JP2013016360A - Photoelectric conversion element - Google Patents
Photoelectric conversion element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013016360A JP2013016360A JP2011148647A JP2011148647A JP2013016360A JP 2013016360 A JP2013016360 A JP 2013016360A JP 2011148647 A JP2011148647 A JP 2011148647A JP 2011148647 A JP2011148647 A JP 2011148647A JP 2013016360 A JP2013016360 A JP 2013016360A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photoelectric conversion
- conversion element
- electrolyte
- layer
- metal complex
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
Landscapes
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element.
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子として、種々の太陽電池が提案されている。係る太陽電池の中で色素増感太陽電池は、1991年にスイスのローザンヌ工科大学のグレッツェルらによって開発されたものであり、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、該半導体電極に相対向して設けられた導電性基材からなる対電極と、これら半導体電極と対極との間に保持された電荷輸送層(電解質層)とを備えてなる。 Conventionally, various solar cells have been proposed as photoelectric conversion elements that convert light energy into electrical energy. Among such solar cells, a dye-sensitized solar cell was developed by Gretzel et al. Of Lausanne University of Technology in Switzerland in 1991, and is generally a photoelectric conversion layer made of a semiconductor in which a dye is adsorbed on a conductive substrate. A counter electrode made of a conductive base material provided opposite to the semiconductor electrode, and a charge transport layer (electrolyte layer) held between the semiconductor electrode and the counter electrode. Become.
色素が吸着された半導体層を有する半導体電極、電荷輸送層(電解質層)、対電極などから形成される光電変換素子は、色素増感太陽電池などのエネルギーデバイスや、光センサーなどへの応用が期待されている。その中でも色素増感太陽電池は、有機系太陽電池の中で高変換効率を示すため、広く注目されている。この色素増感太陽電池で用いられている光電変換材料からなる半導体層には、半導体表面に可視光領域に吸収を持つ分光増感色素を吸着させたものが用いられている。 Photoelectric conversion elements formed from a semiconductor electrode having a semiconductor layer adsorbed with a dye, a charge transport layer (electrolyte layer), a counter electrode, and the like can be applied to energy devices such as dye-sensitized solar cells and optical sensors. Expected. Among them, dye-sensitized solar cells are attracting wide attention because they exhibit high conversion efficiency among organic solar cells. As the semiconductor layer made of a photoelectric conversion material used in the dye-sensitized solar cell, a semiconductor layer in which a spectral sensitizing dye having absorption in the visible light region is adsorbed on the semiconductor surface is used.
従来、上記電荷輸送層(電解質層)は、半導体電極と対電極との間に、有機溶媒にヨウ素/ヨウ化物イオンが溶解した電解液を注入することにより形成されていた。このため、溶媒の揮発による電解液の組成の変化が起こり、長期安定性に問題を生じる可能性があった。また、有機溶媒を含む電解質では、非水環境下、好ましくは脱水状態で、製造工程を実施しなければならず、それゆえに、製造工程が煩雑化し、また、環境整備に要する製造コストが増加するという問題があった。 Conventionally, the charge transport layer (electrolyte layer) has been formed by injecting an electrolytic solution in which iodine / iodide ions are dissolved in an organic solvent between a semiconductor electrode and a counter electrode. For this reason, the composition of the electrolytic solution may change due to volatilization of the solvent, which may cause a problem in long-term stability. In addition, in an electrolyte containing an organic solvent, the manufacturing process must be performed in a non-aqueous environment, preferably in a dehydrated state. Therefore, the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost required for environmental maintenance increases. There was a problem.
