JP2011086481A - Photoelectric conversion element and solar cell - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換効率の高い光電変換素子及びその製造方法、その光電変換素子を用いた太陽電池を提供する。
【解決手段】基板の上に形成されている透明導電膜と対向電極間に、色素を担持しているn型半導体を含有する半導体層および固体の正孔輸送層が設けられている色素増感型の光電変換素子において、該正孔輸送層は、少なくとも正孔輸送能を有する芳香族アミン誘導体Aならびに炭化水素Bを含有し、かつ、Bの質量モル分率がAの質量モル分率以下であり、更に、AならびにBの分子量をそれぞれMW(A)およびMW(B)としたとき、下記条件を満足することを特徴とする光電変換素子及び太陽電池。
400≦MW(A)≦2000
2≦MW(A)/MW(B)≦10
【選択図】なしA photoelectric conversion element with high photoelectric conversion efficiency, a method for manufacturing the photoelectric conversion element, and a solar cell using the photoelectric conversion element are provided.
Dye sensitization in which a semiconductor layer containing an n-type semiconductor carrying a dye and a solid hole transport layer are provided between a transparent conductive film formed on a substrate and a counter electrode. In the photoelectric conversion element of the type, the hole transport layer contains at least an aromatic amine derivative A having a hole transport ability and a hydrocarbon B, and the mass mole fraction of B is equal to or less than the mass mole fraction of A. Furthermore, when the molecular weights of A and B are M W (A) and M W (B), respectively, the following conditions are satisfied: A photoelectric conversion element and a solar cell.
400 ≦ M W (A) ≦ 2000
2 ≦ M W (A) / M W (B) ≦ 10
[Selection figure] None
Description
本発明は、色素増感型の光電変換素子、及び該光電変換素子を用いて構成した太陽電池に関する。 The present invention relates to a dye-sensitized photoelectric conversion element and a solar cell configured using the photoelectric conversion element.
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 include, for example, that silicon is required to have a very high purity, and naturally, the purification process is complicated, the number of processes is large, and the manufacturing 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もあるが、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もあった。 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 the like, 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 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。この方式の利点として、酸化チタン等の安価な金属半導体を高純度まで精製する必要なく利用できることがあげられ、従って低コストで太陽電池を製造することができる。また、色素の分光増感作用により、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. An advantage of this method is that an inexpensive metal semiconductor such as titanium oxide can be used without the need to purify it to high purity, and thus a solar cell can be produced at low cost. In addition, the spectral sensitization effect of the dye can effectively convert sunlight with many visible light components into electricity.
上記の色素増感型太陽電池は、ヨウ素を含む電解質を有機溶媒に溶解させた電解液を電荷輸送層として用いているが、電解液の揮発および漏れ、あるいはヨウ素による腐食といった問題を抱えている。これらの欠点を補うものとして、電荷輸送層として固体の正孔輸送剤を用いたものがあり、例えば、芳香族アミン固体p型半導体を用いたものが報告されている(例えば、特許文献1、非特許文献2参照)。一般に半導体層にはナノサイズの粒子からなる多孔質が用いられており、色素分子内での電荷分離で発生した電荷を有効に輸送するためには、多孔質内部にまで正孔輸送剤が浸透している必要がある。正孔輸送剤の分子サイズが小さいほうが多孔質への浸透には有利であるが、正孔輸送層の作製液から溶媒が揮発する際に微結晶化しやすくなり、結晶粒界に起因する正孔輸送能の低下が発生する。このとき微結晶化せずにアモルファス状態の正孔輸送層が得ることができれば、この問題を解決できる。 The above dye-sensitized solar cell uses, as a charge transport layer, an electrolytic solution in which an electrolyte containing iodine is dissolved in an organic solvent, but has problems such as volatilization and leakage of the electrolytic solution or corrosion by iodine. . In order to compensate for these drawbacks, there are those using a solid hole transport agent as the charge transport layer, for example, those using an aromatic amine solid p-type semiconductor have been reported (for example, Patent Document 1, Non-patent document 2). In general, the semiconductor layer is made of a porous material consisting of nano-sized particles. In order to effectively transport the charge generated by charge separation within the dye molecule, the hole transport agent penetrates into the porous material. Need to be. The smaller the hole transport agent molecular size, the better the penetration into the porous material. However, when the solvent evaporates from the hole transport layer preparation liquid, it becomes easier to microcrystallize, and the holes caused by the grain boundaries. A decrease in transport capacity occurs. At this time, if an amorphous hole transport layer can be obtained without microcrystallization, this problem can be solved.
本発明の目的は、光電変換効率の高い光電変換素子及びその製造方法、その光電変換素子を用いた太陽電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency, a method for producing the photoelectric conversion element, and a solar cell using the photoelectric conversion element.
本発明の上記目的は、以下の構成により達成することができる。 The above object of the present invention can be achieved by the following configuration.
