JP2013042058A - Method of manufacturing quantum dot carrying porous n-type semiconductor, quantum dot carrying porous n-type semiconductor, electrode for quantum dot dye-sensitized solar cell, and quantum dot dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法、量子ドット担持多孔質n型半導体、量子ドット増感太陽電池用電極、および、量子ドット増感太陽電池に関する。 The present invention relates to a method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor, a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor, a quantum dot-sensitized solar cell electrode, and a quantum dot-sensitized solar cell.
近年の社会情勢においては、化石燃料の大量消費による資源の枯渇と地球温暖化問題の解決に加え、電力の安定供給手段の確立が強く求められている。 In recent social situations, in addition to solving resources depletion and global warming due to the massive consumption of fossil fuels, establishment of a stable power supply means is strongly demanded.
このような電力の安定供給手段として、無尽蔵な太陽光エネルギーを電気エネルギーや化学エネルギーに直接変換できる太陽電池や水素製造光電気化学セルに多くの注目が集まっている。 As such a stable power supply means, much attention has been focused on solar cells and hydrogen production photoelectrochemical cells that can directly convert inexhaustible solar energy into electrical energy and chemical energy.
色素増感太陽電池は、安価であることに加えて比較的高い光電変換効率を有する。このため、色素増感太陽電池は、次世代の持続的エネルギー供給源として大きな期待を集めている(特許文献1参照)。 In addition to being inexpensive, the dye-sensitized solar cell has a relatively high photoelectric conversion efficiency. For this reason, the dye-sensitized solar cell is attracting great expectations as a next-generation sustainable energy supply source (see Patent Document 1).
しかし、色素増感太陽電池においては、有機系色素増感剤が分解し易く、特に、酸素存在下で寿命、耐久性が十分でなく、また、吸収できる波長領域が一般に紫外から可視光領域に限られるため、より高効率の光電変換を達成することが困難であるという問題がある。 However, in dye-sensitized solar cells, organic dye sensitizers are easily decomposed, and in particular, their lifetime and durability are not sufficient in the presence of oxygen, and the wavelength range that can be absorbed is generally from ultraviolet to visible light. Therefore, there is a problem that it is difficult to achieve more efficient photoelectric conversion.
最近、半導体電極上に半導体ナノ粒子である量子ドットを担持させた量子ドット増感太陽電池が報告されている(特許文献2、3参照)。量子ドットは、有機系色素増感剤に比べて耐久性が良く、ナノオーダーサイズの半導体粒子であることから、マルチエキシトン生成(MEG)による効果で太陽エネルギーの捕捉効率が向上し、粒子サイズの制御によって吸収波長を制御できるという利点がある。特に、量子ドットがナノオーダーサイズの半導体粒子であることからマルチエキシトン生成(MEG)による効果で太陽エネルギーの捕捉効率が向上する点は重要であり、例えば、半導体電極上にカルコゲニド半導体がナノ粒子としてではなく膜として存在している場合(特許文献4参照)に比べると、半導体ナノ粒子である量子ドットを用いた場合には太陽エネルギーの捕捉効率が格段に優れる。 Recently, quantum dot-sensitized solar cells in which quantum dots, which are semiconductor nanoparticles, are supported on a semiconductor electrode have been reported (see Patent Documents 2 and 3). Quantum dots are more durable than organic dye sensitizers and are nano-order semiconductor particles, so the effect of multi-exciton generation (MEG) improves solar energy capture efficiency and increases particle size. There is an advantage that the absorption wavelength can be controlled by the control. In particular, since quantum dots are nano-order sized semiconductor particles, it is important that solar energy capture efficiency is improved by the effect of multi-exciton generation (MEG). For example, chalcogenide semiconductors are formed as nanoparticles on a semiconductor electrode. In contrast to the case where the film is present as a film (see Patent Document 4), the solar energy capture efficiency is remarkably improved when quantum dots that are semiconductor nanoparticles are used.
半導体電極上に量子ドットを担持させる方法としては、(1)量子ドットを予め作製した後に、メルカプト酢酸等のカップリング分子を用いて電極に担持させる方法(非特許文献1、2参照)、(2)化学浴中で析出させる方法(非特許文献3〜5参照)、(3)SILAR(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction)法によって析出させる方法(非特許文献6、7参照)、が知られている。 As a method for supporting quantum dots on a semiconductor electrode, (1) a method in which quantum dots are prepared in advance and then supported on an electrode using a coupling molecule such as mercaptoacetic acid (see Non-Patent Documents 1 and 2), ( 2) A method of precipitation in a chemical bath (see Non-Patent Documents 3 to 5), (3) A method of precipitation by a SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) method (see Non-Patent Documents 6 and 7) is known. Yes.
しかし、上記(1)の方法では、量子ドットと電極との間に有機物が存在してしまうため、電子移動効率が悪いという問題がある。また、上記(2)や(3)の方法では、再現性に乏しいという問題や、太陽エネルギーの捕捉効率が実用化できるだけの十分なレベルではないという問題がある。 However, the method (1) has a problem in that the electron transfer efficiency is poor because organic substances exist between the quantum dots and the electrodes. In addition, the above methods (2) and (3) have a problem that the reproducibility is poor and a problem that the solar energy capture efficiency is not a sufficient level for practical use.
最近、多孔質n型半導体電極上に半導体ナノ粒子である量子ドットを担持させる方法として、多孔質n型半導体電極を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する方法が提案されている(特許文献5参照)。 Recently, as a method for supporting quantum dots, which are semiconductor nanoparticles, on a porous n-type semiconductor electrode, a method of irradiating light with the porous n-type semiconductor electrode immersed in a metal ion-containing solution has been proposed ( (See Patent Document 5).
