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JP2004228449A - Photoelectric conversion element - Google Patents

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JP2004228449A
JP2004228449A JP2003016805A JP2003016805A JP2004228449A JP 2004228449 A JP2004228449 A JP 2004228449A JP 2003016805 A JP2003016805 A JP 2003016805A JP 2003016805 A JP2003016805 A JP 2003016805A JP 2004228449 A JP2004228449 A JP 2004228449A
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current collector
conversion element
electrode
linear body
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勉 宮本
Yuji Fujimori
裕司 藤森
Yukio Kasahara
幸雄 笠原
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Seiko Epson Corp
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Abstract

【課題】大型化した場合においても、十分な光電変換効率を得ることができる光電変換素子を提供すること。
【解決手段】光電変換素子は、基板上に設けられた第1の電極(面電極)と、第1の電極と対向して設けられた第2の電極(対向電極)と、第1の電極と第2の電極との間に位置する緻密質層と、緻密質層と接触する多孔質層と、多孔質層と接触する色素層と、多孔質層と第2の電極との間に位置し、色素層と接触する正孔輸送層とを有し、第1の電極の構成材料より電気抵抗の小さい材料で構成された集電体7を、第1の電極に接触するよう設け、第1の電極全体の導電性を向上するよう構成されている。集電体7は、互いに幅の異なる3種類の線状体(第1の線状体7a、第2の線状体7bおよび第3の線状体7c)で構成され、これらが互いに接続されている。
【選択図】図3
An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element capable of obtaining sufficient photoelectric conversion efficiency even in a case where the size is increased.
The photoelectric conversion element includes a first electrode (a surface electrode) provided on a substrate, a second electrode (a counter electrode) provided to face the first electrode, and a first electrode. A dense layer located between the first electrode and the second electrode, a porous layer in contact with the dense layer, a dye layer in contact with the porous layer, and a second electrode located between the porous layer and the second electrode. And a current collector 7 having a hole transport layer in contact with the dye layer, and made of a material having a lower electric resistance than the constituent material of the first electrode, provided so as to be in contact with the first electrode, The first electrode is configured to improve conductivity. The current collector 7 includes three types of linear bodies (a first linear body 7a, a second linear body 7b, and a third linear body 7c) having different widths, and these are connected to each other. ing.
[Selection diagram] FIG.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、安価な材料を用いて、大掛かりな設備を必要とせずに低コストで製造することができる太陽電池(光電変換素子)として、湿式または乾式の色素増感型太陽電池が提案されている。
これらの色素増感型太陽電池は、透明電極と対向電極との間に、色素を担持させた半導体を有する構成とされ、受光により色素で発生した電子と正孔とが、それぞれ透明電極と対向電極とに引き分けられ、これらの間に電位差が生じる。
【0003】
ところが、通常、透明電極は、電気抵抗が比較的高い透明導電性酸化物で構成されるため、色素増感型太陽電池を大型化した場合、透明電極の面積の増大(大面積化)に伴って電気抵抗が増大し、その結果、光電変換効率が低下するという問題がある。
かかる問題を解決すべく、透明電極の構成材料より電気抵抗の小さい材料で構成された集電体を透明電極に接触するよう設置し、透明電極全体の導電性を向上させた色素増感型太陽電池が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1に記載の色素増感型太陽電池では、大型化に伴う光電変換効率の低下を抑制することができるものの、更なる光電変換効率の低下を抑制し得る構成のものの開発が要望されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−314108号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大型化した場合においても、十分な光電変換効率を得ることができる光電変換素子を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の光電変換素子は、基板上に設けられた面電極と、
該面電極と対向して設けられた対向電極と、
前記面電極と前記対向電極との間に位置し、少なくとも一部が多孔質な電子輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記対向電極との間に位置し、前記色素層と接触する正孔輸送層とを有し、
前記面電極の構成材料より電気抵抗の小さい材料で構成された集電体を、前記面電極に接触するよう設け、前記面電極全体の導電性を向上するよう構成した光電変換素子であって、
前記集電体は、第1の線状体と、該第1の線状体から分枝または交叉するよう前記第1の線状体に接続され、前記第1の線状体より幅の狭い第2の線状体とを備えることを特徴とする。
これにより、大型化した場合においても、十分な光電変換効率を得ることができる。
【0007】
本発明の光電変換素子では、前記第2の線状体は、異なる前記第1の線状体同士を接続することが好ましい。
これにより、集電体の一部が断線したような場合でも、断線していない他の経路を経由して、電子を外部回路へ取り出すことができる。
【0008】
本発明の光電変換素子では、前記第1の線状体の幅(平均)をA[mm]とし、前記第2の線状体の幅(平均)をB[mm]としたとき、A/Bが1〜100であることが好ましい。
これにより、集電体は、面電極の各部から、より効率よく電子を取り出すことができる。
【0009】
本発明の光電変換素子では、前記集電体は、前記第2の線状体から分枝または交叉するよう前記第2の線状体に接続され、前記第2の線状体より幅の狭い第3の線状体を備えることが好ましい。
これにより、集電体は、面電極の広い部分から効率よく、電子を取り出すことができる。
【0010】
本発明の光電変換素子では、前記第3の線状体は、前記第1の線状体と前記第2の線状体とを、または、異なる前記第2の線状体同士を接続することが好ましい。
これにより、集電体の一部が断線したような場合でも、断線していない他の経路を経由して、電子を外部回路へ取り出すことができる。
【0011】
本発明の光電変換素子では、前記第2の線状体の幅(平均)をB[mm]とし、前記第3の線状体の幅(平均)をC[mm]としたとき、B/Cが1〜100であることが好ましい。
これにより、集電体は、面電極の各部から、より効率よく電子を取り出すことができる。
【0012】
本発明の光電変換素子では、少なくとも前記第1の線状体は、格子状に配設されていることが好ましい。
これにより、集電体は、面電極から均一に電子を取り出すことができる。
【0013】
本発明の光電変換素子では、少なくとも前記第1の線状体は、ハニカム状に配設されていることが好ましい。
これにより、基板として可撓性基板を用いる場合には、集電体を基板の補強材として機能させることができる。
【0014】
本発明の光電変換素子では、前記集電体は、その少なくとも一部が前記面電極に埋入するよう設けられていることが好ましい。
これにより、集電体7、面電極から、より効率よく電子を取り出すことができる。
【0015】
本発明の光電変換素子では、前記集電体は、その少なくとも一部が前記基板に埋入するよう設けられていることが好ましい。
これにより、基板の上面に生じる凹凸を減少させることができるため、集電体と面電極との接続不良をより確実に防止することができる。
【0016】
本発明の光電変換素子では、前記基板は、主として樹脂材料で構成され、
前記集電体は、該集電体が形成された前記基板に対して熱プレス処理を施すことにより、その少なくとも一部を前記基板に埋入するよう設けられたものであることが好ましい。
これにより、基板に集電体を比較的容易に埋設することができる。
【0017】
本発明の光電変換素子では、前記集電体の少なくとも一部が埋入するよう設けられた前記基板は、主として熱硬化性樹脂の前駆体で構成されたシート材上に、前記集電体を形成した後、該集電体が形成された前記シート材に対して熱プレス処理を施すことにより得られたものであることが好ましい。
これにより、基板に集電体を比較的容易に埋設することができるとともに、基板および集電体の表面形状をより平滑にすることができるという効果が得られる。
【0018】
本発明の光電変換素子では、前記集電体は、その平均高さが0.2mm以下であることが好ましい。
これにより、光電変換素子の更なる薄型化を図ることができる。
【0019】
本発明の光電変換素子では、前記面電極に垂直な方向から見たとき、前記面電極全体の面積に対する前記集電体が占める面積の比率は、0.01〜30%であることが好ましい。
これにより、面電極全体の導電性をより向上することができるとともに、色素層への光の到達率が低下するのを好適に防止することができる。
【0020】
本発明の光電変換素子では、前記集電体で囲まれる領域の最小単位は、それぞれ、ほぼ同一の面積であることが好ましい。
これにより、集電体は、面電極からより均一に電子を取り出すことができる。
【0021】
本発明の光電変換素子では、前記集電体で囲まれる領域の最小単位は、それぞれ、ほぼ同一の形状であることが好ましい。
これにより、集電体は、面電極からより均一に電子を取り出すことができる。
【0022】
本発明の光電変換素子では、前記集電体は、インクジェット法を用いて形成されたものであることが好ましい。
これにより、大掛かりな設備を必要とせず、集電体を容易かつ高精度で形成することができる。
【0023】
本発明の光電変換素子では、前記基板は、主として樹脂材料で構成された可撓性基板であることが好ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光電変換素子について添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明の光電変換素子の第1実施形態について説明する。
【0025】
図1は、本発明の光電変換素子の第1実施形態を示す斜視図、図2は、図1中のA−A線断面図、図3は、図1に示す光電変換素子が備える集電体7の構成を示す平面図である。なお、以下の説明では、図1および図2中の紙面上、上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言い、各層(各部材)の上側の面を「上面」、下側の面を「下面」と言う。
【0026】
図1に示す光電変換素子1は、電解質溶液を必要としない、いわゆる乾式光電変換素子と呼ばれるものである。この光電変換素子1は、基板2と、集電体7と、第1の電極(面電極)3と、緻密質層(緻密質な電子輸送層)41と、多孔質層(多孔質な電子輸送層)42と、色素層Dと、正孔輸送層5と、第2の電極(対向電極)6とを有している。以下、各層(各部)の構成について説明する。
基板2は、第1の電極3、集電体7、緻密質層41、多孔質層42、色素層D、正孔輸送層5および第2の電極6の各層を支持するものである。この基板2は、平板状(または層状)の部材で構成されている。
【0027】
本実施形態の光電変換素子1では、図1および図2に示すように、基板2および後述する第1の電極3側から、例えば、太陽光等の光(以下、単に「光」と言う。)を入射させて(照射して)使用するものである。このため、基板2および第1の電極3は、それぞれ、好ましくは実質的に透明(無色透明、着色透明または半透明)とされる。これにより、光を、後述する色素層Dに効率よく到達させることができる。
【0028】
この基板2の構成材料としては、例えば、各種ガラス材料、各種セラミックス材料、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)のような各種樹脂材料等が挙げられる。また、基板2は、単層または複数層の積層体で構成されていてもよい。
【0029】
基板2の平均厚さは、材料、用途等により適宜設定され、特に限定されないが、例えば、次のようにすることができる。
基板2が硬質なものである場合、その平均厚さは、0.1〜1.5mm程度であるのが好ましく、0.8〜1.2mm程度であるのがより好ましい。また、基板2が可撓性(フレキシブル性)を有するもの(主として樹脂材料で構成された可撓性基板)である場合、その平均厚さは、0.5〜150μm程度であるのが好ましく、10〜75μm程度であるのがより好ましい。
なお、光電変換素子1を各種の電子機器に搭載する場合、電子機器の構成部材を光電変換素子1の基板2として利用することができる。
【0030】
基板2の上面には、層状の第1の電極(面電極)3が設けられている。
第1の電極3の構成材料には、例えば、インジウムティンオキサイド(ITO)、フッ素ドープした酸化錫(FTO)、酸化インジウム(IO)、酸化錫(SnO)のような各種金属酸化物(透明導電性酸化物)が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
第1の電極3の平均厚さは、0.05〜5μm程度であるのが好ましく、0.1〜1.5μm程度であるのがより好ましい。
【0031】
また、基板2の上面には、図3に示すように、第1の電極3に接触するように集電体7が設けられている。この集電体7は、複数種(本実施形態では、3種)の幅の線状体(金属細線)7a〜7cで構成され、その一部に電気接続部71が接続されている。そして、本実施形態では、集電体7が第1の電極3に埋入するようにして設けられている。また、電気接続部71は、光電変換素子1の外部に露出しており、この電気接続部71には、外部回路8が接続される。
【0032】
集電体7は、第1の電極3の構成材料より電気抵抗の小さい材料で構成されている。色素層Dで発生し、電子輸送層4を輸送された電子は、第1の電極3で捕捉され、第1の電極3の内部を通過して外部回路8へ伝達され得るが、集電体7を設けることにより、より電気抵抗の小さい集電体7(各線状体7a〜7c)に受け渡され、外部回路8へ伝達される。すなわち、集電体7は、第1の電極3で捕捉された電子のバイパスラインとして機能し、これにより、第1の電極3全体の導電性を向上させることができる。
【0033】
ここで、仮に、光電変換素子に集電体7を設けない場合、光電変換素子の大型化に伴い、光電変換素子の各層を大面積化すると、前述のような透明導電性酸化物(このものは、比較的電気抵抗が大きい)で構成される第1の電極3は、特に、電気抵抗が増大し、その結果、光電変換素子の発電効率(光電変換効率)が低下する。
【0034】
これに対し、本発明では、集電体7を第1の電極3と接触するよう設けることにより、光電変換素子1を大型化した場合でも、第1の電極3から集電体7を介して電子を効率よく外部回路8へ取り出すことができ、その結果、光電変換素子1の光電変換効率の低下を好適に防止することができる。
特に、集電体7を第1の電極3に埋入するようにして設ける(埋設する)ことにより、第1の電極3と集電体7との接触面積を増大させることができるので、集電体7は、第1の電極3から、より効率よく電子を取り出すことができる。
【0035】
このような集電体7の構成材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、パラジウム、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルまたはこれらを含む合金等の各種金属材料、カーボン、カーボンナノチューブ、フラーレン等の各種炭素材料が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
特に、本発明では、この集電体7の構成に特徴を有している。なお、この点(特徴)については、後に詳述する。
【0036】
第1の電極3の上面には、電子輸送層4が設けられている。すなわち、電子輸送層4は、第1の電極3と後述する第2の電極6との間に位置している。本実施形態では、この電子輸送層4は、第1の電極3側に設けられた緻密質層41と、この緻密質層41と接触するようにして、緻密質層41の上面に設けられた多孔質層42とで構成されている。この電子輸送層4は、後述する色素層Dで発生した電子を捕捉し、輸送する機能を有する。
【0037】
電子輸送層4の構成材料としては、例えば、二酸化チタン(TiO)、一酸化チタン(TiO)、三酸化二チタン(Ti)等の酸化チタン、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、SrTiO、SiO、Al、SnOのような酸化物、TiC、SiCのような炭化物、Si、BN、BNのような窒化物、CdSのような硫化物、CdSeのようなセレン化物のような各種n型半導体材料が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、電子輸送層4の構成材料としては、酸化チタン(特に、二酸化チタン)を用いるのが好ましい。すなわち、電子輸送層4は、二酸化チタンを主材料とするものが好適である。
【0038】
二酸化チタンは、特に、電子の輸送能力に優れる。また、二酸化チタンは、光に対する感受性が高く、二酸化チタンを主材料として電子輸送層4を構成することにより、電子輸送層4自体でも、電子を発生させることができる。これにより、光電変換素子1の光電変換効率(発電効率)をより向上させることができる。
また、二酸化チタンは、その結晶構造が安定しているので、二酸化チタンを主材料とする電子輸送層4は、過酷な環境下に曝された場合でも、経年変化(劣化)が少なく、安定した性能が長期間継続して得られるという利点を有する。
【0039】
さらに、二酸化チタンとしては、アナターゼ型の二酸化チタン、ルチル型の二酸化チタン、または、これらの混合物を用いることができる。なお、二酸化チタンとして、アナターゼ型の二酸化チタンとルチル型の二酸化チタンとの混合物を用いる場合、これらの混合比は、特に限定されないが、重量比で95:5〜5:95程度とするのが好ましく、80:20〜20:80程度とするのがより好ましい。