1.基板の上に形成されている透明導電膜と対向電極間に、色素を担持しているn型半導体を含有する半導体層および固体の正孔輸送層が設けられている色素増感型の光電変換素子において、該正孔輸送層は、少なくとも正孔輸送能を有する芳香族アミン誘導体Aならびに炭化水素Bを含有し、かつ、Bの質量モル分率がAの質量モル分率以下であり、更に、AならびにBの分子量をそれぞれMW(A)およびMW(B)としたとき、下記条件を満足することを特徴とする光電変換素子。 1. Dye-sensitized photoelectric conversion in which a semiconductor layer containing an n-type semiconductor carrying a dye and a solid hole transport layer are provided between a transparent conductive film formed on a substrate and a counter electrode In the element, the hole transport layer contains at least an aromatic amine derivative A having a hole transport ability and a hydrocarbon B, and the mass mole fraction of B is equal to or less than the mass mole fraction of A. , A and B, when the molecular weights are M W (A) and M W (B), respectively, the photoelectric conversion device satisfies the following conditions.
400≦MW(A)≦2000
2≦MW(A)/MW(B)≦10
2.前記炭化水素Bが2級アルキル基あるいは3級アルキル基を有する芳香族炭化水素であることを特徴とする前記1に記載の光電変換素子。
400 ≦ M W (A) ≦ 2000
2 ≦ M W (A) / M W (B) ≦ 10
2. 2. The photoelectric conversion element as described in 1 above, wherein the hydrocarbon B is an aromatic hydrocarbon having a secondary alkyl group or a tertiary alkyl group.
3.前記n型半導体が酸化チタンであることを特徴とする前記1または2に記載の光電変換素子。 3. 3. The photoelectric conversion element as described in 1 or 2 above, wherein the n-type semiconductor is titanium oxide.
4.前記1〜3の何れか1項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。 4). A solar cell comprising the photoelectric conversion device according to any one of 1 to 3 above.
本発明により、光電変換効率の高い光電変換素子及びその製造方法、その光電変換素子を用いた太陽電池を得ることができた。 According to the present invention, a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency, a method for producing the same, and a solar cell using the photoelectric conversion element can be obtained.
以下本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto.
図1に示すように、本発明に係る光電変換素子は、基板1、透明導電膜2、バリヤ層3、半導体層6、正孔輸送層7、対向電極8等から構成されている。
As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element according to the present invention includes a substrate 1, a transparent conductive film 2, a barrier layer 3, a semiconductor layer 6, a hole transport layer 7, a
本発明の光電変換素子の製造例を以下に示す。透明導電膜2を付けた基板1(導電性支持体とも言う)上に、バリヤ層3を付着形成した後、焼結して形成した空孔を有するn型半導体5を作製し、その空孔表面に増感色素4を吸着させて半導体層6を形成する。p型半導体を主たる成分とする正孔輸送層7が半導体層6上に存在し、その上に対向電極8が付着している。透明導電膜2および対向電極8に端子を付けて光電流を取り出す。
The manufacture example of the photoelectric conversion element of this invention is shown below. An n-
本発明は、この光電変換素子に用いられる正孔輸送層に関するものである。 The present invention relates to a hole transport layer used in this photoelectric conversion element.
《正孔輸送層》
本発明の固体の正孔輸送層とは25℃で固体の正孔輸送層をいい、少なくとも、正孔輸送能を有する芳香族アミン誘導体Aならびに炭化水素Bを含有している。なお、本発明における炭化水素とは、炭素と水素からなる化合物を指す。
《Hole transport layer》
The solid hole transport layer of the present invention refers to a hole transport layer that is solid at 25 ° C., and contains at least an aromatic amine derivative A having a hole transport ability and a hydrocarbon B. The hydrocarbon in the present invention refers to a compound composed of carbon and hydrogen.
図1に於いて、正孔輸送層7は、均一膜状であることが電荷リーク防止の観点から好ましく、微粒子化しやすい無機化合物に比べて、有機化合物のほうが製膜性の点で優れている。有機化合物のうち、特に、分子量が400以上の芳香族アミン誘導体(以下Aと略す)は、π共役系が空間的に広がっているため分子間の重なり積分が大きく、移動度の高い優れた有機p型半導体を与える。芳香族アミン化合物Aの構造例としては、分子内にトリアリールアミン構造を有する、一般式(A1)〜(A8)で示されるトリアリールアミン化合物があげられる。なお、Ar1〜Ar37は、それぞれ置換もしくは未置換のアリール基、複素環基を表し、互いに連結して環状構造を形成しても良い。n1、n2は1〜6の整数である。 In FIG. 1, the hole transport layer 7 is preferably in the form of a uniform film from the viewpoint of preventing charge leakage, and the organic compound is superior in terms of film formability compared to an inorganic compound that is easily formed into fine particles. . Among organic compounds, aromatic amine derivatives having a molecular weight of 400 or more (hereinafter abbreviated as “A”) are excellent organic compounds having a large mobility and high mobility between molecules because the π-conjugated system is spatially spread. A p-type semiconductor is provided. Examples of the structure of the aromatic amine compound A include triarylamine compounds represented by general formulas (A1) to (A8) having a triarylamine structure in the molecule. Ar 1 to Ar 37 each represents a substituted or unsubstituted aryl group or heterocyclic group, and may be linked to each other to form a cyclic structure. n 1, n 2 is an integer from 1 to 6.