このような光照射による量子ドット担持方法は、光析出法(PD法:Photodeposition法)と称される。特許文献5においては、多孔質n型半導体電極上に半導体ナノ粒子である量子ドットを担持させる方法として、該多孔質n型半導体電極を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する光析出法(PD法)を採用することにより、IPCEや電力変換効率などで評価される太陽エネルギーの捕捉効率が従来に比べて格段に優れる量子ドット増感太陽電池を構成するための量子ドット増感太陽電池用電極を提供し得る。 Such a quantum dot carrying method by light irradiation is referred to as a photodeposition method (PD method: Photodeposition method). In Patent Document 5, as a method of supporting quantum dots, which are semiconductor nanoparticles, on a porous n-type semiconductor electrode, photoprecipitation is performed by irradiating light in a state where the porous n-type semiconductor electrode is immersed in a metal ion-containing solution. Quantum dot-sensitized solar cells for constructing quantum dot-sensitized solar cells that have much better solar energy capture efficiency than conventional ones by adopting the method (PD method) A battery electrode may be provided.
光析出法(PD法)は、(1)光照射時間や表面修飾剤濃度を調節することによって量子ドットの粒子サイズを制御できる、(2)再現性が高く、調製が簡便である、(3)多孔質n型半導体と量子ドット間のダイレクト界面接合によってスムーズな電荷移動が保証される、などの特徴を有する。 In the photodeposition method (PD method), (1) the particle size of the quantum dots can be controlled by adjusting the light irradiation time and the concentration of the surface modifier, (2) high reproducibility, and easy to prepare, (3 ) Smooth charge transfer is ensured by direct interface bonding between the porous n-type semiconductor and the quantum dots.
しかしながら、特許文献5に記載の量子ドット担持方法においては、量子ドットの種類によっては、効率よく制御して担持させることが困難な場合がある。特に、第16族元素を含む量子ドットは、効率よく制御して担持させることが非常に困難である。 However, in the quantum dot carrying method described in Patent Document 5, it may be difficult to efficiently carry and carry depending on the type of quantum dots. In particular, quantum dots containing Group 16 elements are very difficult to efficiently control and support.
本発明の課題は、多孔質n型半導体上に半導体ナノ粒子である量子ドットが担持されている量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法であって、第16族元素を含む量子ドットについて効率よく制御して担持させることができる、量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法を提供することにある。また、そのような製造方法によって得られる量子ドット担持多孔質n型半導体を提供することにある。さらに、そのような量子ドット担持多孔質n型半導体を含む量子ドット増感太陽電池用電極、および、そのような量子ドット増感太陽電池用電極を含む量子ドット増感太陽電池を提供することにある。 An object of the present invention is a method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor in which quantum dots that are semiconductor nanoparticles are carried on a porous n-type semiconductor, and the efficiency of quantum dots containing a group 16 element. An object of the present invention is to provide a method for producing a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor that can be well controlled and supported. Moreover, it is providing the quantum dot carrying | support porous n-type semiconductor obtained by such a manufacturing method. Furthermore, to provide a quantum dot-sensitized solar cell electrode including such a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor, and a quantum dot-sensitized solar cell including such a quantum dot-sensitized solar cell electrode is there.
本発明の製造方法は、
多孔質n型半導体上に半導体ナノ粒子である量子ドットが担持されている量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法であって、
多孔質n型半導体を第16族元素化合物含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(I)の後に、
該工程(I)で得られる第16族元素担持多孔質n型半導体を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(II)を行う。
The production method of the present invention comprises:
A method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor in which quantum dots that are semiconductor nanoparticles are carried on a porous n-type semiconductor,
After the step (I) of irradiating light with the porous n-type semiconductor immersed in the Group 16 element compound-containing solution,
A step (II) is performed in which the group 16 element-supporting porous n-type semiconductor obtained in the step (I) is irradiated with light in a state of being immersed in a metal ion-containing solution.
好ましい実施形態においては、上記光照射が、紫外線照射である。 In a preferred embodiment, the light irradiation is ultraviolet irradiation.
本発明の別の局面によれば、量子ドット担持多孔質n型半導体が提供される。本発明の量子ドット担持多孔質n型半導体は、本発明の製造方法によって得られる。 According to another aspect of the present invention, a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor is provided. The quantum dot-supporting porous n-type semiconductor of the present invention can be obtained by the production method of the present invention.
本発明の別の局面によれば、量子ドット増感太陽電池用電極が提供される。本発明の量子ドット増感太陽電池用電極は、本発明の量子ドット担持多孔質n型半導体を含む。 According to another aspect of the present invention, a quantum dot-sensitized solar cell electrode is provided. The quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention includes the quantum dot-supporting porous n-type semiconductor of the present invention.
本発明の別の局面によれば、量子ドット増感太陽電池が提供される。本発明の量子ドット増感太陽電池は、本発明の量子ドット増感太陽電池用電極を含む。 According to another aspect of the present invention, a quantum dot-sensitized solar cell is provided. The quantum dot-sensitized solar cell of the present invention includes the quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention.
本発明によれば、多孔質n型半導体上に半導体ナノ粒子である量子ドットが担持されている量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法であって、第16族元素を含む量子ドットについて効率よく制御して担持させることができる、量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法を提供することができる。また、そのような製造方法によって得られる量子ドット担持多孔質n型半導体を提供することができる。さらに、そのような量子ドット担持多孔質n型半導体を含む量子ドット増感太陽電池用電極、および、そのような量子ドット増感太陽電池用電極を含む量子ドット増感太陽電池を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor in which quantum dots that are semiconductor nanoparticles are carried on a porous n-type semiconductor, wherein the quantum dots containing group 16 elements are efficient. It is possible to provide a method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor that can be well controlled and carried. Moreover, the quantum dot carrying | support porous n-type semiconductor obtained by such a manufacturing method can be provided. Furthermore, it is possible to provide a quantum dot-sensitized solar cell electrode including such a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor, and a quantum dot-sensitized solar cell including such a quantum dot-sensitized solar cell electrode. it can.
