JPH07176773A - Photoelectric transducer and its manufacturing method - Google Patents

Photoelectric transducer and its manufacturing method

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JPH07176773A
JPH07176773A JP5320004A JP32000493A JPH07176773A JP H07176773 A JPH07176773 A JP H07176773A JP 5320004 A JP5320004 A JP 5320004A JP 32000493 A JP32000493 A JP 32000493A JP H07176773 A JPH07176773 A JP H07176773A
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JP
Japan
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semiconductor layer
dye
layer
photoelectric conversion
dyestuff
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Pending
Application number
JP5320004A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yusuke Ozaki
祐介 尾▲崎▼
Tetsuji Kawakami
哲司 川上
Keizo Nakajima
啓造 中島
Katsuya Wakita
克也 脇田
Nobuo Sonoda
信雄 園田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH07176773A publication Critical patent/JPH07176773A/en
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H10K30/15Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549Organic PV cells

Abstract

PURPOSE:To improve the photoelectric energy transducing efficiency of a photoelectric transducer by providing an electron migration layer between a color carrier semiconductor layer and a counter electrode and enabling a surface carrying the dyestuff of the dyestuff carrying semiconductor layer to have recessed and projecting parts. CONSTITUTION:The element is provided with a transparent conductor layer 32 and a dyestuff carrying semiconductor layer 33 formed on one surface of the transparent conductor layer 32 and a dyestuff sensitization electrode 31 is formed by both of them. Also, a counter electrode 35 opposing the dyestuff carrying semiconductor layer 33 is formed and an electron migration layer 34 is provide between the dyestuff carrying semiconductor layer 33 and the counter electrode 35. Further, a surface where the dyestuff of the dyestuff carrying semiconductor layer 33 is carried is formed to have recesses and projections. Therefore, the surface area per projection area in lamination direction is large. Therefore, the number of projection area in lamination direction of dyestuff to be carried increases, thus increasing the number of dyestuff per projection area for absorbing light and exchanging electrons with a semiconductor and hence improving photoelectric transducing efficiency.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体層の表面に色素
を担持させた色素増感(半導体)電極を用いた光電変換
素子及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion element using a dye-sensitized (semiconductor) electrode in which a dye is carried on the surface of a semiconductor layer, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、半導体層の表面に色素を担持さ
せ構成する色素増感電極を用いた光電変換素子として、
電解液中に電極の色素担持層部分と対電極とを浸して構
成した湿式のものが知られている。例えば、半導体層の
半導体がn型である場合、半導体層にアノード光電流が
流れ、起電力が発生する。この場合、色素の最低空軌道
のエネルギー準位は半導体の伝導帯のそれよりも高いた
め、励起色素の励起準位の電子が半導体の伝導帯へ移動
する。同時に、色素の陽イオンが生じるが、色素の陽イ
オンの基底準位に電解液からの電子が入ることにより、
色素は還元される。
2. Description of the Related Art Generally, as a photoelectric conversion element using a dye-sensitized electrode in which a dye is carried on the surface of a semiconductor layer,
A wet type is known in which a dye-supporting layer portion of an electrode and a counter electrode are immersed in an electrolytic solution. For example, when the semiconductor of the semiconductor layer is n-type, an anode photocurrent flows through the semiconductor layer, and electromotive force is generated. In this case, since the energy level of the lowest unoccupied orbit of the dye is higher than that of the conduction band of the semiconductor, the electrons of the excitation level of the excited dye move to the conduction band of the semiconductor. At the same time, cations of the dye are generated, but the electrons from the electrolyte enter the ground level of the cation of the dye,
The dye is reduced.

【0003】湿式の光電変換素子の材料の一例として、
半導体層にゾル−ゲル法及び電析法により作成された多
孔質多結晶二酸化チタンを用い、また、色素としてシス
−ジ(チオシアナト)−N,N−ビス(2,2’−ジピ
リジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(I
I)二水和物又はシス−ジシアノ−N,N−ビス(2,
2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボキシレート)ル
テニウム(II)三水和物又はシス−ジブロモ−N,N
−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボキ
シレート)ルテニウム(II)又はシス−ジヨード−
N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカ
ルボキシレート)ルテニウム(II)を用いたもの(ジ
ャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイエティ
ー第115巻第6382頁から第6390頁(1993
年))が挙げられる。
As an example of a material for a wet photoelectric conversion element,
Porous polycrystalline titanium dioxide prepared by a sol-gel method and an electrodeposition method is used for the semiconductor layer, and cis-di (thiocyanato) -N, N-bis (2,2'-dipyridyl-4, 4'-dicarboxylic acid) -ruthenium (I
I) dihydrate or cis-dicyano-N, N-bis (2,2
2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II) trihydrate or cis-dibromo-N, N
-Bis (2,2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II) or cis-diiodo-
Using N, N-bis (2,2′-dipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II) (Journal of American Chemical Society, Vol. 115, pages 6382 to 6390 (1993)
Year)).

【0004】また別の例として、半導体層にゾル−ゲル
法及び電析法により作成された多孔質多結晶二酸化チタ
ンを用い、色素としてRuL2(μ−(CN)Ru(C
N)L’22(ここでLは2,2’−ビピリジン−4,
4’−ジカルボン酸、L’は2,2’−ビピリジン)を
用いたもの(ネイチャー第353巻第737頁から第7
40頁(1991年))が挙げられる。
As another example, porous polycrystal titanium dioxide prepared by a sol-gel method and an electrodeposition method is used for a semiconductor layer and RuL 2 (μ- (CN) Ru (C
N) L ' 2 ) 2 (where L is 2,2'-bipyridine-4,
4'-dicarboxylic acid, L'is 2,2'-bipyridine) (Nature 353, pp. 737 to 7)
40 pages (1991)).

【0005】さらに別の例として、半導体層に二酸化チ
タン単結晶を用い、色素として[Ru(4,7−ジメチ
ル−1,10−フェナントロリン)32+を用いたも
の、半導体層にZnO単結晶又は焼結体を用い、色素と
してローズベンガルを用いたもの、半導体層にSnO2
薄膜、色素として[Ru(bpy)32+を用いたも
の、半導体層にIn23を用い、色素としてN,N’−
ジステアリルオキサシアニンを用いたもの(以上、化学
総説No.33,”有機光化学の新展開−電子移動反
応”,学会出版センター第281頁(1982年))等
が挙げられる。
As still another example, titanium dioxide single crystal is used for the semiconductor layer and [Ru (4,7-dimethyl-1,10-phenanthroline) 3 ] 2+ is used as the dye, and ZnO single crystal is used for the semiconductor layer. A crystal or a sintered body is used with rose bengal as a dye, and SnO 2 is used as a semiconductor layer.
Thin film, one using [Ru (bpy) 3 ] 2+ as a dye, In 2 O 3 used in a semiconductor layer, and N, N′− as a dye
Those using distearyl oxacyanine (above, Chemical Review No. 33, "New development of organic photochemistry-electron transfer reaction", Academic Society Publishing Center page 281 (1982)) and the like can be mentioned.

