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JP2012243721A - Photoelectric conversion element - Google Patents

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JP2012243721A
JP2012243721A JP2011115816A JP2011115816A JP2012243721A JP 2012243721 A JP2012243721 A JP 2012243721A JP 2011115816 A JP2011115816 A JP 2011115816A JP 2011115816 A JP2011115816 A JP 2011115816A JP 2012243721 A JP2012243721 A JP 2012243721A
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Abstract

【課題】変換効率により優れ、色彩性を損なうことなく意匠性にも優れ、太陽電池用として好適な光電変換素子を提供する。
【解決手段】透明導電膜上に半導体層を設けてなる半導体電極と、対向電極と、前記両極間に保持された電解質層とを備えた光電変換素子であって、前記半導体層が、金属酸化物半導体粒子の平均粒子径の異なる層が2層以上積層してなる積層膜であり、前記電解質層が、酸化還元対としてベンゾキノン誘導体及びヒドロキノン誘導体の両方をそれぞれ1.0mM〜1.0M、添加剤としてアンモニウム塩を1.0mM〜2.0M含有することを特徴とする光電変換素子。
【選択図】図1
Provided is a photoelectric conversion element that is excellent in conversion efficiency, excellent in design without impairing color, and suitable for solar cells.
A photoelectric conversion element comprising a semiconductor electrode in which a semiconductor layer is provided on a transparent conductive film, a counter electrode, and an electrolyte layer held between the two electrodes, wherein the semiconductor layer is a metal oxide. 2 is a laminated film formed by laminating two or more layers having different average particle diameters of physical semiconductor particles, and the electrolyte layer is added with 1.0 mM to 1.0 M of both a benzoquinone derivative and a hydroquinone derivative as a redox pair, respectively. A photoelectric conversion element comprising 1.0 mM to 2.0 M of an ammonium salt as an agent.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、色素増感太陽電池用の光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element for a dye-sensitized solar cell.

次世代の太陽電池として、低温でより低コストで製造が可能な有機太陽電池の開発が期待されている。有機太陽電池の中でも色素増感太陽電池は、製造コストを大幅に削減できる可能性があること、アモルファスシリコン太陽電池と同等な性能を持つこと、着色透明な太陽電池が作れることなど、従来の太陽電池にはない魅力を持つことから、特に注目を浴びている。   As a next-generation solar cell, development of an organic solar cell that can be manufactured at a low temperature and at a lower cost is expected. Among organic solar cells, dye-sensitized solar cells have the potential to significantly reduce manufacturing costs, have the same performance as amorphous silicon solar cells, and can produce colored transparent solar cells. It has attracted particular attention because of its attractiveness not found in batteries.

色素増感太陽電池は、一般に導電性基材上に色素を吸着した半導体からなる光電変換層を持つ半導体電極と、対向して設けられた導電性基材上に触媒層を設けた対向電極と、これら半導体電極と対向電極との間に保持された電解質層から構成されている。電解質層には、ヨウ素系酸化還元対を有機溶媒に溶かしたものが一般的に使用されている。ヨウ素系酸化還元対はイオン伝導度が高く、また酸化状態の色素を還元する速度が速い一方、作用極の導電性ガラス表面や酸化チタン表面での反応性が低いなど、優れた性能を有している。   In general, a dye-sensitized solar cell includes a semiconductor electrode having a photoelectric conversion layer made of a semiconductor having a dye adsorbed on a conductive substrate, and a counter electrode having a catalyst layer provided on a conductive substrate provided oppositely. The electrolyte layer is held between the semiconductor electrode and the counter electrode. As the electrolyte layer, an iodine-based redox couple dissolved in an organic solvent is generally used. Iodine-based redox couples have excellent performance, such as high ion conductivity and a high rate of reducing oxidized dyes, while low reactivity on the conductive glass surface and titanium oxide surface of the working electrode. ing.

しかしながら、ヨウ素系電解質は高い変換効率を得ることができるが、以下のような問題点がある。
・高い揮発性を有するため封止が非常に難しい。
・高い腐食性を有するため、電極として用いることのできる材料が限られている。
・ヨウ素系酸化還元対は可視光領域に非常に大きい吸光度係数を示し、色素の光吸収が阻害され、性能低下の原因となっている他、太陽電池の意匠性を強調する場合、ヨウ素の色が妨げとなり色素の鮮やかさを十分に生かすことができない。
However, iodine-based electrolytes can obtain high conversion efficiency, but have the following problems.
-It is very difficult to seal because of its high volatility.
-Since it has high corrosivity, the material which can be used as an electrode is limited.
・ Iodine-based redox couples have a very large absorbance coefficient in the visible light region, impeding the light absorption of the dye, causing performance degradation, and when emphasizing the design of solar cells, the iodine color This prevents the vividness of the pigment from being fully utilized.

このようにヨウ素系酸化還元対は酸化還元対としての性能は高いものの、欠点も有しているため、ヨウ素系に替わる酸化還元対が求められており、例えば臭素系、硫黄系、セレン系、鉄錯体系、コバルト錯体系、ベンゾキノン/ヒドロキノン系、(SCN)/(SCN)、(SeCN)/(SeCN)系等の酸化還元対が提案されている。しかしながら、何れも変化効率が低いことや、安定性や安全性に問題があるため実用性が高いとは言い難い。 Thus, although the iodine-based redox couple has high performance as a redox couple, it also has drawbacks, so a redox couple that replaces the iodine-based one is required. For example, bromine-based, sulfur-based, selenium-based, Redox couples such as iron complex system, cobalt complex system, benzoquinone / hydroquinone system, (SCN) / (SCN) 2 , (SeCN) / (SeCN) 2 system have been proposed. However, it is difficult to say that the practicality is high because the change efficiency is low and there are problems in stability and safety.

また、色素増感太陽電池の変換効率を向上させるために、増感色素の吸着能力が高い小径の金属酸化物半導体粒子からなる膜を導電膜上に形成し、更にその上に光散乱性に優れる大径の金属酸化物半導体粒子からなる膜を積層することが提案されている(非特許文献1、2参照)。しかしながら、電解質は、ヨウ素系酸化還元対であり、上記と同様の問題が懸念される。また、大径の金属酸化物半導体粒子からなる膜を設けて光行路を長くし、光封じ込め効果を付与しても、ヨウ素系酸化還元対による吸光度係数が大きすぎるために、光封じ込め効果が十分に得られない。   In addition, in order to improve the conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell, a film composed of small-diameter metal oxide semiconductor particles having a high adsorption ability of the sensitizing dye is formed on the conductive film, and further light scattering properties are formed thereon. It has been proposed to stack films made of excellent large-diameter metal oxide semiconductor particles (see Non-Patent Documents 1 and 2). However, the electrolyte is an iodine-based redox couple, and there are concerns about the same problems as described above. In addition, even if a film made of large-diameter metal oxide semiconductor particles is provided to lengthen the optical path and provide a light containment effect, the light absorption effect is sufficiently large because the absorbance coefficient due to the iodine-based redox couple is too large. I can't get it.

M.Graetzel、Chem.Lett.34(2005)、pp8−13M. Graetzel, Chem. Lett. 34 (2005), pp8-13 M.Graetzel、et al、Adv.Mater.18(2005)、pp1202−1205M. Graetzel, et al, Adv. Mater. 18 (2005), pp1202-1205

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、変換効率により優れ、色彩性を損なうことなく意匠性にも優れ、太陽電池用として好適な光電変換素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a photoelectric conversion element that is excellent in conversion efficiency, excellent in design without impairing color, and suitable for solar cells. .

