JP5396851B2 - Photoelectric conversion element and solar cell - Google Patents
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Description
本発明は光電変換素子及び太陽電池に関し、特に色素増感型光電素子及びそれを用いた太陽電池に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a solar cell, and more particularly to a dye-sensitized photoelectric element and a solar cell using the same.
近年、無限で有害物質を発生しない太陽光の利用が精力的に検討されている。このクリーンエネルギー源である太陽光利用として現在実用化されているものは、住宅用の単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びテルル化カドミウムやセレン化インジウム銅等の無機系太陽電池が挙げられる。 In recent years, the use of sunlight, which is infinite and does not generate harmful substances, has been energetically studied. What is currently put into practical use as solar energy, which is a clean energy source, includes residential single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, and inorganic solar cells such as cadmium telluride and indium copper selenide. .
しかしながら、これらの無機系太陽電池の欠点としては、例えば、シリコン系では非常に純度の高いものが要求され、当然精製の工程は複雑でプロセス数が多く、製造コストが高いことが挙げられる。 However, the disadvantages of these inorganic solar cells are that, for example, silicon-based solar cells are required to have a very high purity. Naturally, the purification process is complicated, the number of processes is large, and the production cost is high.
その一方で、有機材料を使う太陽電池も多く提案されている。有機太陽電池としては、p型有機半導体と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型光電変換素子、p型有機半導体とn型無機半導体、あるいはp型有機半導体と電子受容性有機化合物を接合させるヘテロ接合型光電変換素子等があり、利用される有機半導体はクロロフィル、ペリレン等の合成色素や顔料、ポリアセチレン等の導電性高分子材料、またはそれらの複合材料等である。これらを真空蒸着法、キャスト法またはディッピング法等により薄膜化し、電池材料が構成されている。有機材料は低コスト、大面積化が容易等の長所があるが、光電変換効率は1%以下と低いものが多く、また耐久性も悪いという問題があった。 On the other hand, many solar cells using organic materials have been proposed. As an organic solar cell, a Schottky photoelectric conversion element that joins a p-type organic semiconductor and a metal having a low work function, a p-type organic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor, or a p-type organic semiconductor and an electron-accepting organic compound are joined. There are heterojunction photoelectric conversion elements, and organic semiconductors used are synthetic dyes and pigments such as chlorophyll and perylene, conductive polymer materials such as polyacetylene, or composite materials thereof. These are thinned by a vacuum deposition method, a casting method, a dipping method, or the like to form a battery material. Although organic materials have advantages such as low cost and easy area enlargement, there are many problems that the photoelectric conversion efficiency is as low as 1% or less, and the durability is poor.
こうした状況の中で、良好な特性を示す太陽電池が、スイスのグレッツェル博士らによって報告された(例えば、非特許文献1参照)。提案された電池は色素増感型太陽電池であり、ルテニウム錯体で分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池である。この方式の利点は酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度まで精製する必要がないこと、従って安価で、さらに利用できる光は広い可視光領域にまで亘っており、可視光成分の多い太陽光を有効に電気へ変換できることである。 Under such circumstances, a solar cell exhibiting good characteristics has been reported by Dr. Gretzell of Switzerland (see, for example, Non-Patent Document 1). The proposed battery is a dye-sensitized solar cell, which is a wet solar cell using a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized with a ruthenium complex as a working electrode. The advantage of this method is that it is not necessary to purify inexpensive oxide semiconductors such as titanium oxide to high purity, and therefore, it is inexpensive and the available light extends over a wide visible light range, and the sun is rich in visible light components. It is that light can be effectively converted into electricity.
反面、これらの湿式太陽電池は作用極と対極間の電気的接続を電解質溶液によって行うため、電解質溶液の揮発、液漏れ、増感色素の離脱等の点で耐久性に問題がある。この問題を解決するため、固体電解質を用いた固体型色素増感太陽電池が報告されている(例えば特許文献1参照)。 On the other hand, since these wet solar cells are electrically connected between the working electrode and the counter electrode by the electrolyte solution, there is a problem in durability in terms of volatilization of the electrolyte solution, liquid leakage, detachment of the sensitizing dye, and the like. In order to solve this problem, a solid dye-sensitized solar cell using a solid electrolyte has been reported (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、電解質溶液に代わる固体の固体電解質を用いた色素増感光電変換素子の光電変換効率は、非常に低いという問題があった。 However, there is a problem that the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized photoelectric conversion element using a solid solid electrolyte instead of the electrolyte solution is very low.
このような問題に対して、特許文献2では伝導層を設けることが提案されているが、光電変換効率はまだ充分ではない。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光電変換効率が高い光電変換素子及びそれを用いた太陽電池を提供することである。 This invention is made | formed in view of the said subject, The objective is to provide a photoelectric conversion element with high photoelectric conversion efficiency, and a solar cell using the same.
本発明の上記課題は、以下の構成により達成される。 The above object of the present invention is achieved by the following configurations.
1.少なくとも基板、第1電極、半導体に色素を吸着した半導体層と、電荷輸送層、該第1電極に対向して設置された対向電極とが、この順で設置された光電変換素子において、前記電荷輸送層が、分子量が2,000以下の低分子電荷輸送剤と分子量が5,000以上の高分子電荷輸送剤を含有し、かつ、前記低分子電荷輸送剤の含量(A)と前記高分子電荷輸送剤の含量(B)の比A:Bが1:3〜3:1であることを特徴とする光電変換素子。 1. In the photoelectric conversion element in which at least the substrate, the first electrode, the semiconductor layer in which the dye is adsorbed on the semiconductor, the charge transport layer, and the counter electrode disposed to face the first electrode are disposed in this order, The transport layer contains a low molecular charge transport agent having a molecular weight of 2,000 or less and a polymer charge transport agent having a molecular weight of 5,000 or more, and the content (A) of the low molecular charge transport agent and the polymer A ratio A: B of the content (B) of the charge transfer agent is 1: 3 to 3: 1.
2.前記低分子電荷輸送剤の分子量が400〜1,500であることを特徴とする前記1に記載の光電変換素子。 2. 2. The photoelectric conversion element as described in 1 above, wherein the molecular weight of the low molecular charge transport agent is 400 to 1,500.
3.前記1または2に記載の光電変換素子を有することを特徴とする太陽電池。 3. A solar cell comprising the photoelectric conversion element as described in 1 or 2 above.
本発明によれば、光電変換効率が高い光電変換素子及びそれを用いた太陽電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a photoelectric conversion element with a high photoelectric conversion efficiency and a solar cell using the same can be provided.
本発明者らは、従来の固体電解質を用いた色素増感光電変換素子の光電変換効率が低い原因を検討したところ、固体電解質が酸化物半導体のマトリックス中にうまく浸み込まないことを見出し、また電解質と同様に電荷輸送能を有する電荷輸送剤からなる電荷輸送層も、電荷輸送層自体の結晶性が高く均一な膜を得ることができ難いことから、微小なリーク部分が発生し、十分な光電変換効率が得らないことが判明した。一方、低分子の電荷輸送剤をバインダーに分散した電荷輸送層では、膜の均一性は向上するが電荷移動性は低下し、結果として光電変換効率は向上しないことも判明した。 The present inventors have examined the cause of the low photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized photoelectric conversion element using a conventional solid electrolyte, and found that the solid electrolyte does not penetrate well into the oxide semiconductor matrix, Similarly to the electrolyte, the charge transport layer made of a charge transport agent having a charge transport ability has a high crystallinity of the charge transport layer itself, and it is difficult to obtain a uniform film. It was found that a high photoelectric conversion efficiency could not be obtained. On the other hand, it was also found that in a charge transport layer in which a low molecular charge transport agent is dispersed in a binder, the uniformity of the film is improved but the charge mobility is lowered, and as a result, the photoelectric conversion efficiency is not improved.