水を含有する電解質の開発が切望されている。そこで、有機溶媒を水に代える発明はこれまでにいくつか開示されている。特許文献1及び2には、有機溶媒を含まない電解質、具体的には、ヨウ化リチウム、ヨウ素及び水を含む電解液が提案されており、これを用いることで、0.7V程度の起電力が得られることが記載されている。しかし、溶媒を有機系から水に代えると出力が低くなる傾向にあった。なお、多くの特許文献において、水を含有する電解質の使用が示唆されているものの、実際に水を含有する電解質を用いた高効率の光電変換素子を記載する特許文献はない。 The development of electrolytes containing water is eagerly desired. Thus, several inventions for replacing the organic solvent with water have been disclosed so far. Patent Documents 1 and 2 propose an electrolyte containing no organic solvent, specifically, an electrolytic solution containing lithium iodide, iodine and water. By using this, an electromotive force of about 0.7 V is proposed. Is obtained. However, when the solvent is changed from organic to water, the output tends to decrease. Although many patent documents suggest the use of an electrolyte containing water, there is no patent document that describes a highly efficient photoelectric conversion element using an electrolyte that actually contains water.
また近年、非特許文献1には、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル(TEMPO)ラジカルをヨウ素/ヨウ化物イオンの代わりとする電解液が提案されている。グレッツェルらはTEMPOラジカルのレドックス反応を用いることを提唱したが、同時に劇物の試薬であるニトロソニウム テトラフルオロボレート(NOBF4)を添加しなければ動作しないため、安全に取り扱うことができないという問題があった。特許文献3から特許文献6には、環状ニトロキシルラジカル化合物を電解質に用いる色素増感太陽電池が開示されている。 In recent years, Non-Patent Document 1 proposes an electrolytic solution in which 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (TEMPO) radical is substituted for iodine / iodide ions. Gretzell et al. Proposed using the redox reaction of the TEMPO radical, but at the same time, the nitrosonium tetrafluoroborate (NOBF 4 ), which is a deleterious reagent, does not work and cannot be handled safely. there were. Patent Documents 3 to 6 disclose dye-sensitized solar cells using a cyclic nitroxyl radical compound as an electrolyte.
また、ヨウ素以外のレドックス種(還元体)を用いた電解液が報告されている。例えば、非特許文献2では、電解液溶媒としてアセトニトリル(ACN)、レドックス種(還元体)として金属錯体(トリス(2,2’−ビピリジル)コバルト(II))が用いられている。この電解液におけるレドックス種(酸化体)はトリス(2,2’−ビピリジル)コバルト(III)BF4である。このレドックス種(酸化体)は、NOBF4を電解液に添加し、還元体レドックス種(トリス(2,2’−ビピリジル)コバルト(II))を電解液中で酸化することによって作られている。非特許文献2によれば、このレドックス種を用いた色素増感太陽電池の発電効率としては、7.2%が実現されている。 In addition, an electrolytic solution using a redox species (reduced form) other than iodine has been reported. For example, in Non-Patent Document 2, acetonitrile (ACN) is used as an electrolyte solvent, and a metal complex (tris (2,2′-bipyridyl) cobalt (II)) is used as a redox species (reduced form). The redox species (oxidant) in this electrolyte is tris (2,2′-bipyridyl) cobalt (III) BF 4 . This redox species (oxidant) is made by adding NOBF 4 to the electrolyte and oxidizing the reduced redox species (tris (2,2′-bipyridyl) cobalt (II)) in the electrolyte. . According to Non-Patent Document 2, 7.2% is realized as the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell using this redox species.
ヨウ化物イオンに代えて金属錯体レドックス化合物を使用する方法では、上記の通りNOBF4を添加する方法が実施されているが、NOBF4は水と激しく反応するため、水を含有する電解質に適用することは困難である。一方、水を含有する電解質に適用されるヨウ素イオンのレドックス種(I−/I3 −)では高効率の素子を提供するに至っていないのが現状である。
そこで、本発明では、高出力が可能な水を含有する電解質を有する光電変換素子を提供することを目的とする。
In the method using a metal complex redox compound instead of iodide ion, the method of adding NOBF 4 is carried out as described above. However, since NOBF 4 reacts violently with water, it is applied to an electrolyte containing water. It is difficult. On the other hand, the redox species of iodine ions (I − / I 3 − ) applied to electrolytes containing water have not yet provided a highly efficient device.
Therefore, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element having an electrolyte containing water capable of high output.