【0006】一方、乾式の光電変換素子として、半導体
層に色素を担持させて構成した電極が色素の部分で対電
極と接している構成のものが知られている。この一例と
して、半導体層にZnOスパッタリング膜を用い、色素
としてメロシアニン色素を用いたもの(ジャパニーズ
ジャーナル オブ アプライド フィジックス第19巻
第L683頁から第L685頁(1980年))、半導
体層に銅フタロシアニン、色素としてペリレン誘導体を
用いたもの(日本化学会誌第962頁から第967頁
(1990年))等が挙げられる。
On the other hand, as a dry photoelectric conversion element, there is known one having a structure in which an electrode formed by supporting a dye on a semiconductor layer is in contact with a counter electrode at a dye portion. As an example of this, a ZnO sputtering film is used for the semiconductor layer and a merocyanine dye is used as the dye (Japanese
Journal of Applied Physics Vol. 19, pages L683 to L685 (1980)), using copper phthalocyanine as a semiconductor layer and a perylene derivative as a dye (Chemical Society of Japan, pages 962 to 967 (1990)). Etc.

【0007】これらの例のうち、特に半導体層にゾル−
ゲル法及び電析法により作成された多孔質多結晶二酸化
チタンを用い、色素としてシス−ジ(チオシアナト)−
N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカ
ルボン酸)−ルテニウム(II)二水和物を用いたもの
(ジャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイエ
ティー第115巻第6382頁から第6390頁(19
93年))、又は半導体層にゾル−ゲル法及び電析法に
より作成された多孔質多結晶二酸化チタンを用い、色素
としてRuL2(μ−(CN)Ru(CN)L’2
2(ここでLは2,2’−ビピリジン−4,4’−ジカ
ルボン酸、L’は2,2’−ビピリジン)を用いたもの
(ネイチャー第353巻第737頁から第740頁(1
991年))等は、半導体層の多孔質表面に色素を吸着
させ、半導体層の多孔質表面の積層方向投影面積当りの
吸着色素数を増大させることにより、光電変換効率を向
上させたものである。
Among these examples, the sol
Porous polycrystalline titanium dioxide prepared by gel method and electrodeposition method was used, and cis-di (thiocyanato)-
Using N, N-bis (2,2′-dipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid) -ruthenium (II) dihydrate (Journal of American Chemical Society, Vol. 115, pages 6382 to 6390) (19
1993)), or porous polycrystal titanium dioxide prepared by a sol-gel method and an electrodeposition method for the semiconductor layer, and RuL 2 (μ- (CN) Ru (CN) L ′ 2 ) as a dye.
2 (where L is 2,2′-bipyridine-4,4′-dicarboxylic acid and L ′ is 2,2′-bipyridine) (Nature 353, pp. 737 to 740 (1
991)) and the like improve the photoelectric conversion efficiency by adsorbing a dye on the porous surface of the semiconductor layer and increasing the number of adsorbing dyes per projected area of the porous surface of the semiconductor layer in the stacking direction. is there.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の半
導体層上に色素を担持させた構成を有する電極を用いた
光電変換素子であっても、半導体層の投影面積あたりの
担持色素数が十分でなく、光電変換効率が小さいという
問題点を有していた。本発明は、以上のような従来例の
問題点を解決するためになされたものであり、光電変換
効率が大きな光電変換素子及びその製造方法を提供する
ことを目的としている。
However, even in the photoelectric conversion element using the above-mentioned conventional electrode having a structure in which a dye is supported on the semiconductor layer, the number of supported dyes per projected area of the semiconductor layer is sufficient. In addition, there was a problem that the photoelectric conversion efficiency was small. The present invention has been made in order to solve the above problems of the conventional example, and an object thereof is to provide a photoelectric conversion element having a large photoelectric conversion efficiency and a method for manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光電変換素子は、透明導電体層及び前記透
明導電体層の上に形成された半導体層に色素を担持させ
た色素担持半導体層とを有する電極と、前記色素担持半
導体層と対向する対電極と、前記色素担持半導体層と前
記対電極との間に設けられた電子移動層とを具備し、前
記半導体層の色素が担持される面が凹凸を有するように
構成されている。上記構成において、半導体層は多結晶
状半導体を含むことが好ましい。また、上記構成におい
て、凹凸は0.4μm以下の周期を有することが好まし
い。また、上記構成において、半導体層は二酸化チタン
を含むことが好ましい。また、上記構成において、半導
体層は多孔質半導体を含むことが好ましい。一方、本発
明の光電変換素子の製造方法は、透明導電体層及び前記
透明導電体層の上に形成された半導体層に色素を担持さ
せた色素担持半導体層とを有する電極と、前記色素担持
半導体層と対向する対電極と、前記色素担持半導体層と
前記対電極との間に設けられた電子移動層とを具備し、
前記半導体層の色素が担持される面が凹凸を有する光電
変換素子の製造方法であって、前記半導体層の色素が担
持される面を、色素を担持させる以前に、少なくとも一
種類以上のレーザ光干渉縞の露光により電解液中で光溶
解させ、所定の周期を持つ凹凸に加工するように構成さ
れている。上記構成において、凹凸の所定の周期は0.
4μm以下であることが好ましい。
In order to achieve the above object, the photoelectric conversion device of the present invention is a dye-carrying device in which a dye is carried on a transparent conductor layer and a semiconductor layer formed on the transparent conductor layer. An electrode having a semiconductor layer, a counter electrode facing the dye-supporting semiconductor layer, and an electron transfer layer provided between the dye-supporting semiconductor layer and the counter electrode, wherein the dye of the semiconductor layer is The supported surface is configured to have irregularities. In the above structure, the semiconductor layer preferably contains a polycrystalline semiconductor. Further, in the above structure, the unevenness preferably has a period of 0.4 μm or less. Further, in the above structure, the semiconductor layer preferably contains titanium dioxide. Further, in the above structure, the semiconductor layer preferably contains a porous semiconductor. On the other hand, the method for producing a photoelectric conversion element of the present invention is an electrode having a transparent conductor layer and a dye-carrying semiconductor layer in which a dye is carried on a semiconductor layer formed on the transparent conductor layer, and the dye-carrying member. A counter electrode facing the semiconductor layer, and an electron transfer layer provided between the dye-carrying semiconductor layer and the counter electrode,
A method of manufacturing a photoelectric conversion element having a surface on which a dye of the semiconductor layer is uneven, wherein the surface of the semiconductor layer on which the dye is carried is prior to carrying the dye, at least one kind of laser light is used. It is configured to be photo-dissolved in the electrolytic solution by the exposure of the interference fringes and be processed into unevenness having a predetermined period. In the above configuration, the predetermined cycle of the unevenness is 0.
It is preferably 4 μm or less.

【0010】[0010]

【作用】半導体がn型である場合、半導体にアノード光
電流が流れ、起電力が発生する。この場合、色素の最低
空軌道のエネルギー準位は半導体の伝導帯のそれより高
いため、励起色素は励起電子を半導体の伝導帯へ注入
し、生じた色素の陽イオンは電子移動層から(若しくは
対電極から直接)の電子によって還元される。一方、半
導体がp型である場合、半導体層にカソード光電流が流
れ、起電力が発生する。この場合、色素の最高被占軌道
のエネルギー準位は半導体の価電子帯のそれより低いた
め、半導体の価電子帯から励起色素への電子移動が起こ
り、生じた色素の陰イオンは、その励起電子が電子荷移
動層へ(もしくは対電極へ直接)移動することによって
酸化される。(電気化学第49巻第423頁から第42
6頁(1981年))
When the semiconductor is an n-type, an anode photocurrent flows through the semiconductor and an electromotive force is generated. In this case, since the energy level of the lowest unoccupied orbit of the dye is higher than that of the conduction band of the semiconductor, the excited dye injects excited electrons into the conduction band of the semiconductor, and the resulting cations of the dye are (or (Directly from the counter electrode) is reduced by electrons. On the other hand, when the semiconductor is p-type, a cathode photocurrent flows through the semiconductor layer and an electromotive force is generated. In this case, since the energy level of the highest occupied molecular orbit of the dye is lower than that of the valence band of the semiconductor, electron transfer from the valence band of the semiconductor to the excited dye occurs, and the resulting anion of the dye is excited. The electrons are oxidized by moving to the electron charge transport layer (or directly to the counter electrode). (Electrochemistry Vol. 49, pp. 423-42
Page 6 (1981))