≪量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法≫
本発明の製造方法は、多孔質n型半導体上に半導体ナノ粒子である量子ドットが担持されている量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法であって、多孔質n型半導体を第16族元素化合物含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(I)の後に、該工程(I)で得られる第16族元素担持多孔質n型半導体を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(II)を行う。
≪Method of manufacturing porous n-type semiconductor supporting quantum dots≫
The production method of the present invention is a method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor in which quantum dots, which are semiconductor nanoparticles, are carried on a porous n-type semiconductor. After the step (I) of irradiating light in the state of being immersed in the element compound-containing solution, the light is applied in the state where the group 16 element-supporting porous n-type semiconductor obtained in the step (I) is immersed in the metal ion-containing solution. Irradiation step (II) is performed.
本発明の製造方法は、上記工程(I)の後に上記工程(II)を行うものであれば、本発明の効果を損なわない限り、任意の適切な他の工程を含んでいても良い。 The production method of the present invention may include any other appropriate step as long as the step (II) is performed after the step (I) as long as the effects of the present invention are not impaired.
上記多孔質n型半導体としては、任意の適切な多孔質n型半導体を採用し得る。このような多孔質n型半導体としては、好ましくは、光触媒作用を有する多孔質n型半導体が挙げられる。 Any appropriate porous n-type semiconductor can be adopted as the porous n-type semiconductor. Such a porous n-type semiconductor is preferably a porous n-type semiconductor having a photocatalytic action.
上記多孔質n型半導体としては、好ましくは、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などが挙げられる。上記多孔質n型半導体としては、酸化チタン(TiO2)が特に好ましい。酸化チタン(TiO2)は優れた光触媒作用を有するので、本発明の製造方法において光照射することにより、光触媒作用によって量子ドットが析出しやすくなるからである。 Preferred examples of the porous n-type semiconductor include titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), and strontium titanate (SrTiO 3 ). As the porous n-type semiconductor, titanium oxide (TiO 2 ) is particularly preferable. This is because titanium oxide (TiO 2 ) has an excellent photocatalytic action, and thus, when irradiated with light in the production method of the present invention, quantum dots are likely to precipitate due to the photocatalytic action.
上記多孔質n型半導体は、導電膜を有していても良い。このような導電膜としては、例えば、ITO(酸化インジウム−スズ)、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)などが挙げられる。 The porous n-type semiconductor may have a conductive film. Examples of such a conductive film include ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), ATO (antimony-doped tin oxide), and the like.
上記多孔質n型半導体には、必要に応じて、支持基板が設けられていても良い。上記支持基板としては、任意の適切な支持基板を採用し得る。例えば、ガラス基板、プラスチック基板などが挙げられる。 The porous n-type semiconductor may be provided with a support substrate as necessary. Any appropriate support substrate can be adopted as the support substrate. For example, a glass substrate, a plastic substrate, etc. are mentioned.
上記第16族元素化合物は、第16族元素を有する化合物であれば、任意の適切な化合物を採用し得る。第16族元素としては、例えば、S、Se、Teが挙げられる。 Any appropriate compound can be adopted as the Group 16 element compound as long as it is a compound having a Group 16 element. Examples of the Group 16 element include S, Se, and Te.
第16族元素としてSを含む第16族元素化合物としては、例えば、S8、H2SO4、H2SO3、H2S2O3、Na2SO4、Na2SO3、Na2S2O3などが挙げられる。 Examples of Group 16 element compounds containing S as a Group 16 element include S 8 , H 2 SO 4 , H 2 SO 3 , H 2 S 2 O 3 , Na 2 SO 4 , Na 2 SO 3 , and Na 2. S 2 O 3 and the like can be mentioned.
第16族元素としてSeを含む第16族元素化合物としては、例えば、H2SeO3、H2SeO4、H2SeO5、Na2SeO3、Na2SeO4、Na2SeO5などが挙げられる。 Examples of Group 16 element compounds containing Se as a Group 16 element include H 2 SeO 3 , H 2 SeO 4 , H 2 SeO 5 , Na 2 SeO 3 , Na 2 SeO 4 , and Na 2 SeO 5. It is done.
第16族元素としてTeを含む第16族元素化合物としては、例えば、TeO、TeO2、TeO3、H2TeO3、H2TeO4、Na2TeO3、Na2TeO4などが挙げられる。 Examples of the Group 16 element compound containing Te as the Group 16 element include TeO, TeO 2 , TeO 3 , H 2 TeO 3 , H 2 TeO 4 , Na 2 TeO 3 , and Na 2 TeO 4 .
上記第16族元素化合物含有溶液は、任意の適切な溶媒を含み得る。このような溶媒としては、例えば、メタノール、エタノールなどのアルコール類が挙げられる。 The group 16 element compound-containing solution may contain any appropriate solvent. Examples of such a solvent include alcohols such as methanol and ethanol.
上記第16族元素化合物含有溶液中の上記第16族元素化合物の含有割合としては、本発明の効果を損なわない限り、任意の適切な含有割合を採用し得る。このような含有割合としては、例えば、好ましくは、0.001×10−3mol/L〜1000×10−3mol/Lの範囲である。 Any appropriate content ratio can be adopted as the content ratio of the Group 16 element compound in the Group 16 element compound-containing solution as long as the effects of the present invention are not impaired. Such content, for example, preferably in the range of 0.001 × 10 -3 mol / L~1000 × 10 -3 mol / L.