より具体的な芳香族アミン化合物Aの構造例としては、下記のA−1〜A−136で示される化合物があげられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。 More specific structural examples of the aromatic amine compound A include compounds represented by the following A-1 to A-136, but the present invention is not limited thereto.
芳香族アミン誘導体Aは半導体層中の空孔内部にも存在していることが好ましく、一般にAの溶液を半導体層上に塗布して空孔内部に浸透させてから作製する。Aの分子量が2000を超えると分子サイズが大きくなり、多孔質内部への浸透を阻害する。分子サイズが小さいほうが多孔質への浸透には有利であるが、溶媒が揮発する際に微結晶化しやすくなり、結晶粒界に起因する正孔輸送能の低下が発生する。このとき、正孔輸送層に炭化水素B(以下Bと略す)を導入するとアモルファス状態の形成が促進されるので、結晶粒界が消失し正孔輸送能が向上する。Bの構造例としては、芳香族と脂肪族の炭化水素部分を共に含む、一般式(B1)〜(B6)の化合物があげられる。R1〜R6はアルキル基、R10はアルキレン基を表し、それぞれ異なっていても良い。n1は1〜6までの、n2、n3、n4は1〜10までの、n5は1〜14までの、n6は1〜18間での整数である。Bに嵩高い置換基、すなわち2級アルキル基あるいは3級アルキル基が存在すると上記のアモルファス化がより促進されるので好ましい。 The aromatic amine derivative A is preferably also present inside the vacancies in the semiconductor layer. In general, the aromatic amine derivative A is prepared after the solution of A is applied on the semiconductor layer and penetrated into the vacancies. When the molecular weight of A exceeds 2000, the molecular size becomes large and the penetration into the porous interior is inhibited. A smaller molecular size is advantageous for permeation into the porous body, but when the solvent volatilizes, it becomes easier to crystallize, and the hole transport ability is reduced due to the crystal grain boundary. At this time, when hydrocarbon B (hereinafter abbreviated as B) is introduced into the hole transport layer, the formation of an amorphous state is promoted, so that the grain boundary disappears and the hole transport ability is improved. Examples of the structure of B include compounds of the general formulas (B1) to (B6) containing both aromatic and aliphatic hydrocarbon moieties. R 1 to R 6 each represents an alkyl group, and R 10 represents an alkylene group, which may be different from each other. n1 is an integer from 1 to 6, n2, n3 and n4 are from 1 to 10, n5 is from 1 to 14, and n6 is an integer from 1 to 18. When B has a bulky substituent, that is, a secondary alkyl group or a tertiary alkyl group, the above-mentioned amorphization is further promoted, which is preferable.
正孔輸送能を向上させるには分子A同士の分子間接触を確保する必要があり、含有するBによるAの分子間接触の阻害を抑制する為に、Aの分子サイズはBの分子サイズより十分に大きくなければならず、具体的にはAの分子量がBの2倍以上であることである。一方Bの分子量がAに比べあまりにも小さすぎるとBのアモルファス形成能が充分でなくなる為、Aの分子量はBの10倍以下でなければいけない。同じく分子A同士の分子間接触を確保するために、Bの質量モル分率はAの質量モル分率以下でなければいけない。また、十分に分子量の小さい炭化水素であるBは酸化還元に対して不活性であり、Aとの電荷の授受は起こらないので、Aに存在している正電荷がBに移動して局在するようなことはなく、結果的に電荷の特定分子への局在による正孔輸送能の低下を防いでいる。以下に、B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。 In order to improve the hole transport ability, it is necessary to ensure intermolecular contact between molecules A. In order to suppress inhibition of intermolecular contact of A by B contained, the molecular size of A is larger than the molecular size of B. It must be sufficiently large. Specifically, the molecular weight of A is at least twice that of B. On the other hand, if the molecular weight of B is too small compared to A, the amorphous forming ability of B will be insufficient, so the molecular weight of A must be 10 times or less of B. Similarly, in order to ensure intermolecular contact between molecules A, the mass mole fraction of B must be equal to or less than the mass mole fraction of A. In addition, B, which is a sufficiently low molecular weight hydrocarbon, is inactive to redox and does not transfer charges with A. Therefore, the positive charge existing in A moves to B and is localized. As a result, the hole transport ability is prevented from being lowered due to the localization of electric charges to specific molecules. Specific examples of B are shown below, but the present invention is not limited thereto.
本発明において、AならびにBの分子量をそれぞれMW(A)およびMW(B)としたとき、下記条件を満足することにより、本発明の目的を達成することが出来た。 In the present invention, when the molecular weights of A and B are M W (A) and M W (B), respectively, the object of the present invention can be achieved by satisfying the following conditions.
