JP2008186669A - Method for producing dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
【課題】色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させて起電力及び電流密度を改善することにより、光電変換効率を向上させた色素増感型太陽電池の製造方法を得る。
【解決手段】半導体電極、前記半導体電極に対向する対向電極、及び前記半導体電極と前記対向電極との間に挟持された電解質又は電解液を備えた色素増感型太陽電池の製造方法において、透明導電性基板上に半導体多孔質層及び光散乱層を順次形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に、少なくとも前記半導体多孔質層を浸漬することにより前記半導体電極を作製することを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法とする。
【選択図】なしA method for producing a dye-sensitized solar cell with improved photoelectric conversion efficiency is obtained by reducing the disappearance of electrons generated by light absorption of the dye to improve electromotive force and current density.
In a method for producing a dye-sensitized solar cell, comprising a semiconductor electrode, a counter electrode facing the semiconductor electrode, and an electrolyte or an electrolytic solution sandwiched between the semiconductor electrode and the counter electrode, a transparent A semiconductor porous layer and a light scattering layer are sequentially formed on a conductive substrate, and then the semiconductor electrode is produced by immersing at least the semiconductor porous layer in a solution containing a dye and an organic acid. And a method for producing a dye-sensitized solar cell.
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Description
本発明は、色素増感型太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a dye-sensitized solar cell.
色素増感型太陽電池は、透明導電性基板及び色素を吸着させた半導体多孔質層を有する半導体電極と、この半導体電極に対向する対向電極と、これらの電極間に狭持された電解質又は電解液とから少なくとも構成されており、色素で吸収した光エネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電するものである。このような色素増感型太陽電池は、原材料費が安価で安全性が高いことなどから実用化が期待されている。
このような色素増感型太陽電池において、二酸化チタン等のn型半導体を半導体多孔質層に用いる場合、半導体多孔質層に吸着された色素の光吸収によって発生した電子が半導体の伝導帯に注入され、半導体中を拡散して透明導電性基板に到達し集電される。このような過程において、色素で発生した電子は、隣接色素の酸化体との結合や、半導体電極上で電解質又は電解液と直接酸化還元反応することにより消失し、光電変換効率を低下させる可能性がある。
A dye-sensitized solar cell includes a semiconductor electrode having a transparent conductive substrate and a semiconductor porous layer on which a dye is adsorbed, a counter electrode facing the semiconductor electrode, and an electrolyte or electrolysis sandwiched between these electrodes. The liquid is at least composed of a liquid and generates electricity by converting light energy absorbed by the pigment into electric energy. Such dye-sensitized solar cells are expected to be put to practical use because raw material costs are low and safety is high.
In such a dye-sensitized solar cell, when an n-type semiconductor such as titanium dioxide is used for the semiconductor porous layer, electrons generated by light absorption of the dye adsorbed on the semiconductor porous layer are injected into the conduction band of the semiconductor. Then, it diffuses in the semiconductor and reaches the transparent conductive substrate to collect current. In such a process, electrons generated in the dye may disappear due to a bond with an oxidant of an adjacent dye or a direct oxidation-reduction reaction with an electrolyte or electrolytic solution on a semiconductor electrode, which may reduce photoelectric conversion efficiency. There is.
色素増感型太陽電池に用いられる色素としては、クロロフィル誘導体やルテニウム錯体等の様々な色素がある。かかる色素は、色素を含む溶液に半導体多孔質層を浸漬することで吸着させることができる。クロロフィル誘導体を色素として用いる色素増感型太陽電池の製造方法において、色素を含む溶液にコール酸等の誘導体を添加したものを用いることで、光電変換効率が向上することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。また、ルテニウム錯体を色素として用いる色素増感型太陽電池の製造方法において、色素を含む溶液にタウロケノデオキシコール酸ナトリウム塩を添加したものを用いることが知られている(例えば、非特許文献2参照)。 Examples of the dye used in the dye-sensitized solar cell include various dyes such as a chlorophyll derivative and a ruthenium complex. Such a dye can be adsorbed by immersing the semiconductor porous layer in a solution containing the dye. In a method for producing a dye-sensitized solar cell using a chlorophyll derivative as a dye, it is known that photoelectric conversion efficiency is improved by using a solution containing a dye and a derivative such as cholic acid added (for example, Non-Patent Document 1). In addition, in a method for producing a dye-sensitized solar cell using a ruthenium complex as a dye, it is known to use a solution containing a dye containing sodium taurochenodeoxycholic acid sodium salt (for example, see Non-Patent Document 2). .
しかしながら、非特許文献1の方法であっても、依然として十分な光電変換効率が得られていない。また、非特許文献2の方法では、色素を含む溶液にタウロケノデオキシコール酸ナトリウム塩を添加したものを用いることによる効果が明らかではないと共に、かかる方法であっても依然として十分な光電変換効率が得られていない。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させて起電力及び電流密度を改善することにより、光電変換効率を向上させた色素増感型太陽電池の製造方法を得ることを目的とする。
However, even with the method of Non-Patent
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and improves photoelectric conversion efficiency by reducing the disappearance of electrons generated by light absorption of the dye and improving electromotive force and current density. It aims at obtaining the manufacturing method of the made dye-sensitized solar cell.
本発明者らは上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、色素及び有機酸を含む溶液に半導体多孔質層を浸漬することで、色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させ得ることを見出した。その一方で、半導体多孔質層における吸着色素の量の減少に伴い、光吸収量が低下するという問題が生じてしまうものの、半導体多孔質層上に光散乱層を設けることで、半導体多孔質層を透過した光が光散乱層で反射されて再び半導体多孔質層に戻るため、半導体多孔質層における光吸収量の低下を抑制し得ることを見出した。これらの見地に基づき、透明導電性基板上に半導体多孔質層及び光散乱層を順次形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に、少なくとも半導体多孔質層を浸漬することで、半導体多孔質層における色素吸着量の減少に伴い、光吸収量が低下するという問題を生じることなく、色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させ得ることに想到し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、半導体電極、前記半導体電極に対向する対向電極、及び前記半導体電極と前記対向電極との間に挟持された電解質又は電解液を備えた色素増感型太陽電池の製造方法において、透明導電性基板上に半導体多孔質層及び光散乱層を順次形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に、少なくとも前記半導体多孔質層を浸漬することにより前記半導体電極を作製することを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法である。
As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors reduced the disappearance of electrons generated by light absorption of the dye by immersing the semiconductor porous layer in a solution containing the dye and the organic acid. Found to get. On the other hand, with the decrease in the amount of adsorbing dye in the semiconductor porous layer, there is a problem that the amount of light absorption decreases, but by providing a light scattering layer on the semiconductor porous layer, the semiconductor porous layer It has been found that since the light transmitted through the light is reflected by the light scattering layer and returns to the semiconductor porous layer again, a decrease in the amount of light absorption in the semiconductor porous layer can be suppressed. Based on these viewpoints, a semiconductor porous layer and a light scattering layer are sequentially formed on a transparent conductive substrate, and then at least the semiconductor porous layer is immersed in a solution containing a dye and an organic acid. With the decrease in the amount of dye adsorbed in the layer, the inventors have conceived that the loss of electrons generated by the light absorption of the dye can be reduced without causing the problem that the light absorption amount decreases, and the present invention has been completed. .
That is, the present invention relates to a method for producing a dye-sensitized solar cell comprising a semiconductor electrode, a counter electrode facing the semiconductor electrode, and an electrolyte or an electrolyte solution sandwiched between the semiconductor electrode and the counter electrode. Forming the semiconductor electrode by immersing at least the semiconductor porous layer in a solution containing a dye and an organic acid after sequentially forming the semiconductor porous layer and the light scattering layer on the transparent conductive substrate. This is a method for producing a dye-sensitized solar cell.
本発明によれば、色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させて起電力及び電流密度を改善することにより、光電変換効率を向上させた色素増感型太陽電池を製造することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the dye-sensitized solar cell which improved the photoelectric conversion efficiency can be manufactured by reducing the loss | disappearance of the electron generated by the light absorption of a pigment | dye, and improving an electromotive force and a current density. .
実施の形態1.