そこで、分子量が2,000以下の低分子電荷輸送剤と、分子量が5,000以上の高分子電荷輸送剤を1:3〜3:1の比率で併用した電荷輸送層を用いることで、低分子電荷輸送剤単独または高分子電荷輸送剤単独から予想される値よりも高い光電変換効率が得られることを見出した。これは、併用することにより、低分子電荷輸送剤の結晶化が抑制されて電荷輸送層の膜質が均一になり、低分子電荷輸送剤の高い電荷移動性が十分に発現できるものと予想している。 Therefore, by using a charge transport layer in which a low molecular charge transport agent having a molecular weight of 2,000 or less and a high molecular charge transport agent having a molecular weight of 5,000 or more are used in a ratio of 1: 3 to 3: 1, It has been found that a photoelectric conversion efficiency higher than that expected from the molecular charge transfer agent alone or the polymer charge transfer agent alone can be obtained. It is anticipated that the combined use suppresses the crystallization of the low molecular charge transport agent and makes the film quality of the charge transport layer uniform, so that the high charge mobility of the low molecular charge transport agent can be fully expressed. Yes.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
〔光電変換素子〕
本発明の光電変換素子について、図により説明する。
[Photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の光電変換素子の一例を示す断面図である。本発明の光電変換素子は図1に示すように、基板1、第1電極である透明導電膜2、半導体層6、電荷輸送層7、対向電極8等から構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the photoelectric conversion element of the present invention. As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element of the present invention includes a
本発明の光電変換素子の製造例を以下に述べる。第1電極として透明導電膜2を付けた透明の基板1(導電性支持体ともいう)上に、必要に応じて絶縁層3を形成した後、焼結して形成した空孔を有する半導体5を形成し、その空孔表面に色素4を吸着させて半導体層6を形成する。さらにp型半導体を主たる成分とする電荷輸送層7を半導体層6上に設け、その上に対向電極8を設置している。この時、第1電極及び対向電極8に端子を付けて光電流を取り出す。図2に絶縁層を設けた素子の断面図の一例を示す。
Production examples of the photoelectric conversion element of the present invention will be described below. A
(電荷輸送層)
第1電極と対向電極間の電気的接続を固体の電解質によって行う固体型色素増感太陽電池は、光電変換効率が非常に低いという問題がある。この原因は電解質が半導体層と接触が充分取れないためと推定しており、電解質でない低分子電荷輸送剤は半導体の空孔内に入りやすく電荷移動性が高いが、結晶化しやすく形成された膜が割れやすい欠点を持つ。また、高分子電荷輸送剤は単独では半導体の空孔内に入り難く、電荷移動性が低い。
(Charge transport layer)
A solid dye-sensitized solar cell in which electrical connection between the first electrode and the counter electrode is performed by a solid electrolyte has a problem that the photoelectric conversion efficiency is very low. The cause is presumed that the electrolyte is not sufficiently in contact with the semiconductor layer, and the low molecular charge transport agent that is not an electrolyte easily enters the pores of the semiconductor and has high charge mobility, but is a film that is easily crystallized. Has the disadvantage of being easily broken. In addition, the polymer charge transport agent alone does not easily enter the semiconductor vacancies and has low charge mobility.
そこで本発明では、低分子電荷輸送剤と高分子電荷輸送剤を併用した電荷輸送層を用いる。詳しくは、分子量が2,000以下の低分子電荷輸送剤と分子量が5000以上の高分子電荷輸送剤を含有し、かつ、前記低分子電荷輸送剤の含量(A)と前記高分子電荷輸送剤の含量(B)の比A:Bが1:3〜3:1である電荷輸送層を用いる。低分子電荷輸送剤の分子量は400〜1,500であることが好ましい。高分子電荷輸送剤の分子量は5,000以上であり、好ましくは5,000〜150,000である。分子量は、分子量分布のないものは化学式から求められ、分子量分布のあるものは重量平均分子量を本発明では分子量と定義し、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフ法で測定することができる。 Therefore, in the present invention, a charge transport layer in which a low molecular charge transport agent and a polymer charge transport agent are used in combination is used. Specifically, it contains a low molecular charge transport agent having a molecular weight of 2,000 or less and a polymer charge transport agent having a molecular weight of 5000 or more, and the content (A) of the low molecular charge transport agent and the polymer charge transport agent. A charge transport layer having a ratio A: B of 1: 3 to 3: 1 is used. The molecular weight of the low molecular charge transport agent is preferably 400 to 1,500. The molecular weight of the polymeric charge transport agent is 5,000 or more, preferably 5,000 to 150,000. The molecular weight without molecular weight distribution can be obtained from the chemical formula, and with molecular weight distribution, the weight average molecular weight is defined as molecular weight in the present invention, and can be measured by gel permeation chromatography.
電荷輸送層は色素の酸化体を迅速に還元し、色素との界面で注入された正孔を対極に輸送する機能を担う層である。本発明に係る電荷輸送層は、正孔輸送材料としてのp型化合物半導体を主成分として構成されている。p型化合物半導体のバンドギャップは色素吸収を妨げないため大きいことが好ましい。本発明で使用するp型化合物半導体のバンドギャップは、2eV以上であることが好ましく、さらに2.5eV以上であることが好ましい。また、p型化合物半導体のイオン化ポテンシャルは色素ホールを還元するためには、色素吸着電極イオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。使用する色素によって電荷輸送層に使用するp型化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なってくるが、一般に4.5eV以上5.5eV以下が好ましく、さらに4.7eV以上5.3eV以下が好ましい。 The charge transport layer is a layer having a function of rapidly reducing the oxidized oxidant and transporting holes injected at the interface with the dye to the counter electrode. The charge transport layer according to the present invention is composed mainly of a p-type compound semiconductor as a hole transport material. The band gap of the p-type compound semiconductor is preferably large because it does not hinder dye absorption. The band gap of the p-type compound semiconductor used in the present invention is preferably 2 eV or more, and more preferably 2.5 eV or more. Also, the ionization potential of the p-type compound semiconductor needs to be smaller than the dye adsorption electrode ionization potential in order to reduce the dye hole. Although the preferable range of the ionization potential of the p-type compound semiconductor used for the charge transport layer varies depending on the dye used, it is generally preferably 4.5 eV or more and 5.5 eV or less, and more preferably 4.7 eV or more and 5.3 eV or less.
p型化合物半導体としては、正孔の輸送能力が優れている芳香族アミン誘導体が好ましい。このため、電荷輸送層を主として芳香族アミン誘導体で構成することにより、光電変換効率をより向上させることができる。芳香族アミン誘導体としては、特に、トリフェニルジアミン誘導体を用いるのが好ましい。トリフェニルジアミン誘導体は、芳香族アミン誘導体の中でも、特に正孔の輸送能力が優れている。また、このような芳香族アミン誘導体は、モノマー、オリゴマー、プレポリマー、ポリマーのいずれを用いてもよく、これらを混合して用いてもよい。また、モノマー、オリゴマーやプレポリマーは、比較的低分子量であることから、有機溶媒等の溶媒への溶解性が高い。このため、電荷輸送層を塗布法により形成する場合に、電荷輸送層材料の調製をより容易に行うことができるという利点がある。このうち、オリゴマーとしては、ダイマーまたはトリマーを用いるのが好ましい。 As the p-type compound semiconductor, an aromatic amine derivative having an excellent hole transport capability is preferable. For this reason, photoelectric conversion efficiency can be improved more by comprising a charge transport layer mainly with an aromatic amine derivative. As the aromatic amine derivative, it is particularly preferable to use a triphenyldiamine derivative. Triphenyldiamine derivatives are particularly excellent in the ability to transport holes among aromatic amine derivatives. Moreover, such an aromatic amine derivative may use any of a monomer, an oligomer, a prepolymer, and a polymer, and may mix and use these. Monomers, oligomers, and prepolymers have a relatively low molecular weight, and thus have high solubility in solvents such as organic solvents. For this reason, when forming a charge transport layer by the apply | coating method, there exists an advantage that preparation of charge transport layer material can be performed more easily. Among these, it is preferable to use a dimer or a trimer as the oligomer.