前記課題を解決するため、本発明は、下記の光電変換素子を提供する。
(1)透明導電膜上に半導体層を設けてなる半導体電極と、対向電極と、前記両極間に保持された電解質層とを備えた光電変換素子であって、
前記半導体層が、金属酸化物半導体粒子の平均粒子径の異なる層が2層以上積層してなる積層膜であり、
前記電解質層が、酸化還元対としてベンゾキノン誘導体及びヒドロキノン誘導体の両方をそれぞれ1.0mM〜1.0M、添加剤としてアンモニウム塩を1.0mM〜2.0M含有することを特徴とする光電変換素子。
(2)積層膜において、対向電極に向かうほど、平均粒子径の大きい層が位置するように積層されていることを特徴とする上記(1)記載の光電変換素子。
(3)積層膜において、透明導電膜に最も近い層の金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が100nm以下であり、透明導電膜から最も遠い層の金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が200〜700nmであることを特徴とする上記(1)または(2)記載の光電変換素子。
(4)積層膜において、透明導電膜に最も近い層の厚さが5μm以上で、透明導電膜から最も遠い層の厚さが3μm以上であることを特徴とする上記(3)記載の光電変換素子。
(5)アンモニウム塩が、下記一般式(A)で表される基本骨格を有することを特徴とする上記(1)〜(4)の何れか1項に記載の光電変換素子。
NH ・・・・(A)
(式中、Xは無機アニオンまたは有機アニオンである)
In order to solve the above problems, the present invention provides the following photoelectric conversion element.
(1) A photoelectric conversion element comprising a semiconductor electrode provided with a semiconductor layer on a transparent conductive film, a counter electrode, and an electrolyte layer held between the two electrodes,
The semiconductor layer is a laminated film formed by laminating two or more layers having different average particle diameters of metal oxide semiconductor particles,
A photoelectric conversion element, wherein the electrolyte layer contains 1.0 mM to 1.0 M of both a benzoquinone derivative and a hydroquinone derivative as a redox pair, and 1.0 mM to 2.0 M of an ammonium salt as an additive, respectively.
(2) The photoelectric conversion element as described in (1) above, wherein the laminated film is laminated such that a layer having a larger average particle diameter is located toward the counter electrode.
(3) In the laminated film, the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles in the layer closest to the transparent conductive film is 100 nm or less, and the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles in the layer farthest from the transparent conductive film is 200 to The photoelectric conversion element as described in (1) or (2) above, which has a thickness of 700 nm.
(4) The photoelectric conversion according to (3) above, wherein the thickness of the layer closest to the transparent conductive film is 5 μm or more and the thickness of the layer farthest from the transparent conductive film is 3 μm or more. element.
(5) The photoelectric conversion element as described in any one of (1) to (4) above, wherein the ammonium salt has a basic skeleton represented by the following general formula (A).
NH 4 + X - ···· (A )
(Wherein, X - is an inorganic anion or an organic anion)

本発明では、ヒドロキノン/ベンゾキノン系酸化還元対を用いるが、ヨウ素電荷輸送材と比較すると、着色を抑えることはできるものの、発電効率に劣るという問題がある。そこで、特定のアンモニウム塩を添加することで、電荷輸送材として高い性能・安定性を達成し、更にはヨウ素と比較して着色を抑えた酸化還元対を達成することができる。また、半導体層を色素の吸着能力が高い小径の金属酸化物半導体粒子からなる層と、その上に光封じ込め効果に優れる大径の金属酸化物半導体粒子からなる層とを積層した半導体層により、変換効率が高まる。   In the present invention, a hydroquinone / benzoquinone-based redox pair is used. However, compared with an iodine charge transport material, although coloring can be suppressed, there is a problem that power generation efficiency is inferior. Therefore, by adding a specific ammonium salt, it is possible to achieve high performance and stability as a charge transport material, and furthermore, it is possible to achieve a redox couple in which coloring is suppressed as compared with iodine. In addition, the semiconductor layer is a semiconductor layer in which a layer made of small-sized metal oxide semiconductor particles having a high ability to adsorb a dye and a layer made of large-sized metal oxide semiconductor particles having an excellent light containment effect thereon are laminated, Conversion efficiency increases.

本発明の光電変換素子は、電解質層に含まれるヒドロキノン誘導体/ベンゾキノン誘導体、アンモニウム塩混合電荷輸送材が、酸化還元対として高い性能・安定性を有するだけでなく、ヨウ素系電荷輸送材と比べて薄色であるため、光電変換素子の色彩性を損なわず、高効率で意匠性に優れ、更には平均粒径が異なる金属酸化物半導体粒子からなる半導体層により高い変換効率が得られる。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the hydroquinone derivative / benzoquinone derivative and ammonium salt mixed charge transport material contained in the electrolyte layer not only have high performance and stability as an oxidation-reduction pair, but also compared with an iodine-based charge transport material. Since it is a light color, high conversion efficiency is obtained by a semiconductor layer composed of metal oxide semiconductor particles having high efficiency and excellent design without impairing the color of the photoelectric conversion element, and having different average particle diameters.

本発明の光電変換素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the photoelectric conversion element of this invention.

以下に、本発明の光電変換素子に関して、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, the photoelectric conversion element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の光電変換素子Aを示す断面図である。透明基体1の一方の面には透明導電膜2が形成され、更に透明導電膜2の表面に半導体層3が形成されて半導体電極9を構成している。半導体層3は、金属酸化物半導体粒子からなる層が積層した積層膜で構成されるが、透明導電膜2に近い層ほど平均粒子径が小さくなるように積層されている。即ち、図の例では、透明導電膜2に接して小径の金属酸化物半導体粒子からなる第1の半導体層4の上に、大径の金属酸化物半導体粒子からなる第2の半導体層5が積層している。尚、半導体層3は、図示される2層に限らず、3層以上とすることもできるが、例えば3層の場合は、透明電極膜2に近い側から順に、平均粒子径の最も小さい第1の半導体層と、平均粒子径が第1の半導体層よりも大きい第2の半導体層と、平均粒子径が第2の半導体層よりも大きい第3の半導体層とを積層する。また、各半導体層を構成する金属酸化物半導体粒子には、増感色素が吸着される。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a photoelectric conversion element A of the present invention. A transparent conductive film 2 is formed on one surface of the transparent substrate 1, and a semiconductor layer 3 is formed on the surface of the transparent conductive film 2 to constitute a semiconductor electrode 9. The semiconductor layer 3 is composed of a laminated film in which layers made of metal oxide semiconductor particles are laminated. The layer closer to the transparent conductive film 2 is laminated so that the average particle diameter becomes smaller. That is, in the example of the figure, the second semiconductor layer 5 made of large-sized metal oxide semiconductor particles is formed on the first semiconductor layer 4 made of small-sized metal oxide semiconductor particles in contact with the transparent conductive film 2. Laminated. The semiconductor layer 3 is not limited to the two layers shown in the figure, but may be three or more layers. For example, in the case of three layers, the first layer having the smallest average particle diameter in order from the side closer to the transparent electrode film 2 A first semiconductor layer, a second semiconductor layer having an average particle diameter larger than that of the first semiconductor layer, and a third semiconductor layer having an average particle diameter larger than that of the second semiconductor layer. A sensitizing dye is adsorbed on the metal oxide semiconductor particles constituting each semiconductor layer.

