including γ-butyllactone and γ-valerolactone, nitriles including adiponitrile, pyrrolidones including N-methylpyrrolidone, 3-methyl It may be one or more of oxazolidones including -2-oxazolidone and dinitriles including glutaronitrile. Among these, oxazolidones and dinitriles are more preferable, and 3-methyl-2-oxazolidone and glutaronitrile are more preferable from the viewpoint of boiling point, viscosity, relative dielectric and the like.

溶媒には、25℃での粘度ηが300mPa・s以下であるイオン液体(以下、単にイオン液体とも称する)を含むものとしてもよい。このイオン液体は、粘度がより低いことが好ましく、25℃の粘度が250mPa・s以下であることが好ましく、160mPa・s以下であることがより好ましく、100mPa・s以下であることが更に好ましい。また、イオン液体は、25℃の粘度が10mPa・s以上であるものとしてもよく、20mPa・s以上としてもよい。このイオン液体は、比誘電率εrが5以上、30以下であることがより好ましく、8以上、20以下であるものとしてもよい。また、このイオン液体は、融点がより低いことが好ましく、20℃以下であることがより好ましく、15℃以下がより好ましく、10℃以下が更に好ましい。 The solvent may contain an ionic liquid having a viscosity η of 300 mPa·s or less at 25° C. (hereinafter simply referred to as an ionic liquid). The ionic liquid preferably has a lower viscosity, preferably a viscosity at 25° C. of 250 mPa·s or less, more preferably 160 mPa·s or less, even more preferably 100 mPa·s or less. Also, the ionic liquid may have a viscosity at 25° C. of 10 mPa·s or more, or 20 mPa·s or more. The ionic liquid preferably has a dielectric constant ∈r of 5 or more and 30 or less, and may be 8 or more and 20 or less. The ionic liquid preferably has a lower melting point, more preferably 20° C. or lower, more preferably 15° C. or lower, and even more preferably 10° C. or lower.

このイオン液体は、イミダゾリウム系カチオンやピリジウム系カチオン、脂環式アミン系カチオン及び脂肪族アミン系カチオン、スルホニウムイオン、ホスホニウムイオンなどうち1以上のカチオンを含むものとしてもよい。イミダゾリウム系カチオンは、イミダゾリウム構造やその誘導体を含む。ピリジウム系カチオンは、ピリジウム構造やその誘導体を含む。脂環式アミン系カチオンは、脂環式アミン構造やその誘導体を含む。脂肪族アミン系カチオンは、脂肪族アミン構造やその誘導体を含む。このイオン液体は、化学式(11)~(17)のうち1以上のカチオンを含むことが好ましい。但し、化学式中、R、R1~R4は、同じ基であってもよいし、異なる基であってもよく、炭素数1~6の鎖状炭化水素基及びHのいずれかである。鎖状炭化水素基は、エーテル結合を含むものとしてもよいし、1以上の置換基を有するものとしてもよい。置換基は、例えば、炭素数3以下のアルキル基、ハロゲンなどを含むものとしてもよい。イミダゾリウム系カチオンとしては、化学式(11)のカチオンが挙げられる。ピリジウム系カチオンとしては、化学式(12)のカチオンが挙げられる。脂環式アミン系カチオンとしては、化学式(13)、(14)のカチオンが挙げられる。脂肪族アミン系カチオンとしては、化学式(15)のカチオンが挙げられる。スルホニウムイオンとしては、化学式(16)のカチオンが挙げられる。、ホスホニウムイオンとしては、化学式(17)のカチオンが挙げられる。また、このイオン液体は、Br-、Cl-、SCN-、HSO4 -、BF4 -、PF6 -、CF3SO3 -、CF3CO2 -、(C253PF3 -、(CF3SO22-及び(FSO22-のうち1以上のアニオンを含むものとしてもよい。このようなイオン液体としては、具体的に化学式(18)~(38)のうち1以上のイオン液体が挙げられる。このうち、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート(EMITCB)などが好ましい。 The ionic liquid may contain one or more cations selected from imidazolium cations, pyridium cations, alicyclic amine cations, aliphatic amine cations, sulfonium ions, phosphonium ions, and the like. Imidazolium-based cations include imidazolium structures and derivatives thereof. Pyridium-based cations include pyridium structures and derivatives thereof. Alicyclic amine-based cations include alicyclic amine structures and derivatives thereof. Aliphatic amine-based cations include aliphatic amine structures and derivatives thereof. This ionic liquid preferably contains one or more cations of chemical formulas (11) to (17). However, in the chemical formulas, R, R 1 to R 4 may be the same group or different groups, and are either a chain hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms or H. The chain hydrocarbon group may contain an ether bond or may have one or more substituents. The substituent may include, for example, an alkyl group having 3 or less carbon atoms, halogen, and the like. Examples of imidazolium-based cations include cations of chemical formula (11). Examples of pyridium-based cations include cations of chemical formula (12). Alicyclic amine-based cations include cations of chemical formulas (13) and (14). Examples of aliphatic amine-based cations include cations of chemical formula (15). Sulfonium ions include cations of chemical formula (16). , Phosphonium ions include cations of the chemical formula (17). Moreover, this ionic liquid includes Br , Cl , SCN , HSO 4 , BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , CF 3 CO 2 , (C 2 F 5 ) 3 PF 3 , (CF 3 SO 2 ) 2 N and (FSO 2 ) 2 N . Such ionic liquids specifically include ionic liquids represented by one or more of chemical formulas (18) to (38). Among them, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate (EMITCB) is preferred.

Figure 0007290953000003
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Figure 0007290953000004
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この電解質は、有機溶媒及び/又はイオン液体を含むことによって、銅錯体の結晶化をより抑制することができる。この溶媒は、高沸点有機溶媒とイオン液体とを含むことがより好ましい。これら2種を含むものとすると、揮発性(沸点)や粘度、比誘電率などをより好適な範囲とすることができる。この溶媒は、有機溶媒のモル数Msに対するイオン液体のモル数Miの割合Mi/Ms×100(mol%)が10mol%以上50mol%以下の範囲であることが好ましい。この範囲では、揮発性や粘度、比誘電率などをより好適なものとすることができる。このモル割合は、15mol%以上が好ましく、20mol%以上がより好ましく、30mol%以上としてもよい。また、このモル割合は45mol%以下が好ましく、40mol%以下がより好ましく、35mol%以下としてもよい。 By containing an organic solvent and/or an ionic liquid, the electrolyte can further suppress the crystallization of the copper complex. More preferably, the solvent contains a high-boiling organic solvent and an ionic liquid. If these two types are included, the volatility (boiling point), viscosity, relative permittivity, etc. can be set in more suitable ranges. As for this solvent, the ratio Mi/Ms×100 (mol %) of the number of moles Mi of the ionic liquid to the number of moles Ms of the organic solvent is preferably in the range of 10 mol % or more and 50 mol % or less. Within this range, the volatility, viscosity, dielectric constant and the like can be made more suitable. This molar ratio is preferably 15 mol % or more, more preferably 20 mol % or more, and may be 30 mol % or more. Also, the molar ratio is preferably 45 mol % or less, more preferably 40 mol % or less, and may be 35 mol % or less.