具体的な芳香族第3級アミン化合物としては、N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノフェニル;N,N′−ジフェニル−N,N′−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1′−ビフェニル〕−4,4′−ジアミン(TPD);2,2−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)プロパン;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)シクロヘキサン;N,N,N′,N′−テトラ−p−トリル−4,4′−ジアミノビフェニル;1,1−ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)−4−フェニルシクロヘキサン;ビス(4−ジメチルアミノ−2−メチルフェニル)フェニルメタン;ビス(4−ジ−p−トリルアミノフェニル)フェニルメタン;N,N′−ジフェニル−N,N′−ジ(4−メトキシフェニル)−4,4′−ジアミノビフェニル;N,N,N′,N′−テトラフェニル−4,4′−ジアミノジフェニルエーテル;4,4′−ビス(ジフェニルアミノ)クオードリフェニル;N,N,N−トリ(p−トリル)アミン;4−(ジ−p−トリルアミノ)−4′−〔4−(ジ−p−トリルアミノ)スチリル〕スチルベン;4−N,N−ジフェニルアミノ−(2−ジフェニルビニル)ベンゼン;3−メトキシ−4′−N,N−ジフェニルアミノスチルベンゼン;N−フェニルカルバゾール、さらには米国特許第5,061,569号明細書に記載されている2個の縮合芳香族環を分子内に有するもの、例えば、4,4′−ビス〔N−(1−ナフチル)−N−フェニルアミノ〕ビフェニル(NPD)、特開平4−308688号公報に記載されているトリフェニルアミンユニットが3つスターバースト型に連結された4,4′,4″−トリス〔N−(3−メチルフェニル)−N−フェニルアミノ〕トリフェニルアミン(MTDATA)等が挙げられる。
Specific aromatic tertiary amine compounds include N, N, N ′, N′-tetraphenyl-4,4′-diaminophenyl; N, N′-diphenyl-N, N′-bis (3- Methylphenyl)-[1,1′-biphenyl] -4,4′-diamine (TPD); 2,2-bis (4-di-p-tolylaminophenyl) propane; 1,1-bis (4-di) -P-tolylaminophenyl) cyclohexane; N, N, N ', N'-tetra-p-tolyl-4,4'-diaminobiphenyl; 1,1-bis (4-di-p-tolylaminophenyl)- 4-phenylcyclohexane; bis (4-dimethylamino-2-methylphenyl) phenylmethane; bis (4-di-p-tolylaminophenyl) phenylmethane; N, N′-diphenyl-N, N′-di (4 -Methoxyphenyl -4,4'-diaminobiphenyl; N, N, N ', N'-tetraphenyl-4,4'-diaminodiphenyl ether; 4,4'-bis (diphenylamino) quadriphenyl; N, N, N- Tri (p-tolyl) amine; 4- (di-p-tolylamino) -4 '-[4- (di-p-tolylamino) styryl] stilbene; 4-N, N-diphenylamino- (2-diphenylvinyl) Benzene; 3-methoxy-4'-N, N-diphenylaminostilbenzene; N-phenylcarbazole, and two fused aromatic rings described in US Pat. No. 5,061,569 For example, 4,4'-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl (NPD), described in JP-A-4-308688 That triphenylamine units are linked to three
さらにこれらの材料を高分子鎖に導入した、またはこれらの材料を高分子の主鎖とした高分子材料を用いることもできる。 Furthermore, a polymer material in which these materials are introduced into a polymer chain or these materials are used as a polymer main chain can also be used.
芳香族アミン誘導体以外の電荷輸送剤としては、縮合多環芳香族化合物や共役系化合物が挙げられる。 Examples of charge transport agents other than aromatic amine derivatives include condensed polycyclic aromatic compounds and conjugated compounds.
縮合多環芳香族化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物及びこれらの誘導体が挙げられる。 As the condensed polycyclic aromatic compound, for example, anthracene, tetracene, pentacene, hexacene, heptacene, chrysene, picene, fluorene, pyrene, peropyrene, perylene, terylene, quaterylene, coronene, ovalene, sarkham anthracene, bisanthene, zestrene, heptazelene, Examples thereof include compounds such as pyranthrene, violanthene, isoviolanthene, cacobiphenyl, anthradithiophene, and derivatives thereof.
共役系化合物としては、例えば、ポリチオフェン及びそのオリゴマー、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、テトラチアフルバレン化合物、キノン化合物、テトラシアノキノジメタン等のシアノ化合物、フラーレン及びこれらの誘導体あるいは混合物を挙げることができる。 Examples of the conjugated compound include polythiophene and its oligomer, polypyrrole and its oligomer, polyaniline, polyphenylene and its oligomer, polyphenylene vinylene and its oligomer, polythienylene vinylene and its oligomer, polyacetylene, polydiacetylene, tetrathiafulvalene compound, quinone Compounds, cyano compounds such as tetracyanoquinodimethane, fullerenes and derivatives or mixtures thereof.
また、特にポリチオフェン及びそのオリゴマーのうち、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーを好適に用いることができる。 In particular, among polythiophene and oligomers thereof, thiophene hexamer α-seccithiophene, α, ω-dihexyl-α-secthiothiophene, α, ω-dihexyl-α-kinkethiophene, α, ω-bis (3 Oligomers such as -butoxypropyl) -α-sexithiophene can be preferably used.
分子量測定方法は、THF(テトラヒドロフラン)を溶媒としたGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)による測定がよい。すなわち、測定試料0.5〜5mg、より具体的には1mgに対してTHFを1.0ml加え、室温にてマグネチックスターラー等を用いて撹拌を行い、充分に溶解させる。次いで、ポアサイズ0.45〜0.50μmのメンブランフィルターで処理した後に、GPCカラムへ注入する。GPCの測定条件は、40℃にてカラムを安定化させ、THFを毎分1.0mlの流速で流し、1mg/mlの濃度の試料を約100μl注入して測定する。カラムは、市販のポリスチレンジェルカラムを組み合わせて使用することが好ましい。例えば、昭和電工社製のShodex GPC KF−801、802、803、804、805、806、807の組合せや、東ソー社製のTSKgel G1000H、G2000H、G3000H、G4000H、G5000H、G6000H、G7000H、TSKguard columnの組合せ等を挙げることができる。また、検出器としては、屈折率検出器(IR検出器)、あるいはUV検出器を用いるとよい。試料の分子量測定では、試料の有する分子量分布を単分散のポリスチレン標準粒子を用いて作成した検量線を用いて算出する。検量線作成用のポリスチレンとしては10点程度用いるとよい。 The molecular weight measurement method is preferably measured by GPC (gel permeation chromatography) using THF (tetrahydrofuran) as a solvent. That is, 1.0 ml of THF is added to 0.5 to 5 mg of a measurement sample, more specifically 1 mg, and the mixture is sufficiently dissolved by stirring at room temperature using a magnetic stirrer or the like. Subsequently, after processing with a membrane filter having a pore size of 0.45 to 0.50 μm, the solution is injected into a GPC column. The measurement conditions of GPC are measured by stabilizing the column at 40 ° C., flowing THF at a flow rate of 1.0 ml / min, and injecting about 100 μl of a sample having a concentration of 1 mg / ml. The column is preferably used in combination with a commercially available polystyrene gel column. For example, Shodex GPC KF-801, 802, 803, 804, 805, 806, 807 manufactured by Showa Denko KK, TSKgel G1000H, G2000H, G3000H, G4000H, G5000H, G6000H, G7000H, TSKguard column manufactured by Tosoh Corporation A combination etc. can be mentioned. As a detector, a refractive index detector (IR detector) or a UV detector may be used. In the measurement of the molecular weight of a sample, the molecular weight distribution of the sample is calculated using a calibration curve created using monodisperse polystyrene standard particles. About 10 points may be used as polystyrene for preparing a calibration curve.