【0011】本発明の光電変換素子においては、半導体
層の色素が担持される面が凹凸状であり、積層方向投影
面積当りの表面積が大きい。そのため、担持する色素の
積層方向投影面積当りの数も大きくなる。従って、光を
吸収し半導体と電子のやりとりを行なう色素の前記投影
面積当りの数が大きくなり、光電変換効率が向上する。
また、半導体層の色素が担持される面の凹凸に所定の周
期を持たせ、その周期を0.4μm以下とすることによ
り、半導体−色素界面における光反射が、界面の周期的
凹凸の周期(0.4μm以下)より大きな波長に関して
抑制される(ネイチャー第244巻第281頁から第2
82頁(1973年)並びにオプティカアクタ第29巻
第1004頁(1982年))ため、さらに光電変換効
率が高くなる。
In the photoelectric conversion device of the present invention, the surface of the semiconductor layer on which the dye is carried is uneven, and the surface area per projected area in the stacking direction is large. Therefore, the number of dyes carried per projected area in the stacking direction also becomes large. Therefore, the number of dyes that absorb light and exchange electrons with the semiconductor per the projected area is increased, and the photoelectric conversion efficiency is improved.
Further, by providing the irregularities on the surface of the semiconductor layer on which the dye is carried with a predetermined period and setting the period to 0.4 μm or less, the light reflection at the semiconductor-dye interface causes the periodic irregularity of the interface ( Suppressed for wavelengths larger than 0.4 μm (Nature 244, pp. 281-2)
82 (1973) and Optica Actor Vol. 29, 1004 (1982)), the photoelectric conversion efficiency is further increased.

【0012】多結晶状半導体は比較的安価で容易に製造
することができるため、半導体層に多結晶状半導体を含
ませることにより、光電変換素子が安価になる。また、
二酸化チタンはバンドギャップの大きなn型半導体であ
り、電解液中での光アノードとしては特に安定であるた
め、半導体層に二酸化チタンを含ませることにより、電
極中の二酸化チタンが可視光により光腐食することもな
く、光電変換素子の耐久性が向上する。また、半導体層
が多孔質半導体を含むことにより、積層方向投影面積当
りの担持する色素の数が一層大きくなり、光電変換効率
がさらに高くなる。
Since the polycrystalline semiconductor is relatively inexpensive and can be easily manufactured, the photoelectric conversion element becomes inexpensive by including the polycrystalline semiconductor in the semiconductor layer. Also,
Titanium dioxide is an n-type semiconductor with a wide bandgap and is particularly stable as a photoanode in an electrolytic solution. Therefore, by including titanium dioxide in the semiconductor layer, titanium dioxide in the electrode is photo-corroded by visible light. Without doing so, the durability of the photoelectric conversion element is improved. In addition, since the semiconductor layer contains the porous semiconductor, the number of dyes carried per projected area in the stacking direction is further increased, and the photoelectric conversion efficiency is further increased.

【0013】一方、本発明の光電変換素子の製造方法
は、電解液中で半導体の光溶解により半導体表面のエッ
チングが行なわれる。露光はレーザ光の干渉縞により行
なわれるため、干渉縞を非常に小さな間隔とすることが
でき、またレーザ光が電解液を通過せず半導体内部を通
過するようにして電解液によるゆらぎのない露光を行な
うこともできる。そのため、半導体表面に0.4μm以
下の凹凸を形成することが可能となる。
On the other hand, in the method of manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, the semiconductor surface is etched by photodissolving the semiconductor in an electrolytic solution. Since the exposure is performed by the interference fringes of the laser light, the interference fringes can be formed at very small intervals, and the laser light does not pass through the electrolytic solution but passes through the inside of the semiconductor so that the exposure without fluctuation by the electrolytic solution is possible. You can also do Therefore, it becomes possible to form irregularities of 0.4 μm or less on the semiconductor surface.

【0014】[0014]

【実施例】本発明の光電変換素子の一実施例の構成を図
1に示す。図1において、本発明の光電変換素子は、第
1の導電ガラス層32(透明導電体層)と、第1の導電
ガラス層32の一方の表面上に形成された色素担持半導
体層33と、第2の導電ガラス層37の色素担持半導体
層33の面する側の表面に形成された白金層36と、色
素担持半導体層33と白金層36との間に設けられた電
子移動層34を具備する。ここで、第1の導電ガラス層
32と、色素担持半導体層33とで色素増感電極31を
構成する。また、第2の導電ガラス層37と白金層36
とで対電極35を構成する。さらに、第1及び第2の導
電ガラス層32及び37にはそれぞれリード線41及び
42が接続され、この光電変換素子により発生された起
電力を出力する。第1及び第2の導電ガラス層32及び
37は、それぞれ色素担持半導体層33側及び白金層3
6側の面に透明導電膜が形成されている。
EXAMPLE FIG. 1 shows the configuration of an example of the photoelectric conversion element of the present invention. In FIG. 1, the photoelectric conversion element of the present invention comprises a first conductive glass layer 32 (transparent conductor layer), a dye-carrying semiconductor layer 33 formed on one surface of the first conductive glass layer 32, The second conductive glass layer 37 includes a platinum layer 36 formed on the surface of the second conductive glass layer 37 facing the dye-carrying semiconductor layer 33, and an electron transfer layer 34 provided between the dye-carrying semiconductor layer 33 and the platinum layer 36. To do. Here, the first conductive glass layer 32 and the dye-carrying semiconductor layer 33 constitute the dye-sensitized electrode 31. In addition, the second conductive glass layer 37 and the platinum layer 36
And constitute the counter electrode 35. Further, lead wires 41 and 42 are connected to the first and second conductive glass layers 32 and 37, respectively, and the electromotive force generated by this photoelectric conversion element is output. The first and second conductive glass layers 32 and 37 are the dye-carrying semiconductor layer 33 side and the platinum layer 3 respectively.
A transparent conductive film is formed on the surface on the 6 side.

【0015】上記構成を有する光電変換素子では、太陽
光により色素増感電極31の色素担持半導体層33の色
素が光励起され、半導体伝導帯に電子が注入される。同
時に、色素の陽イオンが発生し、発生した陽イオンは電
子移動層34からの電子により還元され、起電力が発生
する。
In the photoelectric conversion device having the above structure, the dye in the dye-carrying semiconductor layer 33 of the dye-sensitized electrode 31 is photoexcited by sunlight, and electrons are injected into the semiconductor conduction band. At the same time, cations of the dye are generated, and the generated cations are reduced by the electrons from the electron transfer layer 34 to generate electromotive force.