上記金属イオンとしては、例えば、Cdイオン、Pbイオン、Moイオン、Agイオン、Biイオン、Cuイオン、Inイオン、Gaイオン、Geイオン、Siイオン、Znイオン、Feイオンが挙げられる。 Examples of the metal ions include Cd ions, Pb ions, Mo ions, Ag ions, Bi ions, Cu ions, In ions, Ga ions, Ge ions, Si ions, Zn ions, and Fe ions.
上記金属イオン含有溶液は、任意の適切な溶媒を含み得る。このような溶媒としては、例えば、メタノール、エタノールなどのアルコール類が挙げられる。 The metal ion-containing solution can contain any suitable solvent. Examples of such a solvent include alcohols such as methanol and ethanol.
上記金属イオン含有溶液中の上記金属イオンの含有割合としては、本発明の効果を損なわない限り、任意の適切な含有割合を採用し得る。このような含有割合としては、例えば、好ましくは、0.001×10−3mol/L〜1000×10−3mol/Lの範囲である。 Any appropriate content ratio can be adopted as the content ratio of the metal ions in the metal ion-containing solution as long as the effects of the present invention are not impaired. Such content, for example, preferably in the range of 0.001 × 10 -3 mol / L~1000 × 10 -3 mol / L.
上記金属イオン含有溶液は、量子ドットの粒子サイズを調整するために、メルカプト酢酸を含んでいても良い。メルカプト酢酸を含む場合、上記金属イオン含有溶液中のその含有濃度は、初期濃度として、好ましくは、0.001×10−3mol/L〜1000×10−3mol/Lの範囲であり、より好ましくは、0.01×10−3mol/L〜100×10−3mol/Lの範囲であり、さらに好ましくは、0.1×10−3mol/L〜10×10−3mol/Lの範囲である。メルカプト酢酸の上記金属イオン含有溶液中の含有濃度(初期濃度)が上記範囲内にあれば、量子ドットから多孔質n型半導体への光誘導電子移動が十分に促進されるとともに、粒子サイズが小さくなりすぎることによる量子サイズ効果に起因する光吸収量の減少も抑制できる。 The metal ion-containing solution may contain mercaptoacetic acid in order to adjust the particle size of the quantum dots. When containing mercaptoacetic acid, the content concentration of the metal ion-containing solution, the initial concentration, preferably in the range of 0.001 × 10 -3 mol / L~1000 × 10 -3 mol / L, more preferably in the range of 0.01 × 10 -3 mol / L~100 × 10 -3 mol / L, more preferably, 0.1 × 10 -3 mol / L~10 × 10 -3 mol / L Range. If the concentration (initial concentration) of mercaptoacetic acid in the metal ion-containing solution is within the above range, photoinduced electron transfer from the quantum dots to the porous n-type semiconductor is sufficiently promoted and the particle size is small. It is also possible to suppress a decrease in light absorption due to the quantum size effect due to being too much.
上記工程(I)においては、多孔質n型半導体を第16族元素化合物含有溶液に浸漬させた状態で光照射する。 In the step (I), light irradiation is performed in a state where the porous n-type semiconductor is immersed in the Group 16 element compound-containing solution.
上記工程(I)における光照射としては、任意の適切な波長の光の照射を採用し得る。好ましくは、多孔質n型半導体が光触媒作用を示す波長の光を照射する。代表的には、紫外線を照射することが好ましい。 As light irradiation in the said process (I), irradiation of the light of arbitrary appropriate wavelengths can be employ | adopted. Preferably, the porous n-type semiconductor is irradiated with light having a wavelength exhibiting a photocatalytic action. Typically, it is preferable to irradiate with ultraviolet rays.
上記工程(I)における光照射は、任意の適切な温度条件下で行い得る。 The light irradiation in the step (I) can be performed under any appropriate temperature condition.
上記工程(I)においては、上記光照射の後、必要に応じて、任意の適切な洗浄溶媒を用いて、得られた第16族元素担持多孔質n型半導体を洗浄し、乾燥させる。 In the step (I), after the light irradiation, the obtained Group 16 element-supporting porous n-type semiconductor is washed and dried using any appropriate washing solvent as necessary.
上記工程(II)においては、上記工程(I)で得られる第16族元素担持多孔質n型半導体を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する。 In the step (II), the group 16 element-supporting porous n-type semiconductor obtained in the step (I) is irradiated with light in a state immersed in a metal ion-containing solution.
上記工程(II)における光照射としては、任意の適切な波長の光の照射を採用し得る。好ましくは、多孔質n型半導体が光触媒作用を示す波長の光を照射する。代表的には、紫外線を照射することが好ましい。 As light irradiation in the said process (II), irradiation of the light of arbitrary appropriate wavelengths can be employ | adopted. Preferably, the porous n-type semiconductor is irradiated with light having a wavelength exhibiting a photocatalytic action. Typically, it is preferable to irradiate with ultraviolet rays.
上記工程(II)における光照射は、任意の適切な温度条件下で行い得る。 The light irradiation in the step (II) can be performed under any appropriate temperature condition.
上記工程(II)においては、上記光照射の後、必要に応じて、任意の適切な洗浄溶媒を用いて、得られた量子ドット担持多孔質n型半導体を洗浄し、乾燥させる。 In the step (II), after the light irradiation, the obtained quantum dot-supporting porous n-type semiconductor is washed and dried using any appropriate washing solvent as necessary.
本発明の製造方法によれば、多孔質n型半導体を第16族元素化合物含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(I)と、該工程(I)で得られる第16族元素担持多孔質n型半導体を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(II)との、2段階の工程を経ることにより、第16族元素を含む量子ドットが効率よく制御して担持した量子ドット担持多孔質n型半導体を提供できる。 According to the production method of the present invention, the step (I) of irradiating the porous n-type semiconductor in a state in which the porous n-type semiconductor is immersed in the group 16 element compound-containing solution, and the group 16 element support obtained in the step (I) Quantum dots containing a group 16 element are efficiently controlled and carried by two steps of the step (II) in which the porous n-type semiconductor is immersed in a metal ion-containing solution and irradiated with light (II). A quantum dot-supported porous n-type semiconductor can be provided.