以下に、分子量が2,000以下の低分子電荷輸送剤の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Specific examples of the low molecular charge transport agent having a molecular weight of 2,000 or less are shown below, but the present invention is not limited thereto.
以下に、分子量が5,000以上の高分子電荷輸送剤の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Specific examples of the polymeric charge transfer agent having a molecular weight of 5,000 or more are shown below, but the present invention is not limited to these.
(電荷輸送層の作製)
電荷輸送層は上記低分子電荷輸送剤及び高分子電荷輸送剤のいずれの分子も溶解する溶媒に溶解させた混合溶液を半導体層上に塗布した後、室温、大気下で放置し、その後真空引きをすることで乾燥して作製できる。塗布方法は、材料や溶液の粘度により適宜設定され、特に限定されない。例えば、ディッピング、滴下、ドクターブレード、スピンコート、刷毛塗り、スプレー塗装、ロールコーター等の各種塗布法が挙げられる。低分子電荷輸送剤と高分子電荷輸送剤の混合溶液は、それぞれの電荷輸送剤を混合してから溶媒に溶かしても、それぞれを溶液に溶解してから混合してもよい。また、低分子電荷輸送剤を溶解した溶液を塗布後、高分子電荷輸送剤を溶解した溶液を塗布し、乾燥したり、低分子電荷輸送剤溶液を塗布、乾燥後、高分子電荷輸送剤溶液を塗布、乾燥したりしてもよい。また、電荷輸送剤の塗布の順番を逆にしてもよい。
(Preparation of charge transport layer)
The charge transport layer is coated on the semiconductor layer with a mixed solution dissolved in a solvent capable of dissolving both the low molecular charge transport agent and the polymer charge transport agent, and then left at room temperature in the atmosphere, and then evacuated. It can be made by drying. The application method is appropriately set depending on the material and the viscosity of the solution, and is not particularly limited. For example, various coating methods such as dipping, dripping, doctor blade, spin coating, brush coating, spray coating, roll coater and the like can be mentioned. The mixed solution of the low molecular charge transport agent and the polymer charge transport agent may be mixed after dissolving each charge transport agent in a solvent, or may be mixed after dissolving each in a solution. In addition, after applying a solution in which a low molecular charge transport agent is dissolved, a solution in which a polymer charge transport agent is dissolved is applied and dried, or after applying a low molecular charge transport agent solution and drying, a polymer charge transport agent solution May be applied and dried. Further, the order of application of the charge transport agent may be reversed.
本発明の光電変換素子は、導電性支持体上の半導体に色素を吸着した半導体層と対向電極とを、電荷輸送層を介して対向配置してなる。以下、基板、半導体層、対向電極について説明する。 The photoelectric conversion element of the present invention is formed by arranging a semiconductor layer in which a dye is adsorbed on a semiconductor on a conductive support and a counter electrode so as to face each other via a charge transport layer. Hereinafter, the substrate, the semiconductor layer, and the counter electrode will be described.
(基板)
本発明の光電変換素子や本発明の太陽電池に用いられる基板には、金属板のような導電性材料や、ガラス板やプラスチックフイルムのような非導電性材料に導電性物質を設けた構造のものを用いることができる。基板が透明な場合には、こちらからの光の入射が可能であり、不透明の基板の場合には対向電極が透明でこちら側から光を入射して動作が可能であり、基板、対向電極のいずれも透明であってもよい。
(substrate)
The substrate used for the photoelectric conversion element of the present invention or the solar cell of the present invention has a structure in which a conductive material is provided on a conductive material such as a metal plate or a non-conductive material such as a glass plate or a plastic film. Things can be used. When the substrate is transparent, light can enter from here. When the substrate is opaque, the counter electrode is transparent and light can enter from this side. Any of them may be transparent.
(第1電極)
第1電極に用いられる材料の例としては金属(例えば、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム)あるいは導電性金属酸化物(例えば、インジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの)や炭素を挙げることができる。導電性支持体の厚さは特に制約されないが、0.0003〜5mmが好ましい。
(First electrode)
Examples of the material used for the first electrode include metal (for example, platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium, indium) or conductive metal oxide (for example, indium-tin composite oxide, tin oxide with fluorine. And doped carbon). The thickness of the conductive support is not particularly limited, but is preferably 0.0003 to 5 mm.
また、導電性支持体は実質的に透明であることが好ましく、実質的に透明であるとは光の透過率が10%以上であることを意味し、50%以上であることがさらに好ましく、80%以上であることが最も好ましい。透明な導電性支持体を得るためには、ガラス板またはプラスチックフイルムの表面に、導電性金属酸化物からなる導電性層を設けることが好ましい。透明な導電性支持体を用いる場合、光は支持体側から入射させることが好ましい。 Further, the conductive support is preferably substantially transparent, and substantially transparent means that the light transmittance is 10% or more, more preferably 50% or more, Most preferably, it is 80% or more. In order to obtain a transparent conductive support, it is preferable to provide a conductive layer made of a conductive metal oxide on the surface of a glass plate or a plastic film. When a transparent conductive support is used, light is preferably incident from the support side.
導電性支持体は、表面抵抗は50Ω/cm2以下であることが好ましく、10Ω/cm2以下であることがさらに好ましい。 The conductive support preferably has a surface resistance of 50 Ω / cm 2 or less, and more preferably 10 Ω / cm 2 or less.
(半導体層)
本発明に係る半導体層(図1の6)の作製方法について説明する。
(Semiconductor layer)
A method for manufacturing a semiconductor layer (6 in FIG. 1) according to the present invention will be described.
本発明に係る半導体層は、半導体と色素、及び必要によって添加剤からなる。 The semiconductor layer according to the present invention comprises a semiconductor, a dye, and, if necessary, an additive.
本発明に係る半導体が焼成により作製される場合には、色素を用いての半導体の増感処理(吸着、多孔質への入り込み等)は、半導体の焼成後に実施することが好ましい。焼成後、半導体に水が吸着する前に素早く色素の吸着処理を実施することが特に好ましい。 When the semiconductor according to the present invention is produced by firing, it is preferable that the semiconductor sensitization treatment (adsorption, penetration into the porous body, etc.) using a dye is performed after the semiconductor is fired. It is particularly preferable to perform the dye adsorption treatment quickly after the firing and before the water is adsorbed to the semiconductor.
