JP4379865B2 - Photoelectrode, method for producing the same, and solar cell using the same - Google Patents
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Description
本発明は、光電極およびその製造方法、並びにこれを用いた太陽電池に関するものであり、特に色素増感型太陽電池に好適に用いられる光電極およびその製造方法、並びにこれを用いた太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a photoelectrode, a method for producing the same, and a solar cell using the photoelectrode, and more particularly to a photoelectrode suitably used for a dye-sensitized solar cell, a method for producing the photoelectrode, and a solar cell using the photoelectrode. Is.
多孔質二酸化チタンの表面にRu色素(ルテニウムビピリジン錯体)を吸着させた光電極等から構成されている色素増感型太陽電池が、1991年にグレッツェルらにより発表されて以来、世界的に大きな注目を集めている。二酸化チタンは通常、太陽光のうち主として紫外光のみしか効率的に用いることができないが、この色素増感型太陽電池では、可視光領域の光までの吸収が可能となる。この色素増感型太陽電池は、従来のシリコン太陽電池と比べ、光電変換効率の理論限界値が高いだけでなく、シリコン太陽電池のように製造に多大なエネルギーを使う必要がなく、安価な材料を用いて製造できるという利点がある(例えば、非特許文献1参照)。 Dye-sensitized solar cells composed of photoelectrodes, etc., with Ru dye (ruthenium bipyridine complex) adsorbed on the surface of porous titanium dioxide have been attracting worldwide attention since Gretzell et al. Collecting. In general, titanium dioxide can be used efficiently only mainly in the ultraviolet light of sunlight, but this dye-sensitized solar cell can absorb light in the visible light region. This dye-sensitized solar cell not only has a high theoretical limit value of photoelectric conversion efficiency compared to conventional silicon solar cells, but also does not require much energy for production like silicon solar cells, and is an inexpensive material There exists an advantage that it can manufacture using (for example, refer nonpatent literature 1).
しかし、これまでに開発された上記色素増感型太陽電池の実際の光電変換効率は未だ理論限界値と比較してかなり低く、実用化するには、光電変換効率の高効率化が必要である。これまでに、高性能増感色素の開発や複合体酸化物半導体電極の探索、電解液の改良など、色素増感型太陽電池における光電変換効率の高効率化を目指した研究が多く見られるが、光電変換効率の顕著な向上には結びついていない。 However, the actual photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell that has been developed so far is still considerably lower than the theoretical limit value, and it is necessary to increase the photoelectric conversion efficiency for practical use. . There have been many studies aimed at increasing the photoelectric conversion efficiency of dye-sensitized solar cells, such as the development of high-performance sensitizing dyes, the search for composite oxide semiconductor electrodes, and the improvement of electrolytes. However, it does not lead to a significant improvement in photoelectric conversion efficiency.
また、太陽電池の光電変換効率を向上させる他の試みとして、金属酸化物半導体を改良する方法も報告されている。例えば、通常のアナターゼ型またはルチル型の二酸化チタンのバンドギャップは、それぞれ3.2eVまたは3.0eVであるため、太陽光のうち紫外光しか用いることができない。可視光領域の波長を利用するためには、バナジウム(V)やクロム(Cr)などの金属イオンをドープするなどの方法が用いられている(例えば、特許文献1参照)。このような方法により、バンドギャップを小さくした二酸化チタンを用いた電極を有する太陽電池は、通常の二酸化チタンを用いたものと比べ、光電変換効率は向上する。しかしながら、色素増感型太陽電池との比較では光電変換効率は非常に低い。 In addition, as another attempt to improve the photoelectric conversion efficiency of a solar cell, a method for improving a metal oxide semiconductor has also been reported. For example, since the band gap of normal anatase type or rutile type titanium dioxide is 3.2 eV or 3.0 eV, respectively, only ultraviolet light in sunlight can be used. In order to use the wavelength in the visible light region, a method such as doping with metal ions such as vanadium (V) or chromium (Cr) is used (for example, see Patent Document 1). By such a method, the solar cell having an electrode using titanium dioxide having a small band gap has improved photoelectric conversion efficiency as compared with that using ordinary titanium dioxide. However, the photoelectric conversion efficiency is very low in comparison with the dye-sensitized solar cell.
さらに、色素増感型太陽電池に、光電変換効率を向上させるべく、改良した多孔質二酸化チタンを用いた方法がある。例えば、フッ素(F)をドープした二酸化チタン電極を用い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2参照)。このフッ素をドープした二酸化チタン電極は、二酸化チタン、フッ素原子供与化合物、水またはN,N−ジメチルホルムアミドからなるペーストを用いて製造された二酸化チタン多孔質膜を有する。そして、この電極を用いた太陽電池の光電変換効率は、最大5.29%まで向上することが報告されている。
しかしながら、上記従来の太陽電池では、光電変換効率が未だ十分ではなく、実用化のためには、光電変換効率のさらなる向上が必要である。 However, in the conventional solar cell, the photoelectric conversion efficiency is not yet sufficient, and further improvement of the photoelectric conversion efficiency is necessary for practical use.
例えば、上記特許文献2で報告されている、フッ素をドープした二酸化チタン電極を用いた色素増感型太陽電池では、光電変換効率は5.29%と向上はしているが、バンドギャップの制御が未だ十分ではない。
For example, in the dye-sensitized solar cell using a fluorine-doped titanium dioxide electrode reported in
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、色素増感型太陽電池の光電変換効率を向上させる光電極、およびその製造方法、並びにこれを用いた太陽電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to provide a photoelectrode for improving the photoelectric conversion efficiency of a dye-sensitized solar cell, a method for producing the same, and a solar cell using the photoelectrode. It is to provide.
本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、通常用いられている金属酸化物半導体に換えて、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている新規な金属酸化物半導体を用いて光電極を形成することにより、この光電極を用いて製造された太陽電池の光電変換効率が飛躍的に向上することを見出して本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive investigations to solve the above problems, the present inventor has replaced at least two metal oxide semiconductors that are usually used with at least two kinds selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. It has been found that by forming a photoelectrode using a novel metal oxide semiconductor doped with an element, the photoelectric conversion efficiency of a solar cell manufactured using this photoelectrode is dramatically improved. It came to complete.
すなわち本発明に係る光電極は、上記課題を解決するために、少なくとも一方の面が導電性を有する透明導電性基板と、該透明導電性基板の導電性を有する面に形成されている、金属酸化物半導体の粒子を含有する金属酸化物半導体層とを含んだ光電極であって、該金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされていることを特徴としている。 That is, in order to solve the above problems, the photoelectrode according to the present invention is a metal formed on at least one surface of a transparent conductive substrate having conductivity and the surface of the transparent conductive substrate having conductivity. A photoelectrode including a metal oxide semiconductor layer containing oxide semiconductor particles, wherein the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer is selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur It is characterized by being doped with at least two kinds of elements.
上記金属酸化物半導体は、窒素と、炭素、水素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とがドープされていることが好ましい。また、上記金属酸化物半導体は、窒素が700wtppm以上、10000wtppm以下の濃度でドープされていることが好ましい。上記金属酸化物半導体にドープされている窒素は、昇温により窒素分子として脱離し、該窒素分子脱離ピーク温度が700℃以上であることが好ましい。上記金属酸化物半導体層には増感色素が吸着されていることが好ましい。上記金属酸化物半導体は、二酸化チタンであることが好ましい。 The metal oxide semiconductor is preferably doped with nitrogen and at least one element selected from the group consisting of carbon, hydrogen, and sulfur. The metal oxide semiconductor is preferably doped with nitrogen at a concentration of 700 wtppm or more and 10,000 wtppm or less. It is preferable that nitrogen doped in the metal oxide semiconductor is desorbed as nitrogen molecules when the temperature rises, and the nitrogen molecule desorption peak temperature is 700 ° C. or higher. It is preferable that a sensitizing dye is adsorbed on the metal oxide semiconductor layer. The metal oxide semiconductor is preferably titanium dioxide.
また、本発明にかかる太陽電池は、上記光電極と、対極と、該光電極と対極とに接触する電荷移動層とを含むことを特徴としている。 Moreover, the solar cell concerning this invention is characterized by including the said photoelectrode, a counter electrode, and the electric charge transfer layer which contacts this photoelectrode and a counter electrode.
また、本発明にかかる光電極の製造方法は、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている金属酸化物半導体の粒子を用いて半導体膜形成用塗布剤を調製し、該半導体膜形成用塗布剤を、少なくとも一方の面が導電性を有する透明導電性基板の導電性を有する面に塗布または印刷して、半導体膜を形成し、100℃以上に加熱することを特徴としている。 The method for producing a photoelectrode according to the present invention includes forming a semiconductor film using metal oxide semiconductor particles doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. The coating agent for forming a semiconductor film is prepared, and the coating agent for forming a semiconductor film is applied or printed on the conductive surface of a transparent conductive substrate having at least one surface of the conductive film to form a semiconductor film. It is characterized by heating as described above.
本発明に係る光電極が含む金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、以上のように、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされているので、バンドギャップが制御される。それゆえ、該光電極を用いた色素増感型太陽電池の電子注入や電子、電荷輸送特性が改善され、太陽電池の光電変換効率を向上させることができるという効果を奏する。 As described above, the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention is doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Therefore, the band gap is controlled. Therefore, the electron injection, electron, and charge transport characteristics of the dye-sensitized solar cell using the photoelectrode are improved, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved.
本発明に係る光電極が含む金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、以上のように、窒素と、炭素、水素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とがドープされているので、安定性がよく、該光電極の劣化をより少なくすることができる。 As described above, the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention is doped with nitrogen and at least one element selected from the group consisting of carbon, hydrogen, and sulfur. Therefore, the stability is good and the deterioration of the photoelectrode can be reduced.
本発明に係る光電極が含む金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、以上のように、窒素が700wtppm以上、10000wtppm以下の濃度でドープされているので、バンドギャップがより良好に制御される。それゆえ、該光電極を用いた色素増感型太陽電池の光電変換効率をいっそう向上させることができるという効果を奏する。 Since the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention is doped with nitrogen at a concentration of 700 wtppm or more and 10000 wtppm or less as described above, the band gap is better controlled. . Therefore, there is an effect that the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell using the photoelectrode can be further improved.
本発明に係る光電極が含む金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体にドープされている窒素は、昇温により窒素分子として脱離するが、該窒素分子脱離ピーク温度が700℃以上であるので、金属酸化物半導体の結晶構造の熱安定性がよい。それゆえ、該光電極の熱安定性を向上させ、劣化を少なくすることができるという効果を奏する。 Nitrogen doped in the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention is desorbed as nitrogen molecules by the temperature rise, and the nitrogen molecule desorption peak temperature is 700 ° C. or higher. Therefore, the thermal stability of the crystal structure of the metal oxide semiconductor is good. Therefore, there is an effect that the thermal stability of the photoelectrode can be improved and deterioration can be reduced.
本発明に係る光電極が含む金属酸化物半導体層は、増感色素が吸着されているので、可視光領域の光の利用が可能となる。それゆえ、該光電極を用いた色素増感型太陽電池の光電変換効率をいっそう向上させることができるという効果を奏する。 Since the sensitizing dye is adsorbed to the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention, light in the visible light region can be used. Therefore, there is an effect that the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell using the photoelectrode can be further improved.
本発明に係る光電極が含む金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、以上のように、二酸化チタンであるので、バンドギャップがより良好に制御される。それゆえ、該光電極を用いた色素増感型太陽電池の光電変換効率をいっそう向上させることができるという効果を奏する。 Since the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention is titanium dioxide as described above, the band gap is controlled better. Therefore, there is an effect that the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell using the photoelectrode can be further improved.