≪量子ドット担持多孔質n型半導体≫
本発明の製造方法で得られる量子ドット担持多孔質n型半導体は、多孔質n型半導体上に半導体ナノ粒子である量子ドットが担持されている。このような半導体ナノ粒子である量子ドットとしては、例えば、カルコゲニド半導体ナノ粒子が挙げられる。カルコゲニド半導体ナノ粒子としては、CdS、MoS、FeS、In2S3、NaInS2、ZnIn2S4、ZnxCd1−xS、Cd2In2S4、AgGaS2、PbS、Ag2Sなどの金属硫化物ナノ粒子;CdSe、PbSe、CuInSe2、CuInGaSe2、CuInGaSeなどの金属セレン化物ナノ粒子;CdTeなどの金属テルル化物ナノ粒子;等が挙げられる。
≪Quantum dot supported porous n-type semiconductor≫
In the quantum dot-supporting porous n-type semiconductor obtained by the production method of the present invention, quantum dots that are semiconductor nanoparticles are supported on the porous n-type semiconductor. As a quantum dot which is such a semiconductor nanoparticle, a chalcogenide semiconductor nanoparticle is mentioned, for example. Examples of chalcogenide semiconductor nanoparticles include CdS, MoS, FeS, In 2 S 3 , NaInS 2 , ZnIn 2 S 4 , Zn x Cd 1-x S, Cd 2 In 2 S 4 , AgGaS 2 , PbS, and Ag 2 S. Metal selenide nanoparticles such as CdSe, PbSe, CuInSe 2 , CuInGaSe 2 and CuInGaSe; metal telluride nanoparticles such as CdTe; and the like.
上記半導体ナノ粒子である量子ドットの粒子径は、ナノオーダーであれば任意の適切な大きさを採り得る。例えば、1nm〜20nmの範囲内にあることが好ましく、1nm〜10nmの範囲内にあることがより好ましい。上記半導体ナノ粒子である量子ドットの粒子径がこのような範囲内に収まれば、マルチエキシトン生成(MEG)による効果で太陽エネルギーの捕捉効率が効果的に向上し得る。 If the particle diameter of the quantum dot which is the said semiconductor nanoparticle is a nano order, it can take arbitrary appropriate magnitude | sizes. For example, it is preferably in the range of 1 nm to 20 nm, and more preferably in the range of 1 nm to 10 nm. If the particle diameter of the quantum dots that are the semiconductor nanoparticles falls within such a range, the solar energy capture efficiency can be effectively improved by the effect of multi-exciton generation (MEG).
≪量子ドット増感太陽電池用電極≫
本発明の量子ドット増感太陽電池用電極は、本発明の製造方法で得られる量子ドット担持多孔質n型半導体を含む。本発明の製造方法で得られる量子ドット担持多孔質n型半導体は、多孔質n型半導体上に第16族元素を含む量子ドットが効率よく制御して担持されている。このため、従来の量子ドット増感太陽電池用電極に比べて、IPCEや電力変換効率などで評価される太陽エネルギーの捕捉効率が優れた量子ドット増感太陽電池に好適な電極となり得る。
≪Quantum dot sensitized solar cell electrode≫
The electrode for quantum dot-sensitized solar cells of the present invention includes a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor obtained by the production method of the present invention. In the quantum dot-supporting porous n-type semiconductor obtained by the production method of the present invention, quantum dots containing a Group 16 element are efficiently controlled and supported on the porous n-type semiconductor. For this reason, compared with the conventional electrode for quantum dot sensitized solar cells, it can become an electrode suitable for the quantum dot sensitized solar cell excellent in the solar energy capture | acquisition efficiency evaluated by IPCE, power conversion efficiency, etc.
≪量子ドット増感太陽電池≫
本発明の量子ドット増感太陽電池は、本発明の量子ドット増感太陽電池用電極を含む。
≪Quantum dot sensitized solar cell≫
The quantum dot-sensitized solar cell of the present invention includes the quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention.
本発明の量子ドット増感太陽電池は、代表的には、本発明の量子ドット増感太陽電池用電極と対向電極を備える構成を有する。対向電極には、必要に応じて、支持基板が設けられていても良い。 The quantum dot-sensitized solar cell of the present invention typically has a configuration including the quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention and a counter electrode. The counter electrode may be provided with a support substrate as necessary.
上記対向電極としては、任意の適切な対向電極を採用し得る。例えば、チタン、ニッケル、金、銀、銅、カーボン、透明電極、導電性高分子などが挙げられる。透明電極としては、上記したものが例示できる。導電性高分子としては、例えば、塩素、臭素、またはヨウ素をドープしたポリアセチレン、ポリアセン、ポリピロール、ポリチオフェン、およびそれらの誘導体などが挙げられる。 Any appropriate counter electrode can be adopted as the counter electrode. For example, titanium, nickel, gold, silver, copper, carbon, a transparent electrode, a conductive polymer, and the like can be given. Examples of the transparent electrode include those described above. Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polyacene, polypyrrole, polythiophene, and derivatives thereof doped with chlorine, bromine, or iodine.
上記支持基板としては、任意の適切な支持基板を採用し得る。例えば、ガラス基板、プラスチック基板などが挙げられる。 Any appropriate support substrate can be adopted as the support substrate. For example, a glass substrate, a plastic substrate, etc. are mentioned.