【0016】色素担持半導体層33は第1の導電ガラス
層32の一方の表面上に形成された半導体層に色素を担
持させたものであり、半導体層の色素が担持される面は
凹凸加工が施されている。凹凸加工の形状が一次元的な
周期的凹凸であって、その断面の形が周期方向に対して
対称なジグザグ状である場合、アスペクト比(溝の深さ
/溝の周期)が1/2であれば、その表面積は平坦な表
面と比較して比べ√2倍となる。また、凹凸加工の形状
が二次元的な周期的凹凸であり、上記と同様のジグザグ
状の2つのパターン(アスペクト比1/2)がそれらの
格子ベクトルが直交するように組み合わされたものであ
る場合には、その表面積は平坦な表面と比べ√3倍とな
る。凹凸加工方法として、例えば、固定砥粒又は遊離砥
石による砥粒加工や刃具による加工を含む力学的加工に
よる方法、エッチング等の化学的加工による方法、フォ
トエッチング等の光化学的加工による方法、電気化学的
加工による方法、電子ビーム加工、イオンビーム加工、
プラズマ加工等による方法等を挙げることができる。本
実施例では、光化学的加工による方法を用いた。
The dye-carrying semiconductor layer 33 is a semiconductor layer formed on one surface of the first conductive glass layer 32, and the dye is carried on the surface of the semiconductor layer. It has been subjected. When the shape of the concavo-convex processing is one-dimensional periodic concavo-convex and the cross-sectional shape is zigzag symmetrical with respect to the periodic direction, the aspect ratio (groove depth / groove period) is 1/2. If so, its surface area is √2 times as large as that of a flat surface. Further, the shape of the uneven processing is a two-dimensional periodic unevenness, and two zigzag patterns (aspect ratio 1/2) similar to the above are combined so that their lattice vectors are orthogonal to each other. In that case, the surface area is √3 times that of a flat surface. As the concavo-convex processing method, for example, a mechanical processing method including fixed-grain or free-grinding abrasive grain processing and processing with a cutting tool, a chemical processing method such as etching, a photochemical processing method such as photoetching, and an electrochemical method. By mechanical processing, electron beam processing, ion beam processing,
A method such as plasma processing may be used. In this example, a method based on photochemical processing was used.

【0017】第1及び第2の導電ガラス層32及び37
の材料として、例えば、弗素イオンドープSnO2を含
む層又はITOを含む層等を用いることができる。ま
た、半導体層33の材料として、例えば、二酸化チタン
を含む層、ZnOを含む層、SnO2を含む層、In2
33含む層、銅フタロシアニンを含む層、InPを含む層
等を用いることができる。半導体は種類としては、n型
又はp型のいずれでもよく、その状態としては例えば、
単結晶状態、多結晶状態等であってもよい。半導体層3
3の形成方法として、例えば、結晶育成法、ゾル−ゲル
法、電着法、蒸着法、スパッタリング法等を用いること
ができる。多孔質である半導体層の形成方法として、例
えば、焼結、発泡、水和、可溶相の溶出、ゲル化、多数
のノズルや編目状口金を介しての押し出し等の方法を用
いることができる。
First and second conductive glass layers 32 and 37
For example, a layer containing fluorine ion-doped SnO 2 or a layer containing ITO can be used as the material. Further, as the material of the semiconductor layer 33, for example, a layer containing titanium dioxide, a layer containing ZnO, a layer containing SnO 2 , and In 2 O
3 3 including a layer, the layer including copper phthalocyanine can be a layer or the like including a InP. The semiconductor may be either n-type or p-type, and its state may be, for example,
It may be in a single crystal state, a polycrystalline state, or the like. Semiconductor layer 3
As a method of forming 3, a crystal growth method, a sol-gel method, an electrodeposition method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like can be used. As a method for forming a porous semiconductor layer, for example, a method such as sintering, foaming, hydration, elution of a soluble phase, gelation, extrusion through a large number of nozzles or a knitted die can be used. .

【0018】また、色素として、例えば、シス−ジ(チ
オシアナト)−N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−
4,4’−ジカルボン酸)ルテニウム(II)二水和
物、シス−ジシアノ−N,N−ビス(2,2’−ジピリ
ジル−4,4’−ジカルボキシレート)ルテニウム(I
I)三水和物、シス−ジブロモ−N,N−ビス(2,
2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボキシレート)ル
テニウム(II)、シス−ジヨード−N,N−ビス
(2,2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボキシレー
ト)ルテニウム(II)、RuL2(μ−(CN)Ru
(CN)L’22(ここでLは2,2’−ビピリジン−
4,4’−ジカルボン酸、L’は2,2’−ビピリジ
ン)、[Ru(4,7−ジメチル−1,10−フェナン
トロリン)32+、ローズベンガル、[Ru(bp
y)32+、N,N’−ジステアリルオキサシアニンを
挙げることができる。これらは、例えば、半導体/色素
溶液界面での吸着による吸着法、キャスト法、ラングミ
ュアー−ブロジェット法、電着法、半導体上の活性基と
色素との化学反応による化学修飾法、蒸着法等により、
半導体層33に担持させることができる。
As the dye, for example, cis-di (thiocyanato) -N, N-bis (2,2'-dipyridyl-
4,4'-dicarboxylic acid) ruthenium (II) dihydrate, cis-dicyano-N, N-bis (2,2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (I
I) trihydrate, cis-dibromo-N, N-bis (2,2
2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II), cis-diiodo-N, N-bis (2,2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II), RuL 2 (μ- (CN) Ru
(CN) L ' 2 ) 2 (where L is 2,2'-bipyridine-
4,4'-dicarboxylic acid, L'is 2,2'-bipyridine), [Ru (4,7-dimethyl-1,10-phenanthroline) 3 ] 2+ , rose bengal, [Ru (bp
y) 3 ] 2+ , N, N′-distearyloxacyanine can be mentioned. These are, for example, adsorption method by adsorption at the semiconductor / dye solution interface, casting method, Langmuir-Blodgett method, electrodeposition method, chemical modification method by chemical reaction between active group on semiconductor and dye, vapor deposition method, etc. Due to
It can be supported on the semiconductor layer 33.

【0019】対電極35として、例えば、弗素イオンド
ープSnO2膜等の透明導電膜でコートされた透明導電
ガラスを含む電極やその透明導電ガラスのガラス層が白
金で被覆された電極、炭素電極、金属電極等が用いるこ
とができる。また、電子移動層34として、例えば、I
3-/I-やキノン/ヒドロキノン等のレドックス対を含
む電解液からなる層や固体電解質からなる層等を用いる
ことができる。
As the counter electrode 35, for example, an electrode containing transparent conductive glass coated with a transparent conductive film such as a fluorine ion-doped SnO 2 film, an electrode in which the glass layer of the transparent conductive glass is coated with platinum, a carbon electrode, A metal electrode or the like can be used. Further, as the electron transfer layer 34, for example, I
3- / I - and consists consisting electrolyte layer or a solid electrolyte containing a redox pair such as quinone / hydroquinone may be a layer or the like.