本発明に係る太陽電池は、以上のように、上記光電極と、対極と、該光電極と対極とに接触する電荷移動層とを含むので、上記光電極に含まれる金属酸化物半導体のバンドギャップが制御される。それゆえ、本発明にかかる太陽電池の電子注入や電子、電荷輸送特性が改善され、太陽電池の光電変換効率を向上させることができるという効果を奏する。 As described above, the solar cell according to the present invention includes the photoelectrode, the counter electrode, and the charge transfer layer in contact with the photoelectrode and the counter electrode. Therefore, the band of the metal oxide semiconductor included in the photoelectrode. The gap is controlled. Therefore, the electron injection, electron and charge transport characteristics of the solar cell according to the present invention are improved, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved.
本発明にかかる光電極、その製造方法、およびこれを用いた太陽電池について説明すると以下の通りである。なお、本発明にかかる光電極は特に色素増感型太陽電池に好適に用いられるが、もちろんこれに限定されるものではなく、種々の太陽電池に好適に用いられるものである。 A photoelectrode according to the present invention, a method for producing the same, and a solar cell using the photoelectrode will be described below. In addition, although the photoelectrode concerning this invention is used suitably especially for a dye-sensitized solar cell, of course, it is not limited to this, It is used suitably for various solar cells.
(1)炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている金属酸化物半導体
本発明にかかる光電極は、少なくとも一方の面が導電性を有する透明導電性基板と、該透明導電性基板の導電性を有する面に形成されている、金属酸化物半導体の粒子を含有する金属酸化物半導体層とを含んだ光電極であって、該金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている。以下、上記金属酸化物半導体、上記元素をドープする方法の順に説明する。
(1) A metal oxide semiconductor doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. The photoelectrode according to the present invention has at least one surface having conductivity. A photoelectrode comprising a conductive substrate and a metal oxide semiconductor layer containing metal oxide semiconductor particles formed on a conductive surface of the transparent conductive substrate, the metal oxide The metal oxide semiconductor of the semiconductor layer is doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Hereinafter, the metal oxide semiconductor and the method of doping the element will be described in this order.
<炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている金属酸化物半導体>
上記金属酸化物半導体は、少なくとも炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされているものである。
<Metal oxide semiconductor doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur>
The metal oxide semiconductor is doped with at least two elements selected from the group consisting of at least carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur.
色素増感型太陽電池では、感光層である、増感色素が吸着された金属酸化物半導体層に入射した光は増感色素を励起する。励起状態の増感色素は、エネルギーの高い励起電子を金属酸化物半導体の伝導帯に注入し、伝導体電子はさらに拡散によって透明導電性基板に到達する。電子注入した増感色素分子は、電子の欠損した酸化体となり、これは色素と接する電荷移動層より電子を供与されて還元される。金属酸化物半導体の結晶構造は、色素増感型太陽電池に用いられたとき、開放電圧値、電子注入効率、電子輸送特性に影響を与える。上記励起電子の金属酸化物半導体への電子注入効率は、半導体と色素との間の結合様式(エステル様結合、キレート結合など)、その相互作用の強さ、および金属酸化物半導体の伝導帯と色素のLUMOとの幾何学的な配置に支配される。それゆえ、上記元素がドープされた金属酸化物半導体は、バンドギャップが制御され、金属酸化物半導体内への電子注入がスムーズとなる。また、金属酸化物半導体内における電子輸送特性が改善されて励起電子の再結合を抑制できる。したがって、上記金属酸化物半導体を用いた太陽電池の電子、電荷輸送特性が改善されて、光電変換効率を向上させることができる。 In a dye-sensitized solar cell, light incident on a metal oxide semiconductor layer, which is a photosensitive layer and adsorbs a sensitizing dye, excites the sensitizing dye. The excited sensitizing dye injects high-energy excited electrons into the conduction band of the metal oxide semiconductor, and the conductor electrons further reach the transparent conductive substrate by diffusion. The electron-injected sensitizing dye molecule becomes an oxidant deficient in electrons, and this is reduced by donating electrons from the charge transfer layer in contact with the dye. When used in a dye-sensitized solar cell, the crystal structure of the metal oxide semiconductor affects the open-circuit voltage value, electron injection efficiency, and electron transport characteristics. The electron injection efficiency of the excited electrons into the metal oxide semiconductor depends on the bonding mode (ester-like bond, chelate bond, etc.) between the semiconductor and the dye, the strength of the interaction, and the conduction band of the metal oxide semiconductor. It is governed by the geometrical arrangement of the dye with the LUMO. Therefore, the metal oxide semiconductor doped with the above elements has a controlled band gap and smooth electron injection into the metal oxide semiconductor. In addition, the electron transport property in the metal oxide semiconductor is improved, and recombination of excited electrons can be suppressed. Therefore, the electron and charge transport characteristics of the solar cell using the metal oxide semiconductor are improved, and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
また、金属酸化物半導体の表面はより多孔質となり(比表面積67m2/g、ドープしていないもの55m2/g)、色素の担持量はドープしていないものと比べ22%増加する。 In addition, the surface of the metal oxide semiconductor becomes more porous (specific surface area 67 m 2 / g, undoped 55 m 2 / g), and the amount of dye supported increases by 22% compared to the undoped one.
炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素によりドープされた金属酸化物半導体は、ドープされた元素が、結晶の格子間に入った状態、または、結晶中の酸素の位置に酸素原子と置換された形で入っている状態の構造となっている。金属酸化物半導体が、かかる構造をとることにより、バンドギャップが制御されて、電極の電子、電荷輸送特性を改善することができる。 A metal oxide semiconductor doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur is a state in which the doped element enters the crystal lattice or in the crystal. The structure is such that oxygen atoms are substituted for oxygen atoms. When the metal oxide semiconductor has such a structure, the band gap is controlled, and the electron and charge transport characteristics of the electrode can be improved.
例えば二酸化チタンを例として挙げると、上記の構造を有する二酸化チタンは、化学式で表すと、TiO2−xNxNyAである。ここで、Nxは二酸化チタン結晶中の酸素の位置に入っている窒素、Nyは二酸化チタンの結晶の格子間に入っている窒素、Aは二酸化チタンにドープされた炭素、硫黄、または水素を意味する。ドープされた窒素が結晶の格子間に入った状態では、窒素原子は、Ti−N−Oの結合状態で二酸化チタンのTi原子と結合していることが好ましい。また、ドープされた窒素がTiO2結晶中の酸素の位置に酸素原子と置換された形で入っている状態では、窒素原子はTi−N−Tiの結合状態で二酸化チタンのTi原子と結合していることが好ましい。 For example, taking titanium dioxide as an example, titanium dioxide having the above structure is TiO 2-x N x N y A in chemical formula. Here, N x is nitrogen contained in the position of oxygen in the titanium dioxide crystal, N y is nitrogen contained in the lattice of the titanium dioxide crystal, A is carbon, sulfur, or hydrogen doped in titanium dioxide Means. In a state where doped nitrogen enters between crystal lattices, it is preferable that nitrogen atoms are bonded to Ti atoms of titanium dioxide in a Ti—N—O bonding state. In addition, in a state where the doped nitrogen is in the form of substitution of oxygen atoms at the oxygen position in the TiO 2 crystal, the nitrogen atoms are bonded to Ti atoms of titanium dioxide in a Ti—N—Ti bonding state. It is preferable.
また、上記の結合状態のうち、ドープされた元素が結晶中の酸素の位置に酸素原子と置換された形で入っている状態がより好ましい。これにより、光電極に用いた場合、二酸化チタン結晶構造の安定性をより向上させ、劣化をより少なくすることができる。 In addition, among the above bonded states, a state in which the doped element is contained in a form in which oxygen atoms are substituted for oxygen atoms in the crystal is more preferable. Thereby, when it uses for a photoelectrode, stability of a titanium dioxide crystal structure can be improved more, and deterioration can be decreased more.
図2および図3は、二酸化チタン粒子において、ドープされた窒素の結合状態の解析結果を示す。これらは、アルゴンイオンを用いたスパッタエッチング後の粒子についてXPS(X線光電子分光法)分析を行ったものである。図2は窒素3000wtppmと炭素150wtppmとをドープした二酸化チタン粒子、図3は窒素525wtppmのみをドープした二酸化チタン粒子についての分析結果を示したものである。図2および図3において、一番結合エネルギーの低い側のピークは、Ti−N−Tiの結合状態にある窒素の濃度を表している。また、中央部分のピークは、Ti−N−Oの結合状態にある窒素の濃度を表している。なお、一番結合エネルギーの高い側のピークは、NHxの形で二酸化チタン微粒子の表面に吸着されている窒素の濃度を表しており、Tiとの強固な結合を有しているものではない。図2と図3の比較から明らかなように、窒素と炭素とをドープした二酸化チタン微粒子については、二酸化チタンの酸素原子が窒素に置き換わったTi−N−Tiの結合状態が多く検出され、また、Ti−Oの隙間に入り込んだ状態であるTi−N−Oの結合状態も窒素のみをドープした二酸化チタン微粒子よりも多く検出されている。 2 and 3 show the analysis results of the bonding state of doped nitrogen in the titanium dioxide particles. These are the results of XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis of particles after sputter etching using argon ions. FIG. 2 shows the analysis results for titanium dioxide particles doped with 3000 wtppm nitrogen and 150 wtppm carbon, and FIG. 3 shows the analysis results for titanium dioxide particles doped only with 525 wtppm nitrogen. 2 and 3, the peak with the lowest binding energy represents the concentration of nitrogen in the Ti—N—Ti bonding state. The peak at the center represents the concentration of nitrogen in the Ti—N—O bond state. The peak with the highest binding energy represents the concentration of nitrogen adsorbed on the surface of the titanium dioxide fine particles in the form of NH x , and does not have a strong bond with Ti. . As is clear from the comparison between FIG. 2 and FIG. 3, in the titanium dioxide fine particles doped with nitrogen and carbon, many Ti—N—Ti bonding states in which oxygen atoms of titanium dioxide are replaced with nitrogen are detected. Further, the Ti—N—O bond state, which is in the state of entering the Ti—O gap, is also detected more than the titanium dioxide fine particles doped only with nitrogen.
二種類以上の元素をドープした二酸化チタン微粒子は、上記のような結合状態を有していることから、二酸化チタンのTi原子とドープされた窒素原子の結合は強力であるため、光電極に用いた場合、二酸化チタン結晶構造の安定性をより向上させ、劣化をより少なくすることができる。 Since titanium dioxide fine particles doped with two or more kinds of elements have the above-mentioned bonding state, the bond between titanium dioxide Ti atoms and doped nitrogen atoms is strong. If so, the stability of the titanium dioxide crystal structure can be further improved and the deterioration can be reduced.
上記金属酸化物半導体にドープされている窒素は、昇温により窒素分子として脱離するが、該窒素分子脱離ピーク温度が700℃以上であることが好ましい。 Nitrogen doped in the metal oxide semiconductor is desorbed as nitrogen molecules when the temperature rises, and the nitrogen molecule desorption peak temperature is preferably 700 ° C. or higher.
これにより、金属酸化物半導体の結晶構造の熱安定性を向上させ、劣化をより少なくすることが可能となる。それゆえ、通常用いられる温度で電極を焼結する間に、窒素が脱離してしまうという問題を解消することが可能となる。 As a result, the thermal stability of the crystal structure of the metal oxide semiconductor can be improved and the deterioration can be reduced. Therefore, it is possible to solve the problem that nitrogen is desorbed during the sintering of the electrode at a commonly used temperature.
また、同様の理由から、上記金属酸化物半導体にドープされている水素は、昇温により水素分子として脱離し、該水素分子脱離ピーク温度が700℃以上であることが好ましい。 For the same reason, it is preferable that the hydrogen doped in the metal oxide semiconductor is desorbed as a hydrogen molecule when the temperature is raised, and the hydrogen molecule desorption peak temperature is 700 ° C. or higher.