本発明の量子ドット増感太陽電池は、湿式太陽電池の形態としても良いし、乾式太陽電池の形態としても良い。本発明の量子ドット増感太陽電池用電極と対向電極との間に電解質が介在していても良い。電解質としては、液体電解質を用いても良いし、固体電解質でも良い。液体電解質としては任意の適切な液体電解質を採用し得る。固体電解質としては任意の適切な固体電解質を採用し得る。 The quantum dot-sensitized solar cell of the present invention may be in the form of a wet solar cell or a dry solar cell. An electrolyte may be interposed between the quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention and the counter electrode. As the electrolyte, a liquid electrolyte or a solid electrolyte may be used. Any appropriate liquid electrolyte can be adopted as the liquid electrolyte. Any appropriate solid electrolyte can be adopted as the solid electrolyte.
本発明の量子ドット増感太陽電池は、本発明の量子ドット増感太陽電池用電極を用いているので、IPCEが極めて高い。具体的には、本発明の量子ドット増感太陽電池は、IPCEが、好ましくは70%以上、より好ましくは72%以上、さらに好ましくは75%以上、特に好ましくは77%以上、最も好ましくは80%以上である。従来の量子ドット増感太陽電池のIPCEは、比較的高いものであっても、通常40〜50%であり、特に高性能のものでも60%前後である(例えば、特許文献2、3参照)。このため、本発明の量子ドット増感太陽電池は、極めて高いIPCEを実現できる。 Since the quantum dot-sensitized solar cell of the present invention uses the quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention, the IPCE is extremely high. Specifically, the quantum dot-sensitized solar cell of the present invention has an IPCE of preferably 70% or more, more preferably 72% or more, still more preferably 75% or more, particularly preferably 77% or more, and most preferably 80%. % Or more. Even if the IPCE of the conventional quantum dot-sensitized solar cell is relatively high, it is usually 40 to 50%, and particularly high performance is around 60% (see, for example, Patent Documents 2 and 3). . For this reason, the quantum dot-sensitized solar cell of the present invention can realize extremely high IPCE.
本発明の量子ドット増感太陽電池は、本発明の量子ドット増感太陽電池用電極を用いているので、今後の実用化の実現性が高いと認め得るだけの高レベルの電力変換効率を発現できる。具体的には、本発明の量子ドット増感太陽電池は、電力変換効率が、好ましくは1.25%以上、より好ましくは1.5%以上、さらに好ましくは1.75%以上、特に好ましくは2%以上である。 Since the quantum dot-sensitized solar cell of the present invention uses the quantum dot-sensitized solar cell electrode of the present invention, it exhibits a high level of power conversion efficiency that can be recognized as being highly feasible for practical use in the future. it can. Specifically, the quantum dot-sensitized solar cell of the present invention has a power conversion efficiency of preferably 1.25% or more, more preferably 1.5% or more, still more preferably 1.75% or more, particularly preferably. 2% or more.
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited by these Examples.
〔製造例1〕:多孔質酸化チタン薄膜の製造
酸化チタン粒子(日揮触媒化成社製、PST−18NR、粒子径=20nm)をFTO(フッ素ドープ酸化スズ)導電膜付ガラス基板(表面抵抗=12Ω/□)にドクターブレード法により塗布し、500℃で1時間焼成することによって、厚みが1.2μm、縦横が2.5cm×4cmの多孔質酸化チタン薄膜を得た。
[Production Example 1]: Production of porous titanium oxide thin film Titanium oxide particles (manufactured by JGC Catalysts & Chemicals Co., Ltd., PST-18NR, particle size = 20 nm) are glass substrates with FTO (fluorine-doped tin oxide) conductive film (surface resistance = 12Ω) / □) by a doctor blade method and firing at 500 ° C. for 1 hour to obtain a porous titanium oxide thin film having a thickness of 1.2 μm and a length and width of 2.5 cm × 4 cm.
〔実施例1〕
(第1工程)
H2SeO3のエタノール溶液(濃度1.36mM)に、製造例1で得られた多孔質酸化チタン薄膜(mp−TiO2)を浸漬させた。溶液中にアルゴンガスを遮光条件下で30分間吹き込んだ後、25℃で、高圧水銀ランプを用いて紫外線を60分間照射した。用いた高圧水銀ランプの光強度は、3.6mW/cm2(波長=320〜400nm)であった。このようにして、第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)を得た。得られた第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)は、エタノールで洗浄し、室温で減圧乾燥した。
(第2工程)
Pb(ClO4)2のエタノール溶液(濃度1.36mM)に、第1工程で得られた第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)を浸漬させた。25℃、アルゴン雰囲気下で、高圧水銀ランプを用いて紫外線を60分間照射した。用いた高圧水銀ランプの光強度は、3.6mW/cm2(波長=320〜400nm)であった。このようにして、量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)を得た。得られた量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)は、エタノールで洗浄し、室温で減圧乾燥した。
(第16族元素担持多孔質n型半導体のTEM写真)
第1工程後に得られた第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)についてTEM写真を撮影した。結果を図1に示した。
図1によれば、多孔質n型半導体(mp−TiO2)上にナノオーダーの第16族元素(Se)が担持されていることが判る。
(量子ドット担持多孔質n型半導体のTEM写真)
第2工程後に得られた量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)についてTEM写真を撮影した。結果を図2に示した。
図2によれば、多孔質n型半導体(mp−TiO2)上にナノオーダーの量子ドット(PbSe)が担持されていることが判る。
(XRD分析)
第1工程前の多孔質n型半導体(mp−TiO2)、第1工程後の第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)、第2工程後の量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)の、それぞれのXRD分析を行った。結果を図3に示した。
図3の第1工程前の多孔質n型半導体(mp−TiO2)のXRDパターンにおいては、アナタース型酸化チタンに由来する回折ピークが存在していることが判る。
図3の第1工程後の第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)のXRDパターンにおいては、29.6°に単斜晶系Seに帰属できる弱い回折ピークが存在していることが判る。
図3の第2工程後の量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)のXRDパターンにおいては、単斜晶系Seに帰属できる回折ピークが消失しており、立方晶系PbSeに帰属できる回折ピークが存在していることが判る。
これらのXRD分析は、第1工程における紫外線照射によって多孔質n型半導体(mp−TiO2)表面にSe結晶が光析出し、さらに第2工程における紫外線照射によってPbSeの量子ドットが光析出したことを示している。
(XPS分析)
各反応段階における多孔質n型半導体類のSe3d−XPSスペクトルを測定した。結果を図4に示した。また、各反応段階における多孔質n型半導体類のPb4f−XPSスペクトルを測定した。結果を図5に示した。図4、図5によれば、第1工程における紫外線照射によって析出したSe結晶は、第2工程における紫外線照射により徐々にその析出量を低下させ、代りにPbSeの量子ドットが光析出し、その析出量が増加していくことが判る。
(UV−Vis分析)
第1工程の各反応段階における多孔質n型半導体類のUV−Visスペクトルを測定した。結果を図6に示した。また、第1工程および第2工程を含む各反応段階における多孔質n型半導体類のUV−Visスペクトルを測定した。結果を図7に示した。