以下に、図面を参照して本実施の形態における色素増感型太陽電池の製造方法について説明する。
図1は、本実施の形態において製造される色素増感型太陽電池の断面模式図である。図1において、色素増感型太陽電池は、半導体電極1と、この半導体電極1に対向する対向電極2と、これらの電極間に挟持された電解質又は電解液3とから構成されている。半導体電極1は、透明導電性基板4と、この透明導電性基板4上に形成された半導体多孔質層5と、この半導体多孔質層5上に形成された光散乱層6とから構成されている。
Below, with reference to drawings, the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell in this Embodiment is demonstrated.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell manufactured in the present embodiment. In FIG. 1, the dye-sensitized solar cell includes a
(半導体電極1)
本実施の形態における半導体電極1は、透明導電性基板4上に半導体多孔質層5及び光散乱層6を順次形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に浸漬することにより作製することができる。
本実施の形態における透明導電性基板4は、当該技術分野において透明導電性基板4として用いることが可能なものであれば特に制限されることはない。具体的には、透明導電性基板4は、表面改質によって透明基板の表面に導電性を付与したもの、又は透明基板の表面に導電体層を設けたものを用いることができる。
透明基板としては、絶縁性及び透明性を有する材料であれば特に制限されることはない。かかる材料として、ガラスや、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、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及びトリアセチルセルロース等のプラスチックを用いることができる。これらの中でも、太陽電池を使用する環境及び寿命の観点から、耐光性及び耐熱性を有するガラスを用いることが好ましい。
(Semiconductor electrode 1)
The
The transparent
The transparent substrate is not particularly limited as long as it is a material having insulating properties and transparency. As such a material, plastics such as glass, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene sulfide, polyethersulfone, polyolefin, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, and triacetyl cellulose can be used. Among these, it is preferable to use glass having light resistance and heat resistance from the viewpoint of the environment in which the solar cell is used and the life.
導電体層に用いられる材料としては、導電性を有すると共に、可視光領域の吸収が少なく、実質的に透明であるものであれば特に制限されることはない。かかる材料としては、一般的な金属や、導電性酸化物として知られている、酸化スズ、酸化タンタル、酸化タングステン、チタン酸ストロンチウム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、酸化亜鉛及び酸化インジウム等の金属酸化物、又はこれらの固溶体若しくはドーピング処理体が挙げられる。
ここで、実質的に透明とは、光(400nm以上900nm以下の可視光域)の透過率が10%以上であることを意味し、50%以上の透過率を有するものがより好ましく、70%以上の透過率を有するものが特に好ましい。
また、透明基板上に導電体層を形成する方法としては、特に制限されることはなく、従来公知の方法を用いることができる。具体的には、真空蒸着法、反応性蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマCVD法及びゾル−ゲル法等を用いることができる。
The material used for the conductor layer is not particularly limited as long as it has conductivity, has little absorption in the visible light region, and is substantially transparent. Such materials include common metals and conductive oxides known as tin oxide, tantalum oxide, tungsten oxide, strontium titanate, cobalt oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, zinc oxide and indium oxide. Examples thereof include metal oxides, and solid solutions or doping treatment bodies thereof.
Here, “substantially transparent” means that the transmittance of light (visible light region of 400 nm or more and 900 nm or less) is 10% or more, more preferably 50% or more, and 70% What has the above transmittance | permeability is especially preferable.
Moreover, it does not restrict | limit especially as a method of forming a conductor layer on a transparent substrate, A conventionally well-known method can be used. Specifically, a vacuum deposition method, a reactive deposition method, an ion beam assisted deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a plasma CVD method, a sol-gel method, or the like can be used.
さらに、入射光を有効に取り入れるために、光が入射する外側面(導電体層が形成されていない側の表面)に反射防止層を設けることもできる。かかる反射防止層は、ディッピング法やスパッタ法を用いて金属酸化物を形成する方法や、エッチングによって表面に凹凸を設ける方法、反射防止フィルムを貼り付ける方法等によって形成することができる。 Furthermore, in order to take in incident light effectively, an antireflection layer can be provided on the outer surface (the surface on the side where the conductor layer is not formed) on which light is incident. Such an antireflection layer can be formed by a method of forming a metal oxide using a dipping method or a sputtering method, a method of providing irregularities on the surface by etching, a method of attaching an antireflection film, or the like.
本実施の形態における半導体多孔質層5としては、当該技術分野において半導体多孔質層5として用いることが可能な材料であれば特に制限されることはない。かかる材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化ニオブ、酸化錫、酸化バナジウム、酸化インジウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化モリブデン、酸化マンガン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、ニオブ酸ストロンチウム、炭化ケイ素及びGaP等の公知の半導体を、一種以上混合して用いることができる。これらの中でも、安定性及び安全性の観点から酸化チタンが好ましい。
ここで、酸化チタンは、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタ酸化チタン及びオルソ酸化チタン等の種々の酸化チタン、水酸化チタン、並びに含酸化チタン等であってよい。これらの中でも、光電変換効率の観点から、アナターゼ含有率が高いものが好ましく、その含有率が70%以上であることがさらに好ましい。
The semiconductor porous layer 5 in the present embodiment is not particularly limited as long as it is a material that can be used as the semiconductor porous layer 5 in this technical field. Such materials include titanium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, niobium oxide, tin oxide, vanadium oxide, indium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, molybdenum oxide, manganese oxide, barium titanate, strontium titanate, calcium titanate, One or more known semiconductors such as magnesium titanate, strontium niobate, silicon carbide, and GaP can be mixed and used. Among these, titanium oxide is preferable from the viewpoints of stability and safety.
Here, the titanium oxide may be anatase type titanium oxide, rutile type titanium oxide, amorphous titanium oxide, various titanium oxides such as meta titanium oxide and ortho titanium oxide, titanium hydroxide, and titanium oxide. Among these, from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, those having a high anatase content are preferable, and the content is more preferably 70% or more.
また、半導体多孔質層5は、ラフネスファクター(投影面積に対する実際の表面積の割合)が20倍以上であることが好ましく、500倍以上であることがより好ましい。このようにラフネスファクターの大きな半導体多孔質層5を形成すれば、単位面積当たりの表面積が大きくなって吸着色素量が増加するので、光の吸収量を十分に増やすことができる。従って、半導体多孔質層5は、平均粒径が5nm以上500nm以下程度の半導体粒子が積層融着したものであり、透明又は半透明であることが好ましい。 The semiconductor porous layer 5 has a roughness factor (actual surface area ratio relative to the projected area) of preferably 20 times or more, and more preferably 500 times or more. When the semiconductor porous layer 5 having a large roughness factor is formed as described above, the surface area per unit area increases and the amount of adsorbed dye increases, so that the amount of light absorption can be increased sufficiently. Therefore, the semiconductor porous layer 5 is obtained by laminating and fusing semiconductor particles having an average particle diameter of about 5 nm to about 500 nm, and is preferably transparent or translucent.
半導体多孔質層5の厚さは、0.5μm以上50μm以下であることが好ましく、5μm以上30μm以下であることがより好ましい。半導体多孔質層5の厚さが0.5μm未満であると、入射光を吸収するのに十分な表面積が得られず、所望の光電変換効率が得られないことがあるので好ましくない。一方、半導体多孔質層5の厚さが50μmを超えると、光の吸収に寄与しない部分が増えて内部抵抗が増加し、所望の光電変換効率が得られないことがあるので好ましくない。
また、半導体多孔質層5は、半導体粒子が微粒子となると、厚膜形成した時にクラックが入ったり、基板からの剥離を起こすなど成膜が難しくなる傾向がある。そこで、所望の膜厚を得るために、成膜可能範囲の膜厚の層を積層することにより、所望の膜厚にしてもよい。例えば、10nm以上20nm以下の微粒子から形成される多孔質膜を厚さ10μm以上20μm以下形成する場合には、2μm以上5μm以下の層を2層以上10層以下積層することにより所望の膜厚を達成することができる。
The thickness of the semiconductor porous layer 5 is preferably 0.5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 30 μm or less. If the thickness of the semiconductor porous layer 5 is less than 0.5 μm, a surface area sufficient to absorb incident light cannot be obtained, and a desired photoelectric conversion efficiency may not be obtained. On the other hand, if the thickness of the semiconductor porous layer 5 exceeds 50 μm, the portion that does not contribute to light absorption increases, the internal resistance increases, and the desired photoelectric conversion efficiency may not be obtained.