さらに、同様の理由から、上記金属酸化物半導体にドープされている炭素は、昇温により二酸化炭素分子として脱離し、該二酸化炭素分子脱離ピーク温度が700℃以上であることが好ましい。 Further, for the same reason, it is preferable that the carbon doped in the metal oxide semiconductor is desorbed as carbon dioxide molecules by raising the temperature, and the carbon dioxide molecule desorption peak temperature is 700 ° C. or higher.
さらに、同様の理由から、上記金属酸化物半導体にドープされている硫黄は、昇温により二酸化硫黄(SO2)分子として脱離し、該二酸化硫黄分子脱離ピーク温度が700℃以上であることが好ましい。 Furthermore, for the same reason, the sulfur doped in the metal oxide semiconductor is desorbed as sulfur dioxide (SO 2 ) molecules when the temperature is raised, and the sulfur dioxide molecule desorption peak temperature is 700 ° C. or higher. preferable.
また、例えば、窒素のみがドープされた二酸化チタンでは、XPS分析によるTi−N結合のピークが空気中での熱処理により消失することが報告されたことがある。このことは、電極焼結中に窒素が脱離するという問題が生じる可能性を示唆している。この原因としては、空気と接触している二酸化チタン粒子の表面においては、Ti−N結合が不安定であることによるものと推測される。後述する実施例2に示すように、2種類以上の元素をドープすることにより、二酸化チタン結晶の構造の熱安定性がよくなり、通常用いられる温度で電極を焼結する間に、窒素が脱離してしまうという問題を解消することが可能となる。 In addition, for example, in titanium dioxide doped only with nitrogen, it has been reported that the peak of Ti—N bond by XPS analysis disappears by heat treatment in air. This suggests the possibility of the problem of nitrogen desorption during electrode sintering. This is presumably because the Ti—N bond is unstable on the surface of the titanium dioxide particles in contact with air. As shown in Example 2 described below, doping two or more elements improves the thermal stability of the titanium dioxide crystal structure and allows nitrogen to be desorbed during sintering of the electrode at commonly used temperatures. It becomes possible to eliminate the problem of separation.
また、上記金属酸化物半導体は、窒素と、炭素、水素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とがドープされていることがより好ましい。換言すると、上記金属酸化物半導体は、窒素が必須のドーパントとしてドープされ、且つ、炭素、水素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素がドープされていることが好ましい。これにより、より多くの窒素がドープされ金属酸化物半導体と強固に結合しているため、金属酸化物半導体の結晶構造の安定性をより向上させる。それゆえ、光電極の劣化をより少なくすることができる。 The metal oxide semiconductor is more preferably doped with nitrogen and at least one element selected from the group consisting of carbon, hydrogen, and sulfur. In other words, the metal oxide semiconductor is preferably doped with nitrogen as an essential dopant, and with at least one element selected from the group consisting of carbon, hydrogen, and sulfur. Accordingly, since more nitrogen is doped and firmly bonded to the metal oxide semiconductor, the stability of the crystal structure of the metal oxide semiconductor is further improved. Therefore, the deterioration of the photoelectrode can be further reduced.
また、上記金属酸化物半導体は、これらの中でも、少なくとも窒素と炭素とがドープされていることがさらに好ましい。 The metal oxide semiconductor is more preferably doped with at least nitrogen and carbon among these.
上記金属酸化物半導体は、窒素が700wtppm以上、10000wtppm以下の濃度でドープされていることが好ましく、1500wtppm以上、5000wtppm以下の濃度でドープされていることがより好ましく、2000wtppm以上、5000wtppm以下の濃度でドープされていることがさらに好ましく、2500wtppm以上、5000wtppm以下の濃度でドープされていることが特に好ましい。この範囲の下限以下でないことにより、バンドギャップの良好な制御が可能となるため、本発明の光電極を用いた太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。一方、上記窒素の濃度が10000wtppmを超える場合には、製造に時間と手間とを要するため、実用的であるとは言い難い。なお、ここで、例えば窒素が700wtppmの濃度でドープされているとは、ドープされている窒素の質量が、ドープされているすべての元素を含む金属酸化物半導体全体の質量の100万分の700であることを示す。 The metal oxide semiconductor is preferably doped with nitrogen at a concentration of 700 wtppm or more and 10000 wtppm or less, more preferably doped with a concentration of 1500 wtppm or more and 5000 wtppm or less, and a concentration of 2000 wtppm or more and 5000 wtppm or less. It is more preferable that it is doped, and it is particularly preferable that it is doped at a concentration of 2500 wtppm or more and 5000 wtppm or less. By not being below the lower limit of this range, good control of the band gap is possible, so that the photoelectric conversion efficiency of the solar cell using the photoelectrode of the present invention can be improved. On the other hand, when the concentration of nitrogen exceeds 10,000 wtppm, it takes time and labor for production, and is not practical. Here, for example, nitrogen is doped at a concentration of 700 wtppm means that the mass of doped nitrogen is 700 / 1,000,000 of the total mass of the metal oxide semiconductor including all doped elements. Indicates that there is.
また、窒素以外の各元素の濃度としては、炭素または硫黄の濃度は50wtppm以上、1500wtppm以下であることが好ましく、100wtppm以上、1500wtppm以下であることがより好ましい。また、水素の濃度は1wtppm以上、50wtppm以下であることが好ましい。これにより、金属酸化物半導体の結晶構造の安定性をより向上させ、劣化をより少なくすることができる。 Further, as the concentration of each element other than nitrogen, the concentration of carbon or sulfur is preferably 50 wtppm or more and 1500 wtppm or less, and more preferably 100 wtppm or more and 1500 wtppm or less. The hydrogen concentration is preferably 1 wtppm or more and 50 wtppm or less. Thereby, stability of the crystal structure of the metal oxide semiconductor can be further improved, and deterioration can be reduced.
窒素以外の各元素の濃度を、窒素の濃度との比率で表すと、炭素または硫黄の濃度は、窒素濃度の1/30以上、1/3以下であることが好ましい。また、水素濃度は、窒素濃度の1/300以上、1/30以下であることが好ましい。 When the concentration of each element other than nitrogen is expressed as a ratio to the concentration of nitrogen, the concentration of carbon or sulfur is preferably 1/30 or more and 1/3 or less of the nitrogen concentration. The hydrogen concentration is preferably 1/300 or more and 1/30 or less of the nitrogen concentration.
上記金属酸化物半導体としては、従来より色素増感型太陽電池に用いられてきた金属酸化物半導体であれば特に限定されるものではない。具体的には、例えば、二酸化チタン(TiO2)、二酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO3)等を挙げることができる。中でも、上記金属酸化物半導体は、二酸化チタンであることがより好ましい。また、上記金属酸化物半導体は、上記の化合物単独であってもよいし、上記化合物を2種以上組合わせたものであってもよい。 The metal oxide semiconductor is not particularly limited as long as it is a metal oxide semiconductor conventionally used in dye-sensitized solar cells. Specific examples include titanium dioxide (TiO 2 ), tin dioxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 3 ), and the like. Among these, the metal oxide semiconductor is more preferably titanium dioxide. The metal oxide semiconductor may be the above compound alone or a combination of two or more of the above compounds.
一般に、二酸化チタンには、ルチル型(正方晶系)、アナターゼ型(正方晶系)、ブルッカイト型(斜方晶系)の3種の変態があり、いずれもチタン原子に酸素原子が6配位した、ゆがんだ8面体の稜が共有された構造を有している。二酸化チタンを用いる場合には、このうち、ルチル型またはアナターゼ型のもの、または、これらの混合物を用いることが好ましく、中でも、アナターゼ型のものを原料として用いることがより好ましい。また、上記の元素を2種類以上ドープした後の二酸化チタンも、ルチル型またはアナターゼ型のもの、または、これらの混合物であることが好ましく、このうち、アナターゼ型のものであることがより好ましい。 In general, titanium dioxide has three types of transformation: rutile type (tetragonal system), anatase type (tetragonal system), and brookite type (orthorhombic system). Thus, it has a structure in which the ridges of the distorted octahedron are shared. In the case of using titanium dioxide, it is preferable to use a rutile type or anatase type, or a mixture thereof, and it is more preferable to use an anatase type as a raw material. The titanium dioxide after doping two or more of the above elements is also preferably a rutile type, anatase type, or a mixture thereof, and more preferably an anatase type.
さらに、上記金属酸化物半導体は、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素に加えて、さらに、他のアニオンがドープされているものであってもよい。ここで、上記他のアニオンとしては、特に限定されるものではないが、例えば、セレン(Se)、リン(P)、ヒ素(As)、ケイ素(Si)、ホウ素(B)、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)等を挙げることができる。 Further, the metal oxide semiconductor may be doped with another anion in addition to at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Here, the other anions are not particularly limited. For example, selenium (Se), phosphorus (P), arsenic (As), silicon (Si), boron (B), fluorine (F) , Chlorine (Cl), bromine (Br), and the like.
<炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素を金属酸化物半導体にドープする方法>
炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素を金属酸化物半導体にドープする方法は、特に限定されるものではなく、通常のドープにおいて用いられる従来公知の方法を用いて、2種類以上の元素を同時に、または、逐次的にドープすればよい。通常のドープにおいて用いられている方法としては、具体的には、例えば、熱拡散法、レーザドーピング法、プラズマドーピング法、イオン注入法等を挙げることができる。
<Method of doping a metal oxide semiconductor with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur>
The method of doping the metal oxide semiconductor with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur is not particularly limited, and a conventionally known method used in normal doping is used. It can be used by doping two or more elements simultaneously or sequentially. Specific examples of methods used in normal doping include a thermal diffusion method, a laser doping method, a plasma doping method, and an ion implantation method.
上記熱拡散法では、例えば、金属酸化物半導体を、上記元素を含むガス雰囲気下で熱処理することにより、上記各元素をドープすることができる。 In the thermal diffusion method, for example, each element can be doped by heat-treating a metal oxide semiconductor in a gas atmosphere containing the element.
具体的な一例として、窒素をドープする方法としては、窒素含有ガスを含む還元性ガス雰囲気下で金属酸化物半導体の粒子を熱処理する方法を挙げることができる。かかる製造方法によれば、窒素がドープされた金属酸化物半導体を容易、且つ、均質に製造することができる。上記窒素含有ガスとしては、例えば、N2、NH3、NO、NO2等を挙げることができる。また、還元性ガス雰囲気下とするために、上記窒素ガスとH2ガスとの混合ガスを用いてもよい。 As a specific example, as a method of doping nitrogen, a method of heat-treating metal oxide semiconductor particles in a reducing gas atmosphere containing a nitrogen-containing gas can be given. According to this manufacturing method, a metal oxide semiconductor doped with nitrogen can be easily and uniformly manufactured. Examples of the nitrogen-containing gas include N 2 , NH 3 , NO, NO 2 and the like. Further, in order to atmosphere reducing gas may be a mixed gas of the nitrogen gas and H 2 gas.
また、窒素及び炭素をドープする方法としては、例えば、シアン(HCN)、シアン酸もしくはイソシアン酸(HOCN)、低級アミン(RNH2、R2NH、R3N)等、またはこれらととNH3を含有するガス気流中で金属酸化物半導体の粒子を熱処理する方法を挙げることができる。 Further, as a method of doping nitrogen and carbon, for example, cyan (HCN), cyanic acid or isocyanic acid (HOCN), lower amine (RNH 2 , R 2 NH, R 3 N), etc., or these and NH 3 The method of heat-processing the particle | grains of a metal oxide semiconductor in the gas stream containing this can be mentioned.