【0020】次に、半導体層の表面に施される0.4μ
m以下の周期を持つ凹凸に関して、その形成法を説明す
る。まず、感光材料を用いてパターンを形成し、これを
エッチングする方法が挙げられる。感光材料を用いたパ
ターン形成法として、例えば感光材料への直接描画露光
による方法やマスク露光による方法等がある。前者の場
合、電子ビーム描画露光による方法、イオンビーム描画
露光による方法、レーザ光の干渉性を利用したホログラ
フィック露光による方法等を挙げることができる。後者
の場合には、原寸マスクを用いた等倍転写、拡大マスク
を用いた縮小転写等の方法が挙げられる。さらに等倍転
写の場合、遠紫外線等を光源として用いる密着露光によ
る方法、X線等を光源として用いる近接露光による方
法、電子ビーム等を光源として用いる等倍投影露光等が
挙げられ、縮小転写の場合、ArFレーザ、KrFレー
ザ等のエキシマレーザ、電子ビーム等を光源として用い
る縮小投影露光による方法等を挙げることができる。一
方、感光材料を用いない方法として、例えば、電解液中
で半導体層を光溶解する方法等があり、露光方法として
は例えば、上述と同様の方法を用いることができる。
Next, 0.4 μ is applied to the surface of the semiconductor layer.
A method of forming irregularities having a period of m or less will be described. First, there is a method of forming a pattern using a photosensitive material and etching the pattern. As a pattern forming method using a photosensitive material, there are, for example, a method of direct drawing exposure on the photosensitive material, a method of mask exposure, and the like. In the former case, a method by electron beam drawing exposure, a method by ion beam drawing exposure, a method by holographic exposure utilizing the coherence of laser light, and the like can be mentioned. In the latter case, there are methods such as equal size transfer using a full size mask and reduction transfer using an enlarging mask. Further, in the case of equal-magnification transfer, there are a contact exposure method using deep ultraviolet rays or the like as a light source, a proximity exposure method using X-rays or the like as a light source, and an equal-magnification projection exposure using an electron beam or the like as a light source. In this case, an excimer laser such as ArF laser or KrF laser, a method of reduction projection exposure using an electron beam or the like as a light source, and the like can be mentioned. On the other hand, as a method that does not use a photosensitive material, there is, for example, a method of photodissolving a semiconductor layer in an electrolytic solution, and as an exposure method, for example, the same method as described above can be used.

【0021】次に、本発明の光電変換素子の製造方法に
ついて詳説する。まず、第1の導電ガラス層32上に形
成された半導体層の加工面を対電極35と共に電解液に
浸し、次に加工面に少なくとも一種類以上のレーザ光干
渉縞の露光を行い、半導体層の加工面を光溶解させ、
0.4μm以下の周期を持つ凹凸を有する面を形成す
る。そして、この半導体層の凹凸面に色素を担持させ色
素担持半導体層33を形成し、第1の導電ガラス層32
と色素担持半導体層33とで色素増感電極31を構成す
る。この色素増感電極31の色素担持半導体層33と対
電極31の白金層36との間に電子移動層34を配置す
ることにより光電変換素子を構成する。本発明の光電変
換素子の製造方法において、レーザ光の干渉縞を二種類
以上用いる場合、各種類において明暗の間隔、格子ベク
トルの方向は同じであっても異なっていてもよく、ま
た、各干渉縞の露光時間は同じであっても異なっていて
もよい。
Next, the method for manufacturing the photoelectric conversion element of the present invention will be described in detail. First, the processed surface of the semiconductor layer formed on the first conductive glass layer 32 is immersed in an electrolytic solution together with the counter electrode 35, and then the processed surface is exposed to at least one kind of laser light interference fringes to expose the semiconductor layer. Photo-melt the processed surface of
A surface having irregularities having a period of 0.4 μm or less is formed. Then, a dye-carrying semiconductor layer 33 is formed by supporting a dye on the uneven surface of the semiconductor layer, and the first conductive glass layer 32 is formed.
And the dye-carrying semiconductor layer 33 constitute the dye-sensitized electrode 31. A photoelectric conversion element is configured by disposing the electron transfer layer 34 between the dye-supporting semiconductor layer 33 of the dye-sensitized electrode 31 and the platinum layer 36 of the counter electrode 31. In the method for manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, when two or more types of interference fringes of laser light are used, the bright and dark intervals in each type and the direction of the lattice vector may be the same or different, and each interference The stripe exposure times may be the same or different.

【0022】レーザ光として、例えば、He−Cd+
ーザ光、エキシマーレーザ光、N2レーザ光、F2レーザ
光等を用いることができる。He−Cd+レーザ光は、
消費電力が小さく小型であるという点において優れる。
また、短波長であり、より小さな周期を持つ前記凹凸を
形成することができるという点において、エキシマーレ
ーザ光、N2レーザ光、F2レーザ光等が優れる。電解液
としては、例えば、I3-/I-のレドックス系を含む溶
液やキノン/ヒドロキノンのレドックス系を含む溶液等
を用いることができる。
As the laser light, for example, He—Cd + laser light, excimer laser light, N 2 laser light, F 2 laser light or the like can be used. He-Cd + laser light is
It is excellent in that it consumes less power and is compact.
In addition, excimer laser light, N 2 laser light, F 2 laser light, and the like are excellent in that the unevenness having a short wavelength and a smaller period can be formed. As the electrolytic solution, for example, a solution containing an I 3 / I redox system, a solution containing a quinone / hydroquinone redox system, or the like can be used.

【0023】以下、具体的実施例を挙げて本発明をさら
に詳細に説明する。 (実験例1)最初に、ジャーナル オブ アメリカン
ケミカル ソサイエティ第115巻第6382頁から第
6390頁(1993年)に記載されている方法(Me
thod A)に従い、導電ガラス基板上に多結晶状T
iO2フィルム(厚さ約8μm)を形成した。その方法
を以下に説明する。まず、ジャーナル オブ フィジカ
ル ケミストリー第94巻第8720頁(1990年)
に記載されている方法に従い、二酸化チタンのコロイド
溶液を以下に述べるようにチタニウムイソプロポキシド
の加水分解により調製した。乾燥窒素雰囲気下で125
mLのチタニウムテトライソプロポキシド(アルドリッ
チ製)を20mLの2−プロパノールの入った滴下漏斗
に入れた。この混合液を750mLの蒸留脱イオン水に
5分の時間をかけて激しく撹拌しながら滴下した。さら
に撹拌を続けながら、前記の滴下5分後に5.3mLの
70%硝酸を加え、さらに80℃において8時間撹拌を
続けた。こうして、2−プロパノールは蒸発によって除
かれ、約700mLの二酸化チタンコロイドゾルが得ら
れた。
The present invention will be described in more detail with reference to specific examples. (Experimental Example 1) First, Journal of American
Chemical Society, Vol. 115, pages 6382 to 6390 (1993) (Me).
According to the method A), polycrystalline T is formed on the conductive glass substrate.
An iO 2 film (thickness of about 8 μm) was formed. The method will be described below. First, Journal of Physical Chemistry, Vol. 94, page 8720 (1990)
A colloidal solution of titanium dioxide was prepared by hydrolysis of titanium isopropoxide as described below according to the method described in. 125 under dry nitrogen atmosphere
mL of titanium tetraisopropoxide (Aldrich) was placed in a dropping funnel containing 20 mL of 2-propanol. This mixture was added dropwise to 750 mL of distilled deionized water over 5 minutes with vigorous stirring. While continuing stirring, 5.3 mL of 70% nitric acid was added 5 minutes after the dropping, and stirring was further continued at 80 ° C. for 8 hours. Thus, 2-propanol was removed by evaporation, and about 700 mL of titanium dioxide colloidal sol was obtained.