In addition, when the semiconductor porous layer 5 is formed into fine particles, the semiconductor porous layer 5 tends to be difficult to form, for example, cracks occur when the thick film is formed or peeling from the substrate occurs. Therefore, in order to obtain a desired film thickness, a desired film thickness may be obtained by stacking layers having a film thickness within a film forming range. For example, in the case of forming a porous film formed of fine particles of 10 nm or more and 20 nm or less in a thickness of 10 μm or more and 20 μm or less, a desired film thickness is obtained by stacking 2 μm or more and 5 μm or less of layers in a thickness of 2 or more and 10 or less. Can be achieved.
透明導電性基板4上に半導体多孔質層5を形成する方法としては、特に制限されることはなく従来公知の方法を用いることができる。かかる方法としては、具体的には、金属と炭素若しくは有機化合物とを、又は金属酸化物若しくは金属亜酸化物等と有機化合物とを真空中で同時に蒸着させた共蒸着薄膜を酸化処理する方法、スパッタリング法等のようなドライプロセス、ゾル−ゲル法、化学的な手法により作製された半導体微粒子の分散液を塗布する方法、半導体微粒子ペーストを塗布焼成する方法等のようなウエットプロセスを用いることができる。これら方法の中でも、量産化、液物性及び支持体の融通性の観点から、塗布法、印刷法、スプレー法のようなウエットプロセスを用いた方が比較的有利である。
The method for forming the semiconductor porous layer 5 on the transparent
半導体微粒子の分散液を作製する方法としては、ゾル−ゲル法の他、乳鉢ですり潰す方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、又は半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させそのまま使用する方法等が挙げられる。分散媒としては、水又は各種の有機溶媒(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)が挙げられる。分散の際、必要に応じてポリマー、界面活性剤、酸またはキレート剤等を分散助剤として用いてもよい。
半導体微粒子ペーストは、半導体微粒子又は半導体微粒子の分散液に溶剤、増粘剤、酸、アルカリ等を添加して調製すればよい。
塗布方法としては、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、ブレード法等、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、スプレー法やスクリーン印刷等の各種印刷法等を用いることができる。
In addition to the sol-gel method, a method for preparing a dispersion of semiconductor fine particles includes a method of grinding with a mortar, a method of dispersing while pulverizing using a mill, or a method of precipitating fine particles in a solvent when synthesizing a semiconductor. The method of using as it is is mentioned. Examples of the dispersion medium include water or various organic solvents (for example, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, dichloromethane, acetone, acetonitrile, ethyl acetate, and the like). During dispersion, a polymer, a surfactant, an acid, a chelating agent, or the like may be used as a dispersion aid as necessary.
The semiconductor fine particle paste may be prepared by adding a solvent, a thickener, an acid, an alkali, or the like to a semiconductor fine particle or a dispersion of semiconductor fine particles.
As a coating method, various printing methods such as a roller method, a dip method, an air knife method, a blade method, a wire bar method, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, a spray method and a screen printing are used. be able to.
ウエットプロセスを用いた場合、塗付により形成された膜を焼成する必要がある。この場合の焼成温度は、400℃以上550℃以下であることが好ましく、450℃以上500℃以下であることがより好ましい。焼成温度が400℃未満であると、半導体微粒子間の融着が少なく、発生した電子の集電効率が低下する傾向にあるので好ましくない。一方、焼成温度が550℃を超えると、ガラス等からなる透明導電性基板4の耐熱温度を超える可能性があるので好ましくない。
また、焼成処理後、半導体粒子の表面積を増大させる目的や、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る目的等の観点から、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い、酸化チタン薄層を塗設してもよい。
When the wet process is used, it is necessary to fire the film formed by coating. The firing temperature in this case is preferably 400 ° C. or higher and 550 ° C. or lower, and more preferably 450 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. If the firing temperature is less than 400 ° C., there is little fusion between the semiconductor fine particles, and the current collection efficiency of the generated electrons tends to decrease, which is not preferable. On the other hand, if the firing temperature exceeds 550 ° C., it may exceed the heat resistance temperature of the transparent
In addition, for example, an aqueous titanium tetrachloride solution is used from the viewpoint of increasing the surface area of the semiconductor particles after firing, increasing the purity in the vicinity of the semiconductor particles, and increasing the efficiency of electron injection from the dye to the semiconductor particles. A thin titanium oxide layer may be applied by chemical plating or electrochemical plating using a titanium trichloride aqueous solution.
また、電解質又は電解液3と透明導電性基板4との間の直接接触による漏れ電流を抑制する観点から、半導体多孔質層5と透明導電性基板4との間に下塗り層を設けることも有効である。下塗り層の形成方法としては、チタンアルコキシドのアルコール溶液、四塩化チタン水溶液、ペルオキソチタン酸水溶液、ペルオキソチタン酸改質アナターゼ型酸化チタン水系ゾル、又はペルオキソチタン酸水溶液とペルオキソチタン酸改質アナターゼ型酸化チタン水系ゾルとを混合して得られる酸化チタン系化合物混合液を、ローラ法、ディップ法、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、スクリーン印刷等の各種印刷法等を用いて塗布した後、乾燥、必要に応じて焼成する方法が挙げられる。
It is also effective to provide an undercoat layer between the semiconductor porous layer 5 and the transparent
本実施の形態における光散乱層6は、半導体多孔質層5に吸着した色素によって吸収されなかった入射光を再び半導体多孔質層5に戻すことにより、入射光を有効利用するために設けるものである。
半導体多孔質層5に吸着した色素は、吸収係数が高い波長範囲の光についてはおおよそ吸収するものの、吸収係数が低い波長範囲の光については十分に吸収されずに半導体多孔質層5を透過してしまう。そこで、半導体多孔質層5上に光散乱層6を設けることにより、かかる透過光を光散乱層6で散乱させて半導体多孔質層5に再度戻し、半導体多孔質層5に吸着した色素によって再度吸収し得ることとなる。
かかる光散乱層6としては、半導体多孔質層5に使用した材料と同じものを使用することができる。特に、光散乱層6は、光散乱性の観点から、一次粒子径が100nm以上500nm以下の粒子から形成される多孔質層や、一次粒子径は30nm以下であるが、一次粒子の凝集により光散乱性の増加した多孔質層であることが好ましい。
光散乱層6の厚さは、光を十分に反射し、透過光がなければ薄いほどよい。具体的には、光散乱層6の厚さは、0.5μm以上10μm以下であることが好ましく、2μm以上5μm以下であることがより好ましい。光散乱層6の厚さが0.5μm未満であると、光を十分に反射することができず、入射光の無駄が生じることがあるので好ましくない。一方、光散乱層6の厚さが10μmを超えると、光電変換に寄与しない部分が増え、内部抵抗が増加することがあるので好ましくない。
また、半導体多孔質層5上に光散乱層6を形成する方法としては、特に制限されることはなく、上記半導体多孔質層5と同様の方法を用いて形成することができる。
The
The dye adsorbed on the semiconductor porous layer 5 substantially absorbs light in the wavelength range with a high absorption coefficient, but does not sufficiently absorb light in the wavelength range with a low absorption coefficient, and passes through the semiconductor porous layer 5. End up. Therefore, by providing the
As the
The thickness of the
The method for forming the
上記のようにして透明導電性基板4上に半導体多孔質層5及び光散乱層6を順次形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に、少なくとも半導体多孔質層5(例えば、半導体多孔質層5及び光散乱層6、又は透明導電性基板4、半導体多孔質層5及び光散乱層6)を浸漬することで、半導体電極1を作製することができる。