【0040】
緻密質層41は、その空孔率が多孔質層42の空孔率より小さく設定されている。この緻密質層41は、後述する正孔輸送層5と第1の電極3とが接触するのを防止または抑制する機能を有する。この緻密質層41を設けることにより、光電変換素子1の光電変換効率(エネルギー変換効率)が低下するのを防止することができる。
【0041】
一方、多孔質層42は、その空孔率が比較的大きく設定されており、図2に示すように、複数の空孔421を有している。この多孔質層42には、後述するように、色素層Dが接触するように設けられるが、多孔質層42を複数の空孔421を有する形状とすることにより、色素層Dを多孔質層42の外面および空孔421の内面に沿って形成することができる。
【0042】
このため、色素層Dと多孔質層42との接触面積を十分に確保することができる。これにより、色素層Dで発生した電子を電子輸送層4へより効率よく伝達させることができる。また、多孔質層42に入射した光は、多孔質層42の内部まで侵入し、多孔質層42を透過、または、空孔421内で任意の方向に反射(乱反射、拡散等)して、より高い確率で色素層D中の色素に吸収されることになり、色素層Dでは、より効率よく電子および正孔が発生することになる。このようなことから、光電変換素子1の光電変換効率(エネルギー変換効率)をより向上させることができる。
【0043】
緻密質層41および多孔質層42に、それぞれ、それらの機能を如何なく発揮させる観点からは、緻密質層41および多孔質層42の条件を、次のように設定するのが好ましい。
緻密質層41の空孔率をA[%]とし、多孔質層42の空孔率をB[%]としたとき、B/Aは、1.1以上であるのが好ましく、5以上であるのがより好ましく、10以上であるのがさらに好ましい。
具体的には、緻密質層41の空孔率Aは、20%未満であるのが好ましく、5%未満であるのがより好ましく、2%未満であるのがさらに好ましい。一方、多孔質層42は、20%以上であるのが好ましく、20〜50%程度であるのがより好ましく、20〜40%程度であるのがさらに好ましい。
【0044】
また、緻密質層41と多孔質層42との厚さの比率は、特に限定されないが、1:99〜60:40程度であるのが好ましく、10:90〜40:60程度であるのがより好ましい。
具体的には、緻密質層41の平均厚さは、0.01〜10μm程度であるのが好ましく、0.1〜5μm程度であるのがより好ましい。一方、多孔質層42の平均厚さは、0.1〜300μm程度であるのが好ましく、0.5〜100μm程度であるのがより好ましく、1〜25μm程度であるのがさらに好ましい。
【0045】
また、緻密質層41と多孔質層42との界面は、不明確であること、すなわち、緻密質層41と多孔質層42とは、互いに部分的に重なりあった状態であることが好ましい。これにより、多孔質層42から緻密質層41へ電子をより確実に伝達させることができる。
なお、例えば、後述する正孔輸送層5の構成材料の種類等によっては、緻密質層41は、省略することもできる。すなわち、電子輸送層4は、その一部が多孔質なものである図示の構成と異なり、その全体が多孔質なものであってもよい。また、例えば、電子輸送層4は、その厚さ方向の途中に緻密質層41を有する構成であってもよい。
【0046】
色素層Dは、多孔質層42に接触するように設けられている。この色素層Dは、主として色素で構成され、多孔質層42の外面および空孔421の内面に沿って形成されている。
この色素層D(色素)は、受光により電子と正孔とを発生する。このうち、電子は、前記の電子輸送層4へ、また、正孔は、後述する正孔輸送層5へ、それぞれ伝達される。
この色素には、例えば、各種顔料や各種染料を単独または混合して使用することができるが、経時的変質(劣化)が少ないという点で顔料を、電子輸送層4(多孔質層42)への吸着性に優れるという点で染料を用いるのが好ましい。
【0047】
顔料としては、例えば、フタロシアニン系顔料、アゾ系顔料、アントラキノン系顔料、アゾメチン系顔料、キノフタロン系顔料、イソインドリン系顔料、ニトロソ系顔料、ペリノン系顔料、キナクリドン系顔料、ペリレン系顔料、ピロロピロール系顔料、ジオキサジン系顔料のような各種有機顔料、炭素系顔料、クロム酸塩系顔料、硫化物系顔料、酸化物系顔料、水酸化物系顔料、フェロシアン化物系顔料、ケイ酸塩系顔料、リン酸塩系顔料、その他(例えば硫化カドミウム、セレン化カドミウム等)のような各種無機顔料等が挙げられる。
【0048】
また、染料としては、例えば、RuL(SCN)、RuLCl、RuL(CN)、Rutenium535−bisTBA(Solaronics社製)、[RuL(NCS)Oのような金属錯体色素、シアン系色素、キサンテン系色素、アゾ系色素、ハイビスカス色素、ブラックベリー色素、ラズベリー色素、ザクロ果汁色素、クロロフィル色素等が挙げられる。なお、前記組成式中のLは、2,2’ーbipyridine、または、その誘導体を示す。
【0049】
色素層Dが形成された電子輸送層4の上面には、色素層Dに接触するように層状の正孔輸送層5が設けられている。すなわち、正孔輸送層5は、電子輸送層4(多孔質層42)と後述する第2の電極6との間に位置している。この正孔輸送層5は、色素層Dで発生した正孔を捕捉し、輸送する機能を有する。
正孔輸送層5の構成材料としては、例えば、CuI、AgIのようなヨウ化物、AgBrのような臭化物等のハロゲン化物、CuSCNのようなチオシアン酸塩(ロダン化物)等の各種無機p型半導体材料、トリフェニルジアミン(モノマー、ポリマー等)、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、フタロシアニン化合物(例えば、銅フタロシアニン)またはこれらの誘導体のような各種有機p型半導体材料が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、正孔輸送層5の構成材料としては、特に、無機p型半導体材料が好ましい。すなわち、正孔輸送層5は、無機p型半導体材料を主材料とするものが好適である。無機p型半導体材料を有する物質を主材料として正孔輸送層5を構成することにより、正孔輸送層5は、色素層Dで発生した正孔(ホール)をより効率よく捕捉し、輸送することができるようになる。これにより、光電変換素子1の光電変換効率(発電効率)をより向上させることができる。
【0050】
また、無機p型半導体材料は、前記化合物のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、無機p型半導体材料としては、ハロゲン化物が好ましく、ヨウ化物がより好ましい。ハロゲン化物(特に、ヨウ化物)は、特に正孔の輸送能力に優れている。このため、ヨウ化物を主材料として正孔輸送層5を構成することにより、光電変換素子1の光電変換効率をより向上させることができる。
また、正孔輸送層5は、図2に示すように、色素層Dが形成された多孔質層42の空孔421内に入り込んで形成され、色素層Dと正孔輸送層5との接触面積が十分に確保されている。このため、色素層Dで発生した正孔(ホール)を正孔輸送層5へより効率よく伝達させることができる。
【0051】
正孔輸送層5の平均厚さは、特に限定されないが、1〜500μm程度であるのが好ましく、10〜300μm程度であるのがより好ましく、10〜30μm程度であるのがさらに好ましい。
正孔輸送層5の上面には、層状の第2の電極6が設けられている。すなわち、第2の電極(対向電極)6は、第1の電極(面電極)3と対向して設けられている。
【0052】
この第2の電極6の構成材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、銀、金、銅、モリブデン、チタン、タンタルまたはこれらを含む合金のような各種金属材料、あるいは、黒鉛のような各種炭素材料等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。その他、第2の電極6の構成材料には、各種透明導電性酸化物を用いることもできる。
第2の電極6の平均厚さは、材料、用途等により適宜設定され、特に限定されないが、0.01〜5μm程度であるのが好ましく、0.03〜1.5μm程度であるのがより好ましい。
【0053】
以上のような構成の光電変換素子1に、基板2側から光が入射すると、主に色素層D(色素)において電子が励起され、電子(e)と正孔(h)とが発生する。このうち、電子は、電子輸送層4へ、正孔は、正孔輸送層5へ伝達され、各層中を輸送される。これにより、第1の電極3(電気接続部71)と第2の電極6との間に電位差(光起電力)が生じる。そして、光電変換素子1の第1の電極3と第2の電極6とを外部回路8により接続すると、外部回路8に電流(光励起電流)が流れる。
【0054】
さて、次に、集電体7の構成について、詳細に説明する。
図2および図3に示すように、集電体7は、横断面形状がほぼ半円形(または半楕円形)をなし、互いに幅の異なる3種類の線状体(第1の線状体7a、第2の線状体7bおよび第3の線状体7c)で構成されている。本実施形態では、第1の線状体7aの幅(平均)をA[mm]、第2の線状体7bの幅(平均)をB[mm]、第3の線状体7cの幅(平均)をC[mm]としたとき、これらは、A>B>Cに設定されている。
【0055】
また、図3に示すように、第2の線状体7bは、第1の線状体7aから分枝または交叉するように、その一端が第1の線状体7aに接続され、その他端は、異なる第1の線状体7aに接続されている。また、第3の線状体7cは、第2の線状体7bから分枝または交叉するように、その一端が第2の線状体7bに接続され、その他端は、第1の線状体7aに接続されている。これにより、集電体7は、全体として網状をなしている。
このような構成により、集電体7は、第1の電極3の広い部分から効率よく、電子を取り出すことができる。また、線状体7a〜7cのうちの一部が断線したような場合でも、断線していない他の経路を経由して、電子を外部回路8へ取り出すことができるという利点がある。
【0056】
また、本実施形態では、第1の線状体7a、第2の線状体7bおよび第3の線状体7cのいずれもが格子状に配設されている。これにより、集電体7は、第1の電極3から均一に(ムラなく)電子を取り出すことができる。
特に、本実施形態では、集電体7は、集電体7で囲まれる領域の最小単位(図3中、各四角形の領域)が、それぞれ、ほぼ同一の面積、かつ、ほぼ同一の形状となるように形成されている。これにより、集電体7は、第1の電極3からより均一に(ムラなく)電子を取り出すことができる。
なお、集電体7は、集電体7で囲まれる領域の最小単位が、それぞれ、ほぼ同一の面積、かつ、ほぼ同一の形状となるように形成されているのが好ましいが、いずれか一方のみの条件を満足するように形成されたものであってもよい。
【0057】
また、第1の線状体7aの幅(平均)A[mm]と、第2の線状体7bの幅(平均)B[mm]との関係は、A/Bが1〜100程度(特に、2〜10程度)であるのが好ましく、第2の線状体7bの幅(平均)B[mm]と、第3の線状体7cの幅(平均)C[mm]との関係は、B/Cが1〜100程度(特に、2〜10程度)であるのが好ましい。これにより、集電体7は、第1の電極3の各部から、より効率よく電子を取り出すことができる。
なお、第1の線状体7aの幅(平均)A、第2の線状体7bの幅(平均)B、および第3の線状体7cの幅(平均)Cは、例えば、集電体7の抵抗率、各線状体の配設密度(配線ピッチ、配設形状)等により適宜設定される。
【0058】
その一例としては、集電体7のシート抵抗が0.1Ω/□で、かつ、各線状体を格子状とし、第1の線状体7aを約10cm間隔、第2の線状体7bを約2cm間隔、第3の線状体を約5mm間隔で配設する場合、
図3中Waで示される第1の線状体7aの幅(平均)Aは、2〜30mm程度であるのが好ましく、5〜15mm程度であるのがより好ましい。
図3中Wbで示される第2の線状体7bの幅(平均)Bは、0.4〜6mm程度であるのが好ましく、1〜3mm程度であるのがより好ましい。
図3中Wcで示される第3の線状体7cの幅(平均)Cは、0.1〜1.5mm程度であるのが好ましく、0.2〜0.6mm程度であるのがより好ましい。
なお、各線状体の配置を前記と同様とし、集電体7のシート抵抗を1/10とした場合には、各線状体の幅を前記の1/10程度とすることができる。
【0059】
集電体7は、第1の電極3全体の導電性を向上させる観点からは、その第1の電極3に対する占有面積(形成面積)をできる限り大きく形成するのが好ましいが、一方、その第1の電極3に対する占有面積を大きく形成し過ぎると、集電体7の構成材料や厚さ等によっては、色素層Dへの光の到達率が低下してしまう。このため、集電体7の第1の電極3に対する占有面積には、好適な範囲が存在する。
【0060】
具体的には、第1の電極3に垂直な方向から見たとき、第1の電極3全体の面積に対する集電体7が占める面積の比率(集電体7の配設密度)は、集電体7の抵抗率によっても異なり、特に限定されないが、0.01〜30%程度であるのが好ましく、1〜15%程度であるのがより好ましい。これにより、第1の電極3全体の導電性をより向上することができるとともに、色素層Dへの光の到達率が低下するのを好適に防止することができる。その結果、光電変換素子1の発電効率(光電変換効率)を格段に優れたものとすることができる。
また、集電体7(各線状体7a〜7c)は、その平均高さ(図3中H)が0.2mm以下であるのが好ましく、0.1mm以下であるのがより好ましく、1〜50μm程度であるのがさらに好ましい。これにより、光電変換素子1の更なる薄型化を図ることができる。
【0061】
このような集電体7は、その導電率が、例えば、1×10S/m以上程度であるのが好ましく、1×10S/m以上程度であるのがより好ましい。これにより、第1の電極3全体の導電性をより向上させることができる。
なお、各線状体7a〜7cの横断面形状は、図示のものに限定されず、例えば、円形、あるいは、三角形、四角形(正方形、長方形、菱形)のような多角形であってもよい。
また、第3の線状体7cは、第1の線状体7aと第2の線状体7bとを接続するものに限られず、例えば、異なる第2の線状体7b同士を接続するものも含んでいてもよいし、全てが異なる第2の線状体7b同士を接続するものであってもよい。
【0062】
このような光電変換素子1の各層(集電体7、電気接続部71、第1の電極3、緻密質層41、多孔質層42、色素層D、正孔輸送層5および第2の電極6)は、それぞれ、例えば、インクジェット法、印刷法、真空蒸着法、スパッタリング法(特に、低温スパッタリング法)、スプレー熱分解法、ジェットモールド(プラズマ溶射)法、CVD法、電解メッキ法、無電解メッキ法等のうちから適宜選択して形成するようにすればよいが、これらの各層は、いずれも、インクジェット法を用いて形成するのが好ましい。インクジェット法によれば、大掛かりな設備を必要とせず、各層を容易かつ高精度で形成することができる。
【0063】
以下では、前記の各層(各部)を、それぞれ、インクジェット法を用いて形成する場合を一例として説明する。この場合、例えば、図4に示すような液滴吐出装置(インクジェット装置)が用いられる。
図4に示す液滴吐出装置10は、基板2を載置する載置テーブル20と、載置テーブル20をx軸方向に移動(主走査)するx軸駆動ローラ30と、ノズル40を有する液滴吐出ヘッド50と、液滴吐出ヘッド50をy軸方向に移動(副走査)するy軸駆動機構60とを有している。
【0064】
液滴吐出ヘッド50内には、前記の各層の構成材料またはその前駆体を含む液体が収納され、ノズル40の先端に形成された小孔から液滴70として吐出される。
載置テーブル20をx軸方向へ移動させるとともに、液滴吐出ヘッド50をy軸方向において往復動させつつ、液滴70をノズル40の小孔から吐出させることにより、前記の各層を形成する。
【0065】
用いる液体の粘度(常温)は、特に限定されないが、通常、3〜10cps程度であるのが好ましく、4〜8cps程度であるのがより好ましい。用いる液体の粘度をかかる範囲とすることにより、ノズル40の小孔からの液滴70の吐出をより安定的に行うことができる。
液滴70の1滴の量(平均)も、特に限定されないが、通常、5〜40pL程度であるのが好ましく、10〜30pL程度であるのがより好ましい。液滴70の1滴の量(平均)をかかる範囲とすることにより、より精密な形状を形成することができる。
【0066】
次に、光電変換素子1の製造方法の各工程について、順次説明する。
[1] 集電体7および電気接続部71の形成
まず、基板2を用意する。この基板2には、厚さが均一で、たわみのないものが好適に用いられる。
この基板2の上面に、インクジェット法を用いて、集電体7および電気接続部71形成用の液体を供給して、集電体7および電気接続部71を形成する。
集電体7および電気接続部71形成用の液体としては、例えば、▲1▼:各種金属材料や各種炭素材料で構成された粒子を含む分散液(懸濁液)、▲2▼:各種金属材料の前駆体である金属酸化物で構成された粒子と、還元剤とを含む分散液(懸濁液)等を用いることができる。
【0067】
▲1▼の場合、集電体7および電気接続部71形成用の液体中の粒子の含有量は、分散媒の種類や組成等によっても異なり、特に限定されないが、0.1〜40wt%程度であるのが好ましく、2〜20wt%程度であるのがより好ましい。
用いる粒子の平均粒径は、特に限定されないが、1〜30nm程度であるのが好ましく、2〜10nm程度であるのがより好ましい。
【0068】
また、粒子には、常温での凝集を阻止するための凝集阻止剤(分散剤)で被覆したものを用いるのが好ましい。この凝集阻止剤としては、例えば、アルキルアミンのような窒素原子を含む基を有する化合物、アルカンジオールのような酸素原子を含む基を有する化合物、アルキルチオール、アルカンジチオールのような硫黄原子を含む基を有する化合物等が挙げられる。
【0069】
また、この場合、集電体7および電気接続部71形成用の液体中には、所定の処理(例えば、加熱等)により、凝集阻止剤を除去し得る除去剤が添加される。この除去剤としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ヘキサン酸、オクチル酸のような炭素数1〜10の直鎖状または分岐状の飽和カルボン酸、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、ケイ皮酸、安息香酸、ソルビン酸のような不飽和カルボン酸、シュウ酸、マロン酸、セバシン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸のような二塩基酸等の各種カルボン酸類、これらのカルボン酸類のカルボキシル基をリン酸基やスルホニル基に置換した各種リン酸類や各種スルホン酸類等の有機酸、または、その有機酸エステル、その他、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸、エチレングリコールビス(アンヒドロトリメリテート)、グリセロールトリス(アンヒドロトリメリテート)のような芳香族酸無水物、無水マレイン酸、無水コハク酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、アルケニル無水コハク酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルシクロヘキセンテトラカルボン酸無水物のような環状脂肪族酸無水物、ポリアジピン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物、ポリセバシン酸無水物などの脂肪族酸無水物等を挙げることができる。
分散媒には、例えば、テルピネオール、ミネラルスピリット、キシレン、トルエン、エチルベンゼン、メシチレン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、シクロヘキサン、シクロオクタンまたはこれらを含む混合液を用いることができる。
【0070】
また、集電体7および電気接続部71形成用の液体中には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、オリゴエステルアクリレート樹脂、キシレン樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、フラン樹脂、ユリア樹脂、ポリウレタン樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂のような各種熱硬化性樹脂の前駆体が添加(混合)されていてもよい。