本発明に係る半導体が粒子状の場合には、半導体を導電性支持体に塗布あるいは吹きつけて、半導体層を作製するのがよい。また、本発明に係る半導体が膜状であって、導電性支持体上に保持されていない場合には、導電性支持体上に貼合して半導体を作製することが好ましい。 When the semiconductor according to the present invention is in the form of particles, the semiconductor layer is preferably manufactured by coating or spraying the semiconductor on a conductive support. In addition, when the semiconductor according to the present invention is in a film form and is not held on the conductive support, it is preferable to manufacture the semiconductor by pasting onto the conductive support.
本発明の光電変換素子において、半導体としては、周期表(元素周期表ともいう)の第3族〜第5族、第13族〜第15族系の元素を有する化合物、金属のカルコゲニド(例えば、酸化物、硫化物、セレン化物等)、金属窒化物等を使用することができる。
In the photoelectric conversion element of the present invention, as the semiconductor, a compound having a Group 3 to
好ましい金属のカルコゲニドとして、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、またはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモンまたはビスマスの硫化物、カドミウムまたは鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の半導体としては、亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物、ガリウム−ヒ素または銅−インジウムのセレン化物、銅−インジウムの硫化物、チタンの窒化物等が挙げられる。 Preferred metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium or tantalum oxides, cadmium, zinc, lead, silver, antimony or Bismuth sulfide, cadmium or lead selenide, cadmium telluride and the like. Examples of other semiconductors include phosphides such as zinc, gallium, indium, and cadmium, gallium-arsenic or copper-indium selenides, copper-indium sulfides, and titanium nitrides.
具体例としては、TiO2、ZrO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、Ta2O5、CdS、ZnS、PbS、Bi2S3、CdSe、CdTe、GaP、InP、GaAs、CuInS2、CuInSe2、Ti3N4等が挙げられるが、好ましく用いられるのは、TiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、WO3、Nb2O5、CdS、PbSであり、より好ましく用いられるのは、TiO2またはSnO2であるが、中でも特に好ましく用いられるのはTiO2である。 Specific examples include TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 , ZnO, Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , CdS, ZnS, PbS, Bi 2 S 3 , CdSe, CdTe, GaP. , InP, GaAs, CuInS 2 , CuInSe 2 , Ti 3 N 4 and the like, but TiO 2 , ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 , Nb 2 O 5 , CdS, etc. are preferably used. PbS is more preferably used, and TiO 2 or SnO 2 is used. Of these, TiO 2 is particularly preferably used.
光電極に用いる半導体は、上述した複数の半導体を併用して用いてもよい。例えば、上述した金属酸化物もしくは金属硫化物の数種類を併用することもでき、また酸化チタン半導体に20質量%の窒化チタン(Ti3N4)を混合して使用してもよい。また、J.Chem.Soc.Chem.Commun.,15(1999)記載の酸化亜鉛/酸化錫複合としてもよい。このとき、半導体として金属酸化物もしくは金属硫化物以外に成分を加える場合、追加成分の金属酸化物もしくは金属硫化物半導体に対する質量比は30%以下であることが好ましい。 As the semiconductor used for the photoelectrode, a plurality of the above-described semiconductors may be used in combination. For example, several kinds of the above-described metal oxides or metal sulfides can be used in combination, and a titanium oxide semiconductor may be used by mixing 20% by mass of titanium nitride (Ti 3 N 4 ). In addition, J.H. Chem. Soc. Chem. Commun. 15 (1999). At this time, when a component is added as a semiconductor in addition to the metal oxide or metal sulfide, the mass ratio of the additional component to the metal oxide or metal sulfide semiconductor is preferably 30% or less.
(半導体微粉末含有塗布液の調製)
先ず、半導体の微粉末を含む塗布液を調製する。この半導体微粉末はその1次粒子径が微細な程好ましく、その1次粒子径は1〜5,000nmが好ましく、さらに好ましくは2〜50nmである。半導体微粉末を含む塗布液は、半導体微粉末を溶媒中に分散させることによって調製することができる。溶媒中に分散された半導体微粉末は、その1次粒子状で分散する。溶媒としては半導体微粉末を分散し得るものであればよく、特に制約されない。
(Preparation of coating liquid containing semiconductor fine powder)
First, a coating solution containing fine semiconductor powder is prepared. The finer the primary particle diameter of this semiconductor fine powder, the better. The primary particle diameter is preferably 1 to 5,000 nm, more preferably 2 to 50 nm. The coating liquid containing the semiconductor fine powder can be prepared by dispersing the semiconductor fine powder in a solvent. The semiconductor fine powder dispersed in the solvent is dispersed in the form of primary particles. The solvent is not particularly limited as long as it can disperse the semiconductor fine powder.
前記溶媒としては、水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合液が含まれる。有機溶媒としては、メタノールやエタノール等のアルコール、メチルエチルケトン、アセトン、アセチルアセトン等のケトン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素等が用いられる。塗布液中には、必要に応じ界面活性剤や粘度調節剤(ポリエチレングリコール等の多価アルコール等)を加えることができる。溶媒中の半導体微粉末濃度の範囲は0.1〜70質量%が好ましく、さらに好ましくは0.1〜30質量%である。 Examples of the solvent include water, an organic solvent, and a mixed solution of water and an organic solvent. As the organic solvent, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as methyl ethyl ketone, acetone and acetyl acetone, hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, and the like are used. A surfactant and a viscosity modifier (polyhydric alcohol such as polyethylene glycol) can be added to the coating solution as necessary. The range of the semiconductor fine powder concentration in the solvent is preferably 0.1 to 70% by mass, and more preferably 0.1 to 30% by mass.
(半導体微粉末含有塗布液の塗布と形成された半導体の焼成処理)
上記のようにして得られた半導体微粉末含有塗布液を、導電性支持体上に塗布または吹きつけ、乾燥等を行った後、空気中または不活性ガス中で焼成して、導電性支持体上に半導体が形成される。
(Application of coating liquid containing semiconductor fine powder and baking treatment of the formed semiconductor)
The semiconductor fine powder-containing coating solution obtained as described above is applied or sprayed onto a conductive support, dried, etc., and then baked in air or an inert gas to provide a conductive support. A semiconductor is formed on top.
導電性支持体上に塗布液を塗布、乾燥して得られる被膜は、半導体微粒子の集合体からなるもので、その微粒子の粒径は使用した半導体微粉末の1次粒子径に対応するものである。 The film obtained by applying and drying the coating liquid on the conductive support is composed of an aggregate of semiconductor fine particles, and the particle size of the fine particles corresponds to the primary particle size of the used semiconductor fine powder. is there.
このようにして導電性支持体等の基板上に形成された半導体微粒子集合体膜は、導電性支持体との結合力や微粒子相互の結合力が弱く、機械的強度の弱いものであることから、機械的強度を高め、基板に強く固着した焼成物膜とするため、前記半導体微粒子集合体膜の焼成処理が好ましく行われる。 Since the semiconductor fine particle aggregate film formed on the substrate such as the conductive support in this way has a low bonding strength with the conductive support or between the fine particles and a low mechanical strength. In order to increase the mechanical strength and to obtain a fired product film firmly adhered to the substrate, the semiconductor fine particle aggregate film is preferably subjected to a firing treatment.
本発明においては、この焼成処理で得られる焼成物膜はどのような構造を有していてもよいが、多孔質構造膜(空隙を有する、ポーラスな層ともいう)であることが好ましい。 In the present invention, the fired product film obtained by this firing treatment may have any structure, but is preferably a porous structure film (also referred to as a porous layer having voids).