【0024】そして、このゾルを12時間オートクレー
ブ中で230〜240℃に保った後、減圧下25℃にお
いて水を蒸発させ、粘性の大きなものとした。その後、
二酸化チタンの重量比で40%のカルボワックスM−2
0000を加えた後(二酸化チタンの全体に対する重量
比は20%)、導電ガラス基板(旭ガラス製、弗素ドー
プSnO2オーバーコーティング、可視光の85%透
過、シート抵抗80/スクエア)上に塗布し、空気下4
50℃で30分加熱した。さらに、数層の二酸化チタン
の電着をジャーナル オブ エレエクトロ アナリティ
カル ケミストリー第346巻第291頁〜第307頁
(1993年)に記載されている方法に従い、以下のよ
うに行った。電着は、50mMのTiCl3水溶液から
pH2.5で、電流値250μA/cm2で500mC
/cm2の電荷を流して(0.25mgのTiO2/cm
2が電着)行なった。電解質は、HCl中の15%Ti
Cl3溶液(亜鉛アマルガムで数日間、前処理を行なっ
た。)を用い、Ar雰囲気下で調整した。pHは脱気し
たNaHCO3又はNa2CO3を用いて調製した。得ら
れた積層膜を450℃で加熱し、多結晶状TiO2フィ
ルムを得た。電子顕微鏡でその断面を観察したところ厚
さは約8μmであった。
Then, this sol was kept at 230 to 240 ° C. in an autoclave for 12 hours, and then water was evaporated at 25 ° C. under reduced pressure to make the viscosity large. afterwards,
Carbowax M-2 with 40% by weight of titanium dioxide
After adding 0000 (weight ratio of titanium dioxide to the whole is 20%), it is coated on a conductive glass substrate (made by Asahi Glass, fluorine-doped SnO 2 overcoating, 85% transmission of visible light, sheet resistance 80 / square). Under the air 4
Heated at 50 ° C. for 30 minutes. Further, electrodeposition of several layers of titanium dioxide was carried out as follows according to the method described in Journal of Electric Ectro Analytical Chemistry, Vol. 346, pages 291 to 307 (1993). The electrodeposition is 500 mC at a current value of 250 μA / cm 2 from a 50 mM TiCl 3 aqueous solution at pH 2.5.
/ Cm 2 of electric charge (0.25 mg of TiO 2 / cm
2 was electrodeposited). The electrolyte is 15% Ti in HCl
A Cl 3 solution (pretreated with zinc amalgam for several days) was used and adjusted under an Ar atmosphere. The pH was adjusted with degassed NaHCO 3 or Na 2 CO 3 . The obtained laminated film was heated at 450 ° C. to obtain a polycrystalline TiO 2 film. When the cross section was observed with an electron microscope, the thickness was about 8 μm.

【0025】次に、このフィルムを電極とし、表面の周
期的凹凸加工をレーザ光の干渉露光による電解液中での
光溶解により行なった。図2に、この実施例に使用され
るレーザー光干渉露光装置の概略構成を示す。図2にお
いて、レーザー光干渉露光装置は、空気バネ式防振台1
1上において、He−Cd+レーザー発振装置12(3
25nm,約2mW)からの出射光束をビームスピリッ
ター15で分割し、分割された光束をそれぞれレンズ1
7で2〜3cm径に広げた後、光電気化学セル18のT
iO2フィルム電極上で合致させるように構成されてい
る。パターニング用の光電気化学セル18は、図3に示
すような構造を有する。すなわち、導電ガラス層26及
びフィルム25を一方の電極とし、シリコンゴム・ガス
ケット22を介して石英板の窓21を取り付けた。参照
極23として銅線を、また対極24として白金線をそれ
ぞれ用いた。このセルに入れる電解液として、中性の過
塩素酸ナトリウム水溶液を用い、電極電位0.5Vv
s.Agでパターニングを一回行なった。45分間露光
を行なったところ、約1.5×1.5cm2の範囲にわ
たって、ほぼ一様な周期的凹凸が作製されていることが
確認された。得られたパターンを走査型電子顕微鏡(S
EM)によって観測したところ、約0.4μmの周期を
持つ凹凸が生じているのが確認された。
Next, using this film as an electrode, periodic surface irregularity processing was performed by photodissolution in an electrolytic solution by interference exposure of laser light. FIG. 2 shows a schematic configuration of the laser light interference exposure apparatus used in this embodiment. In FIG. 2, the laser light interference exposure apparatus is an air spring type vibration isolation table 1.
1, the He-Cd + laser oscillator 12 (3
25 nm, about 2 mW) of the emitted light beam is split by the beam splitter 15, and the split light beam is divided by the lens 1 respectively.
After expanding to a diameter of 2-3 cm with No. 7, T of the photoelectrochemical cell 18
It is configured to match on the iO 2 film electrode. The photoelectrochemical cell 18 for patterning has a structure as shown in FIG. That is, the conductive glass layer 26 and the film 25 were used as one electrode, and the window 21 of the quartz plate was attached through the silicone rubber gasket 22. A copper wire was used as the reference electrode 23, and a platinum wire was used as the counter electrode 24. A neutral sodium perchlorate aqueous solution was used as the electrolytic solution to be placed in this cell, and the electrode potential was 0.5 Vv.
s. Patterning was performed once with Ag. When exposure was performed for 45 minutes, it was confirmed that substantially uniform periodic unevenness was formed over a range of about 1.5 × 1.5 cm 2 . The obtained pattern was scanned with an electron microscope (S
When observed by EM), it was confirmed that irregularities having a period of about 0.4 μm were generated.

【0026】以上のようにして得られた周期的凹凸加工
された導電ガラス上の多結晶状TiO2フィルムの表面
を、ジャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイ
エティ第115巻第6382頁から第6390頁(19
93年)に記載されているように、色素の3×10-4
乾燥エタノール溶液(温度約80℃)に4時間浸漬した
後、アルゴン気流下で引き上げることにより、TiO2
フィルム表面に色素を担持させ色素担持半導体層を形成
した。
The surface of the polycrystalline TiO 2 film on the electrically conductive glass, which had been subjected to the periodic unevenness treatment, obtained as described above was subjected to Journal of American Chemical Society, Vol. 115, pages 6382 to 6390 (19).
1993), dyes of 3 × 10 −4 M
After immersing in a dry ethanol solution (temperature of about 80 ° C) for 4 hours, pulling it up under an argon stream, TiO 2
A dye was carried on the film surface to form a dye-carrying semiconductor layer.

【0027】得られた電極を乾燥エタノール中に保存し
た。この電極を色素増感電極31とし、図1に示す光電
変換素子の一実施例(以下、素子1と称する)を構成し
た。色素担持半導体層33と白金層36の間隙への電子
移動層34の形成は、キャピラリーフォースを利用する
ことにより行なった。
The obtained electrode was stored in dry ethanol. Using this electrode as the dye-sensitized electrode 31, an example of the photoelectric conversion element shown in FIG. 1 (hereinafter referred to as element 1) was constructed. The electron transfer layer 34 was formed in the gap between the dye-supporting semiconductor layer 33 and the platinum layer 36 by using a capillary force.