また、この電解質は、添加剤を更に含むことが好ましい。添加剤としては、例えば、窒素を1以上含み2環以上を有する複素環式化合物や窒素を2以上有する単環の複素環式化合物のうち1以上の環式化合物などが挙げられる。環式化合物としては、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く、イミダゾール構造が好ましい。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し、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。具体的には、環式化合物は、化学式(39)~(46)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(39)~(43)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(39)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(40)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(41)は、キノリンであり、その誘導体であってもよい。化学式(42)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(43)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(44)~(46)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(44)は、イミダゾール及びその誘導体である。化学式(45)は、ピラゾール及びその誘導体である。化学式(46)は、イミダゾリン及びその誘導体である。この環式化合物は、銅錯体のモル数に対する環式化合物のモル数の比率であるモル比率Xが0.4≦X≦4の範囲内で電解液に含まれることが好ましい。この範囲では、環式化合物の添加効果を十分発揮することができ、好ましい。このモル比率Xは、0.8以上であるものとしてもよいし、1.0以上であるものとしてもよい。あるいは、このモル比率Yは、3.0以下であるものとしてもよいし、2.0以下であるものとしてもよい。また、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。 Also, the electrolyte preferably further contains an additive. The additive includes, for example, one or more cyclic compounds selected from heterocyclic compounds containing one or more nitrogen atoms and having two or more rings and monocyclic heterocyclic compounds having two or more nitrogen atoms. 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 preferably has basicity and preferably has an imidazole structure. In addition, the cyclic compound may have a substituent or a heteroatom in its structure, or may have a hydrogen group, an alkyl group substituted for a hydrogen group, or the like. The alkyl group preferably has 1 to 6 carbon atoms. Specifically, the cyclic compound may be one or more of chemical formulas (39) to (46). In this formula, R may be hydrogen (H) or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. The alkyl group may be linear or branched. Chemical formulas (39) to (43) are heterocyclic compounds containing one or more nitrogen atoms and having two or more rings. Chemical formula (39) is benzimidazole and derivatives thereof, such as N-methylbenzimidazole and N-butylbenzimidazole. Chemical formula (40) is a pyrimidine base, such as 1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidine, 1,3,4,6,7, 8-hexahydro-1-methyl-2H-pyrimido[1,2a]pyrimidine and the like. Chemical formula (41) is quinoline and may be a derivative thereof. Chemical formula (42) is benzoxazole, and may be a derivative thereof. Chemical formula (43) is benzothiazole and may be a derivative thereof. Chemical formulas (44) to (46) are monocyclic heterocyclic compounds having two or more nitrogen atoms. Chemical formula (44) is imidazole and its derivatives. Chemical formula (45) is pyrazole and its derivatives. Chemical formula (46) is imidazoline and its derivatives. The cyclic compound is preferably contained in the electrolytic solution so that the molar ratio X, which is the ratio of the number of moles of the cyclic compound to the number of moles of the copper complex, is within the range of 0.4≦X≦4. This range is preferable because the effect of adding the cyclic compound can be sufficiently exhibited. This molar ratio X may be 0.8 or more, or may be 1.0 or more. Alternatively, this molar ratio Y may be 3.0 or less, or 2.0 or less. Further, as additives, for example, LiTFSI, which lowers the bottom of the conduction band (CBM) of a photoelectrode material such as TiO 2 to improve the electron injection efficiency from the dye to TiO 2 and increase the short-circuit current density Jsc, LiI and the like. These can be used singly or in combination.

Figure 0007290953000005
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(太陽電池)
本開示の太陽電池は、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1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1に示すように、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。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。この太陽電池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 of the present disclosure includes a photoelectrode having a light absorption layer, a counter electrode arranged to face the photoelectrode, and any of the electrolytes described above interposed between the photoelectrode and the counter electrode. is. The photoelectrode may comprise an n-type semiconductor layer (electron transport layer) coated with a light absorbing layer on a light transmissive conductive substrate. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of a solar cell module 10. As shown in FIG. As shown in FIG. 1 , the solar cell module 10 has a configuration in which a plurality of solar cells 40 (hereinafter also referred to as cells) are arranged sequentially 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 the spaces between the cells, and a flat protective member 34 is formed on the surface of the sealing material 32 opposite to the light-transmitting conductive substrate 14. It is The solar cell 40 includes a photoelectrode 20 having an electron transport layer 24 including a light absorption layer and an n-type semiconductor layer on a light-transmitting conductive substrate 14 with an underlying layer 22 interposed therebetween, and the photoelectrode 20 is arranged to face the photoelectrode 20 . , an electrolyte layer 26 interposed between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30 , and a separator 29 . The photoelectrode 20 consists of a light-transmitting conductive substrate 14 having a light-transmitting light-transmitting conductive film 12 formed on the surface of a light-transmitting substrate 11, and an electron transport layer formed on the light-transmitting conductive film 12. 24 and. The electron transport layer 24 is a layer provided on the light-transmitting conductive film 12 separately formed on the surface opposite to the light-receiving surface 13 of the light-transmitting substrate 11 and emitting electrons upon receiving light. In the solar cell 40, 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-transmitting conductive substrate 14 is composed of the light-transmitting substrate 11 and the light-transmitting conductive film 12, and has light transmittance and conductivity. 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-transmitting electrode obtained by doping tin oxide or indium oxide with cations or anions having different valences, or a metal electrode having a structure that allows light to pass through, such as a mesh or stripe, provided on a substrate such as a glass substrate. can also be used. 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. 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-transmissive substrate 11 include transparent glass, transparent plastic plate, transparent plastic film, and inorganic transparent crystals, among which transparent glass is preferred. The light-transmitting substrate 11 may be a transparent glass substrate, a glass substrate whose surface is appropriately roughened to prevent reflection of light, or a translucent frosted glass substrate that transmits light. The light-transmitting conductive film 12 can be formed, for example, by depositing tin oxide on the light-transmitting substrate 11 . In particular, if a metal oxide such as fluorine-doped tin oxide (FTO) is used, a suitable light-transmitting conductive film 12 can be formed. The light-transmitting conductive film 12 has grooves 18 formed at predetermined intervals, and a plurality of regions of the light-transmitting conductive film 12 are separated 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, and is preferably made of, for example, a light-transmitting and conductive material. Examples include n-type semiconductors such as titanium, zinc oxide, and tin oxide, and among these, titanium oxide is more preferable. This is because titanium oxide suppresses/prevents leakage current and allows electrons to easily flow from the electron transport layer 24 to the light-transmitting conductive substrate 14 . The underlying layer 22 is preferably made of a denser material than the electron transporting layer 24 . Note that the solar cell 40 functions sufficiently even if the underlayer 22 is not formed, so the underlayer 22 may be omitted.