さらに、窒素、炭素および水素をドープする方法としては、窒素、炭素および水素を含むガス雰囲気下、または、NH3ガスおよび炭素含有ガス雰囲気下で金属酸化物半導体の粒子を熱処理する方法を挙げることができる。上記炭素含有ガスとしては、例えば、水素を含む、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素ガスや、一酸化炭素、二酸化炭素等を挙げることができるが、炭化水素ガスを用いることがより好ましい。ここで、例えばNH3ガスおよび炭化水素ガスの混合ガスを用いる場合には、炭化水素ガスはNH3ガスよりも容積が少ないことが好ましく、炭化水素ガスはNH3ガスに対して2〜70容量%であることがより好ましく、5〜50容量%であることがさらに好ましい。 Further, as a method of doping nitrogen, carbon and hydrogen, a method of heat-treating metal oxide semiconductor particles in a gas atmosphere containing nitrogen, carbon and hydrogen or in an NH 3 gas and carbon-containing gas atmosphere may be mentioned. Can do. Examples of the carbon-containing gas include hydrocarbon gas containing hydrogen, such as methane, ethane, propane, and butane, carbon monoxide, carbon dioxide, and the like, but it is more preferable to use hydrocarbon gas. . Here, for example, when a mixed gas of NH 3 gas and hydrocarbon gas is used, it is preferable that the hydrocarbon gas has a smaller volume than the NH 3 gas, and the hydrocarbon gas is 2 to 70 volumes with respect to the NH 3 gas. %, More preferably 5 to 50% by volume.
ここで、上記元素を含むガスは、1種類のガスを用いてもよいし、2種類以上のガスを混合して用いてもよい。また、さらにアルゴン等の不活性ガスを混合してもよい。 Here, as the gas containing the element, one kind of gas may be used, or two or more kinds of gases may be mixed and used. Further, an inert gas such as argon may be mixed.
また、上記元素を含むガス雰囲気下で熱処理をする温度は、500℃以上、620℃以下であることが好ましく、530℃以上、590℃以下であることがより好ましい。これにより、バンドギャップが良好に制御された金属酸化物半導体を得ることができる。 The temperature for the heat treatment in the gas atmosphere containing the above elements is preferably 500 ° C. or higher and 620 ° C. or lower, and more preferably 530 ° C. or higher and 590 ° C. or lower. Thereby, a metal oxide semiconductor with a well-controlled band gap can be obtained.
また、現在広く用いられているイオン注入法では、イオン注入装置を用いて、窒素アニオン、炭素アニオン、または硫黄アニオン源等からの加速イオンを金属酸化物半導体ターゲットに打ち込む方法により、上記元素をドープすることができる。 Further, in the ion implantation method that is widely used at present, the above elements are doped by a method of implanting accelerated ions from a nitrogen anion, carbon anion, or sulfur anion source into a metal oxide semiconductor target using an ion implantation apparatus. can do.
さらに、例えば、窒素および炭素を二酸化チタンにドープする方法としては、シアン、シアン酸もしくはイソシアン酸、低級アミン、アゾ化合物、ジアゾ化合物等を含有する溶液、または、これらとNH3とを含有する溶液中で、四塩化チタン(TiCl4)等の溶液状のハロゲン化チタンを加水分解する方法を挙げることができる。ここで、各元素を含む上記化合物は、1種類の化合物を用いてもよいし、2種類以上の化合物を混合して用いてもよい。 Further, for example, as a method of doping nitrogen and carbon into titanium dioxide, a solution containing cyan, cyanic acid or isocyanic acid, a lower amine, an azo compound, a diazo compound or the like, or a solution containing these and NH 3 is used. Among them, a method of hydrolyzing a solution-like titanium halide such as titanium tetrachloride (TiCl 4 ) can be mentioned. Here, the said compound containing each element may use one type of compound, and may mix and use two or more types of compounds.
また、硫黄をドープする方法としては、具体的には、例えば、硫化水素(H2S)雰囲気下で、熱処理する方法を挙げることができる。このときの熱処理温度は、400℃以上、700℃以下であることが好ましく、500℃以上、600℃以下であることがより好ましい。この範囲の下限より温度が高いことにより、熱処理時間を短くすることができる。一方、この範囲の上限より温度が低いことにより、金属酸化物半導体微粒子の焼結による成長を防止することができる。 Further, as a method for doping with sulfur, specifically, for example, a heat treatment method in a hydrogen sulfide (H 2 S) atmosphere can be given. The heat treatment temperature at this time is preferably 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and more preferably 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. When the temperature is higher than the lower limit of this range, the heat treatment time can be shortened. On the other hand, when the temperature is lower than the upper limit of this range, growth due to sintering of the metal oxide semiconductor fine particles can be prevented.
用いられる金属酸化物半導体の原料粒子の平均粒径は1μm以下であることが好ましく、50nm以下であることがさらに好ましい。また、上記原料粒子の比表面積は100m2/g以上であることが好ましい。これにより、単位体積当りに上記元素を多量にドープすることができ、しかも、得られる金属酸化物半導体粒子の表面積も大きくすることができる。 The average particle diameter of the metal oxide semiconductor raw material particles used is preferably 1 μm or less, and more preferably 50 nm or less. The specific surface area of the raw material particles is preferably 100 m 2 / g or more. Thereby, the said element can be doped in large quantities per unit volume, and also the surface area of the metal oxide semiconductor particle obtained can be enlarged.
また、金属酸化物半導体への炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素のドープは、金属酸化物半導体の粒子の段階で行ってもよいし、金属酸化物半導体層を透明電極上に形成した後に行ってもよい。このうち、ドープは粒子の段階で行うことがより好ましい。これにより、製造工程の複雑さを回避することが可能となる。 Further, the doping of the metal oxide semiconductor with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur may be performed at the metal oxide semiconductor particle stage. You may carry out after forming a semiconductor layer on a transparent electrode. Of these, the dope is more preferably performed at the particle stage. This makes it possible to avoid the complexity of the manufacturing process.
(2)光電極
本発明にかかる光電極は、少なくとも一方の面が導電性を有する透明導電性基板と、該透明導電性基板の導電性を有する面に形成されている、金属酸化物半導体の粒子を含有する金属酸化物半導体層とを含んでいる。該金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、上述したように、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている。以下、本発明にかかる光電極について、透明導電性基板、金属酸化物半導体層、増感色素の順に説明する。
(2) Photoelectrode A photoelectrode according to the present invention comprises a transparent conductive substrate having at least one surface of conductivity, and a metal oxide semiconductor formed on the surface of the transparent conductive substrate having conductivity. And a metal oxide semiconductor layer containing particles. As described above, the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer is doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Hereinafter, the photoelectrode according to the present invention will be described in the order of a transparent conductive substrate, a metal oxide semiconductor layer, and a sensitizing dye.
<透明導電性基板>
上記透明導電性基板は、光透過性の材質からなる透明基板の少なくとも一方の面が導電性を有するものであればよい。したがって、少なくとも一方の面の表面に導電層が形成されていてもよいし、少なくとも一方の面自体が導電性を有していてもよい。このうち、上記透明導電性基板は透明基板の少なくとも一方の面の表面に導電層が形成されていることがより好ましい。
<Transparent conductive substrate>
The transparent conductive substrate may be any substrate as long as at least one surface of the transparent substrate made of a light-transmitting material has conductivity. Therefore, a conductive layer may be formed on the surface of at least one surface, or at least one surface itself may have conductivity. Among these, it is more preferable that the transparent conductive substrate has a conductive layer formed on the surface of at least one surface of the transparent substrate.
上記導電層または少なくとも一方の面自体が導電性を有する場合の導電性を有する部分は、導電性物質からなり、透明基板の透明性を損なわないように形成されている。このような導電性物質としては、例えば、金属、炭素、導電性金属酸化物等を挙げることができる。上記導電性金属酸化物としては、例えば、インジウム・スズ酸化物(ITO)、二酸化スズ(SnO2)、フッ素をドープした二酸化スズ等を挙げることができる。 When the conductive layer or at least one surface itself has conductivity, the conductive portion is made of a conductive material and is formed so as not to impair the transparency of the transparent substrate. Examples of such conductive substances include metals, carbon, and conductive metal oxides. Examples of the conductive metal oxide include indium tin oxide (ITO), tin dioxide (SnO 2 ), and fluorine-doped tin dioxide.
上記透明基板は、光透過性の材質からなり、金属酸化物半導体層を支持することができるものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、ガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン等を挙げることができる。また、上記透明基板は板状であってもよいし、フィルムであってもよい。 The transparent substrate is not particularly limited as long as it is made of a light-transmitting material and can support the metal oxide semiconductor layer. Specific examples include glass, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, and polyethersulfone. Further, the transparent substrate may be a plate or a film.
上記透明導電性基板としては、上記導電性物質と上記透明基板との種々の組合わせが挙げられるが、中でも、フッ素をドープした二酸化スズまたはITOが導電層として形成された導電性ガラス基板であることが特に好ましい。 Examples of the transparent conductive substrate include various combinations of the conductive material and the transparent substrate. Among them, a conductive glass substrate in which fluorine-doped tin dioxide or ITO is formed as a conductive layer. It is particularly preferred.
<金属酸化物半導体層>
上記金属酸化物半導体層は、上記透明導電性基板上に、金属酸化物半導体の粒子を含む半導体膜を形成したものである。上記半導体膜の膜厚は、0.1μm〜100μmであることが好ましく、5μm〜25μmであることがより好ましい。この範囲より厚くなると、電子の拡散距離が増すため、電荷再結合によるロスが大きくなる。一方この範囲より薄くなると、後述する増感色素の担持量が小さくなる。
<Metal oxide semiconductor layer>
The metal oxide semiconductor layer is formed by forming a semiconductor film containing metal oxide semiconductor particles on the transparent conductive substrate. The thickness of the semiconductor film is preferably 0.1 μm to 100 μm, and more preferably 5 μm to 25 μm. If it is thicker than this range, the electron diffusion distance increases, and loss due to charge recombination increases. On the other hand, when it becomes thinner than this range, the amount of the sensitizing dye described later becomes small.
上記半導体膜に含まれる金属酸化物半導体の粒子の大きさは、平均粒径が20nm〜100nmであることが好ましく、30nm〜70nm以下であることがより好ましい。これにより、比表面積が大きくなるため、色素増感型太陽電池に用いる場合、色素の吸着量が増加し、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。 The average particle size of the metal oxide semiconductor particles contained in the semiconductor film is preferably 20 nm to 100 nm, and more preferably 30 nm to 70 nm. Thereby, since a specific surface area becomes large, when using for a dye-sensitized solar cell, the adsorption amount of a pigment | dye increases and the photoelectric conversion efficiency of a solar cell can be improved.
また、上記金属酸化物半導体の粒子の形状は特に限定されるものではなく、例えば、球状や長球状の粒子を好適に用いることができる。例えば、長球状の粒子を用いる場合には、長径が20nm〜80nmであることが好ましく、30nm〜50nmであることがより好ましい。また、短径と長径の比は、1:2〜1:4であることが好ましい。 Further, the shape of the metal oxide semiconductor particles is not particularly limited, and for example, spherical or oblong particles can be suitably used. For example, when using oblong particles, the major axis is preferably 20 nm to 80 nm, and more preferably 30 nm to 50 nm. The ratio of the minor axis to the major axis is preferably 1: 2 to 1: 4.
また、上記半導体膜は、比表面積が60m2/g〜500m2/gであることが好ましい。このように多孔性が向上することにより、増感色素の担持量が増大し、電荷移動層の移動性もより高くなるため、上記半導体膜を用いた太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、増感色素を吸着させる面積の増大により、増感色素の吸着量を好ましくは10%〜50%増加でき、太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、本発明にかかる半導体膜の細孔分布は、1nm以上、100nm以下であることが好ましい。ここで細孔分布とは、細孔半径に対する細孔容積の分布をいう。 Further, the semiconductor film preferably has a specific surface area of 60m 2 / g~500m 2 / g. By improving the porosity in this way, the amount of sensitizing dye carried increases and the mobility of the charge transfer layer also increases, so that the photoelectric conversion efficiency of the solar cell using the semiconductor film can be improved. it can. Further, by increasing the area for adsorbing the sensitizing dye, the adsorption amount of the sensitizing dye can be preferably increased by 10% to 50%, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved. The pore distribution of the semiconductor film according to the present invention is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. Here, the pore distribution refers to the distribution of the pore volume with respect to the pore radius.