400≦MW(A)≦2000
2≦MW(A)/MW(B)≦10
《基板》
基板1は、光入射方向9の側(光入射面側ともいう)に設けられ、色素増感型光電変換素子の光電変換効率向上の観点から、光透過率が10%以上であることが好ましく、更に好ましくは50%以上であり、特に80%〜100%(透明であることを示す)であることが好ましい。
400 ≦ M W (A) ≦ 2000
2 ≦ M W (A) / M W (B) ≦ 10
"substrate"
The substrate 1 is provided on the
上記のような光透過率を基板1が示すためには、例えば、ガラス板やプラスチックフイルムのような光に対して透明な材料を用いることが好ましい。 In order for the substrate 1 to exhibit the light transmittance as described above, it is preferable to use a material that is transparent to light, such as a glass plate or a plastic film.
《透明導電膜》
透明導電膜2(透明導電層ともいう)について説明する。
<Transparent conductive film>
The transparent conductive film 2 (also referred to as a transparent conductive layer) will be described.
透明導電膜2は、基板1の光入射方向9に対して反対側となる一方の面上に設けられる。
The transparent conductive film 2 is provided on one surface that is opposite to the
透明導電膜2を形成する材料としては、透明導電性金属酸化物を用いることが好ましく、例えば、SnO2、CdO、ZnO、CTO系(CdSnO3、Cd2SnO4、CdSnO4)、In2O3、CdIn2O4等が挙げられる。 As a material for forming the transparent conductive film 2, a transparent conductive metal oxide is preferably used. For example, SnO 2 , CdO, ZnO, CTO-based (CdSnO 3 , Cd 2 SnO 4 , CdSnO 4 ), In 2 O 3 , CdIn 2 O 4 and the like.
好ましくは、上記の金属酸化物に、Sn、Sb、F及びAlから選ばれる1種または2種以上を添加した複合(ドープ)材料が挙げられる。 Preferably, a composite (dope) material in which one or more selected from Sn, Sb, F and Al is added to the above metal oxide can be used.
中でも好ましいのは、SnをドープしたIn2O3(ITO)、SbをドープしたSnO2、FをドープしたSnO2(FTO)等の導電性金属酸化物が好ましく用いられ、耐熱性の点からFTOが最も好ましい。 Of these, conductive metal oxides such as In 2 O 3 (ITO) doped with Sn, SnO 2 doped with Sb, and SnO 2 (FTO) doped with F are preferably used, from the viewpoint of heat resistance. FTO is most preferred.
《透明導電性支持体》
上記の基板1と透明導電膜2とから透明導電性支持体が形成される。
<Transparent conductive support>
A transparent conductive support is formed from the substrate 1 and the transparent conductive film 2.
尚、導電性支持体(基板1と透明導電層2からなる)の膜厚としては、0.3mm〜5mmの範囲が好ましい。また、導電性支持体の表面抵抗は、50Ω/cm2以下であることが好ましく、更に好ましくは、10Ω/cm2以下である。 In addition, as a film thickness of an electroconductive support body (it consists of the board | substrate 1 and the transparent conductive layer 2), the range of 0.3 mm-5 mm is preferable. The surface resistance of the conductive support is preferably 50 Ω / cm 2 or less, and more preferably 10 Ω / cm 2 or less.
尚、透明導電性支持体の光透過率の好ましい範囲は、上記基板1の光透過率の好ましい範囲と同義である。 The preferred range of light transmittance of the transparent conductive support is synonymous with the preferred range of light transmittance of the substrate 1.
《半導体層》
本発明に係る半導体層6は、増感色素4とn型半導体5(単に半導体ともいう)からなる。
<Semiconductor layer>
The semiconductor layer 6 according to the present invention includes a sensitizing dye 4 and an n-type semiconductor 5 (also simply referred to as a semiconductor).
本発明に係る半導体を焼成により作製する場合には、増感色素を用いた半導体の増感処理(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増感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 the sensitizing dye is performed after the semiconductor is fired. It is particularly preferable to perform the sensitizing 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、半導体を導電層に塗布あるいは吹きつけて作製するのがよい。また、半導体が膜状であって、導電層上に保持されていない場合には、半導体を導電層上に貼合して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 is preferably manufactured by applying or spraying the semiconductor on the conductive layer. In the case where the semiconductor is in a film form and is not held on the conductive layer, the semiconductor is preferably bonded to the conductive layer.
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(酸化チタン)である。
Examples, TiO 2, ZrO 2, SnO 2, Fe 2 O 3, WO 3, ZnO, Nb 2
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。この時、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)
まず、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1〜5000nm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す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 the semiconductor fine powder, the better. The primary particle diameter is preferably 1 to 5000 nm, and 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層の焼成処理)
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層(半導体膜)が形成される。
(Application of coating solution containing fine semiconductor powder and baking treatment of the formed semiconductor layer)
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 layer (semiconductor film) is formed thereon.