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. Suitable n-type semiconductors include metal oxide semiconductors and metal sulfide semiconductors. At least one of zinc (ZnS) is preferable, and among these, porous titanium oxide is more preferable. A good porous n-type semiconductor layer can be formed by making these semiconductor materials into a microcrystalline or polycrystalline state and thinning the film. In particular, a porous titanium oxide layer is suitable as the n-type semiconductor layer of the photoelectrode 20 . As titanium oxide, anatase-type TiO 2 is preferable to rutile-type 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(A))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 contain one or more light-absorbing materials selected from organic dyes, metal complexes, and organic metal halide compounds. This light absorbing material may be an organic dye. Organic dyes include, for example, BODIPY dyes (BODIPY-FL, etc.), indoline dyes (D131, D149, D205, D358, etc.), carbazole dyes (MK2, etc.), coumarin dyes (C343, NKX-2587, NKX- 2677, etc.) and squarylium-based dyes (SQ2, etc.). Alternatively, the organic dye may have an aromatic amine as a donor and a cyanocarboxylic acid anchor group via a π-conjugated molecule. Such dyes include, for example, 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 (A)), etc., and this dye is preferably used. Also, the light absorbing material may be a metal complex. Examples of metals contained in metal complexes include Zn, Cu, Fe, Pd, Pt, Ni, Co, and Ru. Among them, Ru complexes (Ruthenizer470 (Ru470), N719, Z907, etc.), metal porphyrin dyes (PtTPTBP, PdTPTBP, DTBC, etc.), metal phthalocyanine dyes (CuPc, ZnPc, etc.) and metal naphthalocyanine dyes (CuNc, ZnNc etc.). These light absorbing materials may be used alone or in combination. Among them, Ru complex compounds (Z907, N719), Zn porphyrin compounds (DTBC), carbazole dyes (MK2), and indoline double rhodanine compounds (D149 and D358) are preferable as dyes. Moreover, perovskite crystals such as CH 3 NH 3 PbI 3 and the like can be used as the organic metal halide compound as the light absorbing material. The structural formulas of the exemplified compounds are shown below. Although not shown in the chemical formulas below, PdTPTBP is Pt in PtTPTBP replaced by Pd, ZnPc is Cu in CuPc in which Cu is replaced by Zn, and ZnNc is CuNc in which Cu is replaced by Zn.

Figure 0007290953000006
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Figure 0007290953000008
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Figure 0007290953000009
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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が固体を含むときに、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 . This electrolyte layer 26 contains any of the electrolytes described above. This structure of solar cell module 10 can be employed when electrolyte layer 26 comprises a solid.

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 to have 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 separator 29 is in contact with groove 18 on light-transmissive conductive substrate 14 . This avoids direct contact between the photoelectrode 20 and the counter electrode 30 . The separator 29 is made of an insulating material, and may be made of, for example, glass beads, silicon dioxide (silica), rutile-type titanium oxide, or the like. As the separator 29, an insulator obtained by sintering silica particles is preferable. Silica particles are preferable for separators because they have a low refractive index, low light scattering, and good transparency. From the viewpoint of ensuring good transparency, the separator 29 preferably has an average particle size of 5 to 200 nm. Also, 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 has an L-shaped cross section so as to be in contact with the outer surface of the separator 29 and the back surface 27 of the electrolyte layer 26 . The counter electrode 30 has one end connected to the back surface 27 of the electrolyte layer 26 and the other end connected to the adjacent light-transmitting conductive film 12 via the connecting portion 21 . The surface of the counter electrode 30 in contact with the back surface 27 faces the photoelectrode 20 with a predetermined gap therebetween. 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 which carbon is preferred.

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 protective member 34 is a member intended to protect the solar cells 40, and may be, for example, a moisture-proof film or protective glass.

この太陽電池40に対して、光透過基板11の受光面13側から光を照射すると、光透過導電膜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から光透過導電膜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、有機配位子を有し銅が複数の価数を有する銅錯体において、この有機配位子の構造が異なる銅錯体を2種以上含有する。 When the solar cell 40 is irradiated with light from the side of the light-receiving surface 13 of the light-transmitting substrate 11 , the light passes through the light-receiving surface 15 of the light-transmitting conductive film 12 and the light-receiving surface 23 of the underlying layer 22 to the electron transport layer 24 . When it reaches the light absorber, the light is absorbed and electrons are generated. The generated electrons move from the photoelectrode 20 to the adjacent counter electrode 30 via the light-transmitting conductive film 12 and the connecting portion 21 . In the solar cell 40, electromotive force is generated by this movement of electrons, and the power generation action of the cell is obtained. In the solar cell module 10, the electrolyte layer 26 contains two or more copper complexes having organic ligands and having a plurality of valences of copper and having different structures of the organic ligands.

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、複数の光透過導電膜12の間に溝18を形成しつつ光透過導電膜12を光透過基板11上に形成する。電子輸送層形成工程では、光透過導電膜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。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てもよい。 The 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. In the substrate manufacturing process, the light-transmitting conductive film 12 is formed on the light-transmitting substrate 11 while forming the grooves 18 between the plurality of light-transmitting conductive films 12 . In the electron transport layer forming step, an n-type semiconductor layer is formed on the light-transmitting conductive film 12 with the base layer 22 interposed therebetween, a light absorbing material is formed on the n-type semiconductor layer, and the electron transport layer 24 is formed. Porous titanium oxide may be used as the n-type semiconductor layer.