また、光散乱層6を形成する際に焼成プロセスが必要ない場合には、透明導電性基板4上に半導体多孔質層5を形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に、少なくとも半導体多孔質層5(例えば、半導体多孔質層5、又は透明導電性基板4及び半導体多孔質層5)を浸漬し、次いで光散乱層6を半導体多孔質層5上に形成させることで、半導体電極1を作製することもできる。
After the semiconductor porous layer 5 and the
Further, in the case where a baking process is not required when forming the
本実施の形態における色素及び有機酸を含む溶液に使用可能な色素としては、光を吸収するものであれば特に制限されることなく、公知の様々な色素を用いることができる。このような色素としては、具体的には、ルテニウム、オスミウム、鉄又は亜鉛を1原子以上含有する金属錯体塩;無金属フタロシアニン;ポルフィリン;ジチオラート錯体,アセチルアセトナート錯体等の、いわゆる金属キレート錯体;NK1194、NK3422(日本感光色素研究所製)等のシアニン系色素;NK2426、NK2501(日本感光色素研究所製)等のメロシアニン系色素;ローズベンガル、ローダミンB等のキサンテン系色素;マラカイトグリーン、クリスタルバイオレット等のトリフェニルメタン系色素;銅フタロシアニン又はチタニルフタロシアニン等の金属フタロシアニン;クロロフィル、ヘミンまたはシアニジン色素;及びオキサジアゾール誘導体、ベンゾチアゾール誘導体、クマリン誘導体、スチルベン誘導体、芳香環を有する有機化合物等が挙げられる。これらの色素は、吸光係数が大きく、且つ繰り返しの酸化還元に対して安定であることが好ましい。また、色素は低分子化合物であってもよいし、また繰り返し単位を有する高分子であってもよい。さらに、J会合体等の会合体を形成していてもよい。上記色素は、半導体多孔質層5に化学的に吸着し得ることが好ましく、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミド基、アミノ基、カルボニル基、ホスフィン基等の官能基を有することが好ましい。また、このような官能基は色素分子中に複数個ある方が好ましい。 The dye that can be used in the solution containing the dye and the organic acid in the present embodiment is not particularly limited as long as it absorbs light, and various known dyes can be used. Specific examples of such a dye include metal complex salts containing one or more atoms of ruthenium, osmium, iron or zinc; metal-free phthalocyanines; porphyrins; so-called metal chelate complexes such as dithiolate complexes and acetylacetonate complexes; Cyanine dyes such as NK1194 and NK3422 (manufactured by Nippon Photosensitivity Laboratories); Merocyanine dyes such as NK2426 and NK2501 (manufactured by Nippon Photosensitivity Laboratories); Xanthene dyes such as Rose Bengal and Rhodamine B; Malachite Green and Crystal Violet Triphenylmethane dyes such as copper phthalocyanine or titanyl phthalocyanine metal phthalocyanines; chlorophyll, hemin or cyanidin dyes; and oxadiazole derivatives, benzothiazole derivatives, coumarin derivatives, stilbene derivatives Body, and organic compounds having an aromatic ring. These dyes preferably have a large extinction coefficient and are stable against repeated redox. The dye may be a low molecular compound or a polymer having a repeating unit. Further, an aggregate such as a J aggregate may be formed. The dye is preferably capable of being chemically adsorbed to the semiconductor porous layer 5 and has a functional group such as a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an amide group, an amino group, a carbonyl group, or a phosphine group. preferable. Further, it is preferable that there are a plurality of such functional groups in the dye molecule.
上記色素の中でも、可視光領域に広い吸収範囲をもち、光電変換能の高いルテニウム錯体がより好ましい。このようなルテニウム錯体の例としては、下記の式(1): Among the above dyes, a ruthenium complex having a wide absorption range in the visible light region and high photoelectric conversion ability is more preferable. Examples of such ruthenium complexes include the following formula (1):
で表されるシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)ビステトラブチルアンモニウム(通称N−719)、下記の式(2): Cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II) bistetrabutylammonium (commonly referred to as N-719) represented by the following formula (2):
で表されるシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)(通称N3)、下記の式(3): Cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II) (commonly known as N3) represented by the following formula (3):
で表されるトリス(イソチオシアナト)−ルテニウム(II)−2,2’,6’,2”−ターピリジン−4,4’,4”−トリカルボン酸トリステトラブチルアンモニウム塩(通称ブラックダイ(black dye))等を挙げることができる。この中でも、最も良好な光電変換効率と再現性を有する式(1)のシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)ビステトラブチルアンモニウム(通称N−719)が好ましい。 Tris (isothiocyanato) -ruthenium (II) -2,2 ′, 6 ′, 2 ″ -terpyridine-4,4 ′, 4 ″ -tricarboxylic acid tristetrabutylammonium salt (commonly known as black dye) And the like. Among these, cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II) bistetrabutyl of the formula (1) having the best photoelectric conversion efficiency and reproducibility Ammonium (common name N-719) is preferred.
色素及び有機酸を含む溶液において使用可能な有機酸としては、コール酸誘導体等のステロイド骨格を有するカルボン酸;酢酸、アダマンタン酢酸、シクロヘキサンカルボン酸、キナ酸、シクロヘキシルヒドロキシ酢酸、脂肪酸等のカルボン酸;グルコース、ソルビトール、グリセロール等のヒドロキシ基を持つ化合物等が挙げられる。
上記ステロイド骨格を有するカルボン酸としては、下記の式(4):
Examples of organic acids that can be used in a solution containing a dye and an organic acid include carboxylic acids having a steroid skeleton such as cholic acid derivatives; carboxylic acids such as acetic acid, adamantaneacetic acid, cyclohexanecarboxylic acid, quinic acid, cyclohexylhydroxyacetic acid, and fatty acids; Examples thereof include compounds having a hydroxy group such as glucose, sorbitol, and glycerol.
As the carboxylic acid having the steroid skeleton, the following formula (4):
の基本骨格を有するシクロペンタヒドロフェナントレンの誘導体である。かかる誘導体の中でも、光電変換効率の観点から、下記の式(5): It is a derivative of cyclopentahydrophenanthrene having the basic skeleton. Among these derivatives, from the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, the following formula (5):
を有するケノデオキシコール酸、下記の式(6): A chenodeoxycholic acid having the following formula (6):
を有するデオキシコール酸、下記の式(7): Deoxycholic acid having the following formula (7):
を有するコール酸、下記の式(8): Cholic acid having the following formula (8):
を有するリソコール酸、下記の式(9): Lysocholic acid having the following formula (9):
を有するウルソデオキシコール酸、及び下記の式(10): Ursodeoxycholic acid having the following formula (10):
を有するデヒドロコール酸等が好ましい。
色素及び有機酸を含む溶液において使用可能な溶媒は、色素の溶解性等に応じて適宜選択することができる。このような溶媒としては、例えば、水、アルコール類(メタノール、エタノール、t−ブタノール及びベンジルアルコール等)、ニトリル類(アセトニトリル、プロピオニトリル及び3−メトキシプロピオニトリル等)、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素(ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム及びクロロベンゼン等)、エーテル類(ジエチルエーテル及びテトラヒドロフラン等)、ジメチルスルホキシド、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド及びN,N−ジメチルアセタミド等)、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチルイミダゾリジノン、3−メチルオキサゾリジノン、エステル類(酢酸エチル及び酢酸ブチル等)、炭酸エステル類(炭酸ジエチル、炭酸エチレン及び炭酸プロピレン等)、ケトン類(アセトン、2−ブタノン及びシクロヘキサノン等)、炭化水素(ヘキサン、石油エーテル、ベンゼン及びトルエン等)が挙げられる。かかる溶媒は、単独又は組み合わせて用いることが可能である。
Dehydrocholic acid and the like having is preferred.