上記課題を解決する本発明に係る光電変換素子は、
光電変換層と、対電極と、電荷輸送層と、を備え、前記電荷輸送層中に、水と、金属錯体とオキソアンモニウム塩とを含有する電解質を含むことを特徴とするものである。
The photoelectric conversion element according to the present invention for solving the above problems is
A photoelectric conversion layer, a counter electrode, and a charge transport layer are provided, and the charge transport layer includes an electrolyte containing water, a metal complex, and an oxoammonium salt.
本発明によれば、水を含有する電解質を用いて高出力が可能な光電変換素子を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion element in which high output is possible using the electrolyte containing water can be provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の光電変換素子の実施形態を詳しく説明する。なお、本発明の範囲内で種々の実施形態での実施が可能である。 Hereinafter, embodiments of the photoelectric conversion element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that various embodiments can be implemented within the scope of the present invention.
〔第一の実施形態〕
本実施形態に係る光電変換素子は、例えば、図1に示すように、光電変換層1と、対電極2と、光電変換層1と対電極2との間の電荷輸送を行う電荷輸送層3とを含み、電荷輸送層3中に水と、金属錯体とオキソアンモニウム塩とを含有する電解質を含む。
[First embodiment]
For example, as shown in FIG. 1, the photoelectric conversion element according to this embodiment includes a photoelectric conversion layer 1, a counter electrode 2, and a charge transport layer 3 that performs charge transport between the photoelectric conversion layer 1 and the counter electrode 2. And an electrolyte containing water, a metal complex, and an oxoammonium salt in the charge transport layer 3.
1.光電変換層
光電変換層1は、通常、半導体層に光増感剤として機能する色素が吸着されている構造を有する。
1. Photoelectric Conversion Layer The photoelectric conversion layer 1 usually has a structure in which a dye functioning as a photosensitizer is adsorbed on a semiconductor layer.
1−1.半導体層
1−1−1.半導体層の材料・構造
半導体層を構成する半導体材料としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カドミウムなどの公知の半導体が挙げられる。これらの半導体材料は2種類以上を混合して用いることもできる。これらの中でも、変換効率、安定性、安全性の点から酸化チタンが特に好ましい。このような酸化チタンとしては、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン、無定形酸化チタン、メタチタン酸、オルソチタン酸などの種々の酸化チタン、含酸化チタン複合体などが挙げられる。その中でもアナターゼ型酸化チタンであることが好ましい。
1-1. Semiconductor layer 1-1-1. Semiconductor Layer Material / Structure Semiconductor materials constituting the semiconductor layer include known semiconductors such as titanium oxide, zinc oxide, tungsten oxide, barium titanate, strontium titanate, and cadmium sulfide. Two or more kinds of these semiconductor materials can be mixed and used. Among these, titanium oxide is particularly preferable in terms of conversion efficiency, stability, and safety. Examples of such titanium oxide include anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide, amorphous titanium oxide, various titanium oxides such as metatitanic acid, orthotitanic acid, and titanium oxide-containing composites. Among these, anatase type titanium oxide is preferable.
半導体層の形状としては、半導体微粒子などを焼結することにより得られる多孔性半導体層、ゾル−ゲル法、スパッタ法、スプレー熱分解法などにより得られる薄膜状半導体層などが挙げられ、その他繊維状半導体層や針状晶からなる半導体層など光電変換素子の使用目的に応じて、適宜選択することができる。 Examples of the shape of the semiconductor layer include a porous semiconductor layer obtained by sintering semiconductor fine particles, a thin-film semiconductor layer obtained by a sol-gel method, a sputtering method, a spray pyrolysis method, and the like, and other fibers. It can be appropriately selected according to the purpose of use of the photoelectric conversion element such as a semiconductor layer or a semiconductor layer made of needle crystals.