次に、電解質層形成工程では、電子輸送層24の裏面25へ上述した電解質を供給し、電解質層26を形成する。この工程では、有機配位子を有し銅が複数の価数を有する銅錯体を複数、溶媒に配合して混合し、この電解質溶液を塗布又は吐出し、光電極上に電解質を形成するものとしてもよい。銅錯体や高沸点の有機溶媒、イオン液体の種別やその含有量、配合比などは、上記電解質で説明したもののいずれかを適宜用いることができる。この電解質層形成工程では、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートを含むカーボネート類を除いた有機溶媒を含む溶媒を含む電解質を大気中で前記光電極上に形成するものとしてもよい。この有機溶媒を用いたときは、例えば、大気中に存在する水による変質を抑制することができ、大気中で電解質層を作製することができる。一方、この電解質層形成工程では、カーボネート類の有機溶媒を含む溶媒を含む電解質を不活性雰囲気中で光電極上に形成するものとしてもよい。カーボネート類を用いるときでも、水の影響を与えないように不活性雰囲気で作製すればよい。また、この工程では、上記の有機溶媒とイオン液体以外に、沸点が200℃未満である低沸点の有機溶媒を含むものとし、この低沸点の有機溶媒を電解質層形成後に乾燥除去するものとしてもよい。このようにすれば、電解質溶液の粘度などを調節しやすく、光電極上に電解質層に形成しやすい。低沸点の有機溶媒としては、例えば、アセトニトリルやアセトン、アルコールなどが挙げられる。 Next, in the electrolyte layer forming step, the electrolyte described above is supplied to the back surface 25 of the electron transport layer 24 to form the electrolyte layer 26 . In this step, a plurality of copper complexes having organic ligands and copper having multiple valences are blended and mixed in a solvent, and this electrolyte solution is applied or discharged to form an electrolyte on the photoelectrode. good too. As for the type, content, compounding ratio, and the like of the copper complex, the high-boiling organic solvent, and the ionic liquid, any one of those described above for the electrolyte can be appropriately used. In this electrolyte layer forming step, an electrolyte containing a solvent containing an organic solvent excluding carbonates including ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate may be formed on the photoelectrode in the air. When this organic solvent is used, for example, deterioration due to water present in the atmosphere can be suppressed, and an electrolyte layer can be produced in the atmosphere. On the other hand, in this electrolyte layer forming step, an electrolyte containing a solvent containing an organic solvent such as carbonates may be formed on the photoelectrode in an inert atmosphere. Even when carbonates are used, they may be produced in an inert atmosphere so as not to be affected by water. Further, in this step, in addition to the above organic solvent and ionic liquid, a low boiling point organic solvent having a boiling point of less than 200° C. may be included, and the low boiling point organic solvent may be removed by drying after forming the electrolyte layer. . By doing so, it is easy to adjust the viscosity of the electrolyte solution, etc., and to easily form the electrolyte layer on the photoelectrode. Examples of low-boiling organic solvents include acetonitrile, acetone, and alcohol.

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。 Subsequently, in the separator forming step, a separator 29 is formed on the side surface of the photoelectrode 20 so as to match the groove 18 . In the counter electrode forming step, the counter electrode 30 is formed so as to be 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, a sealing member 32 is formed so as to cover each cell, and a protective member 34 is formed on the sealing member 32 . Thus, the solar cell 40 and the solar cell module 10 with improved power generation characteristics can be manufactured.

以上説明した本開示の電解質、太陽電池及び太陽電池モジュールでは、銅錯体を含むものにおいて、太陽電池特性をより高めることができる。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、銅錯体を固体電解質とする太陽電池では、上述のように、溶媒加えて電解質の充填を行うことがあるが、高い発電特性を得るには銅錯体が分子運動できる状態(非晶質状態)であることが望ましいことがわかった。即ち、銅錯体が結晶化せず、非晶質状態を維持することができるような組成を採用することが重要であると推察される。本開示では、異なる有機配位子を有する2種以上の銅錯体を含む、即ち、構造の異なる有機配位子を複数含むため、銅錯体の整列、即ち結晶化が構造的に阻害されやすく、銅錯体がより非晶質状態を維持しやすくなるものと推察される。このため、銅錯体が結晶化しにくく、初期特性における高出力密度を確保することができ、また、暗所60℃での高温放置などにおける高温耐久性などをより向上することができるものと推察される。 In the electrolyte, solar cell, and solar cell module of the present disclosure described above, the solar cell characteristics can be further enhanced in those containing a copper complex. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, in a solar cell using a copper complex as a solid electrolyte, the electrolyte may be filled by adding a solvent as described above. ) was found to be desirable. That is, it is presumed that it is important to employ a composition that allows the copper complex to remain in an amorphous state without crystallization. In the present disclosure, since it contains two or more kinds of copper complexes having different organic ligands, i.e., it contains a plurality of organic ligands with different structures, alignment of the copper complexes, i.e., crystallization is likely to be structurally inhibited, It is presumed that the copper complex becomes easier to maintain an amorphous state. For this reason, it is speculated that the copper complex is less likely to crystallize, a high output density can be secured in the initial characteristics, and high-temperature durability, etc., when left in a dark place at a high temperature of 60° C., can be further improved. be.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示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 goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

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2に示す、太陽電池40としてもよい。図2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2では、図1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2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、光透過導電膜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, but the present invention is not limited to this, and the solar cell 40 shown in FIG. 2 may be used. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a schematic configuration of the solar cell 40. As shown in FIG. In FIG. 2, the same reference numerals are given to the same components as those described in FIG. 1, and the description thereof will be omitted. As shown in FIG. 2, when the solar cell 40 is used as a single unit, the cross section of the counter electrode 30 may be formed in a plate shape instead of an L shape. Also, the separator 29 may be omitted. The counter electrode 30 may have the same structure as the light-transmitting conductive substrate 14, may have platinum attached to the light-transmitting conductive film 12, or may be a metal thin film such as platinum. .

以下には、本開示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、2が参考例に相当し、実験例3~7が実施例に相当し、実験例8が比較例に相当する。 Experimental examples will be described below in which the electrolyte and the solar cell of the present disclosure are specifically produced. In the following examples, Experimental Examples 1 and 2 correspond to Reference Examples, Experimental Examples 3 to 7 correspond to Examples, and Experimental Example 8 corresponds to Comparative Example.

[電解質の検討]
従来の作製方法で評価セルを作製した。透明導電膜(SnO2)電極上に、原子層堆積法で緻密TiO2(10nm)を形成したあと、酸化チタン粒子(粒子径:数10nm~400nm)を印刷後、500℃で焼結し、チタン化合物中への浸漬、500℃での加熱によりTiO2光電極を作製した。この光電極にルチル型TiO2層のセパレータを印刷したのち、その上に炭素電極を積層した3層構造電極を作製した。赤色系有機色素を吸着後、上記、電解質を充填後、溶媒を除去し、3層構造型の色素増感太陽電池を作製した。ここでは、光電極/透明導電膜(FTO)ガラスと、対極/ガラス基板とをシール剤によりはさみ、ガラス基板に設けた電解質の注液用の小孔から、減圧下で電解質の溶液を導入したあと、減圧乾燥を行い、溶媒を除去することにより電解質層を光電極に形成した(充填法)。用いた材料は、色素は、化学式(A)の化合物とした。銅錯体としてCu(dmp)2TFSI(1価:化学式(1))及びCu(dmp)2TFSI2(2価)とを用いた。これを密閉セルとしての実験例1とした。この価数の違う銅錯体の成分比は、2価の濃度を0.05Mとし、1価と2価との全体の濃度を0.25Mとした。また、銅錯体としてCu(tmby)2TFSI(化学式(3))も同様に用いた。また、添加剤として0.1MのLiTFSIと、0.5MのN-ブチルベンズイミダゾール(NBBI)とを溶媒としてのアセトニトリル(ACN)に添加した。これに上記銅錯体を加え、電解質の溶液とし、光電極上に形成した。
[Examination of electrolyte]
An evaluation cell was produced by a conventional production method. After forming dense TiO 2 (10 nm) on a transparent conductive film (SnO 2 ) electrode by atomic layer deposition, titanium oxide particles (particle diameter: several tens of nm to 400 nm) are printed and then sintered at 500°C. A TiO 2 photoelectrode was prepared by immersion in a titanium compound and heating at 500°C. A rutile-type TiO 2 layer separator was printed on the photoelectrode, and a carbon electrode was laminated thereon to prepare a three-layer structure electrode. After the red organic dye was adsorbed, the electrolyte was filled, and the solvent was removed to produce a three-layer structure type dye-sensitized solar cell. Here, a photoelectrode/transparent conductive film (FTO) glass and a counter electrode/glass substrate were sandwiched by a sealant, and an electrolyte solution was introduced under reduced pressure from a small hole for electrolyte injection provided in the glass substrate. Then, drying was performed under reduced pressure to remove the solvent, thereby forming an electrolyte layer on the photoelectrode (filling method). As for the materials used, the dye was the compound of the chemical formula (A). Cu(dmp) 2 TFSI (monovalent: chemical formula (1)) and Cu(dmp) 2 TFSI 2 (bivalent) were used as copper complexes. This is referred to as Experimental Example 1 as a closed cell. The component ratio of the copper complexes with different valences was such that the concentration of bivalent was 0.05M and the total concentration of monovalent and divalent was 0.25M. Cu(tmby) 2 TFSI (chemical formula (3)) was also used as a copper complex. Also, 0.1 M LiTFSI and 0.5 M N-butylbenzimidazole (NBBI) were added as additives to acetonitrile (ACN) as a solvent. The above copper complex was added to this to form an electrolyte solution, which was formed on the photoelectrode.