なお、このような集電体7および電気接続部71形成用の液体の粘度は、例えば、粒子の含有量、分散媒の種類や組成、添加物の有無や種類等を適宜設定することにより調整することができる。
【0071】
▲2▼の場合、集電体7および電気接続部71形成用の液体中の粒子の含有量は、分散媒の種類や組成等によっても異なり、特に限定されないが、0.1〜40wt%程度であるのが好ましく、2〜20wt%程度であるのがより好ましい。
用いる粒子の平均粒径は、特に限定されないが、10〜100nm程度であるのが好ましく、30〜70nm程度であるのがより好ましい。
また、還元剤としては、例えば、アスコルビン酸(ビタミンC)、硫化水素、シュウ酸、一酸化炭素等が挙げられる。
【0072】
分散媒には、例えば、ブチルセロソルブ、ポリエチレングリコール等の低粘度油脂類、2−プロパノール等のアルコール類またはこれらを含む混合液を用いることができる。
なお、このような集電体7および電気接続部71形成用の液体の粘度は、例えば、粒子の含有量、分散媒の種類や組成等を適宜設定することにより調整することができる。
このような集電体7および電気接続部71形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して、基板2の上面に、所定の形状となるように膜(薄膜または厚膜)を形成する。
【0073】
次いで、この膜に対して、例えば、熱処理や、紫外線、電子線、放射線、レーザー光線等の照射を行う。
必要に応じて、以上のような操作を繰り返し行って、所望の厚さの集電体7および電気接続部71を形成する。
なお、集電体7および電気接続部71は、一体的に形成するようにしてもよいし、別個に形成するようにしてもよい。後者の場合、集電体7と電気接続部71との材料は、同一であっても異なっていてもよい。
【0074】
[2] 第1の電極3の形成
次に、基板2の上面に、集電体7を覆うように、第1の電極3を形成する。
基板2の上面に、インクジェット法を用いて、第1の電極3形成用の液体を供給して、第1の電極3を形成する。
第1の電極3形成用の液体としては、例えば、各種金属酸化物の前駆体を含む溶液を用いることができる。
用いる金属酸化物の前駆体としては、例えば、金属アルコキシド、酢酸または酢酸誘導体の金属塩のような有機金属化合物、金属塩化物、金属硫化物、金属シアン化物等の無機金属化合物等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0075】
第1の電極3形成用の液体中の金属酸化物の前駆体の濃度(含有量)は、溶媒の種類や組成等によっても異なり、特に限定されないが、0.1〜40wt%程度であるのが好ましく、2〜20wt%程度であるのがより好ましい。
また、溶媒には、例えば、水、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエタノールアミンのような多価アルコール、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、アリルアルコール、フルフリルアルコール、エチレングリコールモノアセタートのような単価アルコールまたはこれらを含む混合液を用いることができる。
なお、このような第1の電極3形成用の液体の粘度は、例えば、金属酸化物の前駆体の濃度、溶媒の種類や組成等を適宜設定することにより調整することができる。
【0076】
このような第1の電極3形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して、基板2の上面に膜(薄膜または厚膜)を形成する。
次いで、この膜に対して、例えば、熱処理や、紫外線、電子線、放射線、レーザー光線等の照射を行う。
必要に応じて、以上のような操作を繰り返し行って、所望の厚さの第1の電極3を形成する。
【0077】
[3] 電子輸送層4の形成
次に、第1の電極3の上面に、電子輸送層4を形成する。以下では、主として二酸化チタンで構成される電子輸送層4を形成する場合を一例として説明する。
[3−1] 緻密質層41の形成
まず、第1の電極3の上面に、インクジェット法を用いて、緻密質層41形成用の液体を供給して、緻密質層41を形成する。
【0078】
緻密質層41形成用の液体としては、例えば、二酸化チタンの前駆体を含む溶液を用いることができる。
二酸化チタンの前駆体としては、例えば、チタンテトライソプロポキシド(TPT)、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラブトキシド等のチタンアルコキシド、チタンオキシアセチルアセトナート(TOA)のような有機チタン化合物や、四塩化チタン(TTC)のような無機チタン化合物等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を混合して用いることができる。
【0079】
緻密質層41形成用の液体中の二酸化チタンの前駆体の濃度(含有量)は、特に限定されないが、0.1〜10mol/L程度であるのが好ましく、0.1〜2mol/L程度であるのがより好ましい。
また、溶媒には、例えば、無水エタノール、2−ブタノール、2−プロパノール、2−n−ブトキシエタノールまたはこれらを含む混合液を用いることができる。
【0080】
なお、二酸化チタンの前駆体としてチタンアルコキシドを用いる場合、緻密質層41形成用の液体中には、例えば、四塩化チタン、酢酸、アセチルアセトン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の各種添加物を添加するのが好ましい。これにより、チタンアルコキシドの加水分解反応を抑止することができる。この添加物とチタンアルコキシドとの配合比は、特に限定されないが、モル比で1:2〜8:1程度とするのが好ましい。
【0081】
なお、このような緻密質層41形成用の液体の粘度は、例えば、二酸化チタンの前駆体の濃度、溶媒の種類や組成、添加物の有無、種類、組成や濃度等を適宜設定することにより調整することができる。
このような緻密質層41形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して、第1の電極3の上面に膜(薄膜または厚膜)を形成する。
【0082】
次いで、この膜に対して熱処理(乾燥)を施す。これにより、前記溶媒を揮発させ、除去する。この熱処理の条件は、好ましくは50〜250℃×1〜60分程度、より好ましくは100〜200℃×5〜30分程度とされる。また、熱処理の雰囲気は、例えば、大気、窒素ガス、不活性ガス、真空または減圧状態のような非酸化性雰囲気等とすることができる。
【0083】
さらに、膜に対して、前記熱処理より高温での熱処理(焼成)を施す。これにより、膜中に残存する有機成分(溶媒や添加物等)を除去することができるとともに、アモルファス状態またはアナターゼ型の二酸化チタンが生成する。この熱処理の条件は、好ましくは300〜700℃×1〜70分程度、より好ましくは400〜550℃×5〜45分程度とされる。また、熱処理の雰囲気は、前記と同様の雰囲気とすることができる。
なお、基板2として、主として樹脂材料で構成されるもの(可撓性基板)を用いる場合には、前記膜に対して、水熱合成処理(水熱処理)を施すのが好ましい。
【0084】
ここで、水熱合成処理とは、前記膜を高圧水蒸気(飽和水蒸気)で処理することを言う。具体的には、水熱合成処理は、前記膜が形成された基材を、少量の水とともに密閉容器内に収納し、密閉容器を加熱することにより行われる。加熱により密閉容器内では、水が水蒸気となり、密閉容器内の圧が上昇する。この高圧水蒸気により、膜中に存在する有機成分が除去されるとともに、二酸化チタンの前駆体に加水分解反応が進行して、アモルファス状態の二酸化チタンが生成する。かかる水熱合成処理によれば、水が蒸発する程度の比較的低い温度(例えば、100〜200℃程度)で、前記膜の処理を行うことができるという利点がある。
【0085】
必要に応じて、以上のような操作を繰り返し行って、所望の厚さの緻密質層41を形成する。
なお、緻密質層41の形成に先立って、第1の電極3の上面には、例えば、Oプラズマ処理、EB処理、有機溶剤(例えばエタノール、アセトン等)での洗浄処理等を行うことにより、第1の電極3の上面に付着した有機物を除去するようにしてもよい。
【0086】
[3−2] 多孔質層42の形成
次に、緻密質層41の上面に、インクジェット法を用いて、多孔質層42形成用の液体を供給して、多孔質層42を形成する。
多孔質層42形成用の液体としては、例えば、二酸化チタン粉末と二酸化チタンの前駆体とを含む分散液(ゾル液)を用いることができる。これにより、前述したような構成の多孔質層42を比較的容易に得ることができる。
【0087】
用いる二酸化チタン粉末(粒子)としては、アナターゼ型の二酸化チタン粉末単独、ルチル型の二酸化チタン粉末単独またはこれらの混合物のいずれであってもよい。
二酸化チタン粉末の平均粒径は、特に限定されないが、1nm〜1μm程度であるのが好ましく、1〜100nm程度であるのがより好ましく、5〜50nm程度であるのがさらに好ましい。これにより、二酸化チタン粉末を多孔質層42形成用の液体中により均一に分散させることができ、多孔質層42の空孔形態(例えば、空孔率、空孔の分布等)の制御が容易となる。
【0088】
また、アナターゼ型の二酸化チタン粉末とルチル型の二酸化チタン粉末とを混合して用いる場合、これらの2種類の粉末は、それらの平均粒径が異なっていてもよいし、同じであってもよい。
多孔質層42形成用の液体中の二酸化チタン粉末の含有量は、特に限定されないが、0.1〜10wt%程度であるのが好ましく、0.5〜5wt%程度であるのがより好ましい。
【0089】
多孔質層42形成用の液体は、次のようにして調製することができる。
すなわち、まず、前述した緻密質層41形成用の液体と同様の液体を用意する。なお、この液体中の二酸化チタンの前駆体の濃度(含有量)は、特に限定されないが、0.1〜3mol/L程度であるのが好ましく、0.1〜2mol/L程度であるのがより好ましい。
【0090】
次に、この液体に水を混合する。この水と二酸化チタンの前駆体との配合比は、特に限定されないが、モル比で1:4〜4:1程度とするのが好ましい。
次に、この混合液に、二酸化チタン粉末を混合することにより、多孔質層42形成用の液体を得る。また、この多孔質層42形成用の液体は、必要に応じて、例えば、前記緻密質層41形成用の液体に用いる溶媒を用いて希釈して用いるようにしてもよい。
なお、このような多孔質層42形成用の液体の粘度は、例えば、二酸化チタン粉末の含有量、二酸化チタンの前駆体の濃度、溶媒の種類や組成、添加物の有無、種類、組成や濃度、希釈の程度(希釈倍率)等を適宜設定することにより調整することができる。
【0091】
このような多孔質層42形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して、緻密質層41の上面に膜(薄膜または厚膜)を形成する。
この際、緻密質層41を加熱しつつ、緻密質層41の上面に液滴70を着弾させる(供給する)のが好ましい。この加熱温度としては、特に限定されないが、80〜180℃程度であるのが好ましく、100〜160℃程度であるのがより好ましい。
【0092】
次いで、この膜に、必要に応じて、熱処理(例えば、焼成等)を施してもよい。この熱処理の条件としては、例えば、温度250〜500℃×0.5〜3時間程度とするのが好ましい。
また、基板2として、主として樹脂材料で構成されるもの(可撓性基板)を用いる場合には、この熱処理に代えて、前述したような水熱合成処理(水熱処理)を行うようにしてもよい。
必要に応じて、以上のような操作を繰り返し行って、所望の厚さの多孔質層42を形成する。
【0093】
[4] 色素層Dの形成
次に、多孔質層42(電子輸送層4)の上面に、インクジェット法を用いて、色素層D形成用の液体を供給して、色素層Dを形成する。
色素層D形成用の液体としては、例えば、色素を含む溶液または分散液(懸濁液)を用いることができる。
【0094】
色素層D形成用の液体中の色素の濃度(含有量)は、特に限定されないが、0.0001〜0.1wt%程度であるのが好ましく、0.001〜0.01wt%程度であるのがより好ましい。
また、溶媒または分散媒には、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトニトリル、酢酸エチル、エーテル、塩化メチレン、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)またはこれらを含む混合液を用いることができる。
なお、このような色素層D形成用の液体の粘度は、例えば、色素の濃度、溶媒または分散媒の種類や組成等を適宜設定することにより調整することができる。
このような色素層D形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して、多孔質層42の上面に供給する。
【0095】
次いで、例えば、自然乾燥による方法や、空気、窒素ガス等の気体を吹き付ける方法等により溶媒を除去する。さらに、必要に応じて、例えば、60〜100℃×0.5〜2時間程度等の熱処理等を施すことにより乾燥してもよい。これにより、色素は、多孔質層42の外面および空孔421の内面に、例えば、吸着(化学吸着)、結合(共有結合、配位結合)等する。
必要に応じて、以上のような操作を繰り返し行って、所望の厚さの色素層Dを形成する。
【0096】
[5] 正孔輸送層5の形成
次に、色素層Dが形成された多孔質層42(電子輸送層4)の上面に、インクジェット法を用いて、正孔輸送層5形成用の液体を供給して、正孔輸送層5を形成する。以下では、主としてヨウ化物(無機p型半導体材料)で構成される正孔輸送層5を形成する場合を一例として説明する。
【0097】
正孔輸送層5形成用の液体としては、例えば、ヨウ化物を含む溶液を用いることができる。
正孔輸送層5形成用の液体は、ヨウ化物の飽和液〜飽和液の10倍稀釈液として用いるのが好ましい。
また、溶媒には、例えば、水、アセトニトリル、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールまたはこれらを含む混合液を用いることができるが、これらの中でも、特に、アセトニトリルが好ましい。
【0098】
なお、正孔輸送層5の構成材料として、ヨウ化物を用いる場合、正孔輸送層5形成用の液体中には、バインダーとして、例えばシアノレジン等のシアノエチル化物を添加するのが好ましい。この場合、ヨウ化物とシアノエチル化物との配合比は、特に限定されないが、重量比で99:1〜80:20程度とするのが好ましい。
【0099】
また、正孔輸送層5形成用の液体中には、正孔の輸送効率を向上させる機能を有する正孔輸送効率向上物質を添加するのが好ましい。これにより、正孔輸送層5のキャリア移動度(正孔輸送能)をより向上させることができる。
この正孔輸送効率向上物質としては、例えば、ハロゲン化アンモニウム等の各種ハロゲン化物を用いることができるが、特に、テトラプロピルアンモニウムヨーダイド(TPAI)が好適である。
【0100】
正孔輸送層5形成用の液体中の正孔輸送効率向上物質の濃度(含有量)は、特に限定されないが、1×10−4〜1×10−1wt%程度であるのが好ましく、1×10−4〜1×10−2wt%程度であるのがより好ましい。これにより、前記効果をより向上させることができる。
さらに、正孔輸送層5形成用の液体中には、ヨウ化物が結晶化する際に、その結晶サイズが増大するのを抑制する結晶サイズ粗大化抑制物質を添加するのが好ましい。これにより、ヨウ化物は、結晶化する際に結晶サイズが増大するのが防止または抑制される。このため、電子輸送層4でのクラックの発生、色素層Dと正孔輸送層5との接触性の低下等の不都合を好適に防止することができる。その結果、光電変換素子1の光電変換効率等の特性が低下(劣化)するのを防止することができる。
【0101】
この結晶サイズ粗大化抑制物質としては、例えば、前述したシアノエチル化物、正孔輸送効率向上物質の他、例えば、チオシアン酸ナトリウム(NaSCN)、チオシアン酸カリウム(KSCN)、チオシアン酸銅(CuSCN)、チオシアン酸アンモニウム(NHSCN)のようなチオシアン酸塩(ロダン化物)等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0102】
正孔輸送層5形成用の液体中の結晶サイズ粗大化抑制物質の濃度(含有量)は、特に限定されないが、1×10 〜10wt%程度であるのが好ましく、1×10−4〜1×10−2wt%程度であるのがより好ましい。これにより、前記効果をより向上させることができる。
なお、このような正孔輸送層5形成用の液体の粘度は、例えば、正孔輸送層の構成材料の種類、組成や濃度、正孔輸送効率向上物質の種類や濃度、溶媒の種類や組成、添加物の有無、種類や濃度等を適宜設定することにより調整することができる。
【0103】
このような正孔輸送層5形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して、色素層Dが形成された多孔質層42の上面に膜(薄膜または厚膜)を形成する。
この際、色素層D(色素層Dが形成された多孔質層42)を加熱しつつ、色素層Dが形成された多孔質層42の上面に液滴70を着弾させる(供給する)のが好ましい。この加熱温度としては、特に限定されないが、50〜150℃程度であるのが好ましく、70〜100℃程度であるのがより好ましい。
必要に応じて、以上のような操作を繰り返し行って、所望の厚さの正孔輸送層5を形成する。
【0104】
[6] 第2の電極6の形成
次に、正孔輸送層5の上面に、インクジェット法を用いて、第2の電極6形成用の液体を供給して、第2の電極6を形成する。
第2の電極6は、前記工程[1]または[2]と同様にして形成することができる。
以上のような工程を経て、光電変換素子1が製造される。
【0105】
また、各前記工程[1]〜[6]においては、各層の形成に先立って、各層の形状を規定するバンクを形成しておき、かかるバンクで区画(画成)される領域内に、各層形成用の液体を、ノズル40の小孔から液滴70として吐出して供給するようにしてもよい。
各層の形成に先立ってバンクを形成しておくことにより、各層形成用の液体の側方(形成領域以外)への流出を防止することができる。このため、各層形成用の液体として、比較的粘度の低いものが使用可能となり、各層形成用の液体に用いる材料選択の幅を格段に増大させることができる。
【0106】
このバンクの構成材料としては、例えば、アクリル、アクリルエポキシ、光硬化アクリル等が挙げられ、これらのうちの任意の1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、バンクの形成方法としては、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット成形方法等が挙げられる。
このようなバンクは、例えば工程[2]〜[6]毎に新たなものを形成するようにしてもよく、また、連続する2以上の工程において共通のものを使用するようにしてもよい。
【0107】
<第2実施形態>
次に、本発明の光電変換素子の第2実施形態について説明する。
図5は、本発明の光電変換素子の第2実施形態を示す縦断面図、図6は、図5に示す光電変換素子が備える集電体7の構成を示す平面図である。
以下、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【0108】
第2実施形態では、集電体7の設置位置および構成が異なり、それ以外は、前記第1実施形態と同様である。
すなわち、集電体7は、基板2に埋入するようにして配設されている。これにより、基板2の上面に生じる凹凸を減少させることができるため、集電体7と第1の電極3との接続不良をより確実に防止することができる。
【0109】
図5に示す集電体7は、例えば、基板2の上面に、集電体7の構成材料(各種金属材料)で構成されるメッキ層を形成した後、このメッキ層をエッチングして得られたものであり、その横断面形状がほぼ長方形をなしている。かかる形状の集電体7の場合、集電体7を基板2に埋入するようにして配設することが、特に有効である。
【0110】