【0028】さらに、半導体層33として多結晶状Ti
2を用い、その色素が担持される面が多孔質であり通
常の機械刻線式グレーティングを有する場合(以下、素
子2と称する)、及び半導体層として多結晶状TiO2
を用い、その色素が担持される面が多孔質で滑らかであ
る場合(以下、素子3と称する)についても同様に、図
1に示す構成を有する光電変換素子を作成した。色素と
して、シス−ジ(チオシアナト)−N,N−ビス(2,
2’−ジピリジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニ
ウム(II)二水和物を用い、その半導体層への吸着は
ジャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイエテ
ィ第115巻第6382頁から第6390頁(1993
年)に記載されている方法によって行い、電子移動層3
4として[Li]=0.3M,[I2]=0.03Mの
アセトニトリル/3−メチル−2−オキサゾリジノン混
合溶媒(容量比90/10)溶液を用いた(色素増感電
極1の電極面積は0.4cm2)。
Further, as the semiconductor layer 33, polycrystalline Ti is used.
When O 2 is used, and the surface on which the dye is carried is porous and has a normal mechanical engraving grating (hereinafter referred to as element 2), and when polycrystalline TiO 2 is used as the semiconductor layer.
In the case where the surface on which the dye is carried is porous and smooth (hereinafter, referred to as element 3), a photoelectric conversion element having the configuration shown in FIG. 1 was similarly prepared. As a dye, cis-di (thiocyanato) -N, N-bis (2,2
2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid) -ruthenium (II) dihydrate is used, and its adsorption to the semiconductor layer is described in Journal of American Chemical Society, Vol. 115, pp. 6382 to 6390 (1993).
Electron Transfer Layer 3
A solution of [Li] = 0.3M and [I 2 ] = 0.03M in acetonitrile / 3-methyl-2-oxazolidinone mixed solvent (volume ratio 90/10) was used as No. 4 (electrode area of dye-sensitized electrode 1). Is 0.4 cm 2 ).

【0029】以上のようにして得られた素子1、2及び
3をそれぞれ、AM1.5疑似太陽光(強度96.0m
W)を光源として、光電気エネルギー変換効率を測定し
たところ、素子1について14.4%、素子2について
13.5%であり、素子3の9.9%、と比較するとそ
れぞれ大きな値であることが確認された。
The elements 1, 2 and 3 obtained as described above were respectively subjected to AM1.5 pseudo sunlight (intensity 96.0 m).
When the photoelectric conversion efficiency was measured using W) as a light source, it was 14.4% for element 1, 13.5% for element 2 and 9.9% for element 3, respectively, which are large values. It was confirmed.

【0030】(実験例2)色素をRuL2(μ−(C
N)Ru(CN)L’22(但し、Lは2,2’−ビピ
リジン−4,4’−ジカルボン酸であり、L’は2,2
−ビピリジンである。)とし、レドックス系を含む媒体
34として[沃化テトラプロピルアンモニウム]=0.
5M,[KI]=0.02M,[I2]=0.03Mの
アセトニトリル/炭酸エチレン混合溶媒(容量比10/
80)溶液を用い、同様に光電変換素子1、2及び3を
作成した。光電気エネルギー変換効率を測定したとこ
ろ、素子1について10.3%、素子2について9.7
%であり、素子3の7.1%、と比較するとそれぞれ大
きな値であることが確認された。なお、シス−ジ(チオ
シアナト)−N,N−ビス(2,2’−ジピリジル−
4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(II)二水和
物の合成はジャーナル オブ アメリカン ケミカルソ
サイエティ第115巻第6382頁から第6390頁
(1993年)に記載されている方法により、また、R
uL2(μ−(CN)Ru(CN)L’22(但し、L
は2,2’−ビピリジン−4,4’−ジカルボン酸であ
り、L’は2,2−ビピリジンである。)の合成はヘル
ベチカ キミカ アクタ第73巻第1788頁から第1
803頁(1990年)に記載されている方法により行
なった。
(Experimental Example 2) The dye was changed to RuL 2 (μ- (C
N) Ru (CN) L' 2 ) 2 (wherein L is 2,2'-bipyridine-4,4'-dicarboxylic acid and L'is 2,2
-Bipyridine. ) And [Tetrapropylammonium iodide] = 0.
5M, [KI] = 0.02M, [I 2 ] = 0.03M acetonitrile / ethylene carbonate mixed solvent (volume ratio 10 /
80) Photoelectric conversion elements 1, 2 and 3 were similarly prepared using the solution. Photoelectric energy conversion efficiency was measured to be 10.3% for element 1 and 9.7 for element 2.
%, And it was confirmed that they were large values, respectively, compared with 7.1% of the element 3. Incidentally, cis-di (thiocyanato) -N, N-bis (2,2'-dipyridyl-
The synthesis of 4,4′-dicarboxylic acid) -ruthenium (II) dihydrate is carried out by the method described in Journal of American Chemical Society, Vol. 115, page 6382 to page 6390 (1993), and R
uL 2 (μ- (CN) Ru (CN) L ′ 2 ) 2 (however, L
Is 2,2'-bipyridine-4,4'-dicarboxylic acid and L'is 2,2-bipyridine. ) Is synthesized by Helvetica Kimika Actor Vol. 73, pp. 1788 to 1
It was carried out by the method described on page 803 (1990).

【0031】(実験例3)実験例1において半導体層3
3の表面に施された周期的凹凸加工に加え、同様のパタ
ーン加工を、レーザ光の状態はそのままでTiO2フィ
ルムを、その加工面上で90度回転させて行なった。露
光時間は実験例1の場合と同一とした。その結果、約
1.5×1.5cm2の範囲にわたってほぼ一様な凹凸
パターンが作製された。得られたパターンをSEMによ
って観測したところ、約0.4μmの周期を持つ溝が直
交している凹凸パターンが形成されているのが確認され
た。このようにして得られたTiO2フィルムを用い、
他の条件は実験例1と同様にして図1に示すものと同様
の構成を有する光電変換素子を作成した。(以下、素子
4と称する)。
Experimental Example 3 The semiconductor layer 3 in Experimental Example 1
In addition to the periodic concavo-convex processing performed on the surface of No. 3, the same pattern processing was performed by rotating the TiO 2 film by 90 degrees on the processed surface while keeping the state of the laser beam. The exposure time was the same as in Experimental Example 1. As a result, a substantially uniform concave-convex pattern was produced over a range of about 1.5 × 1.5 cm 2 . When the obtained pattern was observed by SEM, it was confirmed that a concavo-convex pattern in which grooves having a period of about 0.4 μm were orthogonal to each other was formed. Using the TiO 2 film thus obtained,
Other conditions were the same as in Experimental Example 1, and a photoelectric conversion element having the same structure as that shown in FIG. 1 was prepared. (Hereinafter, referred to as element 4.).