ここで、密閉しないオープンセルにより電解質の検討を行った。オープンセルは、後述する滴下法で作製し、シール材を用いずに開放した評価セルである。このオープンセルは、密閉セルである実験例1と同様の組成の原料(色素、添加剤など)を用いて作製した。銅錯体としてCu(dmp)2TFSIを用いたものをオープンセルの参考例1とし、銅錯体としてCu(tmby)2TFSIを用いたものをオープンセルの参考例2とした。図3は、参考例1、2のオープンセルの電解液注液後の測定時間(S)に対するJsc(mA/m2)の測定結果である。図3に示すように、オープンセルでは、参考例1,2共に初期には高いJscを示したが、時間の経過と共に低下した。これは、おそらく、初期には電解質層に溶媒が残存しているが、時間の経過と共に溶媒が揮発してオープンセルからなくなり、時間経過と共に銅錯体が結晶化してJscが低下したものと推察された。この結果から、電解質には、溶媒が存在することが望ましいと推察された。 Here, the electrolyte was examined using an open cell that is not sealed. An open cell is an evaluation cell that is prepared by a dropping method, which will be described later, and is opened without using a sealing material. This open cell was produced using raw materials (pigments, additives, etc.) having the same composition as in Experimental Example 1, which is a closed cell. An open-cell reference example 1 using Cu(dmp) 2 TFSI as the copper complex, and an open-cell reference example 2 using Cu(tmby) 2 TFSI as the copper complex. FIG. 3 shows the measurement results of Jsc (mA/m 2 ) with respect to the measurement time (S) after electrolyte injection in the open cells of Reference Examples 1 and 2. FIG. As shown in FIG. 3, in the open cell, both Reference Examples 1 and 2 showed high Jsc at the initial stage, but decreased with the lapse of time. This is presumably because the solvent remained in the electrolyte layer at the beginning, but the solvent volatilized with the passage of time and disappeared from the open cells, and the copper complex crystallized with the passage of time, resulting in a decrease in Jsc. rice field. From this result, it was inferred that it is desirable for the electrolyte to contain a solvent.

次に、上記作製した密閉セルである実験例1の評価セルの電解質の組成を評価した。表1は、実験例1-1として評価セル作成時の組成(仕込み組成)、実験例1-2として、試験後のセル内部の成分を分析した結果をまとめた。また、図4Aに実験例1-1,1-2の組成を示した。表1及び図4Aでは、1価の銅錯体のモル比を0.25に規格化した他の成分のモル比を示した。また、実験例1-2のモル比は、NMR測定値から求めた。表1及び図4Aに示すように、溶媒であるアセトニトリルは、仕込み組成では、モル比が19であったが、発電後はモル比が3.4に減少していた。 Next, the composition of the electrolyte of the evaluation cell of Experimental Example 1, which is the closed cell produced above, was evaluated. Table 1 summarizes the composition (preparation composition) at the time of preparation of the evaluation cell as Experimental Example 1-1, and the results of analyzing the components inside the cell after the test as Experimental Example 1-2. Also, FIG. 4A shows the compositions of Experimental Examples 1-1 and 1-2. Table 1 and FIG. 4A show the molar ratios of other components normalized to the molar ratio of the monovalent copper complex of 0.25. Also, the molar ratio in Experimental Example 1-2 was obtained from NMR measurements. As shown in Table 1 and FIG. 4A, acetonitrile as a solvent had a molar ratio of 19 in the charged composition, but the molar ratio decreased to 3.4 after power generation.