増感色素としては、太陽光により励起されて半導体層3に電子注入できるものであればよく、一般的に光電変換素子に用いられている色素を用いることができるが、変換効率を向上させるためには、その吸収スペクトルが太陽光スペクトルと広波長域で重なっていて、耐光性が高いことが望ましい。増感色素としては、金属錯体色素、例えば、ルテニウム錯体、鉄錯体、銅錯体などが挙げられる。さらに、シアン系色素、ポルフィリン系色素、ポリエン系色素、クマリン系色素、シアニン系色素、スクアリン酸系色素、メチン系色素、キサンテン系色素、インドリン系色素などが挙げられる。   As the sensitizing dye, any dye that can be excited by sunlight and can inject electrons into the semiconductor layer 3 can be used. In general, a dye used in a photoelectric conversion element can be used, but in order to improve conversion efficiency. It is desirable that the absorption spectrum overlaps with the sunlight spectrum in a wide wavelength region and has high light resistance. Examples of the sensitizing dye include metal complex dyes such as ruthenium complexes, iron complexes, and copper complexes. Further examples include cyan dyes, porphyrin dyes, polyene dyes, coumarin dyes, cyanine dyes, squaric acid dyes, methine dyes, xanthene dyes, indoline dyes, and the like.

また、電極基材8の一方の面には触媒層7が形成され、対向電極10を構成している。そして、半導体電極9の透明電極膜2と、対向電極10の触媒層7とが対向するように離間して配置され、それらの間に電解質層5が介在されている。   In addition, a catalyst layer 7 is formed on one surface of the electrode base 8 to constitute the counter electrode 10. The transparent electrode film 2 of the semiconductor electrode 9 and the catalyst layer 7 of the counter electrode 10 are disposed so as to face each other, and the electrolyte layer 5 is interposed therebetween.

下記に、各構成要素について詳説する。   Below, each component is explained in detail.

〔透明基体1〕
透明基体1は、可視光を透過するものが使用でき、透明なガラスが好適に利用できる。また、透明導電膜2が形成される側の表面を加工して入射光を散乱させることで、高効率で入射光を利用することができる。また、ガラスに限らず、光を透過するものであればプラスチック板やプラスチックフィルム等も使用できる。
[Transparent substrate 1]
As the transparent substrate 1, one that transmits visible light can be used, and transparent glass can be preferably used. Moreover, incident light can be utilized with high efficiency by processing the surface on the side where the transparent conductive film 2 is formed and scattering incident light. Moreover, not only glass but a plastic plate, a plastic film, etc. can be used if it transmits light.

透明基体1の厚さは、光電変換素子Aの形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、例えば、屋外設置用太陽電池パネルなどのように、剛性・耐久性が求められるガラスやプラスチックなどでは、1mm〜1cm程度が好ましく、小型の家電製品などに用いられ、フレキシブル性が求められるプラスチックフィルムなどでは、1μm〜1mm程度が好ましい。   The thickness of the transparent substrate 1 is not particularly limited because it varies depending on the shape and use conditions of the photoelectric conversion element A. For example, glass or plastic that requires rigidity and durability, such as a solar cell panel for outdoor installation, etc. Then, about 1 mm to 1 cm is preferable, and about 1 μm to 1 mm is preferable for a plastic film or the like that is used for small home appliances or the like and is required to have flexibility.

〔透明導電膜2〕
透明導電膜2には、可視光を透過して、かつ導電性を有する材料が使用できる。このような材料としては、例えば金属酸化物が挙げられる。特に限定はされないが、例えばフッ素をドープした酸化スズ(以下、「FTO」と略記する。)や、酸化インジウム、酸化スズと酸化インジウムの混合体(以下、「ITO」と略記する。)、アンチモンをドープした酸化スズ、酸化亜鉛などが好適に用いることができる。
[Transparent conductive film 2]
The transparent conductive film 2 can be made of a material that transmits visible light and has conductivity. An example of such a material is a metal oxide. Although not particularly limited, for example, tin oxide doped with fluorine (hereinafter abbreviated as “FTO”), indium oxide, a mixture of tin oxide and indium oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), antimony, and the like. Oxide-doped tin oxide, zinc oxide, and the like can be suitably used.

また、分散させるなどの処理により可視光が透過すれば、不透明な導電性材料を用いることもできる。このような材料としては炭素材料や金属が挙げられる。炭素材料としては、特に限定はされないが、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブやフラーレンなどが挙げられる。また、金属としては、特に限定はされないが、例えば白金、金、銀、ルテニウム、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金などが挙げられる。   In addition, an opaque conductive material can be used as long as visible light is transmitted through a treatment such as dispersion. Such materials include carbon materials and metals. Although it does not specifically limit as a carbon material, For example, graphite (graphite), carbon black, glassy carbon, a carbon nanotube, fullerene, etc. are mentioned. Further, the metal is not particularly limited, and examples thereof include platinum, gold, silver, ruthenium, copper, aluminum, nickel, cobalt, chromium, iron, molybdenum, titanium, tantalum, and alloys thereof.

透明導電膜2の厚さは、用いる材料により導電性が異なるため特には限定されないが、一般的に使用されるFTO被膜付ガラスでは、0.01μm〜5μmであり、好ましくは0.1μm〜1μmである。また、必要とされる導電性は、使用する電極の面積により異なり、広い電極ほど低抵抗であることが求められるが、一般的にシート抵抗(面抵抗率)で100Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下、より好ましくは5Ω/□以下である。このシート抵抗は、薄膜やフィルム状物質の電気抵抗値であり、単位はΩであるが、シートであることを示すため慣用的に「Ω/□(ohm/square)」と記述している。透明基体1及び透明導電膜2との積層体の厚さ、または透明基体1と透明導電膜2とを一体化した厚さは、上述のように光電変換素子Aの形状や使用条件により異なるため特に限定はされないが、一般的に1μm〜1cm程度である。   The thickness of the transparent conductive film 2 is not particularly limited because the conductivity varies depending on the material to be used, but is generally 0.01 μm to 5 μm, preferably 0.1 μm to 1 μm in the FTO coated glass generally used. It is. Further, the required conductivity varies depending on the area of the electrode to be used, and it is required that the wider the electrode, the lower the resistance. In general, the sheet resistance (surface resistivity) is 100Ω / □ or less, preferably 10Ω. / □ or less, more preferably 5Ω / □ or less. This sheet resistance is an electrical resistance value of a thin film or film-like substance, and its unit is Ω, but is conventionally described as “Ω / □ (ohm / square)” to indicate that it is a sheet. Since the thickness of the laminated body of the transparent substrate 1 and the transparent conductive film 2 or the thickness obtained by integrating the transparent substrate 1 and the transparent conductive film 2 varies depending on the shape and use conditions of the photoelectric conversion element A as described above. Although not particularly limited, it is generally about 1 μm to 1 cm.

〔半導体層3〕
半導体層3は、平均粒子径が異なる金属酸化物半導体粒子からなる層が、多層に積層したものである。金属酸化物半導体の種類は特に限定はされないが、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズなどが挙げられ、特に二酸化チタン、さらにはアナターゼ型二酸化チタンが好適である。また、電気抵抗値を下げるため、金属酸化物の粒界は少ないことが望ましい。
[Semiconductor layer 3]
The semiconductor layer 3 is formed by laminating layers of metal oxide semiconductor particles having different average particle diameters in multiple layers. The type of the metal oxide semiconductor is not particularly limited, and examples thereof include titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, and titanium dioxide, and more particularly anatase type titanium dioxide are preferable. Further, it is desirable that the metal oxide has few grain boundaries in order to reduce the electric resistance value.