<増感色素>
本発明にかかる光電極の上記金属酸化物半導体層には、増感色素が吸着されていることがより好ましい。増感色素とは、可視光域および/または赤外光領域に吸収を持つ色素をいう。該領域の光を吸収しない金属酸化物半導体に増感色素を吸着させることにより、該領域まで光の吸収を増感させることができる。
<Sensitizing dye>
More preferably, a sensitizing dye is adsorbed to the metal oxide semiconductor layer of the photoelectrode according to the present invention. A sensitizing dye refers to a dye having absorption in the visible light region and / or the infrared light region. By adsorbing a sensitizing dye to a metal oxide semiconductor that does not absorb light in the region, light absorption to the region can be sensitized.
上記増感色素としては、例えば、金属錯体色素や有機色素を用いることができる。金属錯体色素としては、具体的には、一例として、フタロシアニン、ポルフィリン等の金属錯体;クロロフィルまたはその誘導体;ヘミン;ビピリジン構造等を配位子に含むルテニウム錯体;オスミウムや鉄、亜鉛等の錯体を挙げることができる。有機色素としては、具体的な一例として、フェニルキサンテン系色素、クマリン、エオシン−Y、メタルフリーフタロシアニン、シアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素等を挙げることができる。 As the sensitizing dye, for example, a metal complex dye or an organic dye can be used. Specific examples of the metal complex dye include metal complexes such as phthalocyanine and porphyrin; chlorophyll or a derivative thereof; hemin; a ruthenium complex containing a bipyridine structure or the like as a ligand; a complex such as osmium, iron, or zinc. Can be mentioned. Specific examples of organic dyes include phenylxanthene dyes, coumarins, eosin-Y, metal-free phthalocyanines, cyanine dyes, merocyanine dyes, xanthene dyes, triphenylmethane dyes, and the like.
また、上記増感色素は、分子中に、上記金属酸化物半導体の表面に対する結合基を有していることが好ましい。上記結合基としては、例えば、カルボキシル基;スルホン酸基;シアノ基;−P(O)(OH)2基;−OP(O)(OH)2基等を挙げることができる。中でも、カルボキシル基、−P(O)(OH)2基、−OP(O)(OH)2基を有していることが好ましい。 The sensitizing dye preferably has a bonding group for the surface of the metal oxide semiconductor in the molecule. Examples of the linking group include a carboxyl group; a sulfonic acid group; a cyano group; a —P (O) (OH) 2 group; a —OP (O) (OH) 2 group. Among them, it is preferable to have a carboxyl group, -P (O) (OH) 2 group, or -OP (O) (OH) 2 group.
上記半導体膜に上記増感色素を吸着させる方法としては、従来公知の方法を用いることができ、具体的には、例えば、上記半導体層を増感色素溶液に浸漬する方法、ガス状の増感色素を上記半導体層上に流す方法等を挙げることができる。上記増感色素を溶解する溶媒としては、増感色素を溶解することができる溶媒であれば特に限定されるものではない。具体的には、例えば、水、アルコール、トルエン、ジメチルホルムアミド等を挙げることができる。増感色素を吸着させた上記半導体層は、必要に応じて、洗浄、乾燥、加熱してもよい。 As a method of adsorbing the sensitizing dye to the semiconductor film, a conventionally known method can be used. Specifically, for example, a method of immersing the semiconductor layer in a sensitizing dye solution, gaseous sensitization, or the like. Examples thereof include a method of flowing a dye on the semiconductor layer. The solvent for dissolving the sensitizing dye is not particularly limited as long as it can dissolve the sensitizing dye. Specific examples include water, alcohol, toluene, dimethylformamide and the like. The semiconductor layer on which the sensitizing dye is adsorbed may be washed, dried and heated as necessary.
上記増感色素は、上記金属酸化物半導体層の表面および/または層中に吸着されていることが好ましい。 The sensitizing dye is preferably adsorbed on the surface and / or layer of the metal oxide semiconductor layer.
(3)光電極の製造方法
本発明にかかる光電極は、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされている金属酸化物半導体の粒子を用いて半導体膜形成用塗布剤を調製し、該半導体膜形成用塗布剤を、少なくとも一方の面が導電性を有する透明導電性基板の導電性を有する面に塗布または印刷して、半導体膜を形成し、100℃以上に加熱して製造される。
(3) Method for producing photoelectrode The photoelectrode according to the present invention uses metal oxide semiconductor particles doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. A semiconductor film-forming coating agent is prepared, and the semiconductor film-forming coating agent is applied or printed on a conductive surface of a transparent conductive substrate having at least one surface conductive to form a semiconductor film. It is manufactured by heating to 100 ° C. or higher.
<半導体膜形成用塗布剤>
本発明にかかる光電極の製造方法において用いられる上記半導体膜形成用塗布剤は、上記金属酸化物半導体の粒子を分散媒に均質に分散させることによって作製される。
<Coating agent for semiconductor film formation>
The said coating agent for semiconductor film formation used in the manufacturing method of the photoelectrode concerning this invention is produced by disperse | distributing the said metal oxide semiconductor particle | grains uniformly to a dispersion medium.
上記半導体膜形成用塗布剤を作製する方法としては、上記金属酸化物半導体の粒子が均質に分散される方法であれば特に限定されるものではないが、具体的には、一例として、ゾル−ゲル法、乳鉢ですり潰す方法、ミルを用いて粉砕しながら分散する方法、金属酸化物半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させる方法等を挙げることができる。 The method for preparing the coating agent for forming a semiconductor film is not particularly limited as long as the metal oxide semiconductor particles are uniformly dispersed. Specifically, for example, a sol- Examples thereof include a gel method, a method of grinding with a mortar, a method of dispersing while pulverizing using a mill, and a method of precipitating as fine particles in a solvent when a metal oxide semiconductor is synthesized.
上記金属酸化物半導体と上記分散媒との質量比は、特に限定されるものではないが、上記金属酸化物半導体100質量部に対し、上記分散媒は、0.1〜2000質量部の割合で用いることが好ましく、100〜400質量部の割合で用いることがより好ましく、200〜400質量部の割合で用いることがさらに好ましい。この範囲より小さくなると、半導体膜形成用塗布液は粘稠になりすぎて取り扱いにくくなる。また、この範囲より大きくなると、金属酸化物半導体の量が少なく、製膜が困難であり、太陽電池に用いられたときに十分な光電変換効率を得ることができない。 The mass ratio of the metal oxide semiconductor to the dispersion medium is not particularly limited, but the dispersion medium is 0.1 to 2000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal oxide semiconductor. It is preferable to use it, it is more preferable to use it in the ratio of 100-400 mass parts, and it is still more preferable to use it in the ratio of 200-400 mass parts. If it is smaller than this range, the coating solution for forming a semiconductor film becomes too viscous and difficult to handle. On the other hand, if it is larger than this range, the amount of metal oxide semiconductor is small, film formation is difficult, and sufficient photoelectric conversion efficiency cannot be obtained when used in solar cells.
上記分散媒に分散させる前の金属酸化物半導体の一次粒子の平均粒径は、4nm以上、200nm以下であることが好ましく、10nm以上、50nm以下であることがより好ましい。また、分散媒に分散されている上記金属酸化物半導体の二次粒子の平均粒径は、10nm以上、100μm以下であることが好ましく、10nm以上、700nm以下であることがより好ましい。ここで、二次粒子とは、凝集した一次粒子のことをいう。 The average particle diameter of the primary particles of the metal oxide semiconductor before being dispersed in the dispersion medium is preferably 4 nm or more and 200 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 50 nm or less. The average particle diameter of the secondary particles of the metal oxide semiconductor dispersed in the dispersion medium is preferably 10 nm or more and 100 μm or less, and more preferably 10 nm or more and 700 nm or less. Here, the secondary particles refer to aggregated primary particles.
また、上記金属酸化物半導体の粒子の形状は特に限定されるものではなく、例えば、球状や長球状の粒子を好適に用いることができる。例えば、長球状の粒子を用いる場合には、一次粒子の長径が10nm〜60nmであることが好ましく、30nm〜40nmであることがより好ましい。また、短径と長径の比は、1:2〜1:4であることが好ましい。 Further, the shape of the metal oxide semiconductor particles is not particularly limited, and for example, spherical or oblong particles can be suitably used. For example, when using oblong particles, the major axis of the primary particles is preferably 10 nm to 60 nm, and more preferably 30 nm to 40 nm. The ratio of the minor axis to the major axis is preferably 1: 2 to 1: 4.
上記分散媒としては、水または半導体膜形成用塗布剤に用いられる従来公知の有機溶媒を含むものであれば特に限定されるものではない。上記有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル等を挙げることができる。また、水または上記有機溶媒は、単独で用いてもよいし、2種以上を組合わせて用いてもよい。なお、本明細書において「分散媒」とは、半導体膜形成用塗布剤中、金属酸化物半導体以外のすべての成分をいう。従って、後述する分散助剤も本明細書でいう「分散媒」に含まれる。 The dispersion medium is not particularly limited as long as it contains water or a conventionally known organic solvent used for a semiconductor film-forming coating agent. Examples of the organic solvent include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, and the like. Moreover, water or the said organic solvent may be used independently, and may be used in combination of 2 or more type. In the present specification, the “dispersion medium” refers to all components other than the metal oxide semiconductor in the coating for forming a semiconductor film. Therefore, the dispersion aid described later is also included in the “dispersion medium” in the present specification.
上記分散媒は、上述したように、水や上記有機溶媒を含む従来公知のものであってもよいが、アルキレングリコール、ポリアルキレングリコール、アルキレングリコールのアルキルエーテル、および、ポリアルキレングリコールのアルキルエーテルからなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含む非水系の分散媒であることがより好ましい。 As described above, the dispersion medium may be a conventionally known medium containing water or the above organic solvent, but from alkylene glycol, polyalkylene glycol, alkyl ether of alkylene glycol, and alkyl ether of polyalkylene glycol. A non-aqueous dispersion medium containing at least one compound selected from the group consisting of
上記非水系の分散媒を用いることにより、金属酸化物半導体膜を形成するときに、粘度の調整が容易で、たれや流れが生じて製膜が困難になることや、クラックによる光電変換効率の低下や半導体膜の剥離が起こることを防止することができる。従来より主として用いられている水系の半導体膜形成用塗布剤では、増粘剤として平均分子量が20000のポリエチレングリコールがよく添加されるが、好ましい粘度を得るための添加量の調整が困難である。また、ポリエチレングリコールの平均分子量が200〜4000ではポリエチレングリコールの添加による粘度の増加が見られず、期待するような増粘効果が得られない。これに対し、上記非水系の分散媒では、増粘剤および分散媒を一体化することにより、粘度の調整が容易となる。 By using the non-aqueous dispersion medium, it is easy to adjust the viscosity when forming the metal oxide semiconductor film, and it becomes difficult to form a film by sagging or flowing, and the photoelectric conversion efficiency due to cracks. It is possible to prevent the lowering and peeling of the semiconductor film from occurring. In a water-based semiconductor film-forming coating agent that has been mainly used conventionally, polyethylene glycol having an average molecular weight of 20000 is often added as a thickener, but it is difficult to adjust the addition amount to obtain a preferable viscosity. Moreover, when the average molecular weight of polyethylene glycol is 200 to 4000, the increase in viscosity due to the addition of polyethylene glycol is not observed, and the expected thickening effect cannot be obtained. In contrast, in the non-aqueous dispersion medium, the viscosity can be easily adjusted by integrating the thickener and the dispersion medium.