基板2に集電体7を埋設する方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。すなわち、▲1▼基板2が硬質なものである場合、予め、基板2に凹部(溝)を形成しておき、かかる凹部内に集電体7を形成する方法、▲2▼基板2が主として樹脂材料(熱可塑性樹脂等)で構成されたものである場合、集電体7が形成された基板2に対して熱プレス処理を施すことにより、基板2に埋入させる方法、▲3▼主として熱硬化性樹脂の前駆体(プレポリマー)で構成されたシート材上に、集電体7を形成した後、集電体7が形成されたシート材に対して熱プレス処理を施すことにより得る方法を用いることができる。▲2▼および▲3▼の方法によれば、基板2に集電体7を比較的容易に埋設することができる。特に、▲3▼の方法によれば、硬化前駆体状態でプレスするため、基板2および集電体7の表面形状をより平滑にすることができるという効果が得られることから好ましい。
【0111】
また、集電体7は、第1の線状体7aと、異なる第1の線状体7aを接続する第2の線状体7bとで構成され、第1の線状体7aがハニカム状に配設されている。このような構成により、基板2として可撓性基板を用いる場合には、集電体7を基板2の補強材として機能させることができ、その結果、光電変換素子1全体の機械的強度を向上させることができる。
【0112】
さらに、本実施形態では、集電体7は、集電体7で囲まれる領域の最小単位(図6中、各三角形の領域)が、それぞれ、ほぼ同一の面積、かつ、ほぼ同一の形状となるように形成されている。これにより、前記第1実施形態で記載した効果の他、基板2として可撓性基板を用いる場合の集電体7の補強効果をより向上させることができる。
第2実施形態においても、前記第1実施形態と同様の作用・効果が得られる。
【0113】
以上述べたように、本発明によれば、第1の電極3に接触する集電体7を設け、第1の電極3全体の導電性を向上するよう構成したので、第1の電極3から電子を効率よく取り出すことができる。特に、本発明では、集電体7を幅の異なる複数種の線状体で構成したことにより、第1の電極3からより均一に取り出すことができる。このようなことから、本発明によれば、大型化した場合においても、十分な光電変換効率を得ることができる。また、本発明の光電変換素子1は、安価かつ効率よく製造できる。
【0114】
以上、本発明の光電変換素子について図示の各実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成と置換することができ、その他の構成(例えば、各層の間に、任意の目的の1層以上の層)が付加されていてもよい。
また、各前記本実施形態では、集電体が面電極(第1の電極)または基板に埋入して設けられた構成について説明したが、集電体は、面電極および基板の双方に埋入するような構成であってもよい。また、本発明では、集電体は、面電極に接していればよく、電子輸送層側に設けるようにしてもよい。
【0115】
また、集電体の配設パターンは、図示の構成のものに限定されず、例えば、集電体で囲まれる領域の最小単位の形状が、五角形、六角形等のものであってもよい。
また、本発明では、第2の線状体が第1の線状体同士を接続しない構成であってもよく、さらに、第3の線状体が第1の線状体と第2の線状体とを、または、異なる前記第2の線状体同士を接続しない構成であってもよい。
【0116】
【実施例】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
(実施例1)
次のようにして、図1に示す光電変換素子を製造した。
まず、寸法:縦200mm×横310mm×厚さ50μmのポリエチレンテレフタレート基板を用意した。
【0117】
−1− 集電体および電気接続部の形成
[集電体および電気接続部形成用の液体の調製]
テルピネオールとトルエンとの混合液に、Ag粒子(平均粒径8nm)、ドデシルアミン(凝集阻止剤)、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸(除去剤)およびレゾール型フェノール樹脂(熱硬化性樹脂)の前駆体を、それぞれ、所定量混合して、集電体および電気接続部形成用の液体を調製した。
なお、集電体および電気接続部形成用の液体の粘度(常温)は、3〜5cpsであった。
【0118】
[集電体および電気接続部の形成]
基板を、液滴吐出装置のXYテーブル上に載置し、集電体および電気接続部形成用の液体を、液滴(約20pL)として基板の上面に吐出して、図3に示すような形状にパターニングし、次いで、パターン形成された膜に対して、熱処理(180℃×2時間)を加えることにより、集電体および電気接続部を得た。
【0119】
なお、第1の線状体の幅(平均)を1mm、間隔を5cmとし、第2の線状体の幅(平均)を0.1mm、間隔を1cmとし、第3の線状体の幅(平均)を0.03mm、間隔を2.5mmとし、集電体の高さ(平均)を5μmとした。また、得られた集電体のシート抵抗値は、0.01Ω/□であった。
また、電気接続部の寸法は、縦200mm×横10mm×厚さ0.05μmとした。
【0120】
−2− 第1の電極の形成
次に、ITOを低温スパッタリングすることにより、集電体を覆うように、第1の電極を形成した。次いで、この第1の電極に、105℃×300分間、高圧水蒸気で処理する操作を行った。
なお、第1の電極の寸法は、縦200mm×横300mm×厚さ0.1μmとした。また、第1の電極に垂直な方向から見たとき、第1の電極全体の面積に対する集電体が占める面積の比率は、10%とした。
【0121】
−3− 緻密質層(緻密質な電子輸送層)の形成
[緻密質層形成用の液体の調製]
まず、2−n−ブトキシエタノールに、チタンテトライソプロポキシド(有機チタン化合物)を0.5mol/Lとなるように溶解した。
次いで、この溶液に、ジエタノールアミン(添加物)を混合することにより、緻密質層形成用の液体を調製した。ジエタノールアミンは、ジエタノールアミン:チタンテトライソプロポキシド(モル比)が2:1となるように混合した。
なお、緻密質層形成用の液体の粘度(常温)は、3cpsであった。
【0122】
[緻密質層の形成]
次に、前記工程−1−と同様にして(インクジェット法を用いて)、緻密質層形成用の液体を、液滴として第1の電極(ITO電極)の上面に吐出して膜を形成し、この膜に対して、120℃×600分間、高圧水蒸気で処理する操作を行った。かかる操作を繰り返すことにより、緻密質層を得た。得られた緻密質層は、空孔率が1%未満であった。
なお、緻密質層の寸法は、縦200mm×横300mm×厚さ0.1μmとした。
【0123】
−4− 多孔質層(多孔質な電子輸送層)の形成
[多孔質層形成用の液体の調製]
まず、2−プロパノールに、チタンテトライソプロポキシド(有機チタン化合物)を1mol/Lとなるように溶解した。
次いで、この溶液に、酢酸(添加物)と蒸留水とを混合した。酢酸は、酢酸:チタンテトライソプロポキシド(モル比)が1:1となるように、また、蒸留水は、蒸留水:チタンテトライソプロポキシド(モル比)が1:1となるように混合した。
【0124】
次いで、この溶液に、アナターゼ型の二酸化チタン粉末(平均粒径:40nm)を混合し、さらに、この混合液(分散液)を、2−プロパノールで2倍に希釈して、多孔質層形成用の液体を調製した。アナターゼ型の二酸化チタン粉末の多孔質層形成用の液体中の含有量は、3wt%となるようにした。
なお、多孔質層形成用の液体の粘度(常温)は、5cpsであった。
【0125】
[多孔質層の形成]
次に、前記工程−1−と同様にして(インクジェット法を用いて)、多孔質層形成用の液体を、液滴として140℃に加熱した緻密質層の上面に、吐出する操作を繰り返すことにより、多孔質層を得た。得られた多孔質層は、空孔率が34%であった。
なお、多孔質層の寸法は、縦200mm×横300mm×厚さ10μmとした。
【0126】
−5− 色素層の形成
[色素層形成用の液体の調製]
エタノールに、ルテニウムトリスビピジル(色素)を0.005wt%となるように溶解させて、色素層形成用の液体を調製した。
なお、色素層形成用の液体の粘度(常温)は、1cpsであった。
[色素層の形成]
次に、前記工程−1−と同様にして(インクジェット法を用いて)、色素層形成用の液体を、液滴として多孔質層の上面に吐出した後、自然乾燥し、次いで、80℃×0.5時間で熱処理を施すことにより、色素層を得た。
【0127】
−6− 正孔輸送層の形成
[正孔輸送層形成用の液体の調製]
まず、アセトニトリルに、CuIを飽和するまで溶解させた。次いで、この溶液に、テトラプロピルアンモニウムヨーダイド(正孔輸送効率向上物質)、シアノレジン(シアノエチル化物)およびチオシアン酸ナトリウム(結晶サイズ粗大化抑制物質)を混合して、正孔輸送層形成用の液体を調製した。テトラプロピルアンモニウムヨーダイドは、1×10−3wt%となるように、シアノレジンは、CuI:シアノレジン(重量比)が97:3となるように、また、チオシアン酸ナトリウムは、1×10−3wt%となるように混合した。
なお、正孔輸送層形成用の液体の粘度(常温)は、3cpsであった。
【0128】
[正孔輸送層の形成]
次に、前記工程−1−と同様にして(インクジェット法を用いて)、正孔輸送層形成用の液体を、液滴として80℃に加熱した色素層が形成された電子輸送層の上面に、吐出する操作を繰り返すことにより、正孔輸送層を得た。
なお、正孔輸送層の寸法は、縦200mm×横300mm×厚さ10μmとした。
【0129】
−7− 第2の電極の形成
前記工程−2−と同様にして、第2の電極を形成した。
なお、第2の電極の寸法は、縦200mm×横300mm×厚さ0.1μmとした。
【0130】
(実施例2)
集電体の構成を、図6に示すように変更し、それ以外は、前記実施例1とほぼ同様にして、図5に示す光電変換素子を製造した。
なお、集電体および電気接続部は、圧延銅箔上にポリエチレンテレフタレート基板を形成した後、銅箔をエッチングすることにより形成した。また、前記工程−3−に先立って、集電体が形成された基板を熱プレス処理(条件:180℃×60分間)を施すことにより、集電体を基板に埋設した。
なお、得られた集電体のシート抵抗値は、0.006Ω/□であった。
また、第1の電極に垂直な方向から見たとき、第1の電極全体の面積に対する集電体が占める面積の比率は、15%とした。
【0131】
(比較例1)
集電体を省略した以外は、前記実施例1と同様にして、図1に示す光電変換素子を製造した。
(比較例2)
集電体を、第1の線状体のみで構成し、すなわち、第1の線状体の幅(平均)を1mm、間隔を5cmで格子状に配設し、それ以外は、前記実施例1と同様にして、図1に示す光電変換素子を製造した。
なお、得られた集電体のシート抵抗値は、0.01Ω/□であった。
また、第1の電極に垂直な方向から見たとき、第1の電極全体の面積に対する集電体が占める面積の比率は、4%とした。
【0132】
(比較例3)
集電体を、第2の線状体のみで構成し、すなわち、第2の線状体の幅(平均)を0.1mm、間隔を1cmで格子状に配設し、それ以外は、前記実施例1と同様にして、図1に示す光電変換素子を製造した。
なお、得られた集電体のシート抵抗値は、0.01Ω/□であった。
また、第1の電極に垂直な方向から見たとき、第1の電極全体の面積に対する集電体が占める面積の比率は、2%とした。
【0133】
(比較例4)
集電体を、第3の線状体のみで構成し、すなわち、第3の線状体の幅(平均)を0.03mm、間隔を2.5mmで格子状に配設し、それ以外は、前記実施例1と同様にして、図1に示す光電変換素子を製造した。
なお、得られた集電体のシート抵抗値は、0.01Ω/□であった。
また、第1の電極に垂直な方向から見たとき、第1の電極全体の面積に対する集電体が占める面積の比率は、2.4%とした。
【0134】
(評価)
実施例1、2および比較例1〜4で製造した光電変換素子に、人工太陽灯の光(照射光強度:AM1.5、100W/m)を、基板に対して90°の方向から照射して、各光電変換素子の光電変換効率について比較した。
この結果を表1に示す。なお、表1には、比較例1で製造した光電変換素子の光電変換効率を100として、各光電変換素子の光電変換効率を相対値で示した。
【0135】
【表1】

Figure 2004228449
【0136】
表1に示すように、実施例1、2で製造した光電変換素子(本発明の光電変換素子)は、いずれも、同一幅の線状体で構成した集電体を備える光電変換素子(比較例2〜4の光電変換素子)と比較して、大面積化に伴う光電変換効率の低下が少ないものであることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電変換素子の第1実施形態を示す斜視図である。
【図2】図1中のA−A線断面図である。
【図3】図1に示す光電変換素子が備える集電体7の構成を示す平面図である。
【図4】光電変換素子の製造方法に用いられる液滴吐出装置を模式的に示す図である。
【図5】本発明の光電変換素子の第2実施形態を示す縦断面図である。
【図6】図5に示す光電変換素子が備える集電体7の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1……光電変換素子 2……基板 3……第1の電極 4……電子輸送層 41……緻密質層 42……多孔質層 421……空孔 5……正孔輸送層 6……第2の電極 7……集電体 7a……第1の線状体 7b……第2の線状体 7c……第3の線状体 71……電気接続部 8……外部回路 D……色素層 10……液滴吐出装置 20……載置テーブル 30……X軸駆動ローラ 40……ノズル 50……液滴吐出ヘッド 60……Y軸駆動機構 70……液滴[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion element.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a wet or dry dye-sensitized solar cell has been proposed as a solar cell (photoelectric conversion element) that can be manufactured at low cost using inexpensive materials without requiring large-scale facilities.
These dye-sensitized solar cells have a configuration in which a semiconductor carrying a dye is provided between a transparent electrode and a counter electrode, and electrons and holes generated in the dye by light reception face the transparent electrode, respectively. And an electrode, and a potential difference is generated between them.
[0003]
However, since the transparent electrode is usually composed of a transparent conductive oxide having relatively high electric resistance, when the size of the dye-sensitized solar cell is increased, the area of the transparent electrode increases (increase in area). As a result, there is a problem that the electric resistance increases, and as a result, the photoelectric conversion efficiency decreases.
In order to solve such a problem, a dye-sensitized solar cell in which a current collector made of a material having a lower electric resistance than the constituent material of the transparent electrode is installed so as to be in contact with the transparent electrode, and the conductivity of the entire transparent electrode is improved. A battery has been proposed (for example, see Patent Document 1).
In the dye-sensitized solar cell described in Patent Literature 1, although a reduction in photoelectric conversion efficiency due to an increase in size can be suppressed, development of a configuration capable of further suppressing a reduction in photoelectric conversion efficiency has been demanded. I have.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-314108 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element that can obtain sufficient photoelectric conversion efficiency even when the size is increased.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Such an object is achieved by the present invention described below.
The photoelectric conversion element of the present invention, a surface electrode provided on a substrate,
A counter electrode provided to face the surface electrode;
Located between the surface electrode and the counter electrode, at least a portion of a porous electron transport layer,
A dye layer in contact with the electron transport layer;
A hole transporting layer located between the electron transporting layer and the counter electrode, and in contact with the dye layer;
A photoelectric conversion element configured to provide a current collector made of a material having a lower electric resistance than the constituent material of the surface electrode, so as to be in contact with the surface electrode, and to improve the conductivity of the entire surface electrode,
The current collector is connected to the first linear body and the first linear body so as to branch or intersect with the first linear body, and has a width smaller than that of the first linear body. And a second linear body.