Figure 0007290953000010
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次に、評価セルの作製方法と溶媒とを変更して検討した。ここでは、上述した充填法ではなく、大気中にて少量の電解質溶液を光電極上に滴下する滴下法を行い電解質を光電極上に形成した。光電極は、1cm×0.75cmのサイズであり、3μLの電解質溶液を滴下した。その後、ハイミランの枠シールで対極を重ね合わせたのち、セルの外周をエポキシ硬化樹脂によって密封する手法で評価セルを作製した。この滴下法で作製した評価セルにおいて、実験例1の電解質溶液を用いると、ほぼ発電しなかった。これは、仕込み組成の溶媒量が少ないうえ、作製中に溶媒が早く揮発し発電時に溶媒が存在しなくなっているためであると推察された。そこで、溶媒は、プロピレンカーボネート(PC)と、バレロニトリル(VALN)と、アセトニトリル(ACN)とを体積比で32:14:54で混合した混合溶媒とした。そして、電解質溶液を0.5MのCu(dmp)2TFSIと、1MのNBBI、0.4MのLiTFSIを溶媒に加えることにより調製した。表2は、滴下法で作製した評価セルの作成時の組成(仕込み組成)を実験例2-1とし、作製後の評価セル内部の成分を分析した結果を実験例2-1、2-2としてまとめた。実験例2-1は電解質溶液マイクロピペットで滴下して作製した評価セルであり、実験例2-2は電解質溶液を霧状に塗出して作製した評価セルである。表2では、1価の銅錯体のモル比を0.50に規格化した他の成分のモル比を示した。実験例2のモル比は、NMR測定値から求めた。図4は、実験例1,2の評価セルの電解質組成の測定結果であり、図4Aが実験例1-1,1-2の組成、図4Bが実験例2-1,2-2,2-3の組成である。図4や表2に示すように、実験例2の濃度が電解質の体積も含めて約1/2になっていると仮定すると、実験例1のCu錯体のモル数は実験例2の約6.8倍であり、実験例1は、実験例2の約16倍に見積もられる。即ち、滴下法で作製した実験例2では、実験例1に比してかなり少量の電解質および溶媒量であるものと見積もられた。 Next, a study was conducted by changing the method of preparing the evaluation cell and the solvent. Here, the electrolyte was formed on the photoelectrode by a dropping method in which a small amount of the electrolyte solution was dropped onto the photoelectrode in the atmosphere, instead of the filling method described above. The photoelectrode had a size of 1 cm×0.75 cm, and 3 μL of electrolyte solution was dropped. After that, the counter electrode was superimposed with a Himilan frame seal, and then an evaluation cell was produced by sealing the outer periphery of the cell with an epoxy curing resin. When the electrolyte solution of Experimental Example 1 was used in the evaluation cell produced by this dropping method, almost no power was generated. It is speculated that this is because the amount of solvent in the charged composition is small and the solvent evaporates quickly during preparation and disappears during power generation. Therefore, the solvent was a mixed solvent in which propylene carbonate (PC), valeronitrile (VALN), and acetonitrile (ACN) were mixed at a volume ratio of 32:14:54. An electrolyte solution was then prepared by adding 0.5 M Cu(dmp) 2 TFSI, 1 M NBBI, and 0.4 M LiTFSI to the solvent. Table 2 shows Experimental Example 2-1, which is the composition (preparation composition) at the time of preparation of the evaluation cell prepared by the dropping method, and Experimental Examples 2-1 and 2-2, which are the results of analyzing the components inside the evaluation cell after preparation. Summarized as Experimental Example 2-1 is an evaluation cell prepared by dropping an electrolyte solution using a micropipette, and Experimental Example 2-2 is an evaluation cell prepared by spraying an electrolyte solution in the form of a mist. Table 2 shows the molar ratios of other components with the molar ratio of the monovalent copper complex normalized to 0.50. The molar ratio in Experimental Example 2 was obtained from NMR measurements. FIG. 4 shows the measurement results of the electrolyte composition of the evaluation cells of Experimental Examples 1 and 2, FIG. 4A is the composition of Experimental Examples 1-1 and 1-2, and FIG. -3 composition. As shown in FIG. 4 and Table 2, assuming that the concentration in Experimental Example 2 is about half, including the volume of the electrolyte, the number of moles of the Cu complex in Experimental Example 1 is about 6 in Experimental Example 2. 8 times, and Experimental Example 1 is estimated to be approximately 16 times that of Experimental Example 2. That is, in Experimental Example 2 prepared by the dropping method, it was estimated that the amounts of electrolyte and solvent were considerably smaller than in Experimental Example 1.

Figure 0007290953000011
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次に、実験例2-1のバレロニトリルをジメチルホルムアミド(DMF)に変更した電解質について検討した。PCと、DMFと、ACNとを混合した溶媒とした以外は実験例2-1と同様に作製した電解質を用いた評価セルを実験例2-4とした。また、室温暗所で実験例2-4を3週間放置したものを実験例2-5とした。また、60℃暗所で実験例2-4を300時間放置したものを実験例2-6とした。実験例2-5,2-6の評価セルをLED光源の1000(lux)を照射したときの太陽電池特性を測定した。また、実験例2-4~2-6の電解質の組成を測定した。図5は、実験例2-5、2-6の評価セルの太陽電池特性である。図6は、実験例2-4~2-6の評価セルの電解質組成の測定結果である。図6では、1価の銅錯体のモル比を0.50に規格化した他の成分のモル比を示した。図6,7に示すように、60℃で放置した実験例2-6の評価セルは、室温で放置した実験例2-5に比して、太陽電池特性が低く、PC変質物が多く生成していることがわかった。図7は、実験例2-4~2-6の評価セルの電解質組成のNMR測定結果である。図7に示すように、実験例2-5,2-6では、新たな生成ピークがみられ、これはPCの加水分解物であるプロピレングリコールであるものと推察された。実験例2では、電解質溶液を大気中で滴下して作製したため、溶媒に水分が混入し、特に高温でPCの加水分解が促進されたものと推察された。 Next, an electrolyte was examined in which valeronitrile in Experimental Example 2-1 was changed to dimethylformamide (DMF). Experimental Example 2-4 was an evaluation cell using an electrolyte prepared in the same manner as in Experimental Example 2-1, except that a mixed solvent of PC, DMF, and ACN was used. Experimental Example 2-5 was obtained by leaving Experimental Example 2-4 in a dark place at room temperature for 3 weeks. Experimental Example 2-6 was obtained by leaving Experimental Example 2-4 in a dark place at 60° C. for 300 hours. Solar cell characteristics were measured when the evaluation cells of Experimental Examples 2-5 and 2-6 were irradiated with an LED light source of 1000 (lux). Also, the compositions of the electrolytes of Experimental Examples 2-4 to 2-6 were measured. FIG. 5 shows the solar cell characteristics of the evaluation cells of Experimental Examples 2-5 and 2-6. FIG. 6 shows the measurement results of the electrolyte composition of the evaluation cells of Experimental Examples 2-4 to 2-6. FIG. 6 shows the molar ratios of other components with the molar ratio of the monovalent copper complex normalized to 0.50. As shown in FIGS. 6 and 7, the evaluation cells of Experimental Example 2-6 left at 60° C. had lower solar cell characteristics and produced more PC alterations than the cells of Experimental Example 2-5 left at room temperature. I found out that FIG. 7 shows the NMR measurement results of the electrolyte composition of the evaluation cells of Experimental Examples 2-4 to 2-6. As shown in FIG. 7, in Experimental Examples 2-5 and 2-6, a new product peak was observed, which was presumed to be propylene glycol, which is a hydrolyzate of PC. In Experimental Example 2, since the electrolytic solution was dropped in the atmosphere to prepare the solvent, it was presumed that water was mixed in the solvent, and the hydrolysis of PC was promoted particularly at high temperatures.