また、上記非水系の分散媒を用いることにより、従来の水系の分散媒に比べて分散媒が蒸発しにくいため、貯蔵中や、塗布または印刷時に分散媒が蒸発するという問題を克服することができる。すなわち、例えば水溶液に金属酸化物半導体粉末、増粘剤、界面活性剤等を混練して得られる、水系の分散媒を用いる二酸化チタンペーストは、貯蔵安定性と製膜性が悪く、焼結する際クラックが生じたり、膜が剥がれやすいなどの欠点がある。これは、貯蔵時や、塗布または印刷時に分散媒が蒸発することによる。特に、塗布または印刷時に分散媒が蒸発すると、塗布または印刷された半導体形成用塗布剤の適切な粘度を維持することができない。これにより、焼結時にクラックが生じたり、半導体膜が剥がれ、製膜性が悪くなる。上記非水系の分散媒を用いることにより、このような問題が解消され、半導体膜形成用塗布剤の貯蔵安定性や製膜性がよくなる。 Further, by using the non-aqueous dispersion medium, the dispersion medium is less likely to evaporate than the conventional aqueous dispersion medium, so that the problem that the dispersion medium evaporates during storage or during coating or printing can be overcome. it can. That is, for example, titanium dioxide paste using an aqueous dispersion medium obtained by kneading a metal oxide semiconductor powder, a thickener, a surfactant, etc. in an aqueous solution has poor storage stability and film-forming properties, and sinters. There are drawbacks such as cracks and the film being easily peeled off. This is due to evaporation of the dispersion medium during storage and during application or printing. In particular, when the dispersion medium evaporates during application or printing, the appropriate viscosity of the applied or printed semiconductor forming coating agent cannot be maintained. Thereby, a crack arises at the time of sintering, a semiconductor film peels off, and film forming property worsens. By using the non-aqueous dispersion medium, such a problem is solved, and the storage stability and film forming property of the coating agent for forming a semiconductor film are improved.
また、適切な粘度を維持することが可能となるため、上記非水系の分散媒を用いた半導体膜形成用塗布剤は、スクリーン印刷に好適に用いることが可能となる。スクリーン印刷は、量産性が高く、また、微細パターンや異形パターンへの適応性に優れていることから、工業化、実用化に適した塗布方法である。 In addition, since an appropriate viscosity can be maintained, the semiconductor film-forming coating agent using the non-aqueous dispersion medium can be suitably used for screen printing. Screen printing is a coating method suitable for industrialization and practical application because of its high mass productivity and excellent adaptability to fine patterns and irregular patterns.
さらに、かかる非水系の分散媒を用いることにより、加熱または焼結時に、塗布または印刷時には揮発しないような分散媒が揮発するため、多孔性が向上した半導体膜が得られる。これにより、金属酸化物半導体の単位質量当りの太陽光の照射面積も増大するので、該半導体膜を用いた太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。 Furthermore, by using such a non-aqueous dispersion medium, the dispersion medium that does not volatilize during heating or sintering is volatilized, so that a semiconductor film with improved porosity can be obtained. Thereby, since the irradiation area of the sunlight per unit mass of the metal oxide semiconductor is also increased, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell using the semiconductor film can be improved.
上記アルキレングリコールとしては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール等を挙げることができる。上記ポリアルキレングリコールとしては、例えば、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等を挙げることができる。上記アルキルエーテルとしては、例えば、モノメチルエーテル、モノエチルエーテル、モノプロピルエーテル等を挙げることができる。中でも、ポリエチレングリコールを用いることがより好ましい。 Examples of the alkylene glycol include ethylene glycol and propylene glycol. Examples of the polyalkylene glycol include diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, dipropylene glycol, and polypropylene glycol. Examples of the alkyl ether include monomethyl ether, monoethyl ether, monopropyl ether, and the like. Among these, it is more preferable to use polyethylene glycol.
また、全分散媒を100質量%としたときに、上記化合物の群より選ばれる少なくとも1種の化合物が含まれる割合は、10質量%以上であることが好ましく、30質量%以上であることがより好ましく、40質量%以上であることがさらに好ましい。これにより、半導体膜形成用塗布剤の粘度の調整が容易となる。従って、上記化合物の群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含む分散媒には、上記化合物以外の他の成分が含まれていてもよい。ここで、上記他の成分とは、上記化合物の群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含む分散媒中、上記化合物以外の全ての成分をいい、溶媒や後述する分散助剤を含む。上記溶媒は、非水溶媒であることが好ましく、具体的には、例えば、エタノール、プロパノール、酢酸エチル等を挙げることができる。また、該溶媒は、単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、上記溶媒を、加熱等により除去したものを半導体膜形成用塗布剤としてもよい。 Further, when the total dispersion medium is 100% by mass, the ratio of at least one compound selected from the group of the above compounds is preferably 10% by mass or more, and more preferably 30% by mass or more. More preferably, it is more preferably 40% by mass or more. Thereby, adjustment of the viscosity of the coating agent for forming a semiconductor film is facilitated. Therefore, the dispersion medium containing at least one compound selected from the group of the above compounds may contain components other than the above compounds. Here, said other component means all components other than the said compound in the dispersion medium containing the at least 1 sort (s) of compound chosen from the group of the said compound, and contains a solvent and the dispersion aid mentioned later. The solvent is preferably a non-aqueous solvent, and specific examples include ethanol, propanol, and ethyl acetate. Moreover, this solvent may be used independently and may be used in combination of 2 or more type. Moreover, what remove | eliminated the said solvent by heating etc. is good also as a coating agent for semiconductor film formation.
上記ポリアルキレングリコールおよび上記ポリアルキレングリコールのアルキルエーテル等のポリマーは、低分子量のポリマーから高分子量のポリマーまで、求める粘度等に応じて種々のポリマーを用いることができる。具体的には、例えば、ポリアルキレングリコールの平均分子量は、106〜400000であることが好ましく、200〜20000であることがさらに好ましい。また、異なる平均分子量のポリマーを組合わせて用いてもよい。さらに、高分子量である粉末状のポリマーと、液体状のポリマーとを組み合わせて用いてもよい。なお、粉末状のポリマーは、適当な有機溶媒に溶解して用いることができる。 As the polymer such as the polyalkylene glycol and the alkyl ether of the polyalkylene glycol, various polymers can be used from a low molecular weight polymer to a high molecular weight polymer depending on the desired viscosity. Specifically, for example, the average molecular weight of the polyalkylene glycol is preferably 106 to 400000, and more preferably 200 to 20000. Further, polymers having different average molecular weights may be used in combination. Further, a powdery polymer having a high molecular weight and a liquid polymer may be used in combination. The powdered polymer can be used after being dissolved in an appropriate organic solvent.
上記分散媒は、さらに、キレート剤、粒子凝集防止剤、安定剤、増粘剤、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸、界面活性剤等を分散助剤として含んでいてもよい。
<半導体膜の形成方法>
上記半導体膜形成用塗布剤を用いて、基板上に半導体膜を形成する方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を用いることができる。具体的には、例えば、上記半導体膜形成用塗布剤を基板に塗布する塗布方法、印刷する印刷方法、ゾル−ゲル法等を挙げることができる。中でも、塗布方法、印刷方法を用いることが好ましい。これにより、光電極の量産化、基板の融通性の点で有利となるからである。
The dispersion medium may further contain a chelating agent, a particle aggregation inhibitor, a stabilizer, a thickener, zirconium oxide (ZrO 2 ), an acid, a surfactant, and the like as a dispersion aid.
<Method for forming semiconductor film>
A method for forming a semiconductor film on a substrate using the semiconductor film-forming coating agent is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. Specifically, for example, a coating method for coating the substrate film forming coating agent on a substrate, a printing method for printing, a sol-gel method, and the like can be given. Among these, it is preferable to use a coating method or a printing method. This is advantageous in terms of mass production of photoelectrodes and substrate flexibility.
塗布方法としては、例えば、ロール法、浸漬法、エアーナイフ法、ブレード法、ワイヤーバー法、スライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法、ナイフコーター法、ドクターブレード法、シャワー等の各種塗装方法を挙げることができる。 Examples of coating methods include roll method, dipping method, air knife method, blade method, wire bar method, slide hopper method, extrusion method, curtain method, spin method, spray method, knife coater method, doctor blade method, shower And various coating methods.
印刷方法としては、例えば、凸版印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、凹版印刷法、ゴム版印刷法、スクリーン印刷法等の各種印刷法を用いることができる。上記印刷法の中でも、特に大量生産に適したスクリーン印刷法を用いることが好ましい。 As the printing method, for example, various printing methods such as a relief printing method, an offset printing method, a gravure printing method, an intaglio printing method, a rubber plate printing method, a screen printing method and the like can be used. Among the above printing methods, it is preferable to use a screen printing method particularly suitable for mass production.
上記の方法で透明導電性基板上に形成された金属酸化物半導体膜は、電荷移動層に対して、金属酸化物半導体膜の形状を維持することができるものであればよい。従って、透明導電性基板上に形成された金属酸化物半導体膜は、乾燥してそのまま用いてもよいし、加熱してもよい。また、加熱の中でも、焼結することがより好ましい。ここで、焼結とは、金属酸化物半導体膜を融点以下の温度で熱処理することにより、金属酸化物半導体粒子間の結合を生じさせることをいう。焼結することにより、金属酸化物半導体の粒子相互間および透明導電性基板と金属酸化物半導体の粒子間の結合が生じるため、これらの接着性を高め、膜強度を増加させることが可能となる。また、分散媒の不揮発性成分を揮発させることにより、金属酸化物半導体膜の多孔性を向上することができる。 The metal oxide semiconductor film formed on the transparent conductive substrate by the above method may be any film that can maintain the shape of the metal oxide semiconductor film with respect to the charge transfer layer. Therefore, the metal oxide semiconductor film formed on the transparent conductive substrate may be dried and used as it is, or may be heated. Moreover, it is more preferable to sinter among heating. Here, the term “sintering” means that the metal oxide semiconductor film is heat-treated at a temperature equal to or lower than the melting point, thereby causing bonding between the metal oxide semiconductor particles. By sintering, bonding between the metal oxide semiconductor particles and between the transparent conductive substrate and the metal oxide semiconductor particles occurs, so that it is possible to enhance the adhesion and increase the film strength. . Further, the porosity of the metal oxide semiconductor film can be improved by volatilizing the nonvolatile component of the dispersion medium.
上記加熱または焼結の温度は、100〜700℃であることが好ましく、180〜550℃であることがより好ましく、450〜500℃であることがさらに好ましい。また、加熱または焼結の時間は、10分〜5時間とすることが好ましく、30分〜1時間とすることがより好ましい。 The heating or sintering temperature is preferably 100 to 700 ° C, more preferably 180 to 550 ° C, and further preferably 450 to 500 ° C. The heating or sintering time is preferably 10 minutes to 5 hours, more preferably 30 minutes to 1 hour.
(4)太陽電池
本発明にかかる太陽電池は、上記光電極と、対極と、該光電極と対極とに接触する電荷移動層とを含むものである。上記光電極に光を照射することによって生じた励起電子は、金属酸化物半導体層に注入され、光電極内を移動して、外部回路を通って対極に移動する。対極に移動した電子は電荷移動層のメディエーター等によって運ばれ、光電極に戻る。このようにして、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
(4) Solar cell The solar cell according to the present invention includes the photoelectrode, a counter electrode, and a charge transfer layer in contact with the photoelectrode and the counter electrode. Excited electrons generated by irradiating the photoelectrode with light are injected into the metal oxide semiconductor layer, move in the photoelectrode, and move to the counter electrode through an external circuit. The electrons that have moved to the counter electrode are carried by the mediator or the like of the charge transfer layer and return to the photoelectrode. In this way, light energy is converted into electrical energy.