The solvent that can be used in the solution containing the dye and the organic acid can be appropriately selected according to the solubility of the dye. Examples of such solvents include water, alcohols (such as methanol, ethanol, t-butanol and benzyl alcohol), nitriles (such as acetonitrile, propionitrile and 3-methoxypropionitrile), nitromethane, and halogenated carbonization. Hydrogen (dichloromethane, dichloroethane, chloroform, chlorobenzene, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, etc.), dimethyl sulfoxide, amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, etc.), N-
色素及び有機酸を含む溶液における色素及び有機酸の濃度は、色素及び有機酸の種類や溶解度等によって最適濃度が異なるため、使用する色素及び有機酸にあわせて適宜調整すればよい。色素及び有機酸を含む溶液では、一般に、5×10−5mol/L以上5×10−2mol/L以下の色素濃度に対して、有機酸の濃度を0.1倍以上100倍以下とすることが好ましい。かかる色素濃度が5×10−5mol/L未満であると、半導体多孔質層5に色素が十分に吸着しないことがある。一方、かかる色素濃度が5×10−2mol/Lを超えると、溶液において色素が十分に溶解しないことがある。また、かかる有機酸の濃度が0.1倍未満であると、有機酸を添加することによる効果が十分に得られないことがある。一方、かかる有機酸の濃度が100倍を超えると、色素の吸着を過度に阻害するので、結果的に光の吸収効率が下がって光電変換効率が低下することがある。
特に、色素としてルテニウム錯体、有機酸としてコール酸誘導体を用いる場合には、5×10−5mol/L以上5×10−4mol/L以下のルテニウム錯体濃度に対して、コール酸誘導体の濃度を1倍以上30倍以下とすることが好ましい。
Since the optimum concentration of the dye and the organic acid in the solution containing the dye and the organic acid varies depending on the kind and solubility of the dye and the organic acid, the concentration may be appropriately adjusted according to the dye and the organic acid to be used. In a solution containing a dye and an organic acid, generally, the concentration of the organic acid is 0.1 to 100 times the dye concentration of 5 × 10 −5 mol / L to 5 × 10 −2 mol / L. It is preferable to do. When the dye concentration is less than 5 × 10 −5 mol / L, the dye may not be sufficiently adsorbed on the semiconductor porous layer 5. On the other hand, when the dye concentration exceeds 5 × 10 −2 mol / L, the dye may not be sufficiently dissolved in the solution. Further, if the concentration of the organic acid is less than 0.1 times, the effect of adding the organic acid may not be sufficiently obtained. On the other hand, when the concentration of the organic acid exceeds 100 times, the adsorption of the dye is excessively inhibited. As a result, the light absorption efficiency may be lowered and the photoelectric conversion efficiency may be lowered.
In particular, when a ruthenium complex is used as the dye and a cholic acid derivative is used as the organic acid, the concentration of the cholic acid derivative with respect to the ruthenium complex concentration of 5 × 10 −5 mol / L or more and 5 × 10 −4 mol / L or less. Is preferably 1 to 30 times.
色素及び有機酸を含む溶液の調製方法は、特に制限されることはなく、従来公知の方法及び装置を用いて色素及び有機酸を溶媒に溶解すればよい。 The method for preparing the solution containing the dye and the organic acid is not particularly limited, and the dye and the organic acid may be dissolved in the solvent using a conventionally known method and apparatus.
少なくとも半導体多孔質層5を色素及び有機酸を含む溶液に浸漬させる時間は、色素及び有機酸の種類によって異なるので、使用する色素及び有機酸の種類にあわせて適宜設定する必要があるが、色素が吸着するのに十分な時間であればよい。一般には、かかる浸漬時間は、25℃において6時間以上24時間以下であることが好ましい。
また、必須ではないが、少なくとも半導体多孔質層5を色素及び有機酸を含む溶液に浸漬させる際に、色素の吸着を改善させる等の観点から、色素及び有機酸を含む溶液を加熱したり、該溶液を酸性又は塩基性とすることも可能である。
Since the time for immersing at least the semiconductor porous layer 5 in the solution containing the dye and the organic acid varies depending on the kind of the dye and the organic acid, it is necessary to appropriately set according to the kind of the dye and the organic acid to be used. It suffices if the time is sufficient for adsorption. In general, the immersion time is preferably 6 hours or more and 24 hours or less at 25 ° C.
Although not essential, at least when the semiconductor porous layer 5 is immersed in a solution containing a dye and an organic acid, from the viewpoint of improving the adsorption of the dye, the solution containing the dye and the organic acid is heated, It is also possible to make the solution acidic or basic.
浸漬終了後、少なくとも半導体多孔質層5を色素及び有機酸を含む溶液から引上げ、洗浄して乾燥させることにより、半導体電極1が得られる。ここで、洗浄、乾燥方法としては、特に制限されることはなく、例えば、色素及び有機酸を含む溶液を用いた溶媒を用いて吸着していない色素を洗浄した後、室温で乾燥させればよい。
このようにして作製された半導体電極1では、半導体多孔質層5に色素が吸着している。また、色素及び有機酸を含む溶液に光散乱層6を浸漬させた場合には、光散乱層6にも色素が吸着していることもある。この場合、光散乱層6では、吸着色素で光吸収されなかった分の光を散乱し、半導体多孔質層5に戻すこととなる。
また、有機酸は半導体多孔質層5においてどのような状態で存在しているかは明らかでない。しかしながら、かかる有機酸は、半導体多孔質層5に吸着している色素分子の間に存在し、色素で発生した電子が隣接色素の酸化体と結合して消失するのを防止していると考えられる。その結果、かかる半導体電極1を用いる色素増感型太陽電池では、色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させて起電力及び電流密度を改善することにより、光電変換効率を向上させ得ると考えられる。
After completion of the immersion, the
In the
In addition, it is not clear in what state the organic acid exists in the semiconductor porous layer 5. However, such an organic acid is present between the dye molecules adsorbed on the semiconductor porous layer 5 and is considered to prevent the electrons generated in the dye from being lost by combining with the oxidant of the adjacent dye. It is done. As a result, in the dye-sensitized solar cell using such a
(対向電極2)
本実施の形態における対向電極2としては、特に制限されることはなく、透明基板と導電体層とから構成されるものを用いることができる。かかる対向電極2における透明基板及び導電体層としては、上記半導体電極1で用いた透明基板及び導電体層と同じ材料を使用することができる。また、導電体層としては、上記で例示した材料の他に、触媒活性の高い材料を用いることが有効である。ここで、触媒活性の高い材料とは、酸化還元反応に対する触媒作用を有し、且つ電気化学的に安定な材料を意味する。触媒活性の高い材料の例としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル、ロジウム、金又は白金等に、モリブデン、ルテニウム、スズ、鉄又はタングステンの少なくとも1つを添加した多元系触媒、または酸化スズ、酸化ガリウム、酸化モリブデン等の金属酸化物及びこれらの混合材料、カーボン材料、ナノカーボン材料、白金等の触媒活性材料を担持したカーボン材料やナノカーボン材料、PEDOT−TsO等のポリチオフェン誘導体等の導電性高分子材料、高分子錯体触媒等が挙げられる。これらの中でも、電解質又は電解液3に侵されにくく触媒活性が高い点で、白金、カーボン材料及び触媒担持ナノカーボン材料等が好ましい。
(Counter electrode 2)
As the
(電解質又は電解液3)
本実施の形態における電解質又は電解液3としては、特に制限されることはなく、従来公知の各種ものを用いることができる。かかる電解質又は電解液3の例としては、イオン輸送材料である酸化還元対のイオンが溶解した電解質溶液、該酸化還元対の溶液をポリマーマトリクスのゲルに含浸した、いわゆるゲル電解質、該酸化還元対イオンを含有する溶融塩電解質、さらには固体電解質が挙げられる。
ここで、イオン輸送材料としては、色素増感型太陽電池の電解質に一般に用いられる酸化還元剤を任意に用いることができる。具体的には、かかるイオン輸送材料としては、I2とヨウ化物との組み合わせ(ヨウ化物としては、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2等の金属ヨウ化物、またはテトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の第4級アンモニウム化合物のヨウ素塩等)、Br2と臭化物との組み合わせ(臭化物としては、LiBr、NaBr、KBr、CsBr、CaBr2等の金属臭化物、またはテトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の第4級アンモニウム化合物の臭素塩等)のほか、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオローゲン色素、ヒドロキノン−キノン等を用いることができる。さらに、未結合電子を運搬するキノン錯体、テトラシアノキノンジメタン(TCNQ)錯体、ジシアノキノンジイミン錯体等の遷移金属錯体を使用することもできる。かかるイオン輸送材料は、単独でも混合して用いてもよい。これら中でもI2とLiIやピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の第4級アンモニウム化合物のヨウ素塩とを組み合わせたものがより好ましい。
(Electrolyte or electrolyte 3)
The electrolyte or
Here, as the ion transport material, a redox agent generally used for an electrolyte of a dye-sensitized solar cell can be arbitrarily used. Specifically, as such an ion transport material, a combination of I 2 and iodide (as iodide, metal iodide such as LiI, NaI, KI, CsI, CaI 2 , tetraalkylammonium iodide, pyridinium, etc.) Iodide, iodine salt of quaternary ammonium compound such as imidazolium iodide, etc., combination of Br 2 and bromide (as bromide, bromide, metal bromide such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr 2 or tetraalkyl) Quaternary ammonium compounds such as ammonium bromide and pyridinium bromide), metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate and ferrocene-ferricinium ion, sodium polysulfide, alkylthiol-alkyl disulfide, etc. Sulfur compounds of A viologen dye, hydroquinone-quinone, or the like can be used. Furthermore, transition metal complexes such as a quinone complex, a tetracyanoquinone dimethane (TCNQ) complex, and a dicyanoquinone diimine complex that carry unbonded electrons can also be used. Such ion transport materials may be used alone or in combination. Among these, a combination of I 2 and an iodine salt of a quaternary ammonium compound such as LiI, pyridinium iodide or imidazolium iodide is more preferable.