次に、以下の電解質を用い、滴下法で評価セルを作製し、出力密度及び出力維持率の時間経過について検討した。銅錯体としてCu(dmp)2TFSI(1価)を0.2M、Cu(tmby)2TFSI(1価)を0.1M、LiTFSIを0.24M、N-ブチルベンズイミダゾール(NBBI)を0.6Mとなるように下記溶媒に混合した。溶媒は、ACNとPCとイオン液体とを体積比で70:20:10で混合したものを用いた。この電解質溶液を用いて上記滴下法を窒素雰囲気のグローブボックス内で行い、光電極上に電解質層を形成した。このような工程を経て得られた評価セルを実験例3とした。また、銅錯体としてCu(dmp)2TFSI(1価)を0.3M、LiTFSIを0.24M、NBBIを0.6Mとなるように下記溶媒に混合した。溶媒は、ACNとPCとを体積比で70:30で混合したものを用いた。この電解質溶液を用いて上記実験例3と同様の工程を経て得られた評価セルを実験例4とした。実験例3,4の評価セルに対して所定時間経過ごとにLED光源による1000(lux)を照射し、太陽電池特性を測定した。図8は、実験例3、4の高温暗所放置時の出力密度の測定結果である。図9は、実験例3、4の高温暗所放置時の出力維持率(%)の測定結果である。また、表3に、実験例3,4の初期出力密度(mW/m2)、60℃暗所放置後の出力密度(mW/m2)、60℃暗所放置後の出力維持率(%)とをまとめて示した。図には示していないが、実験例1の電解質を用い、滴下法により作成した評価セルでは、初期発電量が得られなかった。一方、図8,9に示すように、滴下法により作製した実験例3,4は、高い初期出力密度を示すことがわかった。また、窒素中でセルを作製することによって水分の混入による有機溶媒のPCの加水分解は抑制しているが、実験例4では、高温耐久試験で時間の経過に伴い出力低下がみられた。これは加熱によって酸化チタンの細孔内からPCが徐々に揮発し、銅錯体の結晶化が進行することで発電特性が低下したことが要因と推察された。これに対し、異なる有機配位子を有する2種以上の銅錯体を含む実験例3では、初期の発電特性を低下させることなく、高温耐久性を大幅に向上できることがわかった。この理由は、例えば、実験例3では、構造の異なる有機配位子を含むことから、銅錯体の整列、即ち結晶化が構造的に阻害されやすく、銅錯体がより非晶質状態を維持しやすくなり、銅錯体が結晶化しにくくなるためであると推察された。 Next, using the following electrolyte, an evaluation cell was produced by a dropping method, and the power density and the power retention rate over time were examined. As a copper complex, 0.2M Cu(dmp) 2 TFSI (monovalent), 0.1M Cu(tmby) 2 TFSI (monovalent), 0.24M LiTFSI, and 0.24M N-butylbenzimidazole (NBBI). It was mixed with the following solvent so as to be 6M. The solvent used was a mixture of ACN, PC and ionic liquid at a volume ratio of 70:20:10. Using this electrolyte solution, the dropping method was performed in a glove box in a nitrogen atmosphere to form an electrolyte layer on the photoelectrode. An evaluation cell obtained through such steps was referred to as Experimental Example 3. As copper complexes, 0.3M Cu(dmp) 2 TFSI (monovalent), 0.24M LiTFSI, and 0.6M NBBI were mixed in the following solvents. The solvent used was a mixture of ACN and PC at a volume ratio of 70:30. Experimental Example 4 is an evaluation cell obtained through the same steps as in Experimental Example 3 using this electrolyte solution. The evaluation cells of Experimental Examples 3 and 4 were irradiated with 1000 (lux) from an LED light source every predetermined time, and the solar cell characteristics were measured. FIG. 8 shows the measurement results of the output densities of Experimental Examples 3 and 4 when left in a high-temperature dark place. FIG. 9 shows the measurement results of the output retention rate (%) of Experimental Examples 3 and 4 when left in a high-temperature dark place. Table 3 shows the initial power density (mW/m 2 ) of Experimental Examples 3 and 4, the power density (mW/m 2 ) after being left in the dark at 60°C, and the power retention rate (%) after being left in the dark at 60°C. ) are collectively shown. Although not shown in the figure, the evaluation cell prepared by the dropping method using the electrolyte of Experimental Example 1 did not yield an initial power generation amount. On the other hand, as shown in FIGS. 8 and 9, it was found that Experimental Examples 3 and 4 produced by the dropping method exhibit high initial power densities. Moreover, although the hydrolysis of the organic solvent PC due to water contamination was suppressed by fabricating the cell in nitrogen, in Experimental Example 4, a decrease in output was observed over time in the high-temperature endurance test. This is presumed to be due to the gradual volatilization of PC from the pores of the titanium oxide due to heating and the progress of crystallization of the copper complex, thereby deteriorating the power generation characteristics. On the other hand, in Experimental Example 3 containing two or more copper complexes having different organic ligands, it was found that the high-temperature durability could be greatly improved without deteriorating the initial power generation characteristics. This is because, for example, in Experimental Example 3, since organic ligands with different structures are included, alignment of the copper complex, that is, crystallization is easily hindered structurally, and the copper complex maintains a more amorphous state. It was presumed that this is because the copper complex becomes difficult to crystallize.

Figure 0007290953000012
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[電解質の結晶性の検討]
銅錯体としてCu(dmp)2TFSI(1価,化学式(1))と、Cu(tmby)2TFSI(1価,化学式(3))とのいずれかを含む電解質の結晶性について検討した。図10は、銅錯体に溶媒を加えたあとの写真であり、図10Aが化学式(1)のみ、図10Bが化学式(1)、(3)を混合したもの、図10Cが化学式(3)のみの写真である。Cu(dmp)2TFSIを0.25M、LiTFSIを0.2M、NBBIを1.0Mとなるように、有機溶媒のACNと混合し、ガラスプレート上に滴下した(図10A)。また、Cu(tmby)2TFSIを0.25M、LiTFSIを0.2M、NBBIを1.0Mとなるように、有機溶媒のACNに混合し、ガラスプレート上に滴下した(図10C)。また、上記2種の溶液を体積比で1:1となるよう混合したものをガラスプレート上に滴下した(図10B)。その結果、1種の銅錯体のみ含まれる溶液では、有機溶媒の揮発に伴い、速やかに固体(結晶)が析出した。一方、2種の銅錯体を含む溶液では、数時間、ゲル状のウエットな状態を保持することができた。即ち、有機配位子の異なる2種の銅錯体を混合して用いると、結晶化が抑制されて非晶質状態を維持することができることがわかった。
[Examination of electrolyte crystallinity]
Crystallinity of an electrolyte containing either Cu(dmp) 2 TFSI (monovalent, chemical formula (1)) or Cu(tmby) 2 TFSI (monovalent, chemical formula (3)) as a copper complex was investigated. FIG. 10 is a photograph after adding a solvent to the copper complex, FIG. 10A is only chemical formula (1), FIG. 10B is a mixture of chemical formulas (1) and (3), and FIG. 10C is chemical formula (3) only. is a photograph of Cu(dmp) 2 TFSI of 0.25 M, LiTFSI of 0.2 M, and NBBI of 1.0 M were mixed with ACN as an organic solvent and dropped onto a glass plate (FIG. 10A). In addition, 0.25 M Cu(tmby) 2 TFSI, 0.2 M LiTFSI, and 1.0 M NBBI were mixed with ACN as an organic solvent and dropped onto a glass plate (FIG. 10C). Also, a mixture of the above two solutions at a volume ratio of 1:1 was dropped onto a glass plate (FIG. 10B). As a result, in the solution containing only one type of copper complex, a solid (crystal) precipitated rapidly as the organic solvent volatilized. On the other hand, the solution containing two types of copper complexes was able to maintain a gel-like wet state for several hours. That is, it was found that when two kinds of copper complexes having different organic ligands are mixed and used, crystallization can be suppressed and an amorphous state can be maintained.