図6、図7によれば、第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)の吸収端は約630nmであるのに対し、量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)は可視域から近赤外域におよび強い吸収を有することが判る。
[Example 1]
(First step)
The porous titanium oxide thin film (mp-TiO 2 ) obtained in Production Example 1 was immersed in an ethanol solution of H 2 SeO 3 (concentration: 1.36 mM). Argon gas was blown into the solution for 30 minutes under light shielding conditions, and then irradiated with ultraviolet rays at 25 ° C. using a high-pressure mercury lamp for 60 minutes. The light intensity of the high-pressure mercury lamp used was 3.6 mW / cm 2 (wavelength = 320 to 400 nm). In this way, a Group 16 element-supporting porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) was obtained. The obtained group 16 element-supporting porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) was washed with ethanol and dried under reduced pressure at room temperature.
(Second step)
The group 16 element-supporting porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) obtained in the first step was immersed in an ethanol solution (concentration: 1.36 mM) of Pb (ClO 4 ) 2 . Ultraviolet rays were irradiated for 60 minutes using a high-pressure mercury lamp at 25 ° C. in an argon atmosphere. The light intensity of the high-pressure mercury lamp used was 3.6 mW / cm 2 (wavelength = 320 to 400 nm). Thus, a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) was obtained. The obtained quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) was washed with ethanol and dried under reduced pressure at room temperature.
(TEM photograph of Group 16 element-supporting porous n-type semiconductor)
A TEM photograph was taken of the Group 16 element-supporting porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) obtained after the first step. The results are shown in FIG.
According to FIG. 1, it can be seen that a nano-order group 16 element (Se) is supported on a porous n-type semiconductor (mp-TiO 2 ).
(TEM photograph of porous n-type semiconductor supporting quantum dots)
A TEM photograph was taken of the quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) obtained after the second step. The results are shown in FIG.
As can be seen from FIG. 2, nano-order quantum dots (PbSe) are supported on the porous n-type semiconductor (mp-TiO 2 ).
(XRD analysis)
Porous n-type semiconductor (mp-TiO 2 ) before the first step, Group 16 element-supporting porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) after the first step, and quantum dot-supporting porous after the second step Each XRD analysis of the high-quality n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) was performed. The results are shown in FIG.
In the XRD pattern of the porous n-type semiconductor (mp-TiO 2 ) before the first step in FIG. 3, it can be seen that there is a diffraction peak derived from anatase-type titanium oxide.
In the XRD pattern of the Group 16 element-supported porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) after the first step in FIG. 3, there is a weak diffraction peak that can be attributed to monoclinic Se at 29.6 °. You can see that
In the XRD pattern of the quantum dot-supported porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) after the second step in FIG. 3, the diffraction peak attributable to the monoclinic system Se disappears, and the cubic system PbSe. It can be seen that there is a diffraction peak that can be assigned to.
In these XRD analyses, Se crystals were photo-deposited on the surface of the porous n-type semiconductor (mp-TiO 2 ) by ultraviolet irradiation in the first step, and further PbSe quantum dots were photo-deposited by ultraviolet irradiation in the second step. Is shown.
(XPS analysis)
Se3d-XPS spectra of porous n-type semiconductors at each reaction stage were measured. The results are shown in FIG. In addition, Pb4f-XPS spectra of porous n-type semiconductors at each reaction stage were measured. The results are shown in FIG. According to FIG. 4 and FIG. 5, the Se crystal precipitated by the ultraviolet irradiation in the first step gradually decreases its precipitation amount by the ultraviolet irradiation in the second step, and instead, PbSe quantum dots are photodeposited, It can be seen that the amount of precipitation increases.
(UV-Vis analysis)
UV-Vis spectra of porous n-type semiconductors at each reaction stage of the first step were measured. The results are shown in FIG. Moreover, the UV-Vis spectrum of the porous n-type semiconductors in each reaction stage including the first step and the second step was measured. The results are shown in FIG.
According to FIGS. 6 and 7, the absorption edge of the Group 16 element-supported porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) is about 630 nm, whereas the quantum dot-supported porous n-type semiconductor (PbSe / Pb) It can be seen that mp-TiO 2 ) has strong absorption from the visible range to the near infrared range.