導電性支持体上に塗布液を塗布、乾燥して得られる皮膜は、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 semiconductor fine powder used. 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、半導体薄膜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 thin film 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層の膜厚は、10nm以上が好ましく、さらに好ましくは100〜10000nmである。 As for the film thickness of the semiconductor layer used as the baked material film | membrane which has a porous structure, 10 nm or more is preferable, 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、増感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, for example, an aqueous titanium tetrachloride solution is used for the purpose of increasing the surface area of the semiconductor particles after the heat treatment, increasing the purity in the vicinity of the semiconductor particles, and increasing the efficiency of electron injection from the sensitizing dye to the semiconductor particles. Chemical plating or electrochemical plating using a titanium trichloride aqueous solution may be performed.
《増感色素》
本発明では、半導体5に増感色素4を担持させている。電荷の半導体への効率的な注入の観点から、上記増感色素はカルボキシル基を有することが好ましい。以下に、増感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。
<Sensitizing dye>
In the present invention, the sensitizing dye 4 is carried on the
(半導体の増感処理)
半導体の増感処理は上記のように増感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、半導体層(半導体膜ともいう)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、増感色素が半導体層(半導体膜)内部深くに進入できるようにしておくことが好ましく、半導体層(半導体膜)が多孔質構造膜である場合には特に好ましい。
(Semiconductor sensitization treatment)
The semiconductor sensitization treatment is performed by dissolving the sensitizing dye in an appropriate solvent as described above, and immersing the substrate on which the semiconductor is baked and fixed in the solution. In that case, a semiconductor layer (also referred to as a semiconductor film) is formed by baking, the substrate is preliminarily decompressed or heated to remove bubbles in the film, and the sensitizing dye is deep inside the semiconductor layer (semiconductor film). It is preferable to allow entry, and it is particularly preferable when the semiconductor layer (semiconductor film) is a porous structure film.
増感色素を溶解するのに用いる溶媒は、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膜に進入して、前記増感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 sensitizing dye is not particularly limited as long as it can dissolve and does not dissolve the semiconductor or react with the semiconductor, but is dissolved in the solvent. In order to prevent moisture and gas from entering the semiconductor film and hindering the sensitizing treatment such as adsorption of the sensitizing dye, it is preferable to degas and purify 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 and acetonitrile.
半導体を焼成した基板を、増感色素を含む溶液に浸漬する時間は、半導体層(半導体膜)に前記増感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、かつ溶液中で前記増感色素の分解等により生成した分解物が増感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 has been baked in the solution containing the sensitizing dye is sufficient to cause the sensitizing dye to enter the semiconductor layer (semiconductor film) deeply so that the adsorption proceeds sufficiently and the semiconductor is sufficiently sensitized In addition, from the viewpoint of suppressing degradation products generated by decomposition of the sensitizing dye in the solution from interfering with the adsorption of the sensitizing dye, 1 to 48 hours are preferable at 25 ° C., more preferably 3 to 24 hours. It is. 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、増感色素を含む溶液は、増感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 sensitizing dye may be heated to a temperature that does not boil as long as the sensitizing dye 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.
増感色素を用いて増感処理を行う場合、増感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 sensitizing treatment is performed using a sensitizing dye, the sensitizing dye may be used alone or a plurality thereof may be used in combination.
また、本発明に好ましいカルボキシル基を有する増感色素と他の増感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増感色素としては、本発明に係る半導体層を分光増感しうるものならばいずれの増感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種類以上の増感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増感色素とその割合を選ぶことができる。 Moreover, the sensitizing dye which has a carboxyl group preferable for the present invention and other sensitizing dyes can be used in combination. As the sensitizing dye that can be used in combination, any sensitizing dye that can spectrally sensitize the semiconductor layer according to the present invention can be used. It is preferable to mix two or more types of sensitizing dyes in order to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible and increase the photoelectric conversion efficiency. Further, it is possible to select the sensitizing dye to be mixed and its ratio so as to match 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、吸収波長の異なる二種類以上の増感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 absorption having different absorption wavelengths are used so that the wavelength range of photoelectric conversion can be made as wide as possible to effectively use sunlight. It is preferable to use a mixture of dyes.
併用して用いる増感色素の中では、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 sensitizing 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. It is done.
本発明に好ましいカルボキシル基を有する増感色素と併用して用いることのできる増感色素としては、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号公報等に記載の増感色素を挙げることができる。 Examples of the sensitizing dye that can be used in combination with the sensitizing dye having a carboxyl group preferable in the present invention include, for example, U.S. Pat. Nos. 4,684,537 and 4,927,721. 5,084,365, 5,350,644, 5,463,057, 5,525,440, JP-A-7-249790, JP2000 And sensitizing dyes described in JP-A-15-150007.
半導体層に増感色素を含ませるには、前記増感色素を適切な溶媒(エタノール等)に溶解し、その溶液中によく乾燥した半導体を長時間浸漬する方法が一般的である。 In order to include a sensitizing dye in the semiconductor layer, a method in which the sensitizing dye is dissolved in an appropriate solvent (ethanol or the like) and a well-dried semiconductor is immersed in the solution for a long time is generally used.