また、透明導電膜2に最も近い半導体層(図の例では第1の半導体層4)を構成する金属酸化物半導体粒子は、その平均粒子径が最も小さく、好ましくは100nm以下、より好ましくは10〜80nmである。また、透明導電膜2から最も遠い半導体層(図の例では第2の半導体層5)は、その平均粒子径が最も大きく、好ましくは200〜700nmであり、より好ましくは300〜600nmである。金属酸化物半導体粒子が小さくなるほど表面積が大きくなって増感色素の吸着量が大きくなるが、その一方で光散乱性が小さくなって変換効率が小さくなる。そのため、本発明では、小径の金属酸化物半導体粒子による増感色素の吸着量増加と、大径の金属酸化物半導体粒子による光散乱効果とを併合するが、その際、小径の金属酸化物半導体粒子を透明導電膜2の近くに配置して増感色素の量をより多くするとともに、大径の金属酸化物半導体粒子を遠くに配置して光散乱効果をより高めることにより、全体としての光電変換効率をより高める。このような効果を確実に得るために、各半導体層における金属酸化物半導体粒子の大きさを上記のように規定する。即ち、透明導電膜2に最も近い半導体層を構成する金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が100nmを越えると増感色素の吸着量が十分ではなく、透明導電膜2から最も遠い半導体層を構成する金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が200nmよりも小さいと光散乱効果が十分に得られない。また、平均粒子径が700nmを超えるような大径の金属酸化物半導体粒子では、増感色素を吸着可能な表面積が著しく少なく、光電変換効率が低くなるばかりでなく、成膜性が悪くなり均一な半導体膜3が得られなくなる。   Further, the metal oxide semiconductor particles constituting the semiconductor layer closest to the transparent conductive film 2 (first semiconductor layer 4 in the illustrated example) have the smallest average particle diameter, preferably 100 nm or less, more preferably 10 ~ 80 nm. Further, the semiconductor layer farthest from the transparent conductive film 2 (second semiconductor layer 5 in the example shown in the figure) has the largest average particle diameter, preferably 200 to 700 nm, and more preferably 300 to 600 nm. As the metal oxide semiconductor particles become smaller, the surface area becomes larger and the adsorption amount of the sensitizing dye becomes larger. On the other hand, the light scattering property becomes smaller and the conversion efficiency becomes smaller. Therefore, in the present invention, the increase in the adsorption amount of the sensitizing dye by the small-diameter metal oxide semiconductor particles and the light scattering effect by the large-diameter metal oxide semiconductor particles are combined. By arranging the particles closer to the transparent conductive film 2 to increase the amount of the sensitizing dye, and disposing the large-diameter metal oxide semiconductor particles far away to further enhance the light scattering effect, Increase conversion efficiency. In order to reliably obtain such an effect, the size of the metal oxide semiconductor particles in each semiconductor layer is defined as described above. That is, when the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles constituting the semiconductor layer closest to the transparent conductive film 2 exceeds 100 nm, the adsorption amount of the sensitizing dye is not sufficient, and the semiconductor layer farthest from the transparent conductive film 2 is formed. When the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles to be performed is smaller than 200 nm, the light scattering effect cannot be sufficiently obtained. In addition, a large-sized metal oxide semiconductor particle having an average particle diameter exceeding 700 nm has a remarkably small surface area on which a sensitizing dye can be adsorbed, resulting in not only low photoelectric conversion efficiency but also poor film-formability and uniformity. No semiconductor film 3 can be obtained.

増感色素の吸着量をより高めるためには、透明導電膜2に最も近い半導体層を構成する金属酸化物半導体粒子のBET比表面積が50〜200m/g、透明導電膜2に最も遠い半導体層を構成する金属酸化物半導体粒子のBET比表面積が5〜20m/gであることが好ましい。 In order to further increase the adsorption amount of the sensitizing dye, the BET specific surface area of the metal oxide semiconductor particles constituting the semiconductor layer closest to the transparent conductive film 2 is 50 to 200 m 2 / g, the semiconductor farthest from the transparent conductive film 2 It is preferable that the metal oxide semiconductor particles constituting the layer have a BET specific surface area of 5 to 20 m 2 / g.

また、透明導電膜2に最も近い半導体層の厚さは5μm以上、透明導電膜2に最も遠い半導体層の厚さは3μm以上であることが好ましい。半導体層の厚さは、構成する金属酸化物半導体粒子の平均粒子径により異なるが、このような厚さとすることにより、増感色素の吸着量及び光散乱効果が十分に得られ、光電変換効率が向上する。   The thickness of the semiconductor layer closest to the transparent conductive film 2 is preferably 5 μm or more, and the thickness of the semiconductor layer farthest from the transparent conductive film 2 is preferably 3 μm or more. The thickness of the semiconductor layer varies depending on the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles constituting the semiconductor layer. By using such a thickness, the adsorption amount of the sensitizing dye and the light scattering effect can be sufficiently obtained, and the photoelectric conversion efficiency can be obtained. Will improve.

このような半導体層3は、既知の成膜方法で透明導電膜2上に設けることができ、例として、ゾルゲル法や、分散体ペーストの塗布、また、電析や電着させる方法がある。その際、上記の多層構造となるように、平均粒子径の小さな金属酸化物半導体粒子からなる層から順に成膜工程を繰り返す。   Such a semiconductor layer 3 can be provided on the transparent conductive film 2 by a known film formation method, and examples thereof include a sol-gel method, a dispersion paste application, a method of electrodeposition and electrodeposition. At that time, the film forming process is repeated in order from the layer made of the metal oxide semiconductor particles having a small average particle diameter so as to obtain the multilayer structure.

〔電解質層6〕
電解質層6は、酸化還元対としてヒドロキノン誘導体と、ベンゾキノン誘導体と、下記一般式(A)で表されるアンモニウム塩を混合した組成となっている。
NH ・・・・(A)
式中、Xは無機アニオンまたは有機アニオンであるが、有機溶媒への溶解性を考慮すると有機アニオンが好ましい。有機アニオンの種類に関しては、特別限定はされないが、酸解離定数が小さく、NH が安定に存在できることから酢酸イオン、プロピオン酸イオン、安息香酸イオンなどに代表されるカルボン酸イオンが好ましい。また、無機アニオンとしては塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン等が挙げられる。
[Electrolyte layer 6]
The electrolyte layer 6 has a composition in which a hydroquinone derivative, a benzoquinone derivative, and an ammonium salt represented by the following general formula (A) are mixed as a redox pair.
NH 4 + X - ···· (A )
In the formula, X is an inorganic anion or an organic anion, and an organic anion is preferable in consideration of solubility in an organic solvent. The type of organic anion is not particularly limited, but carboxylate ions represented by acetate ion, propionate ion, benzoate ion, and the like are preferable because the acid dissociation constant is small and NH 4 + can stably exist. Examples of inorganic anions include chlorine ions, bromine ions, iodine ions and the like.

酸化還元組成物中のアンモニウム塩の濃度としては、溶媒に対して1.0mM〜2.0Mの範囲である。濃度が1.0mMより小さい場合、アンモニウム塩の添加効果がほとんど得られなくなり、変換効率の向上はほとんど見られない。一方、濃度が2.0Mより大きくしても、変換効率の向上はほとんど見られないだけではなく、溶解度の問題から、アンモニウム塩が溶液中で析出してしまう虞がある。好ましい濃度は、20mM〜2.0Mである。   The concentration of the ammonium salt in the redox composition is in the range of 1.0 mM to 2.0 M with respect to the solvent. When the concentration is smaller than 1.0 mM, the effect of adding an ammonium salt is hardly obtained, and the conversion efficiency is hardly improved. On the other hand, even if the concentration is higher than 2.0M, the conversion efficiency is hardly improved, and ammonium salts may be precipitated in the solution due to solubility problems. A preferred concentration is 20 mM to 2.0 M.