<対極>
上記対極としては、電極として用いられるものであれば特に限定されるものではない。具体的には、例えば、基板上に導電層を形成した導電性基板上に炭素、白金等の層を蒸着またはスパッタしたもの、または塩化白金酸を塗布した後、加熱分解して白金層としたものが好ましく、白金をスパッタした導電性ガラス基板がより好ましい。
<Counter electrode>
The counter electrode is not particularly limited as long as it is used as an electrode. Specifically, for example, a layer obtained by depositing or sputtering a layer of carbon, platinum or the like on a conductive substrate having a conductive layer formed on the substrate, or after applying chloroplatinic acid and then thermally decomposing it into a platinum layer. A conductive glass substrate on which platinum is sputtered is more preferable.
<電荷移動層>
さらに、電荷移動層としては、例えば、酸化種および還元種を含む電解液や、酸化種および還元種を含む電解液を高分子マトリックスでゲル化させたもの等の電解質、導電性高分子、p型半導体によるホール輸送層等を挙げることができる。
<Charge transfer layer>
Furthermore, as the charge transfer layer, for example, an electrolyte such as an electrolytic solution containing an oxidizing species and a reducing species, an electrolyte solution containing an oxidizing species and a reducing species gelled with a polymer matrix, a conductive polymer, p And a hole transport layer made of a type semiconductor.
また、上記酸化種および還元種としては、特に限定されるものではないが、ヨウ化リチウムまたはヨウ化カリウムとヨウ素とを用いることがより好ましい。 Further, the oxidizing species and reducing species are not particularly limited, but it is more preferable to use lithium iodide or potassium iodide and iodine.
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to this.
なお、各実施例、比較例における測定評価方法は以下のとおりである。 In addition, the measurement evaluation method in each Example and a comparative example is as follows.
1)フーリエ変換赤外吸収スペクトル(FT−IR)測定
FT−IR測定は、Bruker社製IFS113V型および日立製作所製260−50型フーリエ変換赤外分光光度計を使用し、分解能は4cm−1で測定した。測定試料は、乳鉢でKBrと混合し、粉末状とした後、錠剤成型器でペレット状にしたものを用いた。
1) Fourier transform infrared absorption spectrum (FT-IR) measurement The FT-IR measurement uses Bruker IFS113V type and Hitachi 260-50 type Fourier transform infrared spectrophotometer, and the resolution is 4 cm- 1 . It was measured. The measurement sample was mixed with KBr in a mortar to form a powder and then pelletized with a tablet molding machine.
2)XPS分析
XPS分析は、Kratos社のAXIS−Ultraを用い、励起X線源:モノクロA1−Kα線(1486.6eV)、光電子検出角度90°(試料表面から)、検出深さ:<10nm、帯電中和銃:使用(低速電子を照射)の条件で行った。
2) XPS analysis The XPS analysis uses AXIS-Ultra from Kratos, excitation X-ray source: monochrome A1-Kα ray (1486.6 eV), photoelectron detection angle 90 ° (from sample surface), detection depth: <10 nm , Charge neutralization gun: It was performed under the conditions of use (irradiation with low-speed electrons).
3)昇温脱離法(TPD;Temperature Programed Desorption)測定
TPD測定は、昇温脱離ガス分析装置(TPD,Model Thermo Plus TPD Type V)を用いて、粉末試料をPtセル(直径6mm、高さ2.5mm)に充填し、測定温度範囲:40〜900℃、昇温速度:10℃/min、測定モードTIC(スキャン):m/e=1〜100、測定開始真空度:≦2.0×10−6Paの条件で行った。
3) Temperature-programmed desorption (TPD) measurement TPD measurement uses a temperature-programmed desorption gas analyzer (TPD, Model Thermo Plus TPD Type V), and a powder sample is placed in a Pt cell (
4)比表面積及び細孔分布
全自動ガス吸着測定装置(オートソープ−1、湯浅アイオニクス製)を用いて、BET法(気体吸着法)により、二酸化チタン半導体膜の比表面積を測定した。比表面積はBET1点法と多点法により、細孔分布はBJH法により算出した。
4) Specific surface area and pore distribution The specific surface area of the titanium dioxide semiconductor film was measured by the BET method (gas adsorption method) using a fully automatic gas adsorption measuring apparatus (Autosoap-1, manufactured by Yuasa Ionics). The specific surface area was calculated by the BET single point method and the multipoint method, and the pore distribution was calculated by the BJH method.
5)増感色素の吸着量
増感色素を吸着させた電極をエタノールのアルカリ性溶液に2時間浸漬し、増感色素を脱色させた。上記エタノールのアルカリ性溶液の紫外可視スペクトルを紫外可視分光光度計(U−3310、日立製作所製)を用いて測定した。次に、増感色素の検量線に基づき、吸収強度から吸着量を換算した。
5) Adsorption amount of sensitizing dye The electrode on which the sensitizing dye was adsorbed was immersed in an alkaline solution of ethanol for 2 hours to decolorize the sensitizing dye. The ultraviolet-visible spectrum of the alkaline solution of ethanol was measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer (U-3310, manufactured by Hitachi, Ltd.). Next, the adsorption amount was converted from the absorption intensity based on the calibration curve of the sensitizing dye.
6)電流・電圧特性
ポテンショスタット(Potentiostat/Galvanostat 2090、東方技研製)を用いて、太陽電池の光電流密度Jsc(mA・cm−2)、開放電圧Voc(mV)を測定し、その曲線から、フィルファクターFF及び光電変換効率(%)を求めた。
6) Current / voltage characteristics Using a potentiostat (Potentiostat / Galvanostat 2090, manufactured by Toho Giken), the photocurrent density Jsc (mA · cm −2 ) and the open-circuit voltage Voc (mV) of the solar cell were measured, and from the curve The fill factor FF and the photoelectric conversion efficiency (%) were determined.
〔実施例1〕
市販のアナターゼ型二酸化チタン粒子(石原産業製、平均粒径7nm、比表面積315m2/g)を出発原料として、これを窒素および炭素を含有するガス雰囲気下で熱処理することにより、窒素(3000wtppm)と炭素(150wtppm)とをドープしたアナターゼ型二酸化チタン粒子(平均短径約10nm、平均長径約30nmの長球状の一次粒子)を合成した。
[Example 1]
Nitrogen (3000 wtppm) was obtained by heat-treating commercially available anatase-type titanium dioxide particles (Ishihara Sangyo, average particle size 7 nm, specific surface area 315 m 2 / g) in a gas atmosphere containing nitrogen and carbon. And carbon (150 wtppm) -doped anatase-type titanium dioxide particles (primary spherical particles having an average minor axis of about 10 nm and an average major axis of about 30 nm) were synthesized.
この窒素と炭素とがドープされた二酸化チタン粒子について、KBr法によるフーリエ変換赤外吸収スペクトルを測定した。測定されたスペクトル図を図4および図5に示す。図4および図5に示されるように、波数580cm−1および340cm−1に吸収ピークがあることが認められた。上記吸収ピークは、ドープされた炭素および窒素に基づくものである。 For the titanium dioxide particles doped with nitrogen and carbon, a Fourier transform infrared absorption spectrum by the KBr method was measured. The measured spectrum diagrams are shown in FIGS. As shown in FIGS. 4 and 5, it was confirmed that an absorption peak at a wavenumber of 580 cm -1 and 340 cm -1. The absorption peak is based on doped carbon and nitrogen.
また、この窒素と炭素とがドープされた二酸化チタン粒子について、XPS分析を行った。得られた測定結果を図2に示す。図2において、一番結合エネルギーの低い側のピークは、Ti−N−Tiの結合状態にある窒素の濃度を表している。また、中央部分のピークは、Ti−N−Oの結合状態にある窒素の濃度を表している。なお、一番結合エネルギーの高い側のピークは、NHxの形で二酸化チタン微粒子の表面に吸着されている窒素の濃度を表しており、Tiとの強固な結合を有しているものではない。図2から明らかなように、窒素と炭素とをドープした二酸化チタン微粒子については、二酸化チタンの酸素原子が窒素に置き換わったTi−N−Tiの結合状態が多く検出され、また、Ti−Oの隙間に入り込んだ状態であるTi−N−Oの結合状態も検出されている。 Further, XPS analysis was performed on the titanium dioxide particles doped with nitrogen and carbon. The obtained measurement results are shown in FIG. In FIG. 2, the peak with the lowest binding energy represents the concentration of nitrogen in the Ti—N—Ti bond state. The peak at the center represents the concentration of nitrogen in the Ti—N—O bond state. The peak with the highest binding energy represents the concentration of nitrogen adsorbed on the surface of the titanium dioxide fine particles in the form of NH x , and does not have a strong bond with Ti. . As is clear from FIG. 2, in the titanium dioxide fine particles doped with nitrogen and carbon, many Ti—N—Ti bonding states in which oxygen atoms of titanium dioxide are replaced with nitrogen are detected. A Ti—N—O bond state, which is in the gap, is also detected.
次に、この窒素と炭素とがドープされた二酸化チタン粒子について、昇温脱離法(TPD;Temperature Programed Desorption)による各種脱離ガスのスペクトルを測定した。図6〜図9に、昇温脱離法による各種脱離ガスのスペクトルを示す。実線で示されているものが、この窒素と炭素がドープされた二酸化チタン粒子のものである。また、破線で示されているものは、窒素のみがドープされた二酸化チタン粒子のものである。脱離ガスは、それぞれ、図6がN2、図7がH2、図8がCO2、図9がm/e=68である成分について示したものである。図6〜図9に示したとおり、N2、H2、CO2、m/e=68である成分はいずれも、700℃以上において脱離ピークが認められる。 Next, with respect to the titanium dioxide particles doped with nitrogen and carbon, spectra of various desorbed gases by a temperature programmed desorption (TPD) were measured. 6 to 9 show spectra of various desorption gases obtained by the temperature programmed desorption method. What is indicated by a solid line is that of the titanium dioxide particles doped with nitrogen and carbon. What is indicated by a broken line is that of titanium dioxide particles doped only with nitrogen. FIG. 6 shows the desorbed gas, N 2 in FIG. 6, H 2 in FIG. 7, CO 2 in FIG. 8, and m / e = 68 in FIG. As shown in FIG. 6 to FIG. 9, the desorption peak is observed at 700 ° C. or higher for all of the components where N 2 , H 2 , CO 2 and m / e = 68.
このように、700℃以上の高温域に観測される脱離ピークは、2種類以上の元素がドープされた二酸化チタン粒子の構造の一部を形成している窒素、水素、炭素が放出されたことによるものと推測される。このように、本発明の光電池に用いられている、2種類以上の元素がドープされた二酸化チタン微粒子においては、ドープされた窒素、水素、炭素は、二酸化チタンとより強固な結合状態を有している。なお、700℃未満の低温域においても、ピークは観測されるが、これらは、二酸化チタン微粒子の表面に吸着されたNH3、H2O等に起因するガスが放出されたものであり、実質的な格子構造に寄与する窒素、水素、炭素によるものではない。また図9は、上記のようにm/e=68である成分についてのスペクトルを示したものであるが、具体的な物質名は未だ不明である。しかしながら、図9からも明らかなように、この物質の脱離ピーク温度は、窒素のみをドープした二酸化チタン微粒子においては約370℃であるのに対して、窒素と炭素とをドープした二酸化チタンの粒子においては700℃以上を示すものである。従って、このm/e=68である成分が二酸化チタンと強固に結合していることが、2種類以上の元素をドープした二酸化チタンがすぐれた熱安定性を示す要因となっていると考えられる。 Thus, the desorption peak observed in the high temperature region of 700 ° C. or higher is the release of nitrogen, hydrogen, and carbon that form part of the structure of titanium dioxide particles doped with two or more elements. This is presumed to be due to this. Thus, in the titanium dioxide fine particles doped with two or more elements used in the photovoltaic cell of the present invention, the doped nitrogen, hydrogen, and carbon have a stronger bonding state with titanium dioxide. ing. In addition, although peaks are observed even in a low temperature region of less than 700 ° C., these are the ones in which gases caused by NH 3 , H 2 O, etc. adsorbed on the surface of the titanium dioxide fine particles are released, It is not due to nitrogen, hydrogen, or carbon contributing to a general lattice structure. FIG. 9 shows the spectrum of the component with m / e = 68 as described above, but the specific substance name is still unknown. However, as is apparent from FIG. 9, the desorption peak temperature of this substance is about 370 ° C. in the case of titanium dioxide fine particles doped only with nitrogen, whereas that of titanium dioxide doped with nitrogen and carbon. The particles show 700 ° C. or higher. Therefore, the fact that this component of m / e = 68 is firmly bonded to titanium dioxide is considered to be a factor that shows excellent thermal stability of titanium dioxide doped with two or more elements. .