[実験例5~8の電解質の検討]
組成比を表4に記載したようにして作製した電解質を用い、実験例2と同様の工程を経て作製した評価セルを実験例5~8とした。高沸点の有機溶媒として、3-メチル-2-オキサゾリン(NMO)を用いた。この評価セルを用い、初期発電特性と、60℃暗所に1000時間放置したあとの耐久後の太陽電池特性を測定した。ここでは、LED光源による1000luxを照射したときの太陽電池特性を測定した。測定結果を表5にまとめた。図11は、実験例5~8の初期出力密度である。図12は、実験例5~8の初期の相対出力密度である。図13は、実験例5~8の60℃暗所放置後の出力維持率である。相対出力密度は、実験例8を100として他の測定結果を規格化した。表5や図11~13に示すように、複数種別の銅錯体を含む実験例5~7では、実験例8に比して、初期の出力密度や暗所60℃での高温放置における出力維持率を向上することができることがわかった。この理由は、上述したように、銅錯体の結晶化がより抑制されるため、初期の出力密度が向上し、更に銅錯体の非晶質状態をより保持できるため、出力維持率をより向上することができるものと推察された。特に、有機配位子の基本構造が異なる2種以上の有機配位子を有する銅錯体を用いることが、その構造阻害性の観点から、より好ましいものと推察された。
[Study of electrolytes in Experimental Examples 5 to 8]
Experimental Examples 5 to 8 were evaluation cells prepared in the same manner as in Experimental Example 2 using electrolytes prepared with the composition ratios shown in Table 4. 3-methyl-2-oxazoline (NMO) was used as a high-boiling organic solvent. Using this evaluation cell, the initial power generation characteristics and the solar cell characteristics after durability after being left in a dark place at 60° C. for 1000 hours were measured. Here, the solar cell characteristics were measured under irradiation of 1000 lux from an LED light source. Table 5 summarizes the measurement results. FIG. 11 shows the initial power densities of Experimental Examples 5-8. FIG. 12 shows the initial relative power densities for Examples 5-8. FIG. 13 shows the output retention rate after being left in the dark at 60° C. in Experimental Examples 5-8. For the relative output density, the other measurement results were normalized with Experimental Example 8 set to 100. As shown in Table 5 and FIGS. 11 to 13, in Experimental Examples 5 to 7 containing multiple types of copper complexes, compared to Experimental Example 8, the initial output density and the output retention when left at high temperature at 60 ° C in the dark It was found that the rate could be improved. The reason for this is that, as described above, the crystallization of the copper complex is further suppressed, so the initial output density is improved, and the amorphous state of the copper complex can be further maintained, so that the output retention rate is further improved. presumed to be possible. In particular, the use of a copper complex having two or more organic ligands with different basic structures of the organic ligands was presumed to be more preferable from the viewpoint of structure inhibition.

Figure 0007290953000013
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Figure 0007290953000014
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本開示は、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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present disclosure can be suitably used for solar cells and solar cell modules.

10 太陽電池モジュール、11 光透過基板、12 光透過導電膜、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 電解質層、27 裏面、29 セパレータ、30 対極、32 シール材、34 保護部材、40 太陽電池。 Reference Signs List 10 solar cell module 11 light-transmitting substrate 12 light-transmitting conductive film 13 light-receiving surface 14 light-transmitting conductive substrate 15 light-receiving surface 16, 17 collecting electrode 18 groove 20 photoelectrode 21 connecting portion 22 Base layer 23 Light receiving surface 24 Electron transport layer 25 Back surface 26 Electrolyte layer 27 Back surface 29 Separator 30 Counter electrode 32 Sealing material 34 Protective member 40 Solar cell.

Claims (10)

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、
有機配位子を有する銅錯体において前記有機配位子の構造が異なる銅錯体を2種以上含有し、且つ1価の銅錯体を含有し、2価の銅錯体を含有しない、電解質。
An electrolyte interposed 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 containing two or more kinds of copper complexes having organic ligands with different organic ligand structures, a monovalent copper complex, and no divalent copper complex.
前記有機配位子が、フェナントロリン系配位子、ピリジルエタン系配位子、ビピリジン系配位子、スパルテイン系配位子、ビスベンズイミダゾールイルチオメチルピリジン系配位子、ビスベンズイミダゾールイルチオメチルメチルアミン系配位子、ビスベンズイミダゾールイルピリジン系配位子、ビスエチルチオメチルピリジン系配位子のうち1以上である前記銅錯体を含有する、請求項1に記載の電解質。 The organic ligand is a phenanthroline-based ligand, a pyridylethane-based ligand, a bipyridine-based ligand, a sparteine-based ligand, a bisbenzimidazolylthiomethylpyridine-based ligand, a bisbenzimidazolylthio 2. The electrolyte according to claim 1, comprising said copper complex that is one or more of a methylmethylamine-based ligand, a bisbenzimidazolylpyridine-based ligand, and a bisethylthiomethylpyridine-based ligand. 前記銅錯体は、化学式(1)~(4)のうちいずれか2以上を含む、請求項1又は2に記載の電解質。
Figure 0007290953000015
3. The electrolyte according to claim 1, wherein the copper complex includes any two or more of chemical formulas (1) to (4).
Figure 0007290953000015
ビス(2,9-ジメチル-1,10-フェナントロリン)銅錯体及びビス(4,4’,6,6’-テトラメチル-2,2’-ビピリジン)銅錯体の2種を少なくとも含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の電解質。 bis(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline) copper complex and bis(4,4′,6,6′-tetramethyl-2,2′-bipyridine) copper complex are included at least. 4. The electrolyte according to any one of 1 to 3. 前記有機配位子が異なる、第1銅錯体と、第2銅錯体と、を少なくとも含み、前記第1銅錯体のモル数M1と銅錯体全体のモル数Maとの割合M1/Ma×100(mol%)が30mol%以上70mol%以下の範囲である、請求項1~4のいずれか1項に記載の電解質。 The ratio M1/Ma×100 ( mol%) is in the range of 30 mol% or more and 70 mol% or less. 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以上の環式化合物を更に含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の電解質。 Any one of claims 1 to 5, further comprising one or more cyclic compounds among a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms and having two or more rings, and a monocyclic heterocyclic compound having two or more nitrogen atoms. The electrolyte described in . 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1~6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 absorption layer;
a counter electrode arranged to face the photoelectrode;
The electrolyte according to any one of claims 1 to 6 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以上を含む前記光吸収層を有する、請求項7に記載の太陽電池。 8. The solar cell of claim 7, wherein the photoelectrode has the light absorbing layer containing one or more of organic dyes, metal complexes and organic metal halide compounds. 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7又は8に記載の太陽電池。 9. The solar cell according to claim 7, wherein said photoelectrode comprises an n-type semiconductor layer coated with said light absorbing layer on a light transmissive conductive substrate. 請求項7~9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。 A solar cell module comprising a plurality of solar cells according to any one of claims 7 to 9.
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