増感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増感色素以外の他の増感色素を併用したりして増感処理する際には、各々の増感色素の混合溶液を調製して用いてもよいし、それぞれの増感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。各増感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、半導体層に前記増感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、増感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 a sensitizing dye is used in combination with a plurality of sensitizing dyes or in combination with a sensitizing dye other than the sensitizing dye having a carboxyl group preferable for the present invention, a mixed solution of each sensitizing dye May be prepared and used, or a solution may be prepared for each sensitizing dye and immersed in each solution in order. When preparing a separate solution for each sensitizing dye and immersing in each solution in order, the effects described in the present invention can be obtained regardless of the order in which the sensitizing dye is included in the semiconductor layer. Obtainable. Alternatively, it may be produced by mixing semiconductor fine particles on which a sensitizing dye is adsorbed alone.
吸着処理は、半導体層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増感色素の吸着を実施してもよい。また、半導体微粒子と増感色素とを同時に塗布することにより、増感色素の吸着を実施してもよい。また、未吸着の増感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 layer is in the form of particles, or may be performed after the film is formed 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 the said sensitizing dye adsorption | suction after application | coating of semiconductor fine particle like manufacture of the photoelectric conversion element mentioned later. Alternatively, the sensitizing dye may be adsorbed by simultaneously applying the semiconductor fine particles and the sensitizing dye. Unadsorbed sensitizing dye can be removed by washing.
また、本発明に係る半導体層の増感処理については、半導体が増感色素を含むことにより増感処理が行われるが、増感処理の詳細については、後述する光電変換素子のところで具体的に説明する。 Further, the sensitization treatment of the semiconductor layer according to the present invention is performed by the semiconductor containing the sensitizing dye. The details of the sensitization treatment are specifically described in the photoelectric conversion element described later. explain.
また、空隙率の高い半導体薄膜を有する半導体層の場合には、空隙に水分、水蒸気等により水が半導体薄膜上、及び半導体薄膜内部の空隙に吸着する前に、前記増感色素の吸着処理(半導体層の増感処理)を完了することが好ましい。 In the case of a semiconductor layer having a semiconductor thin film with a high porosity, before the water is adsorbed on the semiconductor thin film and in the voids inside the semiconductor thin film by moisture, water vapor, etc., the sensitizing dye adsorption treatment ( It is preferable to complete the sensitization treatment of the semiconductor layer.
《バリヤ層》
本実施形態では、短絡防止手段として、膜状(層状)をなし、透明導電膜2と正孔輸送層7との間に位置するバリヤ層3が設けられている。このバリヤ層3は、正孔輸送層7の空孔率より、その空孔率が小さくなるよう形成されたものである。
《Barrier layer》
In the present embodiment, as a short-circuit prevention means, a barrier layer 3 is provided which is in the form of a film (layer) and is located between the transparent conductive film 2 and the hole transport layer 7. The barrier layer 3 is formed so that the porosity is smaller than the porosity of the hole transport layer 7.
光電変換素子を製造する際には、正孔輸送層を塗布法により、半導体層の上面に塗布することが行われる。この場合、仮に、バリヤ層が設けられない太陽電池では、半導体の空孔率を大きくすると、正孔輸送層材料が半導体の孔内を浸透していき、透明導電膜2に到達してしまうことがある。すなわち、バリヤ層を有さない太陽電池では、透明導電膜と正孔輸送層との間で接触(短絡)が生じることにより、漏れ電流が多くなり、発電効率(光電変換効率)の低下を招く場合がある。 When manufacturing a photoelectric conversion element, applying a positive hole transport layer to the upper surface of a semiconductor layer by the apply | coating method is performed. In this case, in a solar cell in which no barrier layer is provided, when the porosity of the semiconductor is increased, the hole transport layer material penetrates into the holes of the semiconductor and reaches the transparent conductive film 2. There is. That is, in a solar cell that does not have a barrier layer, a contact (short circuit) occurs between the transparent conductive film and the hole transport layer, resulting in an increase in leakage current and a decrease in power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency). There is a case.
これに対し、バリヤ層3が設けられた光電変換素子では、前述のような不都合が防止され、発電効率の低下が好適に防止または抑制される。 On the other hand, in the photoelectric conversion element provided with the barrier layer 3, the inconvenience as described above is prevented, and a decrease in power generation efficiency is preferably prevented or suppressed.
また、バリヤ層の空孔率をC[%]とし、半導体層の空孔率をD[%]としたとき、D/Cが、例えば、1.1以上程度であるのが好ましく、5以上程度であるのがより好ましく、10以上程度であるのがさらに好ましい。これにより、バリヤ層と半導体層とは、それぞれ、それらの機能をより好適に発揮することができる。 Further, when the porosity of the barrier layer is C [%] and the porosity of the semiconductor layer is D [%], D / C is preferably about 1.1 or more, for example, 5 or more. More preferably, it is about 10 or more. Thereby, a barrier layer and a semiconductor layer can exhibit those functions more suitably, respectively.
より具体的には、バリヤ層の空孔率Cとしては、例えば、20%以下程度であるのが好ましく、5%以下程度であるのがより好ましく、2%以下程度であるのがさらに好ましい。すなわち、バリヤ層は、緻密層であるのが好ましい。これにより、前記効果をより向上することができる。 More specifically, the porosity C of the barrier layer is, for example, preferably about 20% or less, more preferably about 5% or less, and further preferably about 2% or less. That is, the barrier layer is preferably a dense layer. Thereby, the said effect can be improved more.