本発明の半導体層としては、色素吸着量などの観点から、多孔性半導体層、針状晶からなる半導体層など比表面積の大きな半導体層が好ましい。半導体微粒子の粒径により入射光の利用率などを調整できる観点から、半導体微粒子から形成される多孔性半導体層が好ましい。 The semiconductor layer of the present invention is preferably a semiconductor layer having a large specific surface area such as a porous semiconductor layer or a needle-like semiconductor layer from the viewpoint of the amount of dye adsorption. A porous semiconductor layer formed from semiconductor fine particles is preferable from the viewpoint that the utilization factor of incident light can be adjusted by the particle size of the semiconductor fine particles.
また、半導体層は、単層であっても多層であってもよい。多層にすることによって、十分な厚さの半導体層を容易に形成することができる。また、多孔性の多層半導体層は、平均粒径の異なる半導体微粒子層からなってもよい。例えば、光入射側に近い方の半導体層(第1半導体層)を構成する半導体微粒子の平均粒径を、遠い方の半導体層(第2半導体層)より小さくすることにより、第1半導体層で多くの光を吸収させ、第1半導体層を通過した光は、第2半導体層で散乱させて第1半導体層に戻して第1半導体層で吸収させることにより、全体の光吸収率を向上させることができる。半導体層の膜厚は、特に限定されるものではないが、透過性、変換効率などの観点より、0.5〜45μm程度が望ましい。 Further, the semiconductor layer may be a single layer or a multilayer. By using a multilayer structure, a semiconductor layer having a sufficient thickness can be easily formed. The porous multilayer semiconductor layer may be composed of semiconductor fine particle layers having different average particle diameters. For example, by making the average particle size of the semiconductor fine particles constituting the semiconductor layer closer to the light incident side (first semiconductor layer) smaller than that of the farther semiconductor layer (second semiconductor layer), the first semiconductor layer A large amount of light is absorbed, and the light that has passed through the first semiconductor layer is scattered by the second semiconductor layer, returned to the first semiconductor layer, and absorbed by the first semiconductor layer, thereby improving the overall light absorption rate. be able to. Although the film thickness of a semiconductor layer is not specifically limited, About 0.5-45 micrometers is desirable from viewpoints, such as permeability | transmittance and conversion efficiency.
半導体層の比表面積は、多量の色素を吸着させるために、10〜200m2/gが好ましい。また色素を吸着させるため、及び電解質中のイオンが十分に拡散して電荷輸送を行うためには空隙率は40〜80%が好ましい。なお、空隙率とは、半導体層の体積の中で、半導体層中の細孔が占める体積の割合を%で示したものとする。 The specific surface area of the semiconductor layer is preferably 10 to 200 m 2 / g in order to adsorb a large amount of dye. Further, the porosity is preferably 40 to 80% in order to adsorb the dye and to carry out charge transport by sufficiently diffusing ions in the electrolyte. Note that the porosity means the ratio of the volume occupied by the pores in the semiconductor layer in% in the volume of the semiconductor layer.
1−1−2.半導体層の形成方法
次に、上記半導体層の形成方法について、多孔性半導体層を例にとって説明する。多孔性半導体層は、例えば、半導体微粒子を高分子などの有機化合物及び分散剤と共に、有機溶媒や水など分散媒に加えて懸濁液を調製し、この懸濁液を導電性を有する支持基板上に塗布し、これを乾燥、焼成することによって形成することができる。
1-1-2. Next, a method for forming the semiconductor layer will be described by taking a porous semiconductor layer as an example. The porous semiconductor layer is prepared, for example, by adding a semiconductor fine particle together with an organic compound such as a polymer and a dispersing agent to a dispersion medium such as an organic solvent or water, and preparing a suspension, and using this suspension as a conductive support substrate It can be formed by coating on top, drying and firing.