電解質又は電解液3におけるイオン輸送材料の濃度は、0.1M以上15M以下であることが好ましく、0.2M以上10M以下であることがより好ましい。イオン輸送材料の濃度が0.1M未満であると、電導度が低下する傾向にあるので好ましくない。一方、イオン輸送材料の濃度が15Mを超えると、溶液の粘度が増加して電導度が低下するか、または温度の変動によって、固形分が析出する傾向にあるので好ましくない。
また、電解質又は電解液3にヨウ素を添加する場合、ヨウ素の添加濃度は0.01M以上5.0M以下であることが好ましい。ヨウ素の添加濃度が0.01M未満であると、電導度が低下する傾向にあるので好ましくない。一方、ヨウ素の添加濃度が5.0Mを超えると溶液の粘度が増加して電導度が低下するか、または温度の変動によって、固形分が析出しまう傾向にあるので好ましくない。
The concentration of the ion transport material in the electrolyte or the
Moreover, when adding an iodine to electrolyte or the
電解質又は電解液3における溶剤としては、半導体多孔質層5に担持した色素が溶解し難い有機溶剤であると共に、電気化学的に安定であり、電気化学的反応によるガスの発生等がないものが好ましい。このような溶剤の例としては、アセトニトリル、メトキシプロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン及びメチルピロリドン、エチルアセテートまたはテトラヒドロフラン、水、アルコール及びこれらの混合物等を挙げることができる。
また、電解質又は電解液3における溶剤又は電解液として、溶融塩を使用することもできる。かかる溶融塩は、光電変換効率と耐久性との両立という観点からより好ましい。このような溶融塩電解質の例としては、国際公開第95/18456号パンフレット、特開平8−259543号公報、電気化学第65巻第11号第923頁(1997年)等に記載されているピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知のヨウ素塩等が挙げられる。
The solvent in the electrolyte or
Moreover, molten salt can also be used as a solvent or electrolyte solution in the electrolyte or
本実施の形態では、電解質又は電解液3はゲル化させて使用することもできる。ゲル化の手法としては、ポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、架橋反応等の手法によりポリマー添加する方法、ナノ微粒子を添加する方法等がある。例えば、オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合は、分子構造中にアミド構造を有する化合物を使用することが好ましい。また、架橋反応等によりゲル化させる場合、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンを使用することができる。さらに、多官能モノマー類の重合によってゲル化させる場合は、多官能モノマー類、重合開始剤、イオン輸送材料、溶媒からなる溶液からゾル状の電解質又は電解液3を光散乱層6上に形成し、その後ラジカル重合することによってゲル化させる方法が好ましい。
In the present embodiment, the electrolyte or
本実施の形態では、電解質又は電解液3の代わりに、有機若しくは無機、又はこの両者を組み合わせた電荷輸送材料を使用することもできる。
本発明において使用可能な有機正孔輸送材料としては、トリフェニルアミン、ジフェニルアミン、フェニレンジアミン等の芳香族アミン化合物、ナフタレン、アントラセン、ビレン等の縮合多環炭化水素、アゾベンゼン等のアゾ化合物、スチルベン等の芳香環をエチレン結合やアセチレン結合で連結した構造を有する化合物、アミノ基で置換されたヘテロ芳香環化合物、ポルフィリン類、フタロシアン類、α−オクチルチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−オクチルチオフェン、ヘキサドデシルドデシチオフェン等のオリゴチオフェン化合物、ポリピロール、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリ(p−フェニレン)及びその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)及びその誘導体、ポリチエニレンビニレン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリトルイジン及びその誘導体等の導電性高分子を使用することができる。
また、本発明において使用可能な有機電子輸送材料としては、キノン類、テトラシアノキノジメタン類、ジシアノキノンジイミン類、テトラシアノエチレン、ビオローゲン類、ジチオール金属錯体等が挙げられる。
In the present embodiment, instead of the electrolyte or the
Examples of organic hole transport materials that can be used in the present invention include aromatic amine compounds such as triphenylamine, diphenylamine, and phenylenediamine, condensed polycyclic hydrocarbons such as naphthalene, anthracene, and bilen, azo compounds such as azobenzene, and stilbene. Compounds having a structure in which the aromatic rings are linked by ethylene bonds or acetylene bonds, heteroaromatic compounds substituted by amino groups, porphyrins, phthalocyanines, α-octylthiophene, α, ω-dihexyl-α-octylthiophene Oligothiophene compounds such as hexadodecyl dodecithiophene, polypyrrole, polyacetylene and derivatives thereof, poly (p-phenylene) and derivatives thereof, poly (p-phenylene vinylene) and derivatives thereof, polythienylene vinylene and derivatives thereof, polythiophene and Derivatives, polyaniline and derivatives thereof, conductive polymers such as poly-toluidine and derivatives thereof can be used.
Examples of the organic electron transporting material that can be used in the present invention include quinones, tetracyanoquinodimethanes, dicyanoquinone diimines, tetracyanoethylene, viologens, dithiol metal complexes, and the like.
また、有機正孔輸送材料には、ドーパントレベルをコントロールするために、トリス(4−ブロモフェニル)アミニウムヘキサクロロアンチモネートのようなカチオンラジカルを含有する化合物を添加したり、酸化物半導体表面のポテンシャル制御(空間電荷層の補償)を行うためにLi[(CF3SO2)2N]のような塩を添加することもできる。その他、無機材料として、CuI、AgI、TiI、及びその他の金属ヨウ化物、CuBr、CuSCN等を用いることができる。
また、性能改善のために、ter−ブチルピリジンや、2−ピコリン、2,6−ルチジン等の塩基性化合物を添加することもできる(J.Am.Ceram.Soc.,80(12)3157−3171(1997)参照)。塩基性化合物を添加する場合の好ましい濃度範囲は、0.05M以上2M以下である。
In addition, in order to control the dopant level, the organic hole transport material may be added with a compound containing a cation radical such as tris (4-bromophenyl) aminium hexachloroantimonate, or the potential of the oxide semiconductor surface. A salt such as Li [(CF 3 SO 2 ) 2 N] can also be added for control (space charge layer compensation). In addition, CuI, AgI, TiI, and other metal iodides, CuBr, CuSCN, and the like can be used as inorganic materials.
In order to improve the performance, basic compounds such as ter-butylpyridine, 2-picoline, and 2,6-lutidine can also be added (J. Am. Ceram. Soc., 80 (12) 3157-). 3171 (1997)). A preferable concentration range when adding the basic compound is 0.05M or more and 2M or less.