【0032】色素担持半導体層33の色素として、シス
−ジ(チオシアナト)−N,N−ビス(2,2’−ジピ
リジル−4,4’−ジカルボン酸)−ルテニウム(I
I)二水和物を用いた。AM1.5疑似太陽光(強度9
6.0mW)を光源として用い、素子4の光電気エネル
ギー変換効率を測定したところ、その値は18.3%に
もなり、素子3の9.9%を著しく上回っていると共
に、素子1の14.4%をも上回っていた。
As the dye of the dye-supporting semiconductor layer 33, cis-di (thiocyanato) -N, N-bis (2,2'-dipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid) -ruthenium (I
I) Dihydrate was used. AM1.5 pseudo sunlight (intensity 9
When the photo-electric energy conversion efficiency of the device 4 was measured using 6.0 mW) as a light source, the value was 18.3%, which was significantly higher than 9.9% of the device 3 and the device 1 It was even higher than 14.4%.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上のように、本発明の光電変換素子に
よれば、半導体層の表面に凹凸加工を施し、積層方向投
影面積辺りの表面積を増加させるように構成したので、
その面に担持された光を吸収し半導体との間で電子のや
りとりを行う色素の数が増加する。その結果、従来のも
のと比較して光電気エネルギー変換効率が著しく向上す
るという効果を有する。また、半導体層の表面の凹凸に
所定の周期を持たせ、その周期を0.4μm以下とする
ことにより、半導体−色素界面における光反射が、界面
の周期的凹凸の周期(0.4μm以下)より大きな波長
に関して抑制されるため、さらに光電変換効率を高くす
ることができる。また、多結晶状半導体は比較的安価で
容易に製造することができるため、半導体層を多結晶状
半導体を含ませることにより、光電変換素子を安価にす
ることができる。また、二酸化チタンはバンドギャップ
の大きなn型半導体であり、電解液中での光アノードと
しては特に安定であるため、半導体層に二酸化チタンを
含ませることにより、電極中の二酸化チタンが可視光に
より光腐食することもなく、光電変換素子の耐久性を向
上させることができる。また、半導体層が多孔質半導体
絵お含むことにより、積層方向投影面積当りの担持する
色素の数が一層大きくなり、光電変換効率をさらに高く
することができる。
As described above, according to the photoelectric conversion element of the present invention, since the surface of the semiconductor layer is processed to be uneven, the surface area around the projected area in the stacking direction is increased.
The number of dyes that absorb light carried on the surface and exchange electrons with the semiconductor increases. As a result, there is an effect that the photoelectric conversion efficiency is significantly improved as compared with the conventional one. In addition, by providing the irregularities on the surface of the semiconductor layer with a predetermined period and setting the period to 0.4 μm or less, the light reflection at the semiconductor-dye interface causes the periodic irregularity of the interface (0.4 μm or less). Since it is suppressed for a larger wavelength, the photoelectric conversion efficiency can be further increased. Further, since a polycrystalline semiconductor can be manufactured easily at a relatively low cost, the photoelectric conversion element can be made inexpensive by including the polycrystalline semiconductor in the semiconductor layer. Further, titanium dioxide is an n-type semiconductor having a large band gap and is particularly stable as a photoanode in an electrolytic solution. Therefore, by including titanium dioxide in the semiconductor layer, the titanium dioxide in the electrode is exposed to visible light. The durability of the photoelectric conversion element can be improved without photocorrosion. Further, since the semiconductor layer includes the porous semiconductor picture, the number of dyes carried per projected area in the stacking direction is further increased, and the photoelectric conversion efficiency can be further increased.

【0034】一方、本発明の光電変換素子の製造方法に
よれば、電解液中での半導体の光溶解により半導体表面
のエッチングを行ない、レーザ光の干渉縞により露光が
行なわれるため、干渉縞を非常に小さな間隔とすること
ができる。その結果、半導体表面に0.4μm以下の凹
凸を形成することが可能となる。
On the other hand, according to the method of manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention, the semiconductor surface is etched by photodissolution of the semiconductor in the electrolytic solution, and the exposure is performed by the interference fringes of the laser light. It can be very small. As a result, it becomes possible to form irregularities of 0.4 μm or less on the semiconductor surface.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の光電変換素子の一実施例の構成を示す
断面図
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of an embodiment of a photoelectric conversion element of the present invention.

【図2】本発明の光電変換素子の製造方法に適するレー
ザー光干渉露光装置の一実施例の構成を示す図
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a laser light interference exposure apparatus suitable for the method for manufacturing a photoelectric conversion element of the present invention.

【図3】図2における光電気化学セルの構成を示す斜視
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the photoelectrochemical cell in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 :空気バネ式防振台 12 :He−Cd+レーザ発振装置 13 :レーザー光 14 :ミラー 15 :ビームスプリッター 16 :ミラ− 17 :レンズ 18 :光電気化学セル 21 :石英板 22 :シリコンゴム・ガスケット 23 :参照極 24 :対極 25 :半導体部分 26 :導電ガラス部分 31 :色素増感電極 32 :第1の導電ガラス層 33 :色素担持半導体層 34 :電子移動層 35 :対電極 36 :白金層 37 :第2の導電ガラス層 41 :リード線 42 :リード線11: Air spring type vibration isolation table 12: He-Cd + laser oscillation device 13: Laser light 14: Mirror 15: Beam splitter 16: Mirror-17: Lens 18: Photoelectrochemical cell 21: Quartz plate 22: Silicon rubber Gasket 23: Reference electrode 24: Counter electrode 25: Semiconductor part 26: Conductive glass part 31: Dye-sensitized electrode 32: First conductive glass layer 33: Dye-carrying semiconductor layer 34: Electron transfer layer 35: Counter electrode 36: Platinum layer 37: Second conductive glass layer 41: Lead wire 42: Lead wire

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇田 克也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 園田 信雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Katsuya Wakita 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Nobuo Sonoda, 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 透明導電体層及び前記透明導電体層の上
に形成された半導体層に色素を担持させた色素担持半導
体層とを有する電極と、前記色素担持半導体層と対向す
る対電極と、前記色素担持半導体層と前記対電極との間
に設けられた電子移動層とを具備し、前記色素担持半導
体層の色素が担持される面が凹凸を有する光電変換素
子。
1. An electrode having a transparent conductor layer and a dye-carrying semiconductor layer in which a dye is carried on a semiconductor layer formed on the transparent conductor layer, and a counter electrode facing the dye-carrying semiconductor layer. A photoelectric conversion element comprising: the dye-carrying semiconductor layer and an electron transfer layer provided between the counter electrode, wherein a surface of the dye-carrying semiconductor layer on which the dye is carried has unevenness.
【請求項2】 半導体層は多結晶状半導体を含む請求項
1記載の光電変換素子。
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the semiconductor layer contains a polycrystalline semiconductor.
【請求項3】 凹凸は0.4μm以下の周期を有する請
求項1又は2に記載の光電変換素子。
3. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the unevenness has a period of 0.4 μm or less.
【請求項4】 半導体層は二酸化チタンを含む請求項1
から3のいずれかに記載の光電変換素子。
4. The semiconductor layer comprises titanium dioxide.
5. The photoelectric conversion element according to any one of 3 to 3.
【請求項5】 半導体層は多孔質半導体を含む請求項1
から4のいずれかに記載の光電変換素子。
5. The semiconductor layer comprises a porous semiconductor.
5. The photoelectric conversion element according to any one of 4 to 4.
【請求項6】 透明導電体層及び前記透明導電体層の上
に形成された半導体層に色素を担持させた色素担持半導
体層とを有する電極と、前記色素担持半導体層と対向す
る対電極と、前記色素担持半導体層と前記対電極との間
に設けられた電子移動層とを具備し、前記半導体層の色
素が担持される面が凹凸を有する光電変換素子の製造方
法であって、前記半導体層の色素が担持される面を、色
素を担持させる以前に、少なくとも一種類以上のレーザ
光干渉縞の露光により電解液中で光溶解させ、所定の周
期を持つ凹凸に加工することを特徴とする光電変換素子
の製造方法。
6. An electrode having a transparent conductor layer and a dye-carrying semiconductor layer in which a dye is carried on a semiconductor layer formed on the transparent conductor layer, and a counter electrode facing the dye-carrying semiconductor layer. A method for manufacturing a photoelectric conversion element comprising an electron transfer layer provided between the dye-carrying semiconductor layer and the counter electrode, wherein the dye-carrying surface of the semiconductor layer has irregularities, Before the dye is supported, the surface of the semiconductor layer on which the dye is supported is photo-dissolved in the electrolytic solution by exposure of at least one kind of laser light interference fringes, and processed into irregularities having a predetermined period. And a method for manufacturing a photoelectric conversion element.
【請求項7】 凹凸の所定の周期は0.4μm以下であ
る請求項6記載の光電変換素子の製造方法。
7. The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 6, wherein the predetermined period of the unevenness is 0.4 μm or less.
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Cited By (3)

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