バリヤ層8の平均厚さ(膜厚)としては、例えば、0.01〜10μm程度であるのが好ましく、0.1〜1μm程度であるのがより好ましい。これにより、前記効果をより向上することができる。
The average thickness (film thickness) of the
このバリヤ層8の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、半導体層の主たる構成材料である酸化チタンの他、例えば、SrTiO3、ZnO、SiO2、Al2O3、SnO2のような各種金属酸化物、CdS、CdSe、TiC、Si3N4、SiC、BNのような各種金属化合物等の1種または2種以上を組み合わせて用いることができるが、この中でも、半導体層と同等の電気伝導性を有するものであるのが好ましく、特に、酸化チタンを主とするものがより好ましい。
The constituent material of the
《対向電極》
本発明に用いられる対向電極8について説明する。
《Counter electrode》
The
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、正孔輸送層との接触性が良い金属薄膜であることが好ましい。正孔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であることが特に好ましい。 The counter electrode only needs to have conductivity, and any conductive material can be used, but a metal thin film having good contact with the hole transport layer is preferable. A gold thin film which is a chemically stable metal having a small work function difference from the hole 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、電荷移動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 transfer 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本発明に係る色素は、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、次いで太陽電池に接続された電気回路を経由して対向電極に移動して、電荷移動層のレドックス電解質を還元する。一方、半導体に電子を移動させた本発明に係る色素は酸化体となっているが、対向電極から正孔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、同時に正孔輸送層のレドックス電解質は酸化されて、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 according to the present invention adsorbed on the semiconductor is excited by absorbing the irradiated light or electromagnetic wave. Electrons generated by the excitation move to the semiconductor, and then move to the counter electrode via an electric circuit connected to the solar cell to reduce the redox electrolyte of the charge transfer layer. On the other hand, the dye according to the present invention in which electrons are transferred to a semiconductor is an oxidant, but is reduced and returned to its original state by supplying electrons from the counter electrode via the hole transport layer. At the same time, the redox electrolyte of the hole transport layer is oxidized and returned to a state where it can be reduced again by the 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、本発明は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1
〔光電変換素子1の作製〕
フッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス基板に、テトラキスイソポロポキシチタン1.2mlおよびアセチルアセトン0.8mlをエタノール18mlに希釈した溶液を滴下して、スピンコート法により製膜後、450℃で8分間加熱して、透明導電膜(FTO)上にバリヤ層を作製した。このバリヤ層上に市販の酸化チタンペースト(粒径18nm)をスクリーン印刷法により5×5mm2の面積で塗布した。120℃で3分間加熱してペーストを乾燥させた後、450℃で30分間焼成を行い、厚さ1.0μmの酸化チタン薄膜を得てn型半導体とした。基板ごと0.02mol/lの四塩化チタン水溶液に一晩浸漬した後、再び450℃で10分間焼成を行った。
Example 1
[Production of Photoelectric Conversion Element 1]
A solution obtained by diluting 1.2 ml of tetrakisisoporopoxytitanium and 0.8 ml of acetylacetone in 18 ml of ethanol is dropped onto a fluorine-doped tin oxide (FTO) conductive glass substrate, and after film formation by spin coating, the film is heated at 450 ° C. for 8 hours. A barrier layer was formed on the transparent conductive film (FTO) by heating for a minute. On this barrier layer, a commercially available titanium oxide paste (particle size: 18 nm) was applied in an area of 5 × 5 mm 2 by screen printing. After heating at 120 ° C. for 3 minutes to dry the paste, baking was performed at 450 ° C. for 30 minutes to obtain a 1.0 μm thick titanium oxide thin film as an n-type semiconductor. The whole substrate was immersed in a 0.02 mol / l aqueous solution of titanium tetrachloride overnight and then baked again at 450 ° C. for 10 minutes.
例示化合物D−12をt−ブチルアルコールとアセトニトリルの1:1混合溶媒に溶解させ、5×10−4mol/lの溶液を作製した。酸化チタンを塗布焼結させたFTOガラス基板をこの溶液に室温で3時間浸漬させて、色素の吸着処理を行い半導体層とした。 Exemplified compound D-12 was dissolved in a 1: 1 mixed solvent of t-butyl alcohol and acetonitrile to prepare a 5 × 10 −4 mol / l solution. An FTO glass substrate coated with titanium oxide was immersed in this solution at room temperature for 3 hours, and a dye adsorption process was performed to obtain a semiconductor layer.