半導体微粒子と共に分散媒に有機化合物を添加しておくと、焼成時に有機化合物が燃焼して多孔性半導体層内に隙間を確保することが可能となる。また焼成時に燃焼する有機化合物の分子量や添加量を制御することで空隙率を変化させることができる。なお、有機化合物の種類や量は、使用する微粒子の状態、懸濁液全体の総重量等により適宜選択し調整することができる。ただし、半導体微粒子の割合が懸濁液全体の総重量に対して10wt%以上のときは、作製した膜の強度を充分に強くすることができ、半導体微粒子の割合が懸濁液全体の総重量に対して40wt%以下であれば、空隙率が大きな多孔性半導体層を得ることができるため、半導体微粒子の割合は懸濁液全体の総重量に対して10〜40wt%であることが好ましい。 When an organic compound is added to the dispersion medium together with the semiconductor fine particles, the organic compound burns during firing, and a gap can be secured in the porous semiconductor layer. Moreover, the porosity can be changed by controlling the molecular weight and the addition amount of the organic compound combusted during firing. The type and amount of the organic compound can be appropriately selected and adjusted depending on the state of the fine particles used, the total weight of the entire suspension, and the like. However, when the proportion of the semiconductor fine particles is 10 wt% or more with respect to the total weight of the whole suspension, the strength of the produced film can be sufficiently increased, and the proportion of the semiconductor fine particles is the total weight of the whole suspension. If the amount is 40 wt% or less, a porous semiconductor layer having a large porosity can be obtained. Therefore, the ratio of the semiconductor fine particles is preferably 10 to 40 wt% with respect to the total weight of the entire suspension.
上記半導体微粒子としては、適当な平均粒径、例えば1nm〜500nm程度の平均粒径を有する単一または化合物半導体の粒子などが挙げられる。その中でも比表面積を大きくするという点から1〜50nm程度の平均粒径のものが望ましい。また入射光の利用率を高めるという点から、200〜400nm程度の平均粒径の大きな半導体粒子を添加してもよい。 Examples of the semiconductor fine particles include single or compound semiconductor particles having an appropriate average particle size, for example, an average particle size of about 1 nm to 500 nm. Among them, those having an average particle diameter of about 1 to 50 nm are preferable from the viewpoint of increasing the specific surface area. Moreover, you may add a semiconductor particle with a large average particle diameter of about 200-400 nm from the point of raising the utilization factor of incident light.
半導体微粒子の製造方法としては、水熱合成法などのゾル−ゲル法、硫酸法、塩素法などが挙げられ、目的の微粒子を製造できる方法であればどのような方法を用いてもよいが、結晶性の観点より、水熱合成法により製造することが好ましい。 Examples of the method for producing semiconductor fine particles include a sol-gel method such as a hydrothermal synthesis method, a sulfuric acid method, a chlorine method, and the like, and any method can be used as long as it can produce the desired fine particles. From the viewpoint of crystallinity, it is preferably produced by a hydrothermal synthesis method.
有機化合物は、懸濁液中に溶解し、焼成するときに燃焼して除去できるものであれば何れも用いることができる。例えば、ポリエチレングリコール、エチルセルロース等の高分子が挙げられる。懸濁液の分散媒としては、エチレングリコールモノメチルエーテル等のグライム系溶媒、イソプロピルアルコール等のアルコール系、イソプロピルアルコール/トルエン等の混合溶媒、水等が挙げられる。 Any organic compound can be used as long as it dissolves in the suspension and can be removed by burning when baked. Examples thereof include polymers such as polyethylene glycol and ethyl cellulose. Examples of the dispersion medium for the suspension include glyme solvents such as ethylene glycol monomethyl ether, alcohols such as isopropyl alcohol, mixed solvents such as isopropyl alcohol / toluene, and water.
懸濁液の塗布方法としては、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法、スクリーン印刷法等公知の方法が挙げられる。その後、塗膜の乾燥、焼成を行う。乾燥と焼成の条件は、大気下又は不活性ガス雰囲気下、50〜800℃程度の範囲内で、10秒から12時間程度が挙げられる。この乾燥及び焼成は、単一の温度で1回又は温度を変化させて2回以上行うことができる。 Examples of the method for applying the suspension include known methods such as a doctor blade method, a squeegee method, a spin coating method, and a screen printing method. Thereafter, the coating film is dried and fired. The drying and firing conditions may be about 10 seconds to 12 hours in the range of about 50 to 800 ° C. in the air or in an inert gas atmosphere. This drying and baking can be performed once at a single temperature or twice or more by changing the temperature.