〔実施例2〕
(第1工程)
実施例1と同様に行い、第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)を得た。
(第2工程)
Pb(ClO4)2のエタノール溶液(濃度1.36mM)に、メルカプト酢酸(濃度:4×10−3mol/L)を加え、第1工程で得られた第16族元素担持多孔質n型半導体(Se/mp−TiO2)を浸漬させた。25℃、アルゴン雰囲気下で、高圧水銀ランプを用いて紫外線を60分間照射した。用いた高圧水銀ランプの光強度は、3.6mW/cm2(波長=320〜400nm)であった。このようにして、量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)を得た。得られた量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)は、エタノールで洗浄し、室温で減圧乾燥した。
(量子ドット担持多孔質n型半導体のTEM写真)
第2工程後に得られた量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)についてTEM写真を撮影した。結果を図8に示した。
図8によれば、多孔質n型半導体(mp−TiO2)上にナノオーダーの量子ドット(PbSe)が担持されていることが判る。
[Example 2]
(First step)
In the same manner as in Example 1, a Group 16 element-supporting porous n-type semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) was obtained.
(Second step)
Mercaptoacetic acid (concentration: 4 × 10 −3 mol / L) was added to an ethanol solution of Pb (ClO 4 ) 2 (concentration 1.36 mM), and the Group 16 element-supported porous n-type obtained in the first step A semiconductor (Se / mp-TiO 2 ) was immersed. Ultraviolet rays were irradiated for 60 minutes using a high-pressure mercury lamp at 25 ° C. in an argon atmosphere. The light intensity of the high-pressure mercury lamp used was 3.6 mW / cm 2 (wavelength = 320 to 400 nm). Thus, a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) was obtained. The obtained quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) was washed with ethanol and dried under reduced pressure at room temperature.
(TEM photograph of porous n-type semiconductor supporting quantum dots)
A TEM photograph was taken of the quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ) obtained after the second step. The results are shown in FIG.
As can be seen from FIG. 8, nano-order quantum dots (PbSe) are supported on a porous n-type semiconductor (mp-TiO 2 ).
〔比較例1〕
H2SeO3(濃度1.36mM)、Pb(ClO4)2(濃度1.36mM)のエタノール溶液に、製造例1で得られた多孔質酸化チタン薄膜(mp−TiO2)を浸漬させた。溶液中にアルゴンガスを遮光条件下で30分間吹き込んだ後、25℃で、高圧水銀ランプを用いて紫外線を60分間照射した。用いた高圧水銀ランプの光強度は、3.6mW/cm2(波長=320〜400nm)であった。このようにして、量子ドット担持多孔質n型半導体(PbSe/mp−TiO2)を得ようとしたが、しかしながら、エタノール溶液中に白色沈殿が生成するのみであり、多孔質酸化チタン薄膜の表面へのPbSe量子ドットの析出は観察されなかった。
[Comparative Example 1]
The porous titanium oxide thin film (mp-TiO 2 ) obtained in Production Example 1 was immersed in an ethanol solution of H 2 SeO 3 (concentration 1.36 mM) and Pb (ClO 4 ) 2 (concentration 1.36 mM). . Argon gas was blown into the solution for 30 minutes under light shielding conditions, and then irradiated with ultraviolet rays at 25 ° C. using a high-pressure mercury lamp for 60 minutes. The light intensity of the high-pressure mercury lamp used was 3.6 mW / cm 2 (wavelength = 320 to 400 nm). In this way, an attempt was made to obtain a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor (PbSe / mp-TiO 2 ), however, only a white precipitate was formed in the ethanol solution, and the surface of the porous titanium oxide thin film No precipitation of PbSe quantum dots on the surface was observed.
本発明の製造方法で得られる量子ドット担持多孔質n型半導体は、量子ドット増感太陽電池用電極として用いることができ、このような量子ドット増感太陽電池用電極は、極めて高いIPCE効率、および、今後の実用化の実現性が高いと認め得るだけの高レベルの電力変換効率を示す量子ドット増感太陽電池に用いることができる。 The quantum dot-supported porous n-type semiconductor obtained by the production method of the present invention can be used as an electrode for a quantum dot-sensitized solar cell, and such an electrode for a quantum dot-sensitized solar cell has an extremely high IPCE efficiency, And it can use for the quantum dot sensitized solar cell which shows the high level power conversion efficiency which can be recognized that the future practical use is high.
Claims (5)
多孔質n型半導体を第16族元素化合物含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(I)の後に、
該工程(I)で得られる第16族元素担持多孔質n型半導体を金属イオン含有溶液に浸漬させた状態で光照射する工程(II)を行う、
量子ドット担持多孔質n型半導体の製造方法。 A method for producing a quantum dot-carrying porous n-type semiconductor in which quantum dots that are semiconductor nanoparticles are carried on a porous n-type semiconductor,
After the step (I) of irradiating light with the porous n-type semiconductor immersed in the Group 16 element compound-containing solution,
Performing the step (II) of irradiating the group 16 element-supporting porous n-type semiconductor obtained in the step (I) with light immersed in a metal ion-containing solution;
A method for producing a quantum dot-supporting porous n-type semiconductor.
The quantum dot sensitized solar cell containing the electrode for quantum dot sensitized solar cells of Claim 4.
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|---|---|---|---|---|
| JP2017135282A (en) * | 2016-01-28 | 2017-08-03 | 京セラ株式会社 | Photoelectric conversion film and photoelectric conversion device |
| CN114130408A (en) * | 2021-12-17 | 2022-03-04 | 永高股份有限公司 | Z-type alpha-Fe2O3/ZnIn2S4Preparation method and application of composite photocatalyst |
| CN116046860A (en) * | 2023-02-10 | 2023-05-02 | 青岛科技大学 | A photoelectrochemical sensor and its application based on ZnIn2S4/ZnS quantum dot-sensitized Cu-MOF |
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| CN116046860A (en) * | 2023-02-10 | 2023-05-02 | 青岛科技大学 | A photoelectrochemical sensor and its application based on ZnIn2S4/ZnS quantum dot-sensitized Cu-MOF |
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