ヒドロキノン誘導体としては、下記一般式(I)で表される基本骨格を有するものが好適である。   As the hydroquinone derivative, those having a basic skeleton represented by the following general formula (I) are preferable.

Figure 2012243721
Figure 2012243721

式中、Rはアルキル基、アリール基を示しており、添字のnは置換基を0個以上有することを示す。アルキル基、アリール基の種類に関しては特別限定されないが、有機溶媒への溶解性、共役長が伸びることで可視光の吸収が起こることを考慮すると、アルキル基のほうが好ましい。   In the formula, R represents an alkyl group or an aryl group, and the subscript n represents 0 or more substituents. The type of alkyl group or aryl group is not particularly limited, but an alkyl group is more preferable in consideration of solubility in an organic solvent and absorption of visible light caused by an increase in conjugation length.

また、一般式(I)の構造として単環式の芳香環のみならず、多環式芳香族のヒドロキノン誘導体も適用できる。多環式芳香族の種類に関しては特別限定されないが、有機溶媒への溶解性や、共役長が伸びることで可視光の吸収が起こることを考慮すると、縮合環数として3以下のものが好ましいと考えられる。縮合環数が3以下の化合物には、例えば、2つの環が縮合したナフトヒドロキノン誘導体や、3つの環が縮合したアントラヒドロキノン誘導体が挙げられる。   Further, as the structure of the general formula (I), not only a monocyclic aromatic ring but also a polycyclic aromatic hydroquinone derivative can be applied. The type of polycyclic aromatic is not particularly limited, but in consideration of solubility in an organic solvent and absorption of visible light due to an increase in conjugation length, a condensed ring number of 3 or less is preferable. Conceivable. Examples of the compound having 3 or less condensed rings include naphthohydroquinone derivatives in which two rings are condensed and anthrahydroquinone derivatives in which three rings are condensed.

酸化環元組成物中のヒドロキノン誘導体の濃度としては、溶媒に対して1.0mM〜1.0Mの範囲である。濃度が1.0mMより小さい場合、添加効果がほとんど得られなくなり、変換効率の向上はほとんど見られない。一方、濃度を1.0Mより大きくしても、変換効率の向上はほとんど見られないだけではなく、ヒドロキノン誘導体の溶解度の問題から、ヒドロキノン誘導体が溶液中で析出してしまう虞がある。好ましい濃度は、10mM〜1.0Mである。   The concentration of the hydroquinone derivative in the oxidized ring base composition is in the range of 1.0 mM to 1.0 M with respect to the solvent. When the concentration is smaller than 1.0 mM, the addition effect is hardly obtained, and the conversion efficiency is hardly improved. On the other hand, even if the concentration is higher than 1.0M, not only the conversion efficiency is hardly improved, but also the hydroquinone derivative may be precipitated in the solution due to the solubility of the hydroquinone derivative. A preferred concentration is 10 mM to 1.0 M.

ベンゾキノン誘導体としては下記一般式(II)で表される基本骨格を有するものが好適である。   As the benzoquinone derivative, those having a basic skeleton represented by the following general formula (II) are preferable.

Figure 2012243721
Figure 2012243721

式中、Rはアルキル基、アリール基を示しており、添字のnは置換基を0個以上有することを示す。アルキル基、アリール基の種類に関しては特別限定されないが、有機溶媒への溶解性、共役長が伸びることで可視光の吸収が起こることを考慮すると、アルキル基のほうが好ましい。   In the formula, R represents an alkyl group or an aryl group, and the subscript n represents 0 or more substituents. The type of alkyl group or aryl group is not particularly limited, but an alkyl group is more preferable in consideration of solubility in an organic solvent and absorption of visible light caused by an increase in conjugation length.

また、一般式(II)の構造として単環式の芳香環のみならず、多環式芳香族のヒドロキノン誘導体も適用できる。多環式芳香族の種類に関しては特別限定されないが、有機溶媒への溶解性や、共役長が伸びることで可視光の吸収が起こることを考慮すると、縮合環数として3以下のものが好ましいと考えられる。縮合環数が3以下の化合物には、例えば、2つの環が縮合したナフトキノン誘導体や、3つの環が縮合したアントラキノン誘導体が挙げられる。   Further, as the structure of the general formula (II), not only a monocyclic aromatic ring but also a polycyclic aromatic hydroquinone derivative can be applied. The type of polycyclic aromatic is not particularly limited, but in consideration of solubility in an organic solvent and absorption of visible light due to an increase in conjugation length, a condensed ring number of 3 or less is preferable. Conceivable. Examples of the compound having 3 or less condensed rings include a naphthoquinone derivative in which two rings are condensed and an anthraquinone derivative in which three rings are condensed.

酸化環元組成物中のベンゾキノン誘導体の濃度としては、溶媒に対して1.0mM〜1.0Mの範囲である。濃度が1.0mMより小さい場合、添加効果がほとんど得られなくなり、変換効率の向上はほとんど見られない。一方、濃度を1.0Mより大きくしても、変換効率の向上はほとんど見られないだけではなく、ベンゾキノン誘導体の溶解度の問題から、ベンゾキノン誘導体が溶液中で析出してしまう虞がある。好ましい濃度は、10mM〜1.0Mである。   The concentration of the benzoquinone derivative in the oxidized ring base composition is in the range of 1.0 mM to 1.0 M with respect to the solvent. When the concentration is smaller than 1.0 mM, the addition effect is hardly obtained, and the conversion efficiency is hardly improved. On the other hand, even if the concentration is higher than 1.0M, not only the conversion efficiency is hardly improved, but the benzoquinone derivative may be precipitated in the solution due to the solubility problem of the benzoquinone derivative. A preferred concentration is 10 mM to 1.0 M.

ヒドロキノン誘導体、ベンゾキノン誘導体の組合せは、一般式(I)、(II)中のRnが同じ置換基である組合せが好ましい。   The combination of hydroquinone derivative and benzoquinone derivative is preferably a combination in which Rn in the general formulas (I) and (II) are the same substituent.

また、ヒドロキノン誘導体、ベンゾキノン誘導体、アンモニウム塩の混合比は特に限定されないが、ヒドロキノン誘導体モル濃度をx、ベンゾキノン誘導体のモル濃度をy、アンモニウム塩のモル濃度をzとすると、以下の式を満たすことが好ましい。
0.05≦x/y≦20、0.5≦(x+y)/z≦2.0
The mixing ratio of hydroquinone derivative, benzoquinone derivative, and ammonium salt is not particularly limited. However, when the molar concentration of hydroquinone derivative is x, the molar concentration of benzoquinone derivative is y, and the molar concentration of ammonium salt is z, the following formula is satisfied. Is preferred.
0.05 ≦ x / y ≦ 20, 0.5 ≦ (x + y) /z≦2.0

上記酸化還元対を溶解させる溶媒としては、酸化還元対を溶解できる化合物であれば特に制限はなく、非水性有機溶媒、常温溶融塩、プロトン性有機溶媒などから任意に選択できる。また、アンモニウム塩は有機溶媒に難溶であることがあるが、その場合は、溶媒にカルボン酸を添加することで、溶解させることができる。   The solvent for dissolving the redox couple is not particularly limited as long as it is a compound capable of dissolving the redox couple, and can be arbitrarily selected from a non-aqueous organic solvent, a room temperature molten salt, a protic organic solvent, and the like. In addition, the ammonium salt may be hardly soluble in an organic solvent. In that case, the ammonium salt can be dissolved by adding a carboxylic acid to the solvent.