なお、ここでは、多孔性半導体層の形成方法について詳述したが、他の種類の半導体層も種々の公知の方法を用いて形成することができる。 Although the method for forming the porous semiconductor layer has been described in detail here, other types of semiconductor layers can also be formed using various known methods.
1−2.光増感剤
本発明において、光増感剤として色素を用いることができる。光増感剤として機能する色素(以下、単に「色素」と記す。)は、種々の可視光領域及び赤外光領域に吸収を持つものであって、半導体層に強固に吸着させるために、色素分子中にCOOH基、アルコキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、スルホン酸基、エステル基、メルカプト基、ホスホニル基などのインターロック基を有するものが好ましい。この中でもCOOH基を有するものが特に好ましい。
1-2. Photosensitizer In the present invention, a dye can be used as a photosensitizer. A dye functioning as a photosensitizer (hereinafter simply referred to as “dye”) has absorption in various visible light regions and infrared light regions, and is strongly adsorbed to the semiconductor layer. Those having an interlock group such as a COOH group, an alkoxy group, a hydroxyl group, a hydroxyalkyl group, a sulfonic acid group, an ester group, a mercapto group, and a phosphonyl group in the dye molecule are preferable. Of these, those having a COOH group are particularly preferred.
インターロック基は、励起状態の色素と半導体の導電帯との間の電子移動を容易にする電気的結合を供給するものである。これらインターロック基を含有する色素としては、例えば、ルテニウム金属錯体色素(ルテニウムビピリジン系金属錯体色素、ルテニウムターピリジン系金属錯体色素、ルテニウムクォーターピリジン系金属錯体色素など)、アゾ系色素、キノン系色素、キノンイミン系色素、キナクリドン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素、キサンテン系色素、ポルフィリン系色素、フタロシアニン系色素、ペリレン系色素、インジゴ系色素、ナフタロシアニン系色素、クマリン系色素などが挙げられる。その中でも有機色素が好ましい。 The interlock group provides an electrical bond that facilitates electron transfer between the excited dye and the semiconductor conduction band. Examples of the dye containing an interlock group include a ruthenium metal complex dye (such as a ruthenium bipyridine metal complex dye, a ruthenium terpyridine metal complex dye, and a ruthenium quarterpyridine metal complex dye), an azo dye, and a quinone dye. Quinone imine dyes, quinacridone dyes, squarylium dyes, cyanine dyes, merocyanine dyes, triphenylmethane dyes, xanthene dyes, porphyrin dyes, phthalocyanine dyes, perylene dyes, indigo dyes, naphthalocyanine dyes Examples thereof include dyes and coumarin dyes. Of these, organic dyes are preferred.
半導体層に色素を吸着させる方法としては、例えば基板上に形成された半導体層を、色素を溶解した溶液に浸漬する方法が挙げられる。色素を溶解するために用いる溶媒は、エタノールなどのアルコール系、アセトンなどのケトン系、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトニトリルなどの窒素化合物、クロロホルムなどのハロゲン化脂肪族炭化水素、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチルなどのエステル類などが挙げられる。またこれらの溶媒は2種類以上を混合して用いてもよい。 Examples of the method for adsorbing the dye on the semiconductor layer include a method in which a semiconductor layer formed on a substrate is immersed in a solution in which the dye is dissolved. Solvents used to dissolve the dye include alcohols such as ethanol, ketones such as acetone, ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran, nitrogen compounds such as acetonitrile, halogenated aliphatic hydrocarbons such as chloroform, and hexane. Examples thereof include aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons such as benzene, and esters such as ethyl acetate. These solvents may be used as a mixture of two or more.
溶液中の色素濃度は、使用する色素及び溶媒の種類は適宜調整することができ、吸着機能を向上させるためにはある程度高濃度である方が好ましい。例えば、5×10−5mol/L以上の濃度とすることができる。 The dye concentration in the solution can be adjusted as appropriate depending on the type of the dye and the solvent to be used. In order to improve the adsorption function, it is preferable that the concentration is somewhat high. For example, the concentration can be 5 × 10 −5 mol / L or more.