Thereby, sufficient photoelectric conversion efficiency can be obtained even when the size is increased.
[0007]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, it is preferable that the second linear member connects the different first linear members.
Thereby, even when a part of the current collector is disconnected, electrons can be taken out to an external circuit via another path that is not disconnected.
[0008]
In the photoelectric conversion element of the present invention, when the width (average) of the first linear body is A [mm] and the width (average) of the second linear body is B [mm], A / B is preferably 1 to 100.
This allows the current collector to more efficiently extract electrons from each part of the surface electrode.
[0009]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, the current collector is connected to the second linear body so as to branch or intersect with the second linear body, and has a smaller width than the second linear body. Preferably, a third linear body is provided.
Thus, the current collector can efficiently extract electrons from a wide portion of the surface electrode.
[0010]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, the third linear body connects the first linear body and the second linear body, or connects the different second linear bodies to each other. Is preferred.
Thereby, even when a part of the current collector is disconnected, electrons can be taken out to an external circuit via another path that is not disconnected.
[0011]
In the photoelectric conversion element of the present invention, when the width (average) of the second linear body is B [mm] and the width (average) of the third linear body is C [mm], B / C is preferably 1 to 100.
This allows the current collector to more efficiently extract electrons from each part of the surface electrode.
[0012]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, it is preferable that at least the first linear body is arranged in a lattice.
Thus, the current collector can uniformly extract electrons from the surface electrode.
[0013]
In the photoelectric conversion element of the present invention, it is preferable that at least the first linear body is arranged in a honeycomb shape.
Thus, when a flexible substrate is used as the substrate, the current collector can function as a reinforcing material for the substrate.
[0014]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, it is preferable that the current collector is provided so that at least a part thereof is embedded in the surface electrode.
Thereby, electrons can be more efficiently extracted from the current collector 7 and the surface electrode.
[0015]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, it is preferable that at least a part of the current collector is provided to be embedded in the substrate.
Accordingly, unevenness generated on the upper surface of the substrate can be reduced, so that poor connection between the current collector and the surface electrode can be more reliably prevented.
[0016]
In the photoelectric conversion element of the present invention, the substrate is mainly formed of a resin material,
It is preferable that the current collector is provided so that at least a part of the current collector is embedded in the substrate by subjecting the substrate on which the current collector is formed to hot pressing.
Thus, the current collector can be relatively easily embedded in the substrate.
[0017]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, the substrate provided so that at least a part of the current collector is embedded therein may be configured such that the current collector is formed on a sheet material mainly including a precursor of a thermosetting resin. After formation, it is preferable that the current collector be obtained by subjecting the sheet material on which the current collector is formed to a heat press treatment.
Thus, the current collector can be relatively easily embedded in the substrate, and the surface shapes of the substrate and the current collector can be made smoother.
[0018]
In the photoelectric conversion element of the present invention, it is preferable that the current collector has an average height of 0.2 mm or less.
Thus, the thickness of the photoelectric conversion element can be further reduced.
[0019]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, it is preferable that a ratio of an area occupied by the current collector to an entire area of the surface electrode be 0.01 to 30% when viewed from a direction perpendicular to the surface electrode.
Thus, the conductivity of the entire surface electrode can be further improved, and a decrease in the light arrival rate to the dye layer can be suitably prevented.
[0020]
In the photoelectric conversion device according to the aspect of the invention, it is preferable that the minimum units of the region surrounded by the current collector have substantially the same area.
This allows the current collector to more uniformly extract electrons from the surface electrode.
[0021]
In the photoelectric conversion device according to the aspect of the invention, it is preferable that the minimum units of the region surrounded by the current collector have substantially the same shape.
This allows the current collector to more uniformly extract electrons from the surface electrode.
[0022]
In the photoelectric conversion element according to the aspect of the invention, it is preferable that the current collector is formed using an inkjet method.
Thus, the current collector can be formed easily and with high accuracy without requiring large-scale equipment.
[0023]
In the photoelectric conversion element of the present invention, it is preferable that the substrate is a flexible substrate mainly composed of a resin material.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a photoelectric conversion element of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<First embodiment>
First, a first embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention will be described.
[0025]
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a current collector provided in the photoelectric conversion element shown in FIG. FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a body 7. In the following description, the upper side of the paper in FIGS. 1 and 2 is referred to as “upper” or “upper”, the lower side is referred to as “lower” or “lower”, and the upper side of each layer (each member) is referred to. The “upper surface” and the lower surface are referred to as “lower surface”.
[0026]
The photoelectric conversion element 1 shown in FIG. 1 does not require an electrolyte solution, and is a so-called dry photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element 1 includes a substrate 2, a current collector 7, a first electrode (plane electrode) 3, a dense layer (dense electron transport layer) 41, and a porous layer (porous electron transport layer). Transport layer) 42, dye layer D, hole transport layer 5, and second electrode (counter electrode) 6. Hereinafter, the configuration of each layer (each part) will be described.
The substrate 2 supports the first electrode 3, the current collector 7, the dense layer 41, the porous layer 42, the dye layer D, the hole transport layer 5, and the second electrode 6. The substrate 2 is formed of a flat (or layered) member.
[0027]
In the photoelectric conversion element 1 of the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, for example, light such as sunlight (hereinafter, simply referred to as “light”) from the substrate 2 and a first electrode 3 described later. ) Is incident (irradiated). Therefore, each of the substrate 2 and the first electrode 3 is preferably substantially transparent (colorless transparent, colored transparent or translucent). Thereby, light can efficiently reach the dye layer D described later.
[0028]
Examples of the constituent material of the substrate 2 include various glass materials, various ceramic materials, various resin materials such as polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), and polyethylene naphthalate (PEN). Can be Further, the substrate 2 may be formed of a single layer or a multilayer of a plurality of layers.
[0029]
The average thickness of the substrate 2 is appropriately set depending on the material, the use, and the like, and is not particularly limited. For example, the average thickness can be as follows.
When the substrate 2 is hard, the average thickness is preferably about 0.1 to 1.5 mm, and more preferably about 0.8 to 1.2 mm. When the substrate 2 has flexibility (flexibility) (a flexible substrate mainly composed of a resin material), the average thickness is preferably about 0.5 to 150 μm, More preferably, it is about 10 to 75 μm.
When the photoelectric conversion element 1 is mounted on various electronic devices, the components of the electronic device can be used as the substrate 2 of the photoelectric conversion element 1.
[0030]
On the upper surface of the substrate 2, a layered first electrode (plane electrode) 3 is provided.
The constituent material of the first electrode 3 is, for example, indium tin oxide (ITO), tin oxide (FTO) doped with fluorine, indium oxide (IO), tin oxide (SnO).2), And various metal oxides (transparent conductive oxides) can be used, and one or more of these can be used in combination.
The average thickness of the first electrode 3 is preferably about 0.05 to 5 μm, and more preferably about 0.1 to 1.5 μm.
[0031]
As shown in FIG. 3, a current collector 7 is provided on the upper surface of the substrate 2 so as to contact the first electrode 3. The current collector 7 includes linear bodies (thin metal wires) 7a to 7c having a plurality of types (three types in the present embodiment) of which widths, and an electric connection part 71 is connected to a part thereof. In the present embodiment, the current collector 7 is provided so as to be embedded in the first electrode 3. The electrical connection 71 is exposed to the outside of the photoelectric conversion element 1, and the external circuit 8 is connected to the electrical connection 71.
[0032]
The current collector 7 is made of a material having lower electric resistance than the constituent material of the first electrode 3. The electrons generated in the dye layer D and transported through the electron transport layer 4 can be captured by the first electrode 3 and transmitted to the external circuit 8 through the inside of the first electrode 3. 7, the electric current is transferred to the current collector 7 (each of the linear bodies 7 a to 7 c) having a smaller electric resistance and transmitted to the external circuit 8. That is, the current collector 7 functions as a bypass line for the electrons captured by the first electrode 3, whereby the conductivity of the entire first electrode 3 can be improved.
[0033]
Here, if the current collector 7 is not provided in the photoelectric conversion element, if the area of each layer of the photoelectric conversion element is increased with the enlargement of the photoelectric conversion element, the transparent conductive oxide as described above (this In particular, the first electrode 3 composed of (i.e., has a relatively large electrical resistance) the electrical resistance increases, and as a result, the power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency) of the photoelectric conversion element decreases.
[0034]
On the other hand, in the present invention, by providing the current collector 7 so as to be in contact with the first electrode 3, even when the photoelectric conversion element 1 is enlarged, the current collector 7 is provided via the current collector 7 even when the photoelectric conversion element 1 is enlarged. Electrons can be efficiently extracted to the external circuit 8, and as a result, a decrease in the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 1 can be suitably prevented.
In particular, by providing (buried) the current collector 7 so as to be embedded in the first electrode 3, the contact area between the first electrode 3 and the current collector 7 can be increased. The electric body 7 can extract electrons from the first electrode 3 more efficiently.
[0035]
Examples of the constituent material of the current collector 7 include various metal materials such as aluminum, nickel, cobalt, platinum, palladium, silver, gold, copper, molybdenum, titanium, tantalum, and alloys containing these, carbon, and carbon. Examples include various carbon materials such as nanotubes and fullerenes, and one or more of these materials can be used in combination.
In particular, the present invention is characterized by the configuration of the current collector 7. This point (feature) will be described later in detail.
[0036]
An electron transport layer 4 is provided on the upper surface of the first electrode 3. That is, the electron transport layer 4 is located between the first electrode 3 and a second electrode 6 described later. In the present embodiment, the electron transport layer 4 is provided on the dense layer 41 provided on the first electrode 3 side and on the upper surface of the dense layer 41 so as to be in contact with the dense layer 41. And a porous layer 42. The electron transport layer 4 has a function of capturing and transporting electrons generated in the dye layer D described later.
[0037]
The constituent material of the electron transport layer 4 is, for example, titanium dioxide (TiO 2).2), Titanium monoxide (TiO), dititanium trioxide (Ti2O3), Zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO)2), SrTiO3, SiO2, Al2O3, SnO2Such as oxides, carbides such as TiC and SiC, Si3N4, B4Various n-type semiconductor materials such as nitrides such as N and BN, sulfides such as CdS, and selenides such as CdSe can be used, and one or more of these can be used in combination. it can. Among them, it is preferable to use titanium oxide (particularly, titanium dioxide) as a constituent material of the electron transport layer 4. That is, the electron transport layer 4 is preferably made of titanium dioxide as a main material.
[0038]
Titanium dioxide is particularly excellent in the ability to transport electrons. In addition, titanium dioxide has high sensitivity to light, and by forming the electron transport layer 4 using titanium dioxide as a main material, the electron transport layer 4 itself can generate electrons. Thereby, the photoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) of the photoelectric conversion element 1 can be further improved.
In addition, since titanium dioxide has a stable crystal structure, the electron transport layer 4 containing titanium dioxide as a main material is stable with little aging (deterioration) even when exposed to a severe environment. This has the advantage that performance can be obtained over a long period of time.
[0039]
Further, as titanium dioxide, anatase type titanium dioxide, rutile type titanium dioxide, or a mixture thereof can be used. When a mixture of anatase-type titanium dioxide and rutile-type titanium dioxide is used as the titanium dioxide, the mixing ratio thereof is not particularly limited, but is preferably about 95: 5 to 5:95 by weight. More preferably, it is more preferably about 80:20 to 20:80.
[0040]
The porosity of the dense layer 41 is set smaller than the porosity of the porous layer 42. The dense layer 41 has a function of preventing or suppressing contact between a hole transport layer 5 described below and the first electrode 3. By providing the dense layer 41, it is possible to prevent the photoelectric conversion efficiency (energy conversion efficiency) of the photoelectric conversion element 1 from decreasing.
[0041]
On the other hand, the porosity of the porous layer 42 is set to be relatively large, and has a plurality of holes 421 as shown in FIG. The porous layer 42 is provided so as to be in contact with the dye layer D, as will be described later. By forming the porous layer 42 into a shape having a plurality of holes 421, the dye layer D 42 and the inner surface of the hole 421.
[0042]
Therefore, a sufficient contact area between the dye layer D and the porous layer 42 can be ensured. Thereby, the electrons generated in the dye layer D can be more efficiently transmitted to the electron transport layer 4. Further, the light that has entered the porous layer 42 enters the inside of the porous layer 42 and transmits through the porous layer 42 or is reflected (arbitrarily reflected, diffused, or the like) in an arbitrary direction within the hole 421, The dye in the dye layer D is absorbed with a higher probability, and electrons and holes are more efficiently generated in the dye layer D. Thus, the photoelectric conversion efficiency (energy conversion efficiency) of the photoelectric conversion element 1 can be further improved.
[0043]
From the viewpoint of allowing the dense layer 41 and the porous layer 42 to exhibit their functions, respectively, it is preferable to set the conditions of the dense layer 41 and the porous layer 42 as follows.
When the porosity of the dense layer 41 is A [%] and the porosity of the porous layer 42 is B [%], B / A is preferably 1.1 or more, and more preferably 5 or more. More preferably, it is more preferably 10 or more.
Specifically, the porosity A of the dense layer 41 is preferably less than 20%, more preferably less than 5%, and even more preferably less than 2%. On the other hand, the content of the porous layer 42 is preferably 20% or more, more preferably about 20 to 50%, and still more preferably about 20 to 40%.
[0044]
The ratio of the thickness of the dense layer 41 to the thickness of the porous layer 42 is not particularly limited, but is preferably about 1:99 to 60:40, and is preferably about 10:90 to 40:60. More preferred.
Specifically, the average thickness of the dense layer 41 is preferably about 0.01 to 10 μm, and more preferably about 0.1 to 5 μm. On the other hand, the average thickness of the porous layer 42 is preferably about 0.1 to 300 μm, more preferably about 0.5 to 100 μm, and still more preferably about 1 to 25 μm.
[0045]
The interface between the dense layer 41 and the porous layer 42 is preferably unclear, that is, the dense layer 41 and the porous layer 42 are preferably partially overlapped with each other. Thereby, electrons can be more reliably transmitted from the porous layer 42 to the dense layer 41.
Note that the dense layer 41 may be omitted depending on, for example, the type of a constituent material of the hole transport layer 5 described later. That is, the electron transport layer 4 may be entirely porous, unlike the illustrated configuration in which a part thereof is porous. Further, for example, the electron transport layer 4 may have a configuration in which the dense layer 41 is provided in the middle of the thickness direction.
[0046]
The dye layer D is provided so as to contact the porous layer 42. The dye layer D is mainly composed of a dye, and is formed along the outer surface of the porous layer 42 and the inner surface of the holes 421.
The dye layer D (dye) generates electrons and holes by receiving light. Of these, electrons are transmitted to the electron transport layer 4 and holes are transmitted to the hole transport layer 5 described later.
For this dye, for example, various pigments and various dyes can be used alone or in combination, but the pigment is transferred to the electron transport layer 4 (porous layer 42) in that there is little deterioration (deterioration) with time. It is preferable to use a dye from the viewpoint of excellent adsorbability.
[0047]
Examples of the pigment include phthalocyanine pigments, azo pigments, anthraquinone pigments, azomethine pigments, quinophthalone pigments, isoindoline pigments, nitroso pigments, perinone pigments, quinacridone pigments, perylene pigments, and pyrrolopyrrole pigments Pigments, various organic pigments such as dioxazine pigments, carbon pigments, chromate pigments, sulfide pigments, oxide pigments, hydroxide pigments, ferrocyanide pigments, silicate pigments, Various inorganic pigments such as phosphate pigments and others (for example, cadmium sulfide, cadmium selenide, etc.) are exemplified.
[0048]
As the dye, for example, RuL2(SCN)2, RuL2Cl2, RuL2(CN)2, Rutenium 535-bisTBA (manufactured by Solaronics), [RuL2(NCS)2]2H2Examples include metal complex dyes such as O, cyan dyes, xanthene dyes, azo dyes, hibiscus dyes, blackberry dyes, raspberry dyes, pomegranate juice dyes, chlorophyll dyes, and the like. Note that L in the above composition formula represents 2,2'-bipyridine or a derivative thereof.
[0049]
On the upper surface of the electron transport layer 4 on which the dye layer D is formed, a layered hole transport layer 5 is provided so as to contact the dye layer D. That is, the hole transport layer 5 is located between the electron transport layer 4 (porous layer 42) and a second electrode 6 described later. The hole transport layer 5 has a function of capturing and transporting holes generated in the dye layer D.