ここで、本発明に係る半導体薄膜の空隙率は10体積%以下が好ましく、さらに好ましくは8体積%以下であり、特に好ましくは0.01〜5体積%以下である。なお、半導体の空隙率は誘電体の厚み方向に貫通性のある空隙率を意味し、水銀ポロシメーター(島津ポアライザー9220型)等の市販の装置を用いて測定することができる。 Here, the porosity of the semiconductor thin film according to the present invention is preferably 10% by volume or less, more preferably 8% by volume or less, and particularly preferably 0.01 to 5% by volume or less. The porosity of the semiconductor means a porosity that is penetrable in the thickness direction of the dielectric, and can be measured using a commercially available apparatus such as a mercury porosimeter (Shimadzu Polarizer 9220 type).
多孔質構造を有する焼成物膜になった半導体の膜厚は、10nm以上が好ましく、さらに好ましくは100〜10000nmである。 10 nm or more is preferable and, as for the film thickness of the semiconductor used as the baked material film | membrane which has a porous structure, More preferably, it is 100-10000 nm.
焼成処理時、焼成物膜の実表面積を適切に調製し、上記の空隙率を有する焼成物膜を得る観点から、焼成温度は1000℃より低いことが好ましく、さらに好ましくは200〜800℃の範囲であり、特に好ましくは300〜800℃の範囲である。 From the viewpoint of appropriately preparing the actual surface area of the fired product film during the firing treatment and obtaining a fired product film having the above porosity, the firing temperature is preferably lower than 1000 ° C, more preferably in the range of 200 to 800 ° C. Especially preferably, it is the range of 300-800 degreeC.
また、見かけ表面積に対する実表面積の比は、半導体微粒子の粒径及び比表面積や焼成温度等によりコントロールすることができる。また、加熱処理後、半導体粒子の表面積を増大させたり、半導体粒子近傍の純度を高め、色素から半導体粒子への電子注入効率を高めたりする目的で、例えば、四塩化チタン水溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行ってもよい。 The ratio of the actual surface area to the apparent surface area can be controlled by the particle size, specific surface area, firing temperature, etc. of the semiconductor fine particles. In addition, after the heat treatment, for example, chemical plating using an aqueous solution of titanium tetrachloride for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor particles, increasing the purity in the vicinity of the semiconductor particles, and increasing the efficiency of electron injection from the dye to the semiconductor particles. Alternatively, an electrochemical plating process using a titanium trichloride aqueous solution may be performed.
(色素)
本発明では、半導体に色素を吸着させている。電荷の半導体への効率的な注入の観点から、上記色素はカルボキシル基を有することが好ましい。以下に、色素の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(Dye)
In the present invention, a dye is adsorbed on a semiconductor. From the viewpoint of efficient injection of charges into the semiconductor, the dye preferably has a carboxyl group. Specific examples of the dye are shown below, but the present invention is not limited thereto.
(半導体の増感処理)
半導体の増感処理は色素を適切な溶媒に溶解し、その溶液に前記半導体を焼成して固着した基板を浸漬することによって行われる。その際には、半導体を焼成により形成し基板を、予め減圧処理や加熱処理して膜中の気泡を除去し、色素が半導体内部深くに進入できるようにしておくことが好ましく、半導体が多孔質構造膜である場合には特に好ましい。また、空隙率の高い半導体の場合には、空隙に水分、水蒸気等により水が半導体表面、並びに半導体内部の空隙に吸着する前に、前記増感色素の吸着処理(半導体の増感処理)を完了することが好ましい。
(Semiconductor sensitization treatment)
The semiconductor sensitization treatment is performed by dissolving a dye in a suitable solvent and immersing the substrate on which the semiconductor is baked and fixed in the solution. In that case, it is preferable that the semiconductor is formed by baking, and the substrate is preliminarily subjected to decompression treatment or heat treatment to remove bubbles in the film so that the dye can enter deep inside the semiconductor. The structure film is particularly preferable. In the case of a semiconductor having a high porosity, the sensitizing dye adsorption treatment (semiconductor sensitization treatment) is performed before water is adsorbed on the semiconductor surface and the voids inside the semiconductor due to moisture, water vapor, etc. Preferably completed.
色素を溶解するのに用いる溶媒は、色素を溶解することができ、かつ半導体を溶解したり半導体と反応したりすることのないものであれば格別の制限はないが、溶媒に溶解している水分及び気体が半導体に進入して、前記色素の吸着等の増感処理を妨げることを防ぐために、予め脱気及び蒸留精製しておくことが好ましい。 The solvent used for dissolving the dye is not particularly limited as long as it can dissolve the dye and does not dissolve the semiconductor or react with the semiconductor, but it is dissolved in the solvent. In order to prevent moisture and gas from entering the semiconductor and hindering the sensitization treatment such as adsorption of the dye, it is preferable to perform deaeration and distillation purification in advance.
好ましく用いられる溶媒は、メタノール、エタノール、n−プロパノール、t−ブチルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶媒、アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル系溶媒、塩化メチレン、1,1,2−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素溶媒であり、混合溶媒を用いてもよい。特に好ましくはエタノール、t−ブチルアルコール、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、トルエン及びこれらの混合溶媒である。 Solvents preferably used include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-propanol, and t-butyl alcohol, ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, and ether solvents such as diethyl ether, diisopropyl ether, tetrahydrofuran, and 1,4-dioxane. Solvents, nitrile solvents such as acetonitrile and propionitrile, halogenated hydrocarbon solvents such as methylene chloride and 1,1,2-trichloroethane, and mixed solvents may be used. Particularly preferred are ethanol, t-butyl alcohol, acetonitrile, tetrahydrofuran, toluene and a mixed solvent thereof.
半導体を焼成した基板を、色素を含む溶液に浸漬する時間は、半導体に前記色素が深く進入して吸着等を十分に進行させ、半導体を十分に増感させ、かつ溶液中で前記色素の分解等により生成した分解物が色素の吸着を妨害することを抑制する観点から、25℃では1〜48時間が好ましく、さらに好ましくは3〜24時間である。この温度、時間は、特に半導体膜が多孔質構造膜である場合に好ましい。ただし、浸漬時間については25℃での値であり、温度条件を変化させて場合にはこの限りではない。 The time for immersing the substrate on which the semiconductor is baked in the solution containing the dye is such that the dye penetrates deeply into the semiconductor to sufficiently advance adsorption, etc., sufficiently sensitize the semiconductor, and decomposes the dye in the solution. From the viewpoint of suppressing the decomposition product produced by the method from interfering with the adsorption of the dye, it is preferably 1 to 48 hours at 25 ° C., more preferably 3 to 24 hours. This temperature and time are particularly preferred when the semiconductor film is a porous structure film. However, the immersion time is a value at 25 ° C., and this is not the case when the temperature condition is changed.
浸漬しておくに当たり、色素を含む溶液は、色素が分解しない限り、沸騰しない温度にまで加熱して用いてもよい。好ましい温度範囲は10〜100℃であり、さらに好ましくは25〜80℃であるが、前記の通り溶媒が前記温度範囲で沸騰する場合はこの限りでない。 In soaking, the solution containing the pigment may be heated to a temperature that does not boil as long as the pigment does not decompose. A preferable temperature range is 10 to 100 ° C., more preferably 25 to 80 ° C., but this is not the case when the solvent boils in the temperature range as described above.