色素を溶解した溶液中に半導体を浸漬する際、溶液及び雰囲気の温度、並びに圧力は特に限定されるものではなく、例えば室温程度、かつ大気圧下が挙げられ、浸漬時間は使用する色素、溶媒の種類、溶液の濃度などにより適宜調整することができる。なお、効果的に行うには加熱下にて浸漬を行えばよい。これにより、半導体層に色素を吸着させることができる。 When the semiconductor is immersed in the solution in which the dye is dissolved, the temperature and pressure of the solution and the atmosphere are not particularly limited, and examples include room temperature and atmospheric pressure, and the immersion time is the dye and solvent to be used. It can be appropriately adjusted depending on the kind of the solution, the concentration of the solution, and the like. In order to effectively perform the immersion, the immersion may be performed under heating. Thereby, a pigment | dye can be made to adsorb | suck to a semiconductor layer.
また色素を吸着する際に、色素及びその吸着状態や、多孔性半導体層を構成するTiO2等の微粒子表面などを制御するために、色素を溶解した溶液にデオキシコール酸(Deoxycholic Acid)やグアニジンチオシアナート(Guanidine Thiocyanate)、tert−ブチルピリジン、エタノールなどの有機化合物を加えてもよい。
光増感剤として、色素ではなく、半導体微粒子、いわゆる量子ドットを用いることもできる。
When adsorbing the dye, deoxycholic acid or guanidine is added to the solution in which the dye is dissolved in order to control the dye and its adsorption state, the surface of fine particles such as TiO 2 constituting the porous semiconductor layer, and the like. Organic compounds such as thiocyanate, tert-butylpyridine, ethanol, and the like may be added.
As a photosensitizer, semiconductor fine particles, so-called quantum dots, can be used instead of a dye.
2.対電極
対電極2としては、白金等の金属触媒やカーボンの膜が存在するものなどが挙げられる。特に、白金であることが好ましい。これらの膜厚は触媒機能を発現できる厚さであればよく、1〜2000nm程度が望ましい。
2. Counter electrode Examples of the counter electrode 2 include those having a metal catalyst such as platinum or a carbon film. In particular, platinum is preferable. These film thicknesses should just be the thickness which can express a catalyst function, and about 1-2000 nm is desirable.
3.電荷輸送層
本発明に係る電荷輸送層3には、水と金属錯体及びオキソアンモニウム塩とを含有する電解質を含む。
3−1 金属錯体
金属錯体としては、色素増感太陽電池に利用可能な公知の金属錯体の中から、水を含む液状媒体中で安定なものが選択される。
3. Charge Transport Layer The charge transport layer 3 according to the present invention includes an electrolyte containing water, a metal complex, and an oxoammonium salt.
3-1. Metal Complex As the metal complex, one that is stable in a liquid medium containing water is selected from known metal complexes that can be used in dye-sensitized solar cells.
特に、金属原子として周期律表8〜10族元素(旧8B族)から選択される金属原子を有する金属錯体が好ましく、特にFe,Co,Ni,Osから選択される金属原子を含む金属錯体がより好ましい。例えば、Feを含む金属錯体としては、フェロシアン酸塩/フェリシアン酸塩やフェロセン/フェリシニウムイオンなどのレドックス対を形成する鉄錯体が知られている。Coを含む金属錯体としては、例えば、非特許文献2、J. AM. CHEM. SOC. 2002, 124, 11215-11222に記載のコバルト錯体(下記式(1−a)〜(1−c))やコバルトセンなどが挙げられる。Niを含む金属錯体としては、J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 4580-4582に記載のニッケル錯体やニッケロセンが挙げられる。Osを含む金属錯体としてオスモセンなどが挙げられる。 In particular, a metal complex having a metal atom selected from Group 8 to 10 elements (formerly Group 8B) of the Periodic Table as the metal atom is preferable, and in particular, a metal complex containing a metal atom selected from Fe, Co, Ni, Os. More preferred. For example, iron complexes that form redox pairs such as ferrocyanate / ferricyanate and ferrocene / ferricinium ions are known as metal complexes containing Fe. Examples of the metal complex containing Co include cobalt complexes described in Non-Patent Document 2, J. AM. CHEM. SOC. 2002, 124, 11215-11222 (the following formulas (1-a) to (1-c)). And cobaltcene. Examples of the metal complex containing Ni include nickel complexes and nickelocene described in J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 4580-4582. Examples of the metal complex containing Os include osmocene.