Examples of a constituent material of the hole transport layer 5 include various inorganic p-type semiconductors such as iodides such as CuI and AgI, halides such as bromide such as AgBr, and thiocyanate (rhodanide) such as CuSCN. Materials, various organic p-type semiconductor materials such as triphenyldiamine (monomer, polymer, etc.), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, phthalocyanine compound (for example, copper phthalocyanine) or a derivative thereof. Two or more kinds can be used in combination. Among these, as a constituent material of the hole transport layer 5, an inorganic p-type semiconductor material is particularly preferable. That is, the hole transport layer 5 is preferably made mainly of an inorganic p-type semiconductor material. By configuring the hole transport layer 5 with a substance having an inorganic p-type semiconductor material as a main material, the hole transport layer 5 more efficiently captures and transports holes generated in the dye layer D. Will be able to do it. Thereby, the photoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) of the photoelectric conversion element 1 can be further improved.
[0050]
The inorganic p-type semiconductor material can be used alone or in combination of two or more of the above compounds. Among them, halides are preferable and iodides are more preferable as the inorganic p-type semiconductor material. Halides (especially iodides) are particularly excellent in hole transporting ability. Therefore, by forming the hole transport layer 5 using iodide as a main material, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 1 can be further improved.
Further, as shown in FIG. 2, the hole transport layer 5 is formed by penetrating into the holes 421 of the porous layer 42 on which the dye layer D is formed, and the contact between the dye layer D and the hole transport layer 5 is formed. The area is sufficiently secured. Therefore, holes generated in the dye layer D can be more efficiently transmitted to the hole transport layer 5.
[0051]
The average thickness of the hole transport layer 5 is not particularly limited, but is preferably about 1 to 500 μm, more preferably about 10 to 300 μm, and still more preferably about 10 to 30 μm.
On the upper surface of the hole transport layer 5, a layered second electrode 6 is provided. That is, the second electrode (counter electrode) 6 is provided so as to face the first electrode (plane electrode) 3.
[0052]
As a constituent material of the second electrode 6, for example, various metal materials such as aluminum, nickel, cobalt, platinum, silver, gold, copper, molybdenum, titanium, tantalum, or alloys containing these, or graphite such as Various carbon materials and the like, and one or more of them can be used in combination. In addition, various transparent conductive oxides can be used as the constituent material of the second electrode 6.
The average thickness of the second electrode 6 is appropriately set depending on the material, use, and the like, and is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 5 μm, and more preferably about 0.03 to 1.5 μm. preferable.
[0053]
When light enters the photoelectric conversion element 1 configured as described above from the substrate 2 side, electrons are mainly excited in the dye layer D (dye), and electrons (e) And holes (h+) Occurs. Of these, electrons are transmitted to the electron transport layer 4 and holes are transmitted to the hole transport layer 5, and are transported in each layer. As a result, a potential difference (photoelectromotive force) is generated between the first electrode 3 (electrical connection portion 71) and the second electrode 6. Then, when the first electrode 3 and the second electrode 6 of the photoelectric conversion element 1 are connected by the external circuit 8, a current (photoexcitation current) flows through the external circuit 8.
[0054]
Next, the configuration of the current collector 7 will be described in detail.
As shown in FIGS. 2 and 3, the current collector 7 has three types of linear bodies (first linear bodies 7a) having a substantially semicircular (or semielliptical) cross-sectional shape and different widths from each other. , A second linear body 7b and a third linear body 7c). In the present embodiment, the width (average) of the first linear body 7a is A [mm], the width (average) of the second linear body 7b is B [mm], and the width of the third linear body 7c. When (average) is C [mm], these are set so that A> B> C.
[0055]
As shown in FIG. 3, the second linear member 7b has one end connected to the first linear member 7a so as to branch or intersect with the first linear member 7a, and the other end. Are connected to different first linear bodies 7a. Further, one end of the third linear body 7c is connected to the second linear body 7b so as to branch or cross from the second linear body 7b, and the other end is connected to the first linear body 7b. It is connected to the body 7a. Thus, the current collector 7 has a net shape as a whole.
With such a configuration, the current collector 7 can efficiently extract electrons from a wide portion of the first electrode 3. Further, even when a part of the linear members 7a to 7c is disconnected, there is an advantage that electrons can be taken out to the external circuit 8 via another path which is not disconnected.
[0056]
In the present embodiment, all of the first linear member 7a, the second linear member 7b, and the third linear member 7c are arranged in a lattice. Thus, the current collector 7 can uniformly (without unevenness) extract electrons from the first electrode 3.
In particular, in the present embodiment, the current collector 7 has a minimum unit (a rectangular area in FIG. 3) of a region surrounded by the current collector 7 having substantially the same area and substantially the same shape. It is formed so that it becomes. Thereby, the current collector 7 can more uniformly (evenly) extract electrons from the first electrode 3.
The current collector 7 is preferably formed so that the minimum unit of the region surrounded by the current collector 7 has substantially the same area and substantially the same shape, respectively. It may be formed so as to satisfy only the condition.
[0057]
The relationship between the width (average) A [mm] of the first linear body 7a and the width (average) B [mm] of the second linear body 7b is such that A / B is about 1 to 100 ( In particular, it is preferably about 2 to 10), and the relationship between the width (average) B [mm] of the second linear body 7b and the width (average) C [mm] of the third linear body 7c. It is preferable that B / C is about 1 to 100 (particularly about 2 to 10). Thus, the current collector 7 can more efficiently extract electrons from each part of the first electrode 3.
The width (average) A of the first linear body 7a, the width (average) B of the second linear body 7b, and the width (average) C of the third linear body 7c are, for example, current collection. It is appropriately set according to the resistivity of the body 7, the arrangement density of each linear body (wiring pitch, arrangement shape), and the like.
[0058]
As an example, the sheet resistance of the current collector 7 is 0.1Ω / □, each linear body is formed in a lattice shape, the first linear bodies 7a are spaced by about 10 cm, and the second linear bodies 7b are When arranging the third linear body at an interval of about 5 mm at an interval of about 2 cm,
The width (average) A of the first linear body 7a indicated by Wa in FIG. 3 is preferably about 2 to 30 mm, and more preferably about 5 to 15 mm.
The width (average) B of the second linear member 7b indicated by Wb in FIG. 3 is preferably about 0.4 to 6 mm, and more preferably about 1 to 3 mm.
The width (average) C of the third linear body 7c indicated by Wc in FIG. 3 is preferably about 0.1 to 1.5 mm, and more preferably about 0.2 to 0.6 mm. .
When the arrangement of the linear members is the same as described above and the sheet resistance of the current collector 7 is 1/10, the width of each linear member can be reduced to about 1/10.
[0059]
From the viewpoint of improving the conductivity of the first electrode 3 as a whole, the current collector 7 preferably has an area occupied by the first electrode 3 (formation area) as large as possible. If the area occupied by one of the electrodes 3 is too large, the arrival rate of light to the dye layer D is reduced depending on the constituent material and thickness of the current collector 7. Therefore, there is a suitable range in the area occupied by the current collector 7 with respect to the first electrode 3.
[0060]
Specifically, when viewed from a direction perpendicular to the first electrode 3, the ratio of the area occupied by the current collector 7 to the entire area of the first electrode 3 (distribution density of the current collector 7) is Although it depends on the resistivity of the electric conductor 7 and is not particularly limited, it is preferably about 0.01 to 30%, and more preferably about 1 to 15%. Thus, the conductivity of the entire first electrode 3 can be further improved, and a decrease in the light arrival rate to the dye layer D can be suitably prevented. As a result, the power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency) of the photoelectric conversion element 1 can be significantly improved.
Further, the current collector 7 (each of the linear members 7a to 7c) preferably has an average height (H in FIG. 3) of 0.2 mm or less, more preferably 0.1 mm or less, and More preferably, it is about 50 μm. Thereby, the thickness of the photoelectric conversion element 1 can be further reduced.
[0061]
Such a current collector 7 has a conductivity of, for example, 1 × 103It is preferably about S / m or more, and 1 × 105More preferably, it is about S / m or more. Thereby, the conductivity of the entire first electrode 3 can be further improved.
The cross-sectional shape of each of the linear bodies 7a to 7c is not limited to the illustrated one, and may be, for example, a circle or a polygon such as a triangle, a quadrangle (square, rectangle, rhombus).
Further, the third linear body 7c is not limited to the one that connects the first linear body 7a and the second linear body 7b, and may be, for example, one that connects different second linear bodies 7b. May be included, or may connect the second linear bodies 7b which are all different from each other.
[0062]
Each layer of the photoelectric conversion element 1 (the current collector 7, the electrical connection portion 71, the first electrode 3, the dense layer 41, the porous layer 42, the dye layer D, the hole transport layer 5, and the second electrode 6) is, for example, an inkjet method, a printing method, a vacuum evaporation method, a sputtering method (particularly, a low-temperature sputtering method), a spray pyrolysis method, a jet mold (plasma spraying) method, a CVD method, an electrolytic plating method, and an electroless method. The layers may be formed by appropriately selecting from plating methods and the like, but it is preferable that each of these layers is formed by an inkjet method. According to the inkjet method, each layer can be formed easily and with high precision without requiring large-scale equipment.
[0063]
Hereinafter, a case where each of the above-mentioned layers (each part) is formed using an inkjet method will be described as an example. In this case, for example, a droplet discharge device (inkjet device) as shown in FIG. 4 is used.
The droplet discharge device 10 illustrated in FIG. 4 includes a mounting table 20 on which the substrate 2 is mounted, an x-axis driving roller 30 that moves the mounting table 20 in the x-axis direction (main scanning), and a liquid having a nozzle 40. A droplet discharge head 50 and a y-axis drive mechanism 60 that moves (sub-scans) the droplet discharge head 50 in the y-axis direction are provided.
[0064]
A liquid containing the constituent material of each layer or a precursor thereof is stored in the droplet discharge head 50, and is discharged as a droplet 70 from a small hole formed at the tip of the nozzle 40.
By moving the mounting table 20 in the x-axis direction and reciprocating the droplet discharge head 50 in the y-axis direction, the droplets 70 are discharged from the small holes of the nozzles 40 to form each of the above layers.
[0065]
The viscosity (normal temperature) of the liquid to be used is not particularly limited, but is usually preferably about 3 to 10 cps, more preferably about 4 to 8 cps. By setting the viscosity of the liquid to be used in such a range, it is possible to discharge the droplet 70 from the small hole of the nozzle 40 more stably.
The amount (average) of one droplet 70 is not particularly limited, but is preferably about 5 to 40 pL, and more preferably about 10 to 30 pL. By setting the amount (average) of one droplet 70 in such a range, a more precise shape can be formed.
[0066]
Next, each step of the method for manufacturing the photoelectric conversion element 1 will be sequentially described.
[1] Formation of Current Collector 7 and Electrical Connection 71
First, the substrate 2 is prepared. As the substrate 2, a substrate having a uniform thickness and no bending is preferably used.
The liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 is supplied to the upper surface of the substrate 2 by using an ink-jet method to form the current collector 7 and the electric connection portion 71.
Examples of the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 include (1): a dispersion (suspension) containing particles composed of various metal materials and various carbon materials, and (2): various metals. A dispersion (suspension) containing particles composed of a metal oxide, which is a precursor of the material, and a reducing agent can be used.
[0067]
In the case of {circle around (1)}, the content of the particles in the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 varies depending on the type and composition of the dispersion medium and is not particularly limited, but is about 0.1 to 40 wt%. And more preferably about 2 to 20 wt%.
The average particle size of the particles used is not particularly limited, but is preferably about 1 to 30 nm, more preferably about 2 to 10 nm.
[0068]
Further, it is preferable to use particles coated with an aggregation inhibitor (dispersant) for inhibiting aggregation at room temperature. Examples of the aggregation inhibitor include a compound having a group containing a nitrogen atom such as an alkylamine, a compound having a group containing an oxygen atom such as an alkanediol, and a group containing a sulfur atom such as an alkylthiol and an alkanedithiol. And the like.
[0069]
In this case, a removing agent capable of removing the aggregation inhibitor is added to the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 by a predetermined process (for example, heating). Examples of the removing agent include linear or branched saturated carboxylic acids having 1 to 10 carbon atoms such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butanoic acid, hexanoic acid, and octylic acid, acrylic acid, methacrylic acid, and croton. Acids, cinnamic acid, benzoic acid, unsaturated carboxylic acids such as sorbic acid, various carboxylic acids such as oxalic acid, malonic acid, sebacic acid, maleic acid, fumaric acid, and dibasic acids such as itaconic acid; Organic acids such as various phosphoric acids and various sulfonic acids in which a carboxyl group of a carboxylic acid is substituted with a phosphoric acid group or a sulfonyl group, or an organic acid ester thereof, other phthalic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, Benzophenonetetracarboxylic anhydride, ethylene glycol bis (anhydrotrimellitate), glycerol tris (anhydrotrimeltate) Aromatic acid anhydrides such as maleic anhydride, maleic anhydride, succinic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylnadic anhydride, alkenylsuccinic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride Examples thereof include acids, cyclic aliphatic acid anhydrides such as methylcyclohexenetetracarboxylic anhydride, and aliphatic acid anhydrides such as polyadipic anhydride, polyazeleic anhydride, and polysebacic anhydride.
As the dispersion medium, for example, terpineol, mineral spirit, xylene, toluene, ethylbenzene, mesitylene, hexane, heptane, octane, decane, dodecane, cyclohexane, cyclooctane, or a mixed solution containing these can be used.
[0070]
The phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, diallyl phthalate resin, oligoester acrylate resin, xylene resin, bismaleimide triazine resin are contained in the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71. Precursors of various thermosetting resins such as furan resin, urea resin, polyurethane resin, melamine resin, and silicone resin may be added (mixed).
The viscosity of the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 is adjusted by, for example, appropriately setting the content of the particles, the type and composition of the dispersion medium, the presence and the type of the additive, and the like. can do.
[0071]
In the case of (2), the content of the particles in the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 varies depending on the type and composition of the dispersion medium and is not particularly limited, but is about 0.1 to 40 wt%. And more preferably about 2 to 20 wt%.
The average particle size of the particles used is not particularly limited, but is preferably about 10 to 100 nm, and more preferably about 30 to 70 nm.
Examples of the reducing agent include ascorbic acid (vitamin C), hydrogen sulfide, oxalic acid, carbon monoxide and the like.
[0072]
As the dispersion medium, for example, low-viscosity oils and fats such as butyl cellosolve and polyethylene glycol, alcohols such as 2-propanol, and a mixed solution containing these can be used.
The viscosity of the liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 can be adjusted, for example, by appropriately setting the content of the particles, the type and the composition of the dispersion medium, and the like.
The liquid for forming the current collector 7 and the electric connection portion 71 is discharged as a droplet 70 from a small hole of the nozzle 40, and a film (thin film or thick film) having a predetermined shape is formed on the upper surface of the substrate 2. Film).
[0073]
Next, this film is subjected to, for example, heat treatment or irradiation with ultraviolet rays, electron beams, radiation, laser beams, or the like.
If necessary, the above operations are repeated to form the current collector 7 and the electric connection portion 71 having a desired thickness.
Note that the current collector 7 and the electric connection portion 71 may be formed integrally or separately. In the latter case, the materials of the current collector 7 and the electrical connection 71 may be the same or different.
[0074]
[2] Formation of first electrode 3
Next, the first electrode 3 is formed on the upper surface of the substrate 2 so as to cover the current collector 7.
The first electrode 3 is formed by supplying a liquid for forming the first electrode 3 to the upper surface of the substrate 2 using an inkjet method.
As the liquid for forming the first electrode 3, for example, a solution containing precursors of various metal oxides can be used.
Examples of the metal oxide precursor to be used include metal alkoxides, organic metal compounds such as acetic acid or metal salts of acetic acid derivatives, metal chlorides, metal sulfides, and inorganic metal compounds such as metal cyanides. One or more of these can be used in combination.
[0075]
The concentration (content) of the metal oxide precursor in the liquid for forming the first electrode 3 varies depending on the type and composition of the solvent and is not particularly limited, but is about 0.1 to 40 wt%. Is preferred, and more preferably about 2 to 20 wt%.
Examples of the solvent include water, ethylene glycol, glycerin, diethylene glycol, polyhydric alcohols such as triethanolamine, methanol, ethanol, isopropanol, butanol, allyl alcohol, furfuryl alcohol, and ethylene glycol monoacetate. A monovalent alcohol or a mixed solution containing these can be used.
The viscosity of the liquid for forming the first electrode 3 can be adjusted, for example, by appropriately setting the concentration of the metal oxide precursor, the type and composition of the solvent, and the like.
[0076]
The liquid for forming the first electrode 3 is discharged as droplets 70 from the small holes of the nozzle 40 to form a film (thin film or thick film) on the upper surface of the substrate 2.
Next, this film is subjected to, for example, heat treatment or irradiation with ultraviolet rays, electron beams, radiation, laser beams, or the like.
If necessary, the above operation is repeated to form the first electrode 3 having a desired thickness.
[0077]
[3] Formation of electron transport layer 4
Next, the electron transport layer 4 is formed on the upper surface of the first electrode 3. Hereinafter, a case where the electron transport layer 4 mainly composed of titanium dioxide is formed will be described as an example.