色素を用いて増感処理を行う場合、色素を単独で用いてもよいし、複数を併用することもできる。 When the sensitization treatment is performed using a dye, the dye may be used alone or in combination.
また、本発明に好ましいカルボキシル基を有する色素と他の色素を併用して用いることもできる。併用して用いることのできる色素としては、本発明に係る半導体を分光増感しうるものならばいずれの色素も用いることができる。光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ光電変換効率を上げるため2種類以上の色素を混合することが好ましい。また、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように混合する色素とその割合を選ぶことができる。 Moreover, the pigment | dye which has a preferable carboxyl group for this invention, and another pigment | dye can also be used together. As the dye that can be used in combination, any dye can be used as long as it can spectrally sensitize the semiconductor according to the present invention. In order to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible and increase the photoelectric conversion efficiency, it is preferable to mix two or more kinds of dyes. Moreover, the pigment | dye mixed and the ratio can be selected so that it may match with the wavelength range and intensity distribution of the target light source.
特に、本発明の光電変換素子の用途が後述する太陽電池である場合には、光電変換の波長域をできるだけ広くして太陽光を有効に利用できるように、吸収波長の異なる2種類以上の色素を混合して用いることが好ましい。 In particular, when the use of the photoelectric conversion element of the present invention is a solar cell to be described later, two or more types of dyes having different absorption wavelengths so that the wavelength range of photoelectric conversion can be made as wide as possible to effectively use sunlight. It is preferable to mix and use.
併用して用いる色素の中では、光電子移動反応活性、光耐久性、光化学的安定性等の総合的な観点から、金属錯体色素、フタロシアニン系色素、ポルフィリン系色素、ポリメチン系色素が好ましく用いられる。 Among the dyes used in combination, metal complex dyes, phthalocyanine dyes, porphyrin dyes, and polymethine dyes are preferably used from the comprehensive viewpoints such as photoelectron transfer reaction activity, light durability, and photochemical stability.
本発明に好ましいカルボキシル基を有する色素と併用して用いることのできる色素としては、例えば、米国特許第4,684,537号明細書、同4,927,721号明細書、同5,084,365号明細書、同5,350,644号明細書、同5,463,057号明細書、同5,525,440号明細書、特開平7−249790号公報、特開2000−150007号公報等に記載の色素を挙げることができる。 Examples of the dye that can be used in combination with the preferred dye having a carboxyl group in the present invention include, for example, US Pat. Nos. 4,684,537, 4,927,721, 5,084, 365, 5,350,644, 5,463,057, 5,525,440, JP-A-7-249790, JP-A-2000-150007 And the like.
色素を複数種類併用したり、本発明に好ましいカルボキシル基を有する色素以外の他の色素を併用したりして増感処理する際には、各々の色素の混合溶液を調製して用いてもよいし、それぞれの色素について溶液を用意して、各溶液に順に浸漬して作製することもできる。各色素について別々の溶液を用意し、各溶液に順に浸漬して作製する場合は、半導体に前記色素を含ませる順序がどのようであっても、本発明に記載の効果を得ることができる。また、色素を単独で吸着させた半導体微粒子を混合する等により作製してもよい。 When sensitizing by using a combination of a plurality of dyes or using a dye other than the dye having a carboxyl group preferable for the present invention, a mixed solution of each dye may be prepared and used. It is also possible to prepare a solution for each dye and immerse in each solution in order. In the case where a separate solution is prepared for each dye and is prepared by sequentially immersing in each solution, the effect described in the present invention can be obtained regardless of the order in which the dye is included in the semiconductor. Alternatively, it may be produced by mixing semiconductor fine particles on which a dye is adsorbed alone.
吸着処理は半導体が粒子状の時に行ってもよいし、支持体上に膜を形成した後に行ってもよい。吸着処理に用いる化合物を溶解した溶液はそれを常温で用いてもよいし、該化合物が分解せず溶液が沸騰しない温度範囲で加熱して用いてもよい。また、後述する光電変換素子の製造のように、半導体微粒子の塗布後に前記色素の吸着を実施してもよい。また、半導体微粒子と本発明の増感色素とを同時に塗布することにより、色素の吸着を実施してもよい。また、未吸着の色素は洗浄によって除去することができる。 The adsorption treatment may be performed when the semiconductor is in the form of particles, or may be performed after forming a film on the support. A solution in which the compound used for the adsorption treatment is dissolved may be used at room temperature, or may be used by heating in a temperature range in which the compound does not decompose and the solution does not boil. Moreover, you may implement adsorption | suction of the said pigment | dye after application | coating of semiconductor fine particles like manufacture of the photoelectric conversion element mentioned later. Moreover, you may implement adsorption | suction of a pigment | dye by apply | coating a semiconductor fine particle and the sensitizing dye of this invention simultaneously. Unadsorbed pigment can be removed by washing.
(対向電極)
本発明に用いられる対向電極について説明する。
(Counter electrode)
The counter electrode used in the present invention will be described.
対向電極は導電性を有するものであればよく、任意の導電性材料が用いられるが、電荷輸送層との接触性のよい金属薄膜であることが好ましい。電荷輸送層との仕事関数の差が小さく、化学的に安定である金属である金薄膜が特に好ましい。 The counter electrode only needs to have conductivity, and any conductive material is used, but a metal thin film having good contact with the charge transport layer is preferable. A gold thin film that is a chemically stable metal having a small work function difference from the charge transport layer is particularly preferable.
〔太陽電池〕
本発明の太陽電池について説明する。
[Solar cell]
The solar cell of the present invention will be described.
本発明の太陽電池は、本発明の光電変換素子の一態様として太陽光に最適の設計並びに回路設計が行われ、太陽光を光源として用いたときに最適な光電変換が行われるような構造を有する。即ち、色素増感された半導体に太陽光が照射されうる構造となっている。本発明の太陽電池を構成する際には、前記半導体層、電荷輸送層及び対向電極をケース内に収納して封止するか、あるいはそれら全体を樹脂封止することが好ましい。 The solar cell of the present invention has a structure in which the optimum design and circuit design for sunlight are performed as one aspect of the photoelectric conversion element of the present invention, and the optimum photoelectric conversion is performed when sunlight is used as a light source. Have. That is, the semiconductor is dye-sensitized and can be irradiated with sunlight. When configuring the solar cell of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer, the charge transport layer, and the counter electrode are housed in a case and sealed, or the whole is resin-sealed.
本発明の太陽電池に太陽光または太陽光と同等の電磁波を照射すると、半導体に吸着された色素は、照射された光もしくは電磁波を吸収して励起する。励起によって発生した電子は半導体に移動し、次いで導電性支持体を経由して対向電極に移動して、電荷輸送層の芳香族アミン誘導体を還元する。一方、半導体に電子を移動させた色素は酸化体となっているが、対向電極から電荷輸送層を経由して電子が供給されることにより、還元されて元の状態に戻り、同時に電荷輸送層の芳香族アミン誘導体は酸化されて、再び対向電極から供給される電子により還元されうる状態に戻る。このようにして電子が流れ、本発明の光電変換素子を用いた太陽電池を構成することができる。 When the solar cell of the present invention is irradiated with sunlight or an electromagnetic wave equivalent to sunlight, the dye adsorbed on the semiconductor is excited by absorbing the irradiated light or electromagnetic wave. Electrons generated by excitation move to the semiconductor, and then move to the counter electrode via the conductive support to reduce the aromatic amine derivative in the charge transport layer. On the other hand, the dye that has moved the electrons to the semiconductor is an oxidant, but when the electrons are supplied from the counter electrode via the charge transport layer, it is reduced and returned to the original state, and at the same time, the charge transport layer This aromatic amine derivative is oxidized and returned to a state where it can be reduced again by electrons supplied from the counter electrode. In this way, electrons flow, and a solar cell using the photoelectric conversion element of the present invention can be configured.