この窒素と炭素とをドープしたアナターゼ型二酸化チタン粉末3gに、平均分子量600のエチレングリコール(5.01g)、エタノール(7.5mL)、二酸化ジルコニウム(30g)を加え、ペイントシェーカーで4時間振り混ぜて分散させた後、エタノールを加熱によって除去して、二酸化チタン膜形成用塗布剤としてのペーストを調製した。 To 3 g of anatase-type titanium dioxide powder doped with nitrogen and carbon, ethylene glycol (5.01 g) with an average molecular weight of 600, ethanol (7.5 mL), and zirconium dioxide (30 g) are added and shaken for 4 hours with a paint shaker. Then, ethanol was removed by heating to prepare a paste as a coating agent for forming a titanium dioxide film.
次に、このペーストを用いて、フッ素がドープされたSnO2が導電層として形成されているガラス基板の該導電層上に、スクリーン印刷法により、膜厚12μm、面積0.2cm2の半導体膜を形成し、電気炉で徐々に450℃まで昇温し、この温度で30分間焼結した。得られた半導体膜の、細孔分布は10〜80nm(直径)、比表面積は、110m2/gであり、多孔性の向上した半導体膜が得られた。 Next, by using this paste, a semiconductor film having a film thickness of 12 μm and an area of 0.2 cm 2 is formed on the conductive layer of the glass substrate on which SnO 2 doped with fluorine is formed as a conductive layer by a screen printing method. Was heated gradually to 450 ° C. in an electric furnace and sintered at this temperature for 30 minutes. The obtained semiconductor film had a pore distribution of 10 to 80 nm (diameter), a specific surface area of 110 m 2 / g, and a semiconductor film with improved porosity was obtained.
続いて、ルテニウムビピリジン錯体(N719、Solaronix社製)を、3×10−4mol/Lとなるようにメタノールに溶解した。この溶液に得られた半導体膜を浸漬し、室温にて12時間放置した。その後、ルテニウムビピリジン錯体が吸着した半導体膜をメタノールで洗浄し、乾燥して、本発明の光電極を製造した。ルテニウムビピリジン錯体の吸着量は、7.8×10−8mol/cm2で、改良前の二酸化チタンを用いた場合と比べて、25%増加した。 Subsequently, a ruthenium bipyridine complex (N719, manufactured by Solaronix) was dissolved in methanol so as to be 3 × 10 −4 mol / L. The obtained semiconductor film was immersed in this solution and allowed to stand at room temperature for 12 hours. Thereafter, the semiconductor film adsorbed with the ruthenium bipyridine complex was washed with methanol and dried to produce the photoelectrode of the present invention. The adsorption amount of the ruthenium bipyridine complex was 7.8 × 10 −8 mol / cm 2 , an increase of 25% compared to the case of using titanium dioxide before improvement.
別の導電性膜を設けるガラス基板上に、スパッタリングにより、白金膜を形成し、対極を製造した。上記の光電極と対極との間に、0.1mol/LのLiIと、0.1mol/Lのヨウ素とを含むメトキシアセトニトリルからなる電解液を注入し、太陽電池Aを製造した。 A platinum film was formed by sputtering on a glass substrate on which another conductive film was provided to produce a counter electrode. An electrolyte solution composed of methoxyacetonitrile containing 0.1 mol / L LiI and 0.1 mol / L iodine was injected between the photoelectrode and the counter electrode to manufacture a solar cell A.
製造した太陽電池Aにキセノンランプ(ATAGO BUSSAN Co.,LTD 社、XC-300)を用いて、強度100mW/cm2(波長分布AM1.5)の擬似太陽光を照射し、電流密度−電圧特性を測定し、電池性能を評価した。その結果を図1および表1に示す。 The manufactured solar cell A is irradiated with simulated sunlight having an intensity of 100 mW / cm 2 (wavelength distribution AM1.5) using a xenon lamp (ATAGO BUSSAN Co., Ltd., XC-300), and the current density-voltage characteristics. Was measured and battery performance was evaluated. The results are shown in FIG.
〔比較例1〕
市販のアナターゼ型二酸化チタン粉末(P25、Nippon Aerosil 社、平均粒径約25nm)3gに平均分子量が600のポリエチレングリコール(5.01g)、エタノール(7.5mL)、二酸化ジルコニウム(30g)を加え、ペイントシェーカーで4時間振り混ぜて分散させた後、エタノールを加熱によって除去して、半導体膜形成用塗布剤としてのペーストを調製した。次に、このペーストを用いて、実施例1と同様にして太陽電池Bを製造した。
[Comparative Example 1]
Polyethylene glycol (5.01 g) having an average molecular weight of 600, ethanol (7.5 mL), zirconium dioxide (30 g) is added to 3 g of commercially available anatase-type titanium dioxide powder (P25, Nippon Aerosil, average particle size of about 25 nm), After shaking and dispersing for 4 hours with a paint shaker, ethanol was removed by heating to prepare a paste as a coating agent for forming a semiconductor film. Next, using this paste, a solar cell B was produced in the same manner as in Example 1.
製造した太陽電池Bは実施例1と同様にして電池性能を評価した。その結果を図1および表1に示す。 The manufactured solar battery B was evaluated for battery performance in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
〔比較例2〕
市販のアナターゼ型二酸化チタンペースト(Solarnix 社、Ti−Nanoxide D)を用いて、実施例1と同様にして太陽電池Cを製造した。
[Comparative Example 2]
A solar cell C was produced in the same manner as in Example 1 using a commercially available anatase-type titanium dioxide paste (Solarnix, Ti-Nanoxide D).
製造した太陽電池Cは実施例1と同様にして電池性能を評価した。その結果を図1および表1に示す。 The produced solar cell C was evaluated for battery performance in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
図1および表1から、窒素と炭素とがドープされた二酸化チタンをポリエチレングリコールを分散媒として分散させたペーストを用いて製造した太陽電池Aでは、太陽電池Bおよび太陽電池Cと比較して、光電流密度と光電変換効率とが飛躍的に向上していることがわかる。市販のアナターゼ型チタンペーストを用いた場合と比較すると、光電変換効率は、35%向上している。 From FIG. 1 and Table 1, in solar cell A manufactured using a paste in which titanium dioxide doped with nitrogen and carbon is dispersed using polyethylene glycol as a dispersion medium, compared with solar cell B and solar cell C, It can be seen that the photocurrent density and photoelectric conversion efficiency are dramatically improved. Compared with the case where a commercially available anatase type titanium paste is used, the photoelectric conversion efficiency is improved by 35%.
本発明にかかる光電極が含む金属酸化物半導体層の金属酸化物半導体は、以上のように、炭素、水素、窒素、および、硫黄からなる群より選ばれる少なくとも2種の元素がドープされているので、バンドギャップが制御される。それゆえ、該光電極を用いた色素増感型太陽電池の電子注入や電子、電荷輸送特性が改善され、太陽電池の光電変換効率を向上させることができるという効果を奏する。 As described above, the metal oxide semiconductor of the metal oxide semiconductor layer included in the photoelectrode according to the present invention is doped with at least two elements selected from the group consisting of carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Therefore, the band gap is controlled. Therefore, the electron injection, electron, and charge transport characteristics of the dye-sensitized solar cell using the photoelectrode are improved, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be improved.
色素増感型太陽電池は、光電変換効率を少しでも向上させるために、電極、色素、その他様々な研究が行われ日々進歩しているが、それらの技術に加えて本発明に係る光電極を用いれば、更なる光電変換効率の大幅な向上が期待できるのである。 In order to improve the photoelectric conversion efficiency even a little, dye-sensitized solar cells have been developed every day by various researches on electrodes, dyes, etc. In addition to these techniques, the photoelectrode according to the present invention is used. If used, further significant improvement in photoelectric conversion efficiency can be expected.
したがって、色素増感型太陽電池の実用化への道が開かれる。色素増感型太陽電池の特性を生かして、次のような、様々な産業上の用途がある。例えば、屋内用小型電池をはじめ、屋外発電用電池、窓ガラスや壁用の透明電池、玩具用電池、僻地電源用電池等いろいろな応用が考えられる。さらに、太陽電池をフィルム状に仕上げたり、様々な天然色素を用いて多色化したり、今までにない新しいスタイルの太陽電池も製造できる。そのため、色素増感型太陽電池は、高価なエネルギー消費型のシリコン太陽電池の代わりに、次世代太陽光発電の担い手として極めて期待が大きい。 Therefore, the road to practical use of dye-sensitized solar cells is opened. Utilizing the characteristics of the dye-sensitized solar cell, there are various industrial uses as follows. For example, various applications such as a small battery for indoor use, a battery for outdoor power generation, a transparent battery for window glass and walls, a battery for toys, and a battery for remote power supply are conceivable. Furthermore, the solar cell can be finished in a film form, multicolored using various natural pigments, and new style solar cells can be produced. For this reason, dye-sensitized solar cells are extremely promising as next generation solar power generators instead of expensive energy consuming silicon solar cells.
Claims (7)
該透明導電性基板の導電性を有する面に形成されている、金属酸化物半導体の粒子を含有する金属酸化物半導体層とを含んだ光電極であって、
当該金属酸化物半導体は、二酸化チタンであり、
当該金属酸化物半導体は、炭素と窒素とがドープされており、
窒素が700wtppm以上、10000wtppm以下の濃度でドープされており、
炭素が50wtppm以上、1500wtppm以下の濃度でドープされていることを特徴とする光電極。 A transparent conductive substrate having at least one surface conductive;
A photoelectrode including a metal oxide semiconductor layer containing metal oxide semiconductor particles formed on the conductive surface of the transparent conductive substrate,
The metal oxide semiconductor is titanium dioxide,
The metal oxide semiconductor is doped with carbon and nitrogen ,
Nitrogen is doped at a concentration of 700 wtppm or more and 10000 wtppm or less,
A photoelectrode, wherein carbon is doped at a concentration of 50 wtppm or more and 1500 wtppm or less .
該半導体膜形成用塗布剤を、少なくとも一方の面が導電性を有する透明導電性基板の導電性を有する面に塗布または印刷して、半導体膜を形成し、100℃以上に加熱する光電極の製造方法において、
金属酸化物半導体として、炭素と窒素とがドープされている二酸化チタンであって、窒素が700wtppm以上、10000wtppm以下の濃度でドープされており、炭素が50wtppm以上、1500wtppm以下の濃度でドープされている二酸化チタンを用いることを特徴とする光電極の製造方法。 Prepare a coating agent for forming a semiconductor film using metal oxide semiconductor particles,
A semiconductor film-forming coating agent is applied or printed on a conductive surface of a transparent conductive substrate having at least one surface of a conductive material to form a semiconductor film and heated to 100 ° C. or higher. In the manufacturing method,
Titanium dioxide doped with carbon and nitrogen as a metal oxide semiconductor, nitrogen is doped at a concentration of 700 wtppm or more and 10,000 wtppm or less, and carbon is doped at a concentration of 50 wtppm or more and 1500 wtppm or less A method for producing a photoelectrode, characterized by using titanium dioxide .
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