(色素増感型太陽電池)
本実施の形態における色素増感型太陽電池の作製方法は、上記半導体電極1、対向電極2及び電解質又は電解液3を用いる以外は特に制限されることはなく、従来公知の方法に従って行えばよい。具体的には、半導体電極1と対向電極2とを貼り合わせた後、その間隙に液状の電解質又は電解液3を注入し封止する方法;半導体電極1の上に、穴を開けた対向電極2を貼り合わせて封止材によって封止を行った後、対向電極2の穴から電解質又は電解液3を注入し注入口を封止する方法;半導体電極1上に電解質又は電解液3を直接適用した後、その上に対向電極2を貼り合わせる方法等を用いることができる。
また、電解質又は電解液3を注入する際には、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセスや、常圧より低い圧力にして電極間や多孔性膜中の気相を液相に置換する真空プロセスを利用することもできる。
(Dye-sensitized solar cell)
The method for producing the dye-sensitized solar cell in the present embodiment is not particularly limited except that the
In addition, when injecting the electrolyte or the
一方、電解質又は電解液3としてゲル電解質を用いる場合や、電解質又は電解液3の代わりに有機電荷輸送材料の溶液を用いる場合には、半導体多孔質層5の形成方法や、半導体多孔質層5に色素を吸着させる方法と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライドホッパ法、ワーヤーバー法、スピン法、スプレー法、キャスト法、各種印刷法等を用いればよい。
また、電解質又は電解液3として固体電解質を用いる場合や、電解質又は電解液3の代わりに有機正孔輸送材料を用いる場合には、真空蒸着法やCVD法等のドライ成膜処理、メッキ法や電解重合法等のウエット処理によって電解質又は電解液3を対向電極上2に形成した後、半導体電極1と貼り合わせることもできる。
On the other hand, when a gel electrolyte is used as the electrolyte or the
In addition, when a solid electrolyte is used as the electrolyte or the
また、半導体電極1及び対向電極2の抵抗を下げる観点から、それぞれの電極に金属製の配線パターンからなる集電極を形成してもよい。集電極の材質としては、アルミニウム、銀、金、白金、ニッケル、タングステン等の金属が好ましい。この集電極は、透明導電性基板4上に蒸着、スッパタリング、メッキ法等で形成し、その上に導電体層を形成することが好ましい。あるいは、透明基板上に導電体層を形成した後、導電体層上に集電極を形成してもよい。導電性の観点からは、特に、金、銀、銅、ニッケル及びタングステンがより好ましいが、電解質又は電解液3との直接接触を避けることが好ましく、集電極を封止材の下に設けたり、金属酸化物、ポリマーからなる腐食防止層等を設けることが好ましい。
Further, from the viewpoint of reducing the resistance of the
さらに、半導体電極1と対向電極2との間の隙間を封止剤によって封止することが好ましい。封止剤としては、特に制限されることはないが、耐光性、絶縁性及び防湿性を有する材料が好ましく、例えば、アイオノマー樹脂、エポキシ樹脂、紫外線硬化樹脂、アクリル系接着剤、エチレンビニルアセテート(EVA)、シリコンゴム、セラミック等の各種熱融着フィルム等を用いることができる。
Furthermore, it is preferable to seal the gap between the
以下、実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
(半導体電極の作製)
フッ素ドープド酸化スズ透明導電性基板(旭硝子製)上に、酸化チタンペースト(Solaronix社製Ti Nanoxide T)をスキージ法により塗布して乾燥させた後、焼成(焼成温度400℃、焼成時間30分)した。次いで、その上に、上記酸化チタンペーストをスキージ法により再び塗布して乾燥させた後、焼成(焼成温度400℃、焼成時間30分)する工程を2回繰返すことによって約10μm厚の半導体多孔質層を形成させた。次いで、半導体多孔質層の上に、光散乱性の高い不透明な膜を形成する酸化チタンペースト(昭和電工製SP-100)を塗布して乾燥させた後、焼成(焼成温度480℃、焼成時間30分)することにより約9μm厚の光散乱層を形成させた。
Solaronix社製ルテニウム色素Ruthenium 535-bisTBA(シス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)ビステトラブチルアンモニウム)0.3ミリモル/L、デオキシコール酸0.25〜2.5ミリモル/Lのt−ブタノール/アセトニトリル溶液を調製した。かかる色素溶液に、半導体多孔質層及び光散乱層を25℃で18時間浸漬させた後、アセトニトリルを用いて洗浄して乾燥させることによって半導体電極を作製した。また、デオキシコール酸を含まない色素溶液に半導体多孔質層及び光散乱層を浸漬させて作製した半導体電極を本実施例の対照として作製した。作製した半導体電極の半導体多孔質層の色は、色素溶液に配合したデオキシコール酸の量が増加するにつれて薄くなったことから、半導体電極の半導体多孔質層における色素の吸着量は、色素溶液に配合したデオキシコール酸の量が増加するにつれて減少するものと考えられる。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to the following Example.
[Example 1]
(Production of semiconductor electrodes)
A titanium oxide paste (Tinanoxide T manufactured by Solaronix) was applied onto a fluorine-doped tin oxide transparent conductive substrate (manufactured by Asahi Glass) by a squeegee method and dried, followed by firing (firing temperature 400 ° C., firing time 30 minutes) did. Next, the above titanium oxide paste is applied again by the squeegee method, dried, and then fired (firing temperature: 400 ° C., calcining time: 30 minutes) by repeating twice the process of semiconductor porous having a thickness of about 10 μm. Layers were formed. Next, a titanium oxide paste (SP-100 manufactured by Showa Denko) that forms an opaque film with high light scattering properties is applied onto the semiconductor porous layer and dried, followed by firing (firing temperature 480 ° C., firing time). 30 minutes), a light scattering layer having a thickness of about 9 μm was formed.
Ruthenium 535-bisTBA (cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II) bistetrabutylammonium) 0.3 mmol / L, manufactured by Solaronix A 0.25 to 2.5 mmol / L t-butanol / acetonitrile solution of deoxycholic acid was prepared. The semiconductor porous layer and the light scattering layer were immersed in this dye solution at 25 ° C. for 18 hours, and then washed with acetonitrile and dried to prepare a semiconductor electrode. Further, a semiconductor electrode prepared by immersing the semiconductor porous layer and the light scattering layer in a dye solution not containing deoxycholic acid was prepared as a control for this example. Since the color of the semiconductor porous layer of the prepared semiconductor electrode became thinner as the amount of deoxycholic acid added to the dye solution increased, the amount of dye adsorbed on the semiconductor porous layer of the semiconductor electrode It is believed that it decreases as the amount of deoxycholic acid formulated increases.
(色素増感型太陽電池の作製)
対向電極として、フッ素ドープド酸化スズ透明導電性基板に白金を約100nmスパッタ蒸着したものを用いた。また、電解質又は電解液として、1MのLiI、0.05MのI2、0.5Mの4−tert−ブチルピリジン、0.5Mの1,2−ジメチル−1,3−プロピルイミダゾリウムイオダイドのメトキシアセトニトリル溶液からなる電解液を用いた。
上記半導体電極と上記対向電極との間にスペーサーフィルムを挟んで貼り合わせ、上記半導体電極と上記対向電極との間の隙間から電解液を注入することによって色素増感型太陽電池セルを作製した。
(Preparation of dye-sensitized solar cell)
As the counter electrode, a fluorine-doped tin oxide transparent conductive substrate obtained by sputtering platinum with a thickness of about 100 nm was used. Further, as an electrolyte or electrolytic solution, the 1M LiI, I 2 of 0.05 M, 4-tert-butylpyridine 0.5M, of 0.5
A dye-sensitized solar cell was produced by laminating a spacer film between the semiconductor electrode and the counter electrode and injecting an electrolyte solution through a gap between the semiconductor electrode and the counter electrode.
[比較例1]
半導体多孔質層上に光散乱層を設けないこと、半導体多孔質層の焼成温度を480℃としたこと、及びSolaronix社製ルテニウム色素Ruthenium 535-bisTBA(シス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ビピリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)ビステトラブチルアンモニウム)0.3ミリモル/L、デオキシコール酸0〜3ミリモル/Lのt−ブタノール/アセトニトリル溶液を用いたこと以外は、実施例と同様にして、色素増感型太陽電池セルを作製した。
[Comparative Example 1]
No light scattering layer is provided on the semiconductor porous layer, the firing temperature of the semiconductor porous layer is 480 ° C., and Ruthenium 535-bisTBA (cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2) manufactured by Solaronix '-Bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium (II) bistetrabutylammonium) except using 0.3 mmol / L, deoxycholic acid 0-3 mmol / L t-butanol / acetonitrile solution Produced a dye-sensitized solar cell in the same manner as in the example.