例えば有機溶媒として、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、パレロニトリル、3−メトキシプロピオニトリルなどのニトリル化合物、γ−ブチルラクトンやパレロラクトンなどのラクトン化合物、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、ジオキサンやジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、低重合度ポリエチレングリコールなどのエーテル類、メタノール、エタノール等のアルコール類、さらにはジメチルホルムアミドやイミダゾール類などが挙げられ、中でもアセトニトリル、パレロニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、プロピレンカーボネート、低重合度ポリエチレングリコールなどを好適に用いることができる。   Examples of organic solvents include nitrile compounds such as acetonitrile, methoxyacetonitrile, parelonitrile, and 3-methoxypropionitrile, lactone compounds such as γ-butyllactone and parerolactone, carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate, dioxane, diethyl ether, and ethylene. Examples include glycol dialkyl ethers, ethers such as low-polymerization polyethylene glycol, alcohols such as methanol and ethanol, and dimethylformamide and imidazoles. Among them, acetonitrile, pareronitrile, 3-methoxypropionitrile, propylene carbonate, low Polymerization degree polyethylene glycol etc. can be used conveniently.

カルボン酸としては、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、ヘキサン酸を代表とする飽和カルボン酸、アクリル酸、メタクリル酸、2−エチルプロペン酸を代表とする不飽和カルボン酸、安息香酸、フタル酸などを代表とする、芳香族カルボン酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸などのヒドロキシ酸などが例として挙げられる。   As carboxylic acid, saturated carboxylic acid represented by formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, hexanoic acid, unsaturated carboxylic acid represented by acrylic acid, methacrylic acid, 2-ethylpropenoic acid, benzoic acid, Examples include aromatic carboxylic acids such as phthalic acid, hydroxy acids such as lactic acid, malic acid, and citric acid.

溶媒の組成は、アンモニウム塩を溶解することができればよいが、カルボン酸成分の添加量が多くなるほど変換効率が低下する傾向があるため、カルボン酸成分の添加量は可能な限り少ないことが好ましい。なお、アンモニウム塩が使用する有機溶媒に溶解する場合は、カルボン酸成分を添加する必要はない。   The composition of the solvent only needs to dissolve the ammonium salt, but the conversion efficiency tends to decrease as the amount of the carboxylic acid component added increases. Therefore, the amount of the carboxylic acid component added is preferably as small as possible. When the ammonium salt is dissolved in the organic solvent used, it is not necessary to add a carboxylic acid component.

また、電解質層6擬固体化して、より耐久性や信頼性を高めることもできる。例えば、金属酸化物のナノ粒子を分散させて架橋点とすることで、ナノコンポジットゲル化させる。金属酸化物としては、上記の酸化還元対と溶媒とを含む電荷輸送液をゲル化できれば制限はなく、SiO、TiO、SnO、WO、ZnO、ITO、BaTiO、Nb、In、ZrO、Ta、La、SrTiO、Y、Ho、Bi、CeO及びAlなどの金属酸化物を用いることが好ましい。これらは、それぞれ単独でもよく、2種以上の混合物であってもよい。ナノ粒子としてポリメチルメタクリレートやポリメチルアクリレート等の高分子ナノ粒子や、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等のカーボン系材料によってもマイクロコンポジットゲル化できるものの、電解質層5の薄色化のためにはナノ粒子は無色もしくは白色である必要があるため、カーボン系材料は好ましくない。また、高分子ナノ粒子は、有機溶媒への溶解性が懸念されるため好ましくない。 Further, the electrolyte layer 6 can be made pseudo-solid to further enhance durability and reliability. For example, a nanocomposite gel is formed by dispersing metal oxide nanoparticles as crosslinking points. The metal oxide is not limited as long as the charge transport liquid containing the redox couple and the solvent can be gelled, and is SiO 2 , TiO 2 , SnO 2 , WO 2 , ZnO 2 , ITO, BaTiO 3 , Nb 2 O. 5 , metal oxides such as In 2 O 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3 , SrTiO 3 , Y 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Bi 2 O 3 , CeO 2 and Al 2 O 3 Is preferably used. These may be used alone or as a mixture of two or more. Although nano-particles can be made into microcomposite gels using polymer nanoparticles such as polymethyl methacrylate and polymethyl acrylate, and carbon-based materials such as carbon fibers and carbon nanotubes, the nanoparticles are used for reducing the color of the electrolyte layer 5. Since carbon must be colorless or white, a carbon-based material is not preferable. In addition, polymer nanoparticles are not preferred because of concerns about solubility in organic solvents.

ナノ粒子の粒径は細かいほど好ましく、1〜1000nmが好適である。粒径が1nm未満では製造が困難になり高コストになり、1000nmを超えると電荷輸送液の保持力が小さくなり、液漏れ等の問題が生じる。   The smaller the particle size of the nanoparticles, the better, and 1 to 1000 nm is preferred. If the particle size is less than 1 nm, the production becomes difficult and the cost becomes high. If the particle size exceeds 1000 nm, the holding power of the charge transport liquid becomes small, causing problems such as liquid leakage.

ナノ粒子の添加量は、電荷輸送液をゲル化できる量であるが、電荷輸送液の重量に対しいて5〜70質量%が好ましい。添加量が5質量%では電荷輸送液の十分な保持ができず電解質層5を擬固体化できない。一方、70質量%を超えると、電荷輸送液が完全に固化してしまい、半導体電極8と対向電極9との間での電子の授受が円滑に進まなくなり、変化効率が低下するおそれがある。   The addition amount of the nanoparticles is an amount capable of gelling the charge transport liquid, but is preferably 5 to 70% by mass with respect to the weight of the charge transport liquid. If the addition amount is 5% by mass, the charge transport liquid cannot be sufficiently retained, and the electrolyte layer 5 cannot be quasi-solidified. On the other hand, if it exceeds 70 mass%, the charge transport liquid is completely solidified, and the transfer of electrons between the semiconductor electrode 8 and the counter electrode 9 does not proceed smoothly, and the change efficiency may be reduced.

更に、電解質層6には、支持電解質として、リチウム塩やイミダゾリウム塩、4級アンモニウム塩、常温溶融塩などを添加することができる。これらの添加剤は電解質層の特性を損ねない程度に添加することができる。   Furthermore, a lithium salt, an imidazolium salt, a quaternary ammonium salt, a room temperature molten salt, or the like can be added to the electrolyte layer 6 as a supporting electrolyte. These additives can be added to such an extent that the characteristics of the electrolyte layer are not impaired.

〔触媒層7〕
触媒層7としては、電解質中の酸化還元対の酸化体を還元体に還元する還元反応を速やかに進行させることが可能な電極特性を有するものであれば特に限定されないが、塩化白金酸を塗布、熱処理したものや、白金を蒸着した白金触媒電極、活性炭、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブのような炭素材料、硫化コバルトなどの無機硫黄化合物、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリンなどの導電性高分子などが使用できるが、その中でも白金触媒電極が好ましく使用できる。また、触媒層7の厚さは、5nm〜5μmが適当であり、特に好ましくは50nm〜2μmである。
[Catalyst layer 7]
The catalyst layer 7 is not particularly limited as long as it has electrode characteristics capable of promptly proceeding with a reduction reaction for reducing the oxidized form of the redox couple in the electrolyte to a reduced form, but chloroplatinic acid is applied. , Heat treated materials, platinum catalyst electrodes deposited with platinum, carbon materials such as activated carbon, glassy carbon and carbon nanotubes, inorganic sulfur compounds such as cobalt sulfide, conductive polymers such as polythiophene, polypyrrole and polyaniline, etc. However, among them, a platinum catalyst electrode can be preferably used. The thickness of the catalyst layer 7 is suitably 5 nm to 5 μm, particularly preferably 50 nm to 2 μm.