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明これらに限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these.
実施例
〔光電変換素子1の作製〕
フッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板上に、アルコキシチタン溶液(松本工商:TA−25/IPA希釈)をスピンコート法にて塗布した。室温で30分放置後、450℃で30分間焼成を行い、短絡防止層(絶縁層)とした。続いて、市販の酸化チタンペースト(粒径18nm)を上記短絡防止層上にドクターブレード法により塗布した後、60℃で10分間加熱処理後、500℃で30分間焼成を行い、厚さ5μmの酸化チタン薄膜を有する半導体が導電性支持体上に保持された基板(半導体基板)を得た。
Example [Production of Photoelectric Conversion Element 1]
An alkoxy titanium solution (Matsumoto Kosho: TA-25 / IPA dilution) was applied onto a fluorine-doped tin oxide (FTO) conductive glass substrate by spin coating. After standing at room temperature for 30 minutes, baking was performed at 450 ° C. for 30 minutes to form a short-circuit prevention layer (insulating layer). Subsequently, a commercially available titanium oxide paste (particle size: 18 nm) was applied on the short-circuit prevention layer by a doctor blade method, then heat-treated at 60 ° C. for 10 minutes, and then baked at 500 ° C. for 30 minutes. A substrate (semiconductor substrate) in which a semiconductor having a titanium oxide thin film was held on a conductive support was obtained.
例示色素C−1をエタノールに溶解し、3×10−4mol/lの溶液を調製した。上記半導体基板を、この溶液に室温で3時間浸漬して、色素の吸着処理を行った後、エタノールで洗浄、乾燥し、色素が担持した半導体層とした。 Exemplified dye C-1 was dissolved in ethanol to prepare a solution of 3 × 10 −4 mol / l. The semiconductor substrate was immersed in this solution at room temperature for 3 hours to perform dye adsorption treatment, and then washed with ethanol and dried to obtain a semiconductor layer carrying the dye.
次に、クロロベンゼン:アセトニトリル=19:1混合溶媒に、A−1(低分子電荷輸送剤;電荷輸送剤1)1.0質量%、B−1(高分子電荷輸送剤;電荷輸送剤2)0.5質量%溶解した液を調製し、0.45μmのフィルターで濾過しながら500rpmで60秒、次いで2200rpmで1秒間のスピンコートを行い、室温、大気下で30分放置後、10分間真空引きを行い、電荷輸送層を形成した。さらに真空蒸着法により金を90nm蒸着し、対向電極を作製し、光電変換素子1を作製した。
Next, in a mixed solvent of chlorobenzene: acetonitrile = 19: 1, A-1 (low molecular charge transport agent; charge transport agent 1) 1.0 mass%, B-1 (polymer charge transport agent; charge transport agent 2) Prepare a 0.5% by weight solution, spin-coat at 500 rpm for 60 seconds and then at 2200 rpm for 1 second while filtering through a 0.45 μm filter, leave at room temperature in air for 30 minutes, then vacuum for 10 minutes The charge transport layer was formed by pulling. Further, 90 nm of gold was vapor-deposited by a vacuum vapor deposition method, a counter electrode was produced, and a
〔光電変換素子2〜15の作製〕
光電変換素子1の作製において、電荷輸送剤1、2の種類と濃度及び色素の種類を表1のように代えた以外は同様にして、光電変換素子2〜15を作製した。
[Production of
In the production of the
〔光電変換素子の評価〕
作製した光電変換素子について、電荷輸送層表面の均一性及び光電変換特性を測定した。
[Evaluation of photoelectric conversion element]
About the produced photoelectric conversion element, the uniformity of the charge transport layer surface and photoelectric conversion characteristics were measured.
(電荷輸送層表面の均一性)
任意の電荷輸送層表面10カ所について、1000倍の光学顕微鏡でクラック及び点欠陥観察し、平均値を算出し、下記基準で評価した。
(Uniformity of charge transport layer surface)
For 10 arbitrary surface areas of the charge transport layer, cracks and point defects were observed with a 1000 × optical microscope, an average value was calculated, and evaluated according to the following criteria.
◎:0.01mm2中にクラック及び点欠陥なし
○:0.01mm2中にクラックが2以下、または点欠陥が1以下
△:0.01mm2中にクラックが5以下、または点欠陥が3以下
×:0.01mm2中にクラックが5を超える、または点欠陥が3を超える
△以下は実用上問題である。
◎: No cracks and point defects in 0.01 mm 2 ○: 0.01
(光電変換特性)
強度100mW/cm2のキセノンランプ照射下、半導体層に5×5mm2のマスクをかけた条件下で光電変換特性の測定を行った。
(Photoelectric conversion characteristics)
Photoelectric conversion characteristics were measured under conditions where a 5 × 5 mm 2 mask was applied to the semiconductor layer under irradiation of a xenon lamp having an intensity of 100 mW / cm 2 .
即ち、光電変換素子について、I−Vテスターを用いて室温にて電流−電圧特性を測定し、短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、及び形状因子(FF)を求め、これらから光電変換効率(η(%))を求めた。なお、光電変換素子の光電変換効率(η(%))は下記式(A)に基づいて算出した。 That is, for a photoelectric conversion element, current-voltage characteristics are measured at room temperature using an IV tester, and a short circuit current (Jsc), an open circuit voltage (Voc), and a form factor (FF) are obtained, and photoelectric conversion is performed from these. Efficiency (η (%)) was determined. The photoelectric conversion efficiency (η (%)) of the photoelectric conversion element was calculated based on the following formula (A).
η=100×(Voc×Jsc×FF)/P (A)
ここで、Pは入射光強度[mW・cm−2]、Vocは開放電圧[V]、Jscは短絡電流密度[mA・cm−2]、FFは形状因子を示す。
η = 100 × (Voc × Jsc × FF) / P (A)
Here, P is an incident light intensity [mW · cm −2 ], Voc is an open circuit voltage [V], Jsc is a short circuit current density [mA · cm −2 ], and FF is a form factor.
評価の結果を表2に示す。 The evaluation results are shown in Table 2.
表2より、光電変換効率については、分子量が2,000以下の低分子電荷輸送剤と分子量が5,000以上の高分子電荷輸送剤を1:3〜3:1の含量比で電荷輸送層を形成した本発明の光電変換素子1〜6は、いずれも比較の光電変換素子7〜12に比べ光電変換効率が高いことが分かる。
From Table 2, the photoelectric conversion efficiency is a charge transport layer with a content ratio of 1: 3 to 3: 1 of a low molecular charge transport agent having a molecular weight of 2,000 or less and a high molecular charge transport agent having a molecular weight of 5,000 or more. It can be seen that all of the
電荷輸送層表面の均一性については、本発明の光電変換素子1〜6はいずれも良好であり、表面の均一性が確認できた。これに対し、比較例の光電変換素子12、14は、低分子電荷輸送剤のみまたは低分子電荷輸送剤の含量比が高いため表面の均一性に劣ることが確認された。
Regarding the uniformity of the surface of the charge transport layer, all of the
1 基板
2 透明導電膜
3 絶縁層
4 色素
5 半導体
6 半導体層
7 電荷輸送層
8 対向電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
A solar cell comprising the photoelectric conversion element according to claim 1.
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