上記実施例1及び比較例1で得られた色素増感型太陽電池セルにおいて、光電変換素子の評価を行った。
かかる光電変換素子の評価では、光源として、ソーラーシュミレーター(山下電装、YSS−50A、エアマス1.5、光強度100mW/cm2)、評価装置として、Solartron SI1280B電気化学測定装置を用いた。かかる評価結果を図2に示す。
In the dye-sensitized solar cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1, the photoelectric conversion elements were evaluated.
In the evaluation of such a photoelectric conversion element, a solar simulator (Yamashita Denso, YSS-50A, air mass 1.5, light intensity 100 mW / cm 2 ) was used as a light source, and a Solartron SI1280B electrochemical measurement device was used as an evaluation device. The evaluation results are shown in FIG.
図2は、色素及び有機酸を含む溶液中の有機酸の濃度に対する色素増感型太陽電池セルの光電変換効率の関係を示す図である。
図2に示されているように、比較例1の色素増感型太陽電池セルでは、有機酸を添加しても光電変換効率が向上せず、逆に、有機酸の濃度増加に伴って光電変換効率が低下した。これは、半導体多孔質層における吸着色素量の減少に伴う光吸収量の低下に起因するものと考えられる。
これに対して、実施例1の色素増感型太陽電池セルでは、有機酸を添加することにより光電変換効率が向上した。これは、実施例1では、(1)比較例1と同様に吸着色素量が減少して光吸収量が低下するものの、半導体多孔質層で吸収されなかった透過光が光散乱層で反射され、再び半導体多孔質層に戻って吸収されるため、光吸収量の減少が抑制されること、(2)半導体多孔質層における吸着色素量の減少によって、発生した電子の漏れ電流による消失が低減されること、によって結果的に光電変換効率の向上につながったと考えられる。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell and the concentration of the organic acid in the solution containing the dye and the organic acid.
As shown in FIG. 2, in the dye-sensitized solar cell of Comparative Example 1, even when an organic acid is added, the photoelectric conversion efficiency is not improved. Conversely, as the concentration of the organic acid increases, the photoelectric conversion efficiency increases. Conversion efficiency decreased. This is considered due to a decrease in the amount of light absorption accompanying a decrease in the amount of adsorbed dye in the semiconductor porous layer.
On the other hand, in the dye-sensitized solar cell of Example 1, the photoelectric conversion efficiency was improved by adding an organic acid. In Example 1, (1) Although the amount of adsorbed dye decreases and the amount of light absorption decreases as in Comparative Example 1, transmitted light that is not absorbed by the semiconductor porous layer is reflected by the light scattering layer. Since it is returned to the semiconductor porous layer again and absorbed, the decrease in the amount of light absorption is suppressed, and (2) the loss due to the leakage current of generated electrons is reduced by the decrease in the amount of adsorbed dye in the semiconductor porous layer. As a result, it is considered that the photoelectric conversion efficiency was improved as a result.
[実施例2]
光散乱層の厚さを約5μmに調整して全体(半導体多孔質層及び光散乱層)の厚さを約15μmとし、色素溶液のデオキシコール酸濃度を1ミリモル/Lにしたこと以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池セルを作製した。
[実施例3]
光散乱層の形成に一次粒子径300nmの酸化チタンベースの光学散乱層用ペースト(Solaronix社製Ti Nanoxide 300)を使用し、光散乱層の厚さを約5μmに調整して全体(半導体多孔質層及び光散乱層)の厚さを約15μmとし、色素溶液のデオキシコール酸濃度を1ミリモル/Lにしたこと以外は、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池セルを作製した。
[Example 2]
Except that the thickness of the light scattering layer was adjusted to about 5 μm, the total thickness (semiconductor porous layer and light scattering layer) was about 15 μm, and the deoxycholic acid concentration of the dye solution was 1 mmol / L, A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 1.
[Example 3]
The optical scattering layer paste (Tinanoxide 300 manufactured by Solaronix) with a primary particle size of 300 nm is used to form the light scattering layer, and the thickness of the light scattering layer is adjusted to about 5 μm (semiconductor porous) The dye-sensitized solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the layer and the light scattering layer was about 15 μm, and the deoxycholic acid concentration of the dye solution was 1 mmol / L.
[比較例2]
半導体多孔質層の厚さを約15μmとし、色素溶液にデオキシコール酸を添加しないこと以外は、比較例1と同様にして色素増感型太陽電池セルを作製した。
[比較例3]
半導体多孔質層の厚さを約15μmとし、色素溶液中のデオキシコール酸濃度を1ミリモル/Lにしたこと以外は、比較例1と同様にして色素増感型太陽電池セルを作製した。
[比較例4]
色素溶液にデオキシコール酸を添加しないこと以外は、実施例3と同様にして色素増感型太陽電池セルを作製した。
実施例2及び3、並びに比較例2〜4の色素増感型太陽電池セルにおいて、実施例1と同様にして光電変換素子の評価を行った。その結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the thickness of the semiconductor porous layer was about 15 μm and no deoxycholic acid was added to the dye solution.
[Comparative Example 3]
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the thickness of the semiconductor porous layer was about 15 μm and the deoxycholic acid concentration in the dye solution was 1 mmol / L.
[Comparative Example 4]
A dye-sensitized solar cell was produced in the same manner as in Example 3 except that deoxycholic acid was not added to the dye solution.
In the dye-sensitized solar cells of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 to 4, the photoelectric conversion elements were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
表1に示されているように、デオキシコール酸を添加した色素溶液を用いて作製された、光散乱層を有する半導体電極を備えた実施例2及び3の色素増感型太陽電池セルは、光散乱層を備えていない比較例2及び3の色素増感型太陽電池セルや、デオキシコール酸を添加していない色素溶液を用いて作製された比較例4の色素増感型太陽電池セルに比べて、光電変換効率が高かった。
以上の結果からわかるように、本発明の色素増感型太陽電池の製造方法によれば、半導体多孔質層における吸着色素の量の減少に伴い、光吸収量が低下するという問題を生じることなく、色素の光吸収によって発生した電子の消失を低減させて起電力及び電流密度を改善することにより、変換効率を向上させた色素増感型太陽電池を得ることができる。
As shown in Table 1, the dye-sensitized solar cells of Examples 2 and 3 including a semiconductor electrode having a light scattering layer, which was prepared using a dye solution to which deoxycholic acid was added, To the dye-sensitized solar cells of Comparative Examples 2 and 3 that do not have a light scattering layer, and the dye-sensitized solar cell of Comparative Example 4 that is manufactured using a dye solution to which deoxycholic acid is not added Compared with the photoelectric conversion efficiency.
As can be seen from the above results, according to the method for producing a dye-sensitized solar cell of the present invention, there is no problem that the amount of light absorption decreases with a decrease in the amount of adsorbed dye in the semiconductor porous layer. By reducing the disappearance of electrons generated by light absorption of the dye and improving the electromotive force and current density, a dye-sensitized solar cell with improved conversion efficiency can be obtained.
1 半導体電極、2 対向電極、3 電解質又は電解液、4 透明導電性基板、5 半導体多孔質層、6 光散乱層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
透明導電性基板上に半導体多孔質層及び光散乱層を順次形成させた後、色素及び有機酸を含む溶液に、少なくとも前記半導体多孔質層を浸漬することにより前記半導体電極を作製することを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法。 In a method for producing a dye-sensitized solar cell comprising a semiconductor electrode, a counter electrode facing the semiconductor electrode, and an electrolyte or an electrolyte solution sandwiched between the semiconductor electrode and the counter electrode,
A semiconductor porous layer and a light scattering layer are sequentially formed on a transparent conductive substrate, and then the semiconductor electrode is produced by immersing at least the semiconductor porous layer in a solution containing a dye and an organic acid. A method for producing a dye-sensitized solar cell.
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