次に、芳香族アミンA−134を153mmol、炭化水素B−2を17mmol、リチウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドを15mmol、4−t−ブチルピリジンを50mmolの各成分をクロロベンゼンに溶解させた溶液を用いて、上記半導体層上にスピンコート法により膜形成を行い、30分間真空乾燥させて正孔輸送層を作製した。更に真空蒸着法により金を60nm蒸着し、対向電極を作製し、光電変換素子1を作製した。 Next, 153 mmol of aromatic amine A-134, 17 mmol of hydrocarbon B-2, 15 mmol of lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, and 50 mmol of 4-t-butylpyridine were dissolved in chlorobenzene. Then, a film was formed on the semiconductor layer by a spin coat method, followed by vacuum drying for 30 minutes to produce a hole transport layer. Furthermore, 60 nm of gold was vapor-deposited by a vacuum vapor deposition method, a counter electrode was produced, and the photoelectric conversion element 1 was produced.
〔光電変換素子2〜17の作製〕
光電変換素子1の作製において、芳香族アミンならびに炭化水素を表1に記載のものに変更したこと以外は同様にして、光電変換素子2〜17を作製した。
[Production of photoelectric conversion elements 2 to 17]
In the production of the photoelectric conversion element 1, photoelectric conversion elements 2 to 17 were produced in the same manner except that the aromatic amine and the hydrocarbon were changed to those shown in Table 1.
作製した光電変換素子を、ソーラーシュミレータ(英弘精機製)を用い、AMフィルター(AM−1.5)を通したキセノンランプから100mW/cm2の擬似太陽光を照射することにより行った。即ち、光電変換素子1〜17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。 The produced photoelectric conversion element was irradiated with 100 mW / cm 2 pseudo sunlight from a xenon lamp that passed through an AM filter (AM-1.5) using a solar simulator (manufactured by Eihiro Seiki). That is, for the photoelectric conversion elements 1 to 17, current-voltage characteristics were measured at room temperature using an IV tester, and a short circuit current (Jsc), an open circuit voltage (Voc), and a form factor (FF) were obtained. From this, the photoelectric conversion 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1に示す。 The evaluation results are shown in Table 1.
表1より、正孔輸送層が芳香族アミン誘導体Aならびに炭化水素Bを含有し、Bの質量モル分率がAの質量モル分率以下であり、AならびにBの分子量をそれぞれMW(A)およびMW(B)としたときに、400≦MW(A)≦2000 かつ 2≦MW(A)/MW(B)≦10 であるという条件を全て満たす光電変換素子(1)〜(11)は、条件を満たさない比較例(12)〜(17)に比べ光電変換効率が優れていた。加えて、Bが2級アルキル基あるいは3級アルキル基を有する芳香族炭化水素である光電変換素子(1)〜(9)は、Bが脂肪族炭化水素である(10)や1級アルキル基のみの芳香族炭化水素である(11)と比べてより光電変換効率が優れていた。 From Table 1, the hole transport layer contains the aromatic amine derivative A and the hydrocarbon B, the mass mole fraction of B is equal to or less than the mass mole fraction of A, and the molecular weights of A and B are respectively M W (A ) And M W (B), the photoelectric conversion element (1) that satisfies all of the following conditions: 400 ≦ M W (A) ≦ 2000 and 2 ≦ M W (A) / M W (B) ≦ 10 -(11) was excellent in photoelectric conversion efficiency compared with the comparative examples (12)-(17) which do not satisfy | fill conditions. In addition, in the photoelectric conversion elements (1) to (9) in which B is an aromatic hydrocarbon having a secondary alkyl group or a tertiary alkyl group, B is an aliphatic hydrocarbon (10) or a primary alkyl group Compared with (11) which is only an aromatic hydrocarbon, the photoelectric conversion efficiency was more excellent.
以上の結果より、本発明の芳香族アミン誘導体と炭化水素を正孔輸送層に用いることで、アモルファス化の促進により正孔輸送能を向上させることができ、光電変換効率の向上につながったことが判った。 From the above results, by using the aromatic amine derivative and hydrocarbon of the present invention for the hole transport layer, the hole transport ability can be improved by promoting the amorphization, leading to the improvement of the photoelectric conversion efficiency. I understood.
1 基板
2 透明導電膜
3 バリヤ層
4 増感色素
5 n型半導体
6 半導体層
7 正孔輸送層
8 対向電極
9 光進行方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Transparent conductive film 3 Barrier layer 4 Sensitizing dye 5 N-type semiconductor 6 Semiconductor layer 7
Claims (4)
400≦MW(A)≦2000
2≦MW(A)/MW(B)≦10 Dye-sensitized photoelectric conversion in which a semiconductor layer containing an n-type semiconductor carrying a dye and a solid hole transport layer are provided between a transparent conductive film formed on a substrate and a counter electrode In the element, the hole transport layer contains at least an aromatic amine derivative A having a hole transport ability and a hydrocarbon B, and the mass mole fraction of B is equal to or less than the mass mole fraction of A. , A and B, when the molecular weights are M W (A) and M W (B), respectively, the photoelectric conversion device satisfies the following conditions.
400 ≦ M W (A) ≦ 2000
2 ≦ M W (A) / M W (B) ≦ 10
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017139376A (en) * | 2016-02-04 | 2017-08-10 | 株式会社リコー | Photoelectric conversion element |
-
2009
- 2009-10-15 JP JP2009238014A patent/JP2011086481A/en active Pending
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