[3-1] Formation of dense layer 41
First, a liquid for forming the dense layer 41 is supplied to the upper surface of the first electrode 3 by using an inkjet method to form the dense layer 41.
[0078]
As the liquid for forming the dense layer 41, for example, a solution containing a precursor of titanium dioxide can be used.
As a precursor of titanium dioxide, for example, titanium titanium alkoxide such as titanium tetraisopropoxide (TPT), titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetrabutoxide, and organic titanium such as titanium oxyacetylacetonate (TOA) Examples thereof include compounds and inorganic titanium compounds such as titanium tetrachloride (TTC), and one or more of these can be used as a mixture.
[0079]
The concentration (content) of the titanium dioxide precursor in the liquid for forming the dense layer 41 is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 10 mol / L, and about 0.1 to 2 mol / L. Is more preferable.
Further, as the solvent, for example, anhydrous ethanol, 2-butanol, 2-propanol, 2-n-butoxyethanol or a mixed solution containing these can be used.
[0080]
When using titanium alkoxide as a precursor of titanium dioxide, various additives such as titanium tetrachloride, acetic acid, acetylacetone, diethanolamine, and triethanolamine are added to the liquid for forming the dense layer 41. Is preferred. Thereby, the hydrolysis reaction of the titanium alkoxide can be suppressed. The mixing ratio of this additive and titanium alkoxide is not particularly limited, but is preferably about 1: 2 to 8: 1 in molar ratio.
[0081]
The viscosity of the liquid for forming the dense layer 41 may be determined, for example, by appropriately setting the concentration of the titanium dioxide precursor, the type and composition of the solvent, the presence or absence of the additive, the type, the composition and the concentration, and the like. Can be adjusted.
The liquid for forming the dense layer 41 is discharged as droplets 70 from the small holes of the nozzle 40 to form a film (thin film or thick film) on the upper surface of the first electrode 3.
[0082]
Next, the film is subjected to a heat treatment (drying). Thereby, the solvent is volatilized and removed. The condition of this heat treatment is preferably about 50 to 250 ° C. × 1 to 60 minutes, more preferably about 100 to 200 ° C. × 5 to 30 minutes. The atmosphere for the heat treatment can be, for example, air, nitrogen gas, an inert gas, or a non-oxidizing atmosphere such as a vacuum or reduced pressure state.
[0083]
Further, the film is subjected to a heat treatment (firing) at a higher temperature than the heat treatment. As a result, the organic components (solvent, additives, and the like) remaining in the film can be removed, and amorphous or anatase-type titanium dioxide is generated. The conditions of this heat treatment are preferably about 300 to 700 ° C for about 1 to 70 minutes, and more preferably about 400 to 550 ° C for about 5 to 45 minutes. The atmosphere for the heat treatment may be the same as the above.
When a substrate mainly composed of a resin material (flexible substrate) is used as the substrate 2, it is preferable to perform a hydrothermal synthesis process (hydrothermal treatment) on the film.
[0084]
Here, the hydrothermal synthesis means that the membrane is treated with high-pressure steam (saturated steam). Specifically, the hydrothermal synthesis treatment is performed by storing the substrate on which the film is formed in a closed container together with a small amount of water and heating the closed container. In the closed container, water becomes water vapor by heating, and the pressure in the closed container increases. The high-pressure steam removes the organic components present in the film, and at the same time, a hydrolysis reaction proceeds to the titanium dioxide precursor to form amorphous titanium dioxide. According to the hydrothermal synthesis process, there is an advantage that the film can be processed at a relatively low temperature at which water evaporates (for example, about 100 to 200 ° C.).
[0085]
The above operation is repeated as necessary to form the dense layer 41 having a desired thickness.
Prior to the formation of the dense layer 41, for example, O2The organic substances adhering to the upper surface of the first electrode 3 may be removed by performing a plasma treatment, an EB treatment, a cleaning treatment with an organic solvent (for example, ethanol, acetone, or the like), or the like.
[0086]
[3-2] Formation of porous layer 42
Next, a liquid for forming the porous layer 42 is supplied to the upper surface of the dense layer 41 using an ink-jet method to form the porous layer 42.
As the liquid for forming the porous layer 42, for example, a dispersion liquid (sol liquid) containing titanium dioxide powder and a precursor of titanium dioxide can be used. Thereby, the porous layer 42 having the above-described configuration can be relatively easily obtained.
[0087]
As the titanium dioxide powder (particles) to be used, any of anatase type titanium dioxide powder alone, rutile type titanium dioxide powder alone or a mixture thereof may be used.
The average particle size of the titanium dioxide powder is not particularly limited, but is preferably about 1 nm to 1 μm, more preferably about 1 to 100 nm, and still more preferably about 5 to 50 nm. Thereby, the titanium dioxide powder can be more uniformly dispersed in the liquid for forming the porous layer 42, and the control of the pore form (for example, the porosity, the distribution of the pores, etc.) of the porous layer 42 is easy. It becomes.
[0088]
When a mixture of anatase-type titanium dioxide powder and rutile-type titanium dioxide powder is used, these two types of powders may have different or different average particle diameters. .
The content of the titanium dioxide powder in the liquid for forming the porous layer 42 is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 10 wt%, and more preferably about 0.5 to 5 wt%.
[0089]
The liquid for forming the porous layer 42 can be prepared as follows.
That is, first, a liquid similar to the liquid for forming the dense layer 41 described above is prepared. The concentration (content) of the titanium dioxide precursor in this liquid is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 3 mol / L, and is preferably about 0.1 to 2 mol / L. More preferred.
[0090]
Next, water is mixed with the liquid. The mixing ratio of the water and the titanium dioxide precursor is not particularly limited, but is preferably about 1: 4 to 4: 1 in molar ratio.
Next, a liquid for forming the porous layer 42 is obtained by mixing titanium dioxide powder with the mixed liquid. The liquid for forming the porous layer 42 may be diluted with a solvent used for the liquid for forming the dense layer 41, if necessary, for example.
The viscosity of the liquid for forming the porous layer 42 is, for example, the content of the titanium dioxide powder, the concentration of the titanium dioxide precursor, the type and composition of the solvent, the presence or absence of the additive, the type, the composition and the concentration. It can be adjusted by appropriately setting the degree of dilution (dilution ratio) and the like.
[0091]
The liquid for forming the porous layer 42 is discharged as droplets 70 from the small holes of the nozzle 40 to form a film (thin film or thick film) on the upper surface of the dense layer 41.
At this time, it is preferable that the droplet 70 is landed (supplied) on the upper surface of the dense layer 41 while heating the dense layer 41. The heating temperature is not particularly limited, but is preferably about 80 to 180 ° C, more preferably about 100 to 160 ° C.
[0092]
Next, this film may be subjected to a heat treatment (for example, baking or the like) as necessary. The condition of this heat treatment is preferably, for example, a temperature of 250 to 500 ° C. × 0.5 to 3 hours.
When a substrate (flexible substrate) mainly composed of a resin material is used as the substrate 2, the above-described hydrothermal synthesis process (hydrothermal treatment) may be performed instead of this heat treatment. Good.
If necessary, the above operations are repeated to form the porous layer 42 having a desired thickness.
[0093]
[4] Formation of dye layer D
Next, a liquid for forming the dye layer D is supplied to the upper surface of the porous layer 42 (electron transport layer 4) by using an inkjet method to form the dye layer D.
As the liquid for forming the dye layer D, for example, a solution or a dispersion (suspension) containing a dye can be used.
[0094]
The concentration (content) of the dye in the liquid for forming the dye layer D is not particularly limited, but is preferably about 0.0001 to 0.1 wt%, and about 0.001 to 0.01 wt%. Is more preferred.
As the solvent or the dispersion medium, for example, water, methanol, ethanol, isopropanol, acetonitrile, ethyl acetate, ether, methylene chloride, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), or a mixed solution containing these can be used. .
The viscosity of the liquid for forming the dye layer D can be adjusted by, for example, appropriately setting the concentration of the dye, the type and composition of the solvent or the dispersion medium, and the like.
The liquid for forming the dye layer D is discharged as droplets 70 from the small holes of the nozzle 40 and supplied to the upper surface of the porous layer 42.
[0095]
Next, the solvent is removed by, for example, a method of natural drying or a method of blowing a gas such as air or nitrogen gas. Further, if necessary, drying may be performed by performing a heat treatment or the like at, for example, about 60 to 100 ° C. × about 0.5 to 2 hours. As a result, the dye is adsorbed (chemically adsorbed), bonded (covalent bond, coordinate bond) or the like on the outer surface of the porous layer 42 and the inner surface of the pore 421, for example.
If necessary, the above operation is repeated to form the dye layer D having a desired thickness.
[0096]
[5] Formation of hole transport layer 5
Next, a liquid for forming the hole transport layer 5 is supplied to the upper surface of the porous layer 42 (electron transport layer 4) on which the dye layer D is formed, using an ink-jet method. Form. Hereinafter, a case where the hole transport layer 5 mainly formed of iodide (inorganic p-type semiconductor material) is described as an example.
[0097]
As the liquid for forming the hole transport layer 5, for example, a solution containing iodide can be used.
The liquid for forming the hole transport layer 5 is preferably used as a saturated solution of iodide to a 10-fold diluted solution of the saturated solution.
Further, as the solvent, for example, water, acetonitrile, ethanol, methanol, isopropyl alcohol or a mixed solution containing these can be used, and among them, acetonitrile is particularly preferable.
[0098]
When iodide is used as the constituent material of the hole transport layer 5, it is preferable to add a cyanoethylated compound such as cyanoresin as a binder to the liquid for forming the hole transport layer 5. In this case, the mixing ratio of the iodide and the cyanoethylate is not particularly limited, but is preferably about 99: 1 to 80:20 by weight.
[0099]
In addition, it is preferable to add a hole transport efficiency improving substance having a function of improving hole transport efficiency to the liquid for forming the hole transport layer 5. Thereby, the carrier mobility (hole transport ability) of the hole transport layer 5 can be further improved.
As the hole transport efficiency improving substance, for example, various halides such as ammonium halide can be used, and tetrapropylammonium iodide (TPAI) is particularly preferable.
[0100]
The concentration (content) of the hole transport efficiency improving substance in the liquid for forming the hole transport layer 5 is not particularly limited, but is 1 × 10 5-4~ 1 × 10-1It is preferably about 1% by weight.-4~ 1 × 10-2More preferably, it is about wt%. Thereby, the effect can be further improved.
Further, it is preferable to add, to the liquid for forming the hole transport layer 5, a crystal size coarsening suppressing substance that suppresses an increase in crystal size when iodide is crystallized. This prevents or suppresses the increase in crystal size of the iodide during crystallization. Therefore, inconveniences such as generation of cracks in the electron transport layer 4 and a decrease in contact between the dye layer D and the hole transport layer 5 can be suitably prevented. As a result, deterioration (deterioration) of characteristics such as the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element 1 can be prevented.
[0101]
Examples of the crystal size coarsening suppressing substance include, for example, sodium cyanide (NaSCN), potassium thiocyanate (KSCN), copper thiocyanate (CuSCN), and thiocyanate, in addition to the cyanoethylated compound and the hole transport efficiency improving substance described above. Ammonium salt (NH4One or a combination of two or more of thiocyanates (rhodanides) such as SCN) can be used.
[0102]
The concentration (content) of the crystal size coarsening suppressing substance in the liquid for forming the hole transport layer 5 is not particularly limited, but is 1 × 10 6It is preferably about 10 to 10% by weight.-4~ 1 × 10-2More preferably, it is about wt%. Thereby, the effect can be further improved.
The viscosity of the liquid for forming the hole transport layer 5 may be, for example, the type, composition and concentration of the constituent material of the hole transport layer, the type and concentration of the hole transport efficiency improving substance, and the type and composition of the solvent. It can be adjusted by appropriately setting the presence / absence, type, concentration and the like of the additive.
[0103]
The liquid for forming the hole transport layer 5 is discharged as droplets 70 from the small holes of the nozzle 40 to form a film (thin film or thick film) on the upper surface of the porous layer 42 on which the dye layer D is formed. Form.
At this time, the droplet 70 is landed (supplied) on the upper surface of the porous layer 42 on which the dye layer D is formed while heating the dye layer D (the porous layer 42 on which the dye layer D is formed). preferable. The heating temperature is not particularly limited, but is preferably about 50 to 150 ° C, and more preferably about 70 to 100 ° C.
If necessary, the above operation is repeated to form the hole transport layer 5 having a desired thickness.
[0104]
[6] Formation of second electrode 6
Next, a liquid for forming the second electrode 6 is supplied to the upper surface of the hole transport layer 5 by an ink-jet method to form the second electrode 6.
The second electrode 6 can be formed in the same manner as in the step [1] or [2].
Through the steps described above, the photoelectric conversion element 1 is manufactured.
[0105]
In each of the steps [1] to [6], prior to the formation of each layer, a bank defining the shape of each layer is formed, and each layer is defined in a region defined (defined) by the bank. The liquid for formation may be discharged and supplied as droplets 70 from the small holes of the nozzle 40.
By forming the bank before forming each layer, it is possible to prevent the liquid for forming each layer from flowing out to the side (other than the formation region). For this reason, a liquid having a relatively low viscosity can be used as the liquid for forming each layer, and the range of selection of materials used for the liquid for forming each layer can be greatly increased.
[0106]
As a constituent material of this bank, for example, acrylic, acrylic epoxy, photocurable acrylic, and the like can be cited, and any one or a combination of two or more of them can be used.
Examples of the method for forming the bank include a screen printing method and an ink-jet molding method.
For example, a new bank may be formed in each of the steps [2] to [6], or a common bank may be used in two or more consecutive steps.
[0107]
<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention will be described.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention, and FIG. 6 is a plan view showing the configuration of a current collector 7 provided in the photoelectric conversion element shown in FIG.
Hereinafter, the second embodiment will be described, but the description will focus on the differences from the first embodiment, and a description of similar items will be omitted.
[0108]
In the second embodiment, the installation position and the configuration of the current collector 7 are different, and the rest is the same as the first embodiment.
That is, the current collector 7 is disposed so as to be embedded in the substrate 2. Accordingly, unevenness generated on the upper surface of the substrate 2 can be reduced, so that poor connection between the current collector 7 and the first electrode 3 can be more reliably prevented.
[0109]
The current collector 7 shown in FIG. 5 is obtained by, for example, forming a plating layer made of a constituent material (various metal materials) of the current collector 7 on the upper surface of the substrate 2 and then etching the plating layer. And its cross-sectional shape is substantially rectangular. In the case of the current collector 7 having such a shape, it is particularly effective to dispose the current collector 7 so as to be embedded in the substrate 2.
[0110]
As a method for embedding the current collector 7 in the substrate 2, for example, the following method can be mentioned. That is, (1) when the substrate 2 is hard, a concave portion (groove) is formed in the substrate 2 in advance, and the current collector 7 is formed in the concave portion. When it is made of a resin material (a thermoplastic resin or the like), the substrate 2 on which the current collector 7 is formed is subjected to a hot press treatment to be embedded in the substrate 2; After the current collector 7 is formed on the sheet material formed of the precursor (prepolymer) of the thermosetting resin, the sheet material on which the current collector 7 is formed is subjected to a hot pressing process. A method can be used. According to the methods (2) and (3), the current collector 7 can be relatively easily embedded in the substrate 2. In particular, according to the method (3), since the pressing is performed in the state of the curing precursor, the surface shape of the substrate 2 and the current collector 7 can be made more smooth, which is preferable.
[0111]
The current collector 7 includes a first linear body 7a and a second linear body 7b that connects different first linear bodies 7a, and the first linear body 7a has a honeycomb shape. It is arranged in. With such a configuration, when a flexible substrate is used as the substrate 2, the current collector 7 can function as a reinforcing material for the substrate 2, thereby improving the mechanical strength of the entire photoelectric conversion element 1. Can be done.
[0112]
Further, in the present embodiment, the current collector 7 has a minimum unit (each triangular area in FIG. 6) of a region surrounded by the current collector 7 having substantially the same area and substantially the same shape. It is formed so that it becomes. Thereby, in addition to the effects described in the first embodiment, the effect of reinforcing the current collector 7 when a flexible substrate is used as the substrate 2 can be further improved.
In the second embodiment, the same operation and effect as those in the first embodiment can be obtained.
[0113]
As described above, according to the present invention, the current collector 7 that is in contact with the first electrode 3 is provided to improve the conductivity of the entire first electrode 3. Electrons can be efficiently extracted. In particular, in the present invention, since the current collector 7 is composed of a plurality of types of linear bodies having different widths, the current collector 7 can be more uniformly extracted from the first electrode 3. Thus, according to the present invention, sufficient photoelectric conversion efficiency can be obtained even when the size is increased. Further, the photoelectric conversion element 1 of the present invention can be manufactured inexpensively and efficiently.