〔電極基材8〕
電極基材8は、触媒層7の支持体兼集電体として用いられるため、表面部分に導電性を有していることが好ましく例えば、金属として白金、金、銀、ルテニウム、銅、アルミニウム、ニッケル、コバルト、クロム、鉄、モリブデン、チタン、タンタル、およびそれらの合金や、炭素材料として、例えば黒鉛(グラファイト)、カーボンブラック、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンなど、金属酸化物として、FTO、ITO、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化アンチモンなどを用いることができる。また、表面が導電性を有するように処理すれば、ガラスやプラスチックなどの絶縁体も用いることができる。
[Electrode substrate 8]
Since the electrode substrate 8 is used as a support and current collector of the catalyst layer 7, it is preferable that the surface portion has conductivity. For example, platinum, gold, silver, ruthenium, copper, aluminum, Nickel, cobalt, chromium, iron, molybdenum, titanium, tantalum, and their alloys, and carbon materials such as graphite (graphite), carbon black, glassy carbon, carbon nanotubes, fullerene, etc., and metal oxides such as FTO and ITO Indium oxide, zinc oxide, antimony oxide, or the like can be used. In addition, an insulator such as glass or plastic can be used if the surface is treated so as to have conductivity.

以下、実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further, this invention is not restrict | limited at all by this.

<実施例1〜7>
(光電変換素子の作製)
以下のようにして、図1に示す構造の光電変換素子を作製した。
<Examples 1-7>
(Preparation of photoelectric conversion element)
A photoelectric conversion element having the structure shown in FIG. 1 was produced as follows.

〔半導体電極の作製〕
ジオマテック(株)製のITO膜付きガラス(スパッタ品)を必要なサイズに切り出し、ガラス洗浄剤で洗い、洗浄剤を純水で洗い流した後、アセトン、ヘキサン、アセトン、純水、純水の順番で各5分ずつ超音波洗浄を行った。乾燥後、UVオゾン洗浄機を用いて10分間仕上洗浄を行った後、70℃のTiCl水溶液中に30分間浸漬した。浸漬後、純水で洗浄し、よく乾燥した。
[Production of semiconductor electrode]
Cut the glass with ITO film (sputtered product) manufactured by Geomat Co., Ltd. into the required size, wash with glass cleaner, rinse the cleaner with pure water, then acetone, hexane, acetone, pure water, pure water in this order Then, ultrasonic cleaning was performed for 5 minutes each. After drying, finish cleaning was performed for 10 minutes using a UV ozone cleaner, and then immersed in an aqueous TiCl 4 solution at 70 ° C. for 30 minutes. After immersion, it was washed with pure water and dried well.

次いで、ITO膜表面に、小径のTiOペースト(日揮触媒化成製「PST−18NR」;平均粒子径20nm)をスクリーン印刷装置(東海商事製)で所定の厚さに塗布し、30分程静置、乾燥させた後、80℃で30分、450℃で30分の順に大気中で焼成して第1の半導体層を形成した。引き続き、第1の半導体層の上に、大径のTiOペースト(日揮触媒化成製「PST−400C」;平均粒子径400nm)をスクリーン印刷装置(東海商事製)で所定の厚さに塗布し、30分程静置、乾燥させた後、80℃で30分、450℃で30分の順に大気中で焼成して第1の半導体層を形成した。 Next, a small-diameter TiO 2 paste (“PST-18NR” manufactured by JGC Catalysts &Chemicals; average particle size of 20 nm) is applied to the ITO film surface with a screen printing device (manufactured by Tokai Shoji Co., Ltd.). After being placed and dried, the first semiconductor layer was formed by firing in air in the order of 30 minutes at 80 ° C. and 30 minutes at 450 ° C. Subsequently, a large-diameter TiO 2 paste (“PST-400C” manufactured by JGC Catalysts &Chemicals; average particle size of 400 nm) is applied on the first semiconductor layer to a predetermined thickness using a screen printing device (manufactured by Tokai Shoji). The first semiconductor layer was formed by baking in the air in the order of 30 minutes at 80 ° C. and 30 minutes at 450 ° C. after standing for 30 minutes and drying.

上記において、第1の半導体層及び第2の半導体層が、表1に示す厚さとなるように、小径及び大径の各TiOペーストの塗布厚を調整した。 In the above, the coating thicknesses of the small diameter and large diameter TiO 2 pastes were adjusted so that the first semiconductor layer and the second semiconductor layer had the thicknesses shown in Table 1.

〔増感色素の吸着〕
増感色素として、N3と呼ばれるシス−ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2’−ピビリジル−4,4’−ジカルボキシラート)ルテニウム(II)(和光純薬工業(株)製)を用いた。色素溶液は、0.3mMのエタノール溶液とした。そして、上記の半導体電極を色素溶液に浸漬し、遮光下40℃程度で3時間静置した。その後それぞれエタノールで余分な色素を洗浄し、風乾した。
[Adsorption of sensitizing dye]
As a sensitizing dye, cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-pybilidyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) called N3 was used. The dye solution was a 0.3 mM ethanol solution. And said semiconductor electrode was immersed in the pigment | dye solution, and it left still at about 40 degreeC under light-shielding for 3 hours. Thereafter, the excess pigment was washed with ethanol and air-dried.

〔対向電極の作製〕
対向電極は、ガラス基板の上に白金薄膜層を蒸着したものを用いた。白金薄膜の厚さは約200nmであった。
[Preparation of counter electrode]
The counter electrode used was a platinum thin film layer deposited on a glass substrate. The thickness of the platinum thin film was about 200 nm.

〔電解質層〕
アルゴン置換を行ったガラス容器に安息香酸アンモニウムを278mg(2.0mM)入れ、1mlの酢酸を加えた。固体が溶けきるまで振り混ぜた後、2,5−ジ−t−ブチルベンゾキノンを220.3mg(1.0mM)、2,5−ジ−t−ブチルヒドロキノン222.3mg(1.0mM)を加え、アセトニトリルにて全量を20mlとした。尚、酢酸及びアセトニトリルは、凍結脱気したものを用いた。
(Electrolyte layer)
278 mg (2.0 mM) of ammonium benzoate was placed in a glass container subjected to argon substitution, and 1 ml of acetic acid was added. After shaking until the solid is completely dissolved, 220.3 mg (1.0 mM) of 2,5-di-t-butylbenzoquinone and 222.3 mg (1.0 mM) of 2,5-di-t-butylhydroquinone are added. The total volume was adjusted to 20 ml with acetonitrile. Acetic acid and acetonitrile used were freeze-degassed.

〔光電変換素子の組立〕
半導体電極と、対向電極との間に電解質層を介在させ、側面をエポキシ系接着剤でシールした。尚、この作業はアルゴン置換されたグローブボックス内にて行った。
[Assembly of photoelectric conversion element]
An electrolyte layer was interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode, and the side surfaces were sealed with an epoxy adhesive. This operation was performed in a glove box substituted with argon.