[0114]
As described above, the illustrated embodiments of the photoelectric conversion element of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to these, and the configuration of each unit may be replaced with any configuration that performs the same function. Other configurations (for example, one or more layers for any purpose between layers) may be added.
Further, in each of the above-described embodiments, the configuration in which the current collector is embedded in the surface electrode (first electrode) or the substrate has been described, but the current collector is embedded in both the surface electrode and the substrate. May be configured to be inserted. Further, in the present invention, the current collector may be provided on the electron transport layer side as long as it is in contact with the surface electrode.
[0115]
Further, the arrangement pattern of the current collector is not limited to the configuration shown in the drawing. For example, the shape of the minimum unit of the area surrounded by the current collector may be a pentagon, a hexagon, or the like.
Further, in the present invention, the second linear member may be configured not to connect the first linear members to each other, and further, the third linear member may be configured to include the first linear member and the second linear member. A configuration may be adopted in which the second linear bodies are not connected to each other.
[0116]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described.
(Example 1)
The photoelectric conversion device shown in FIG. 1 was manufactured as follows.
First, a polyethylene terephthalate substrate having dimensions of 200 mm long × 310 mm wide × 50 μm thick was prepared.
[0117]
-1- Formation of current collector and electrical connection
[Preparation of Liquid for Forming Current Collector and Electrical Connection]
In a mixture of terpineol and toluene, precursors of Ag particles (average particle size: 8 nm), dodecylamine (aggregation inhibitor), methylhexahydrophthalic anhydride (removing agent), and resole-type phenolic resin (thermosetting resin) Were mixed in predetermined amounts to prepare a liquid for forming a current collector and an electric connection portion.
In addition, the viscosity (normal temperature) of the liquid for forming the current collector and the electric connection portion was 3 to 5 cps.
[0118]
[Formation of Current Collector and Electrical Connection]
The substrate is placed on an XY table of a droplet discharge device, and a liquid for forming a current collector and an electric connection portion is discharged as droplets (about 20 pL) onto the upper surface of the substrate, as shown in FIG. The film was patterned into a shape, and then a heat treatment (180 ° C. × 2 hours) was applied to the patterned film to obtain a current collector and an electrical connection.
[0119]
The width (average) of the first linear body is 1 mm, the interval is 5 cm, the width (average) of the second linear body is 0.1 mm, the interval is 1 cm, and the width of the third linear body is (Average) was 0.03 mm, the interval was 2.5 mm, and the height (average) of the current collector was 5 μm. The sheet resistance of the obtained current collector was 0.01 Ω / □.
The dimensions of the electrical connection part were 200 mm long × 10 mm wide × 0.05 μm thick.
[0120]
-2- Formation of first electrode
Next, a first electrode was formed by sputtering ITO at a low temperature so as to cover the current collector. Next, an operation of treating the first electrode with high-pressure steam at 105 ° C. for 300 minutes was performed.
Note that the dimensions of the first electrode were 200 mm long × 300 mm wide × 0.1 μm thick. When viewed from a direction perpendicular to the first electrode, the ratio of the area occupied by the current collector to the entire area of the first electrode was set to 10%.
[0121]
-3- Formation of dense layer (dense electron transport layer)
[Preparation of liquid for forming dense layer]
First, titanium tetraisopropoxide (organic titanium compound) was dissolved in 2-n-butoxyethanol at a concentration of 0.5 mol / L.
Next, a liquid for forming a dense layer was prepared by mixing diethanolamine (additive) with this solution. Diethanolamine was mixed such that the ratio of diethanolamine: titanium tetraisopropoxide (molar ratio) was 2: 1.
The viscosity (normal temperature) of the liquid for forming the dense layer was 3 cps.
[0122]
[Formation of dense layer]
Next, in the same manner as in the above step 1- (using the ink jet method), a liquid for forming a dense layer is discharged as droplets onto the upper surface of the first electrode (ITO electrode) to form a film. An operation of treating the film with high-pressure steam at 120 ° C. for 600 minutes was performed. By repeating this operation, a dense layer was obtained. The resulting dense layer had a porosity of less than 1%.
Note that the dimensions of the dense layer were 200 mm long × 300 mm wide × 0.1 μm thick.
[0123]
-4- Formation of porous layer (porous electron transport layer)
[Preparation of liquid for forming porous layer]
First, titanium tetraisopropoxide (organic titanium compound) was dissolved in 2-propanol at a concentration of 1 mol / L.
Next, acetic acid (additive) and distilled water were mixed into this solution. Acetic acid is mixed such that acetic acid: titanium tetraisopropoxide (molar ratio) becomes 1: 1 and distilled water is mixed such that distilled water: titanium tetraisopropoxide (molar ratio) becomes 1: 1. did.
[0124]
Next, anatase-type titanium dioxide powder (average particle size: 40 nm) was mixed with this solution, and the mixture (dispersion) was diluted twice with 2-propanol to form a porous layer. Was prepared. The content of the anatase type titanium dioxide powder in the liquid for forming the porous layer was adjusted to 3 wt%.
In addition, the viscosity (normal temperature) of the liquid for forming a porous layer was 5 cps.
[0125]
[Formation of porous layer]
Next, the operation of discharging the liquid for forming the porous layer as droplets onto the upper surface of the dense layer heated to 140 ° C. is repeated in the same manner as in the above-mentioned step 1-1 (using the inkjet method). As a result, a porous layer was obtained. The obtained porous layer had a porosity of 34%.
The dimensions of the porous layer were 200 mm long × 300 mm wide × 10 μm thick.
[0126]
-5 Formation of dye layer
[Preparation of Liquid for Forming Dye Layer]
Ruthenium trisbipidil (dye) was dissolved in ethanol to a concentration of 0.005 wt% to prepare a liquid for forming a dye layer.
The viscosity (normal temperature) of the liquid for forming the dye layer was 1 cps.
[Formation of dye layer]
Next, in the same manner as in the above-mentioned step 1- (using the ink jet method), the liquid for forming the dye layer is discharged as droplets onto the upper surface of the porous layer, dried naturally, and then dried at 80 ° C × Heat treatment was performed for 0.5 hour to obtain a dye layer.
[0127]
-6 Formation of hole transport layer
[Preparation of liquid for forming hole transport layer]
First, CuI was dissolved in acetonitrile until it was saturated. Next, tetrapropylammonium iodide (a substance for improving hole transport efficiency), cyanoresin (cyanoethylated compound) and sodium thiocyanate (a substance for suppressing crystal size coarsening) are mixed with this solution to form a liquid for forming a hole transport layer. Was prepared. Tetrapropyl ammonium iodide is 1 × 10-3wt%, the cyanoresin was used so that the ratio of CuI: cyanoresin (weight ratio) was 97: 3, and the sodium thiocyanate was 1 × 10-3It mixed so that it might become wt%.
The viscosity (normal temperature) of the liquid for forming the hole transport layer was 3 cps.
[0128]
[Formation of hole transport layer]
Next, in the same manner as in the above-mentioned step 1- (using the ink jet method), the liquid for forming the hole transport layer is applied as droplets to the upper surface of the electron transport layer on which the dye layer is formed by heating to 80 ° C. By repeating the discharging operation, a hole transport layer was obtained.
The dimensions of the hole transport layer were 200 mm long × 300 mm wide × 10 μm thick.
[0129]
-7- Formation of second electrode
A second electrode was formed in the same manner as in Step-2-.
The dimensions of the second electrode were 200 mm long × 300 mm wide × 0.1 μm thick.
[0130]
(Example 2)
The configuration of the current collector was changed as shown in FIG. 6, and other than that, the photoelectric conversion element shown in FIG. 5 was manufactured in substantially the same manner as in Example 1.
Note that the current collector and the electrical connection portion were formed by forming a polyethylene terephthalate substrate on a rolled copper foil and then etching the copper foil. Prior to the step-3, the current collector was embedded in the substrate by subjecting the substrate on which the current collector was formed to a heat press treatment (condition: 180 ° C. × 60 minutes).
The sheet resistance of the obtained current collector was 0.006 Ω / □.
When viewed from a direction perpendicular to the first electrode, the ratio of the area occupied by the current collector to the entire area of the first electrode was 15%.
[0131]
(Comparative Example 1)
A photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the current collector was omitted.
(Comparative Example 2)
The current collector was composed of only the first linear body, that is, the first linear body was arranged in a grid with a width (average) of 1 mm and an interval of 5 cm. 1, the photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured.
In addition, the sheet resistance value of the obtained current collector was 0.01 Ω / □.
When viewed from a direction perpendicular to the first electrode, the ratio of the area occupied by the current collector to the entire area of the first electrode was set to 4%.
[0132]
(Comparative Example 3)
The current collector is composed of only the second linear body, that is, the second linear body is arranged in a grid with a width (average) of 0.1 mm and an interval of 1 cm. In the same manner as in Example 1, the photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured.
In addition, the sheet resistance value of the obtained current collector was 0.01 Ω / □.
When viewed from a direction perpendicular to the first electrode, the ratio of the area occupied by the current collector to the entire area of the first electrode was set to 2%.
[0133]
(Comparative Example 4)
The current collector is composed of only the third linear body, that is, the third linear body is arranged in a grid with a width (average) of 0.03 mm and an interval of 2.5 mm. In the same manner as in Example 1, the photoelectric conversion element shown in FIG. 1 was manufactured.
In addition, the sheet resistance value of the obtained current collector was 0.01 Ω / □.
When viewed from a direction perpendicular to the first electrode, the ratio of the area occupied by the current collector to the entire area of the first electrode was 2.4%.
[0134]
(Evaluation)
Light from an artificial sun lamp (irradiation light intensity: AM 1.5, 100 W / m) was applied to the photoelectric conversion elements manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4.2) Was applied to the substrate from a direction of 90 °, and the photoelectric conversion efficiency of each photoelectric conversion element was compared.
Table 1 shows the results. In Table 1, the photoelectric conversion efficiency of each photoelectric conversion element is shown as a relative value, with the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element manufactured in Comparative Example 1 being 100.
[0135]
[Table 1]
Figure 2004228449
[0136]
As shown in Table 1, the photoelectric conversion elements (the photoelectric conversion elements of the present invention) manufactured in Examples 1 and 2 each include a photoelectric conversion element including a current collector formed of a linear body having the same width (comparative). Compared with (the photoelectric conversion elements of Examples 2 to 4), it was clarified that the decrease in the photoelectric conversion efficiency due to the enlargement of the area was small.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a photoelectric conversion element of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a current collector 7 provided in the photoelectric conversion element shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a droplet discharge device used in a method for manufacturing a photoelectric conversion element.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention.
6 is a plan view showing a configuration of a current collector 7 provided in the photoelectric conversion element shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photoelectric conversion element 2 ... Substrate 3 ... 1st electrode 4 ... Electron transport layer 41 ... Dense layer 42 ... Porous layer 421 ... Hole 5 ... Hole transport layer 6 ... Second electrode 7 Current collector 7a First linear body 7b Second linear body 7c Third linear body 71 Electrical connection unit 8 External circuit D ... Dye layer 10... Droplet discharge device 20... Mounting table 30. X-axis drive roller 40. Nozzle 50... Droplet discharge head 60... Y-axis drive mechanism 70.

Claims (18)

基板上に設けられた面電極と、
該面電極と対向して設けられた対向電極と、
前記面電極と前記対向電極との間に位置し、少なくとも一部が多孔質な電子輸送層と、
該電子輸送層と接触する色素層と、
前記電子輸送層と前記対向電極との間に位置し、前記色素層と接触する正孔輸送層とを有し、
前記面電極の構成材料より電気抵抗の小さい材料で構成された集電体を、前記面電極に接触するよう設け、前記面電極全体の導電性を向上するよう構成した光電変換素子であって、
前記集電体は、第1の線状体と、該第1の線状体から分枝または交叉するよう前記第1の線状体に接続され、前記第1の線状体より幅の狭い第2の線状体とを備えることを特徴とする光電変換素子。
A surface electrode provided on the substrate,
A counter electrode provided to face the surface electrode;
Located between the surface electrode and the counter electrode, at least a portion of a porous electron transport layer,
A dye layer in contact with the electron transport layer;
A hole transporting layer located between the electron transporting layer and the counter electrode, and in contact with the dye layer;
A photoelectric conversion element configured to provide a current collector made of a material having a lower electric resistance than the constituent material of the surface electrode, so as to be in contact with the surface electrode, and to improve the conductivity of the entire surface electrode,
The current collector is connected to the first linear body and the first linear body so as to branch or intersect with the first linear body, and has a width smaller than that of the first linear body. A photoelectric conversion element comprising: a second linear body.
前記第2の線状体は、異なる前記第1の線状体同士を接続する請求項1に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the second linear body connects the different first linear bodies to each other. 前記第1の線状体の幅(平均)をA[mm]とし、前記第2の線状体の幅(平均)をB[mm]としたとき、A/Bが1〜100である請求項1または2に記載の光電変換素子。When the width (average) of the first linear body is A [mm] and the width (average) of the second linear body is B [mm], A / B is 1 to 100. Item 3. The photoelectric conversion element according to item 1 or 2. 前記集電体は、前記第2の線状体から分枝または交叉するよう前記第2の線状体に接続され、前記第2の線状体より幅の狭い第3の線状体を備える請求項1ないし3のいずれかに記載の光電変換素子。The current collector is connected to the second linear body so as to branch or intersect with the second linear body, and includes a third linear body that is narrower than the second linear body. The photoelectric conversion device according to claim 1. 前記第3の線状体は、前記第1の線状体と前記第2の線状体とを、または、異なる前記第2の線状体同士を接続する請求項4に記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the third linear body connects the first linear body and the second linear body, or connects the different second linear bodies to each other. . 前記第2の線状体の幅(平均)をB[mm]とし、前記第3の線状体の幅(平均)をC[mm]としたとき、B/Cが1〜100である請求項4または5に記載の光電変換素子。When the width (average) of the second linear body is B [mm] and the width (average) of the third linear body is C [mm], B / C is 1 to 100. Item 6. The photoelectric conversion element according to item 4 or 5. 少なくとも前記第1の線状体は、格子状に配設されている請求項1ないし6のいずれかに記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least the first linear body is arranged in a lattice. 少なくとも前記第1の線状体は、ハニカム状に配設されている請求項1ないし6のいずれかに記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least the first linear body is arranged in a honeycomb shape. 前記集電体は、その少なくとも一部が前記面電極に埋入するよう設けられている請求項1ないし8のいずれかに記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least a part of the current collector is provided so as to be embedded in the surface electrode. 前記集電体は、その少なくとも一部が前記基板に埋入するよう設けられている請求項1ないし9のいずれかに記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least a part of the current collector is provided so as to be embedded in the substrate. 前記基板は、主として樹脂材料で構成され、
前記集電体は、該集電体が形成された前記基板に対して熱プレス処理を施すことにより、その少なくとも一部を前記基板に埋入するよう設けられたものである請求項10に記載の光電変換素子。
The substrate is mainly made of a resin material,
The said current collector is provided so that at least one part may be embedded in the said board | substrate by performing the hot press process with respect to the said board | substrate with which the said current collector was formed. Photoelectric conversion element.
前記集電体の少なくとも一部が埋入するよう設けられた前記基板は、主として熱硬化性樹脂の前駆体で構成されたシート材上に、前記集電体を形成した後、該集電体が形成された前記シート材に対して熱プレス処理を施すことにより得られたものである請求項10に記載の光電変換素子。The substrate provided so that at least a part of the current collector is embedded therein is formed on a sheet material mainly formed of a precursor of a thermosetting resin. The photoelectric conversion element according to claim 10, wherein the photoelectric conversion element is obtained by subjecting the sheet material on which is formed is subjected to a heat press treatment. 前記集電体は、その平均高さが0.2mm以下である請求項1ないし12のいずれかに記載の光電変換素子。The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the current collector has an average height of 0.2 mm or less. 前記面電極に垂直な方向から見たとき、前記面電極全体の面積に対する前記集電体が占める面積の比率は、0.01〜30%である請求項1ないし13のいずれかに記載の光電変換素子。The photoelectric device according to claim 1, wherein a ratio of an area occupied by the current collector to an entire area of the surface electrode is 0.01 to 30% when viewed from a direction perpendicular to the surface electrode. Conversion element. 前記集電体で囲まれる領域の最小単位は、それぞれ、ほぼ同一の面積である請求項1ないし14のいずれかに記載の光電変換素子。15. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the minimum units of the region surrounded by the current collector have substantially the same area. 前記集電体で囲まれる領域の最小単位は、それぞれ、ほぼ同一の形状である請求項1ないし15のいずれかに記載の光電変換素子。16. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the minimum units of the region surrounded by the current collector have substantially the same shape. 前記集電体は、インクジェット法を用いて形成されたものである請求項1ないし16のいずれかに記載の光電変換素子。17. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the current collector is formed by using an inkjet method. 前記基板は、主として樹脂材料で構成された可撓性基板である請求項1ないし17のいずれかに記載の光電変換素子。18. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the substrate is a flexible substrate mainly made of a resin material.
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