〔光電変換素子の評価〕
光電変換素子の光電変換特性について、ソーラーシミュレーターを用いて評価した。擬似太陽光は、AM1.5条件下で100mW/cmの光を用い、開放電圧、短絡電流、フィルファクターから変換効率(η1)を算出した。また、上記した小径のTiOペーストのみを用いて同じ厚さの半導体層を形成して比較用光電変換素子を作製した。そして、比較用光電変換素子の変換効率(η2)との比(η1/η2)を求めた。
[Evaluation of photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion element were evaluated using a solar simulator. The simulated sunlight used light of 100 mW / cm 2 under AM1.5 conditions, and the conversion efficiency (η1) was calculated from the open circuit voltage, short circuit current, and fill factor. In addition, a comparative photoelectric conversion element was manufactured by forming a semiconductor layer having the same thickness using only the above-described small-diameter TiO 2 paste. And ratio ((eta) 1 / (eta) 2) with the conversion efficiency ((eta) 2) of the photoelectric conversion element for a comparison was calculated | required.

<比較例1>
小径のTiOペーストのみを用いて厚さ15μmの半導体層を形成した以外は実施例と同様にして光電変換素子を作製し、その変換効率を求めた。
<Comparative Example 1>
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example except that a semiconductor layer having a thickness of 15 μm was formed using only a small diameter TiO 2 paste, and the conversion efficiency was obtained.

<比較例2>
大径のTiOペーストのみを用いて厚さ10μmの半導体層を形成した以外は実施例と同様にして光電変換素子を作製し、その変換効率を求めた。
<Comparative example 2>
A photoelectric conversion element was prepared in the same manner as in Example except that a semiconductor layer having a thickness of 10 μm was formed using only a large diameter TiO 2 paste, and the conversion efficiency was obtained.

<比較例3>
電解液層にヨウ素系酸化還元対を用い、第1の半導体層の厚さを15μm、第2の半導体層の厚さを10μmとして光電変換素子を作製し、その変換効率を求めた。
<Comparative Example 3>
A photoelectric conversion element was prepared using an iodine-based redox couple for the electrolyte layer, the thickness of the first semiconductor layer being 15 μm, and the thickness of the second semiconductor layer being 10 μm, and the conversion efficiency was determined.

実施例及び比較例の光電変換特性を表1に示すが、実施例の光電変換素子は何れも、電解質層が2,5−ジ−t−ブチルベンゾキノン、2,5−ジ−t−ブチルヒドロキノン、アンモニウム塩を含み、更に小径の金属酸化物半導体粒子からなる第1の半導体層と大径の金属酸化物半導体粒子からなる第2の半導体層とを有するため、変換効率(η1)は比較例4のヨウ素系電解質層に比べれば小さいものの、変換効率比(η1/η2)は大きくなっている。このことから、小粒の金属酸化物半導体粒子からなる第1の半導体層と、大径の金属酸化物半導体粒子からなる第2の半導体層とで半導体層を構成することにより、変換効率が向上することがわかる。また、第1の半導体層を5μm以上、第2の半導体層を3μm以上とすることにより、変換効率自体及び変換効率の向上効果が特に大きくなる。   The photoelectric conversion characteristics of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1. In each of the photoelectric conversion elements of Examples, the electrolyte layer is 2,5-di-t-butylbenzoquinone, 2,5-di-t-butylhydroquinone. The conversion efficiency (η1) is a comparative example because it has a first semiconductor layer containing an ammonium salt and further comprising a small-sized metal oxide semiconductor particle and a second semiconductor layer comprising a large-sized metal oxide semiconductor particle. The conversion efficiency ratio (η1 / η2) is large although it is smaller than the iodine electrolyte layer 4. From this, the conversion efficiency is improved by forming the semiconductor layer with the first semiconductor layer made of small-sized metal oxide semiconductor particles and the second semiconductor layer made of large-sized metal oxide semiconductor particles. I understand that. In addition, when the first semiconductor layer is 5 μm or more and the second semiconductor layer is 3 μm or more, the conversion efficiency itself and the effect of improving the conversion efficiency are particularly increased.

従来のヨウ素系電解質を用いた比較例3では、変換効率は実施例よりも上回るが、色素の鮮やかな色にヨウ素系酸化還元対の濃褐色が混ざってしまい、光電変換素子の外観が濃褐色に変化し、意匠性が大きく損なわれてしまっている。また、比較例2のように、電解質層が実施例と同じでも、大径の金属酸化物半導体粒子からなる単一の半導体層を有する光電変換素子では変換効率が小さくなっている。   In Comparative Example 3 using a conventional iodine-based electrolyte, the conversion efficiency is higher than in the examples, but the dark brown of the iodine-based redox couple is mixed with the vivid color of the pigment, and the appearance of the photoelectric conversion element is dark brown The design has been greatly impaired. Further, as in Comparative Example 2, even when the electrolyte layer is the same as that in the example, the photoelectric conversion element having a single semiconductor layer made of large-diameter metal oxide semiconductor particles has a low conversion efficiency.

Figure 2012243721
Figure 2012243721

Figure 2012243721
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A 光電変換素子
1 透明基体
2 透明導電膜
3 半導体層
4 第1の半導体層
5 第2の半導体層
6 電解質層
7 触媒層
8 電極基材
9 半導体電極
10 対向電極
A Photoelectric conversion element 1 Transparent substrate 2 Transparent conductive film 3 Semiconductor layer 4 First semiconductor layer 5 Second semiconductor layer 6 Electrolyte layer 7 Catalyst layer 8 Electrode substrate 9 Semiconductor electrode 10 Counter electrode

Claims (5)

透明導電膜上に半導体層を設けてなる半導体電極と、対向電極と、前記両極間に保持された電解質層とを備えた光電変換素子であって、
前記半導体層が、金属酸化物半導体粒子の平均粒子径の異なる層が2層以上積層してなる積層膜であり、
前記電解質層が、酸化還元対としてベンゾキノン誘導体及びヒドロキノン誘導体の両方をそれぞれ1.0mM〜1.0M、添加剤としてアンモニウム塩を1.0mM〜2.0M含有することを特徴とする光電変換素子。
A photoelectric conversion element comprising a semiconductor electrode provided with a semiconductor layer on a transparent conductive film, a counter electrode, and an electrolyte layer held between the two electrodes,
The semiconductor layer is a laminated film formed by laminating two or more layers having different average particle diameters of metal oxide semiconductor particles,
A photoelectric conversion element, wherein the electrolyte layer contains 1.0 mM to 1.0 M of both a benzoquinone derivative and a hydroquinone derivative as a redox pair, and 1.0 mM to 2.0 M of an ammonium salt as an additive, respectively.
積層膜において、対向電極に向かうほど、平均粒子径の大きい層が位置するように積層されていることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。   2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the laminated film is laminated such that a layer having a larger average particle diameter is located toward the counter electrode. 積層膜において、透明導電膜に最も近い層の金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が100nm以下であり、透明導電膜から最も遠い層の金属酸化物半導体粒子の平均粒子径が200〜700nmであることを特徴とする請求項1または2記載の光電変換素子。   In the laminated film, the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles in the layer closest to the transparent conductive film is 100 nm or less, and the average particle diameter of the metal oxide semiconductor particles in the layer farthest from the transparent conductive film is 200 to 700 nm. The photoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein 積層膜において、透明導電膜に最も近い層の厚さが5μm以上で、透明導電膜から最も遠い層の厚さが3μm以上であることを特徴とする請求項3記載の光電変換素子。   4. The photoelectric conversion element according to claim 3, wherein in the laminated film, the thickness of the layer closest to the transparent conductive film is 5 μm or more, and the thickness of the layer farthest from the transparent conductive film is 3 μm or more. アンモニウム塩が、下記一般式(A)で表される基本骨格を有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の光電変換素子。
NH ・・・・(A)
(式中、Xは無機アニオンまたは有機アニオンである)
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 4, wherein the ammonium salt has a basic skeleton represented by the following general formula (A).
NH 4 + X - ···· (A )
(Wherein, X - is an inorganic anion or an organic anion)
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