なかでも、金属のビスペンタジエニル錯体であるメタロセン、例えば、フェロセン、コバルトセン、ニッケロセン及びオスモセン及びその誘導体から選択されるものが好ましく、特にフェロセンが好ましい。 Among these, metallocenes that are metal bispentadienyl complexes, such as ferrocene, cobaltcene, nickelocene, osmocene, and derivatives thereof are preferable, and ferrocene is particularly preferable.
金属錯体は、電荷輸送層3中において少なくとも一部が酸化体と還元体で酸化還元対(レドックス対)を形成していることが好ましい。例えば、フェロセンでは下記式(2)に示すように、フェリシニウムイオン(酸化体)とフェロセン(還元体)との平衡状態を示す。 It is preferable that at least a part of the metal complex in the charge transport layer 3 forms an oxidation-reduction pair (redox pair) in the charge transport layer 3. For example, ferrocene shows an equilibrium state between ferricinium ion (oxidized substance) and ferrocene (reduced form) as shown in the following formula (2).
なお、電解質に含まれる金属錯体は、少なくとも一部がレドックス対を形成していれば良く、添加する金属錯体の全てがレドックス対を形成していなくても良い。 Note that at least a part of the metal complex contained in the electrolyte needs to form a redox pair, and all of the metal complexes to be added need not form a redox pair.
3−2. オキソアンモニウム塩
オキソアンモニウム塩とは、>N+=Oで表されるオキソアンモニウムカチオンとX−で表されるアニオンからなる。具体的には、下記式で示される環状のオキソアンモニウム塩であることが好ましい。
3-2. Oxoammonium salt An oxoammonium salt consists of an oxoammonium cation represented by> N + = O and an anion represented by X − . Specifically, a cyclic oxoammonium salt represented by the following formula is preferable.
(一般式(3)において、Aは、ニトロキシドの窒素原子及びR1〜R4が結合している2個の炭素原子と共に5〜7員の複素環を構成する2価の基であって、置換基を有してもよい。R1、R2、R3、R4はそれぞれ同一でも異なっていてもよく、置換もしくは無置換のアルキル基を示す。Xは、金属塩化物、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、BF4、PF6、CF3SO3、N(SO2CF3)2、N(SO2F)2、CF3COO、N(C2F5SO2)、又はClO4を示す。) (In General Formula (3), A is a divalent group constituting a 5- to 7-membered heterocyclic ring together with the nitrogen atom of nitroxide and the two carbon atoms to which R 1 to R 4 are bonded, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 may be the same or different and each represents a substituted or unsubstituted alkyl group, where X is a metal chloride, fluorine, chlorine , Bromine, iodine, BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3, N (SO 2 CF 3 ) 2 , N (SO 2 F) 2 , CF 3 COO, N (C 2 F 5 SO 2 ), or ClO 4 Is shown.)
式中、Aで表される2価の基としては、ニトロキシドの窒素原子及びR1〜R4が結合している2個の炭素原子と共に5〜7員の複素環を構成する基であり、炭素数2〜4のアルキレン基あるいはアルケニレン基を例示することができる。また、アルキレン基の炭素原子の一部が酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子で置き換わったものでも良い。アルキレン基の各炭素原子には置換基を有していても良く、例えば脂肪族基、芳香族基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アルデヒド基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、ニトロソ基などを挙げることができる。R1、R2、R3、R4で表される置換アルキル基における置換基としては、上記Aが有しても良い置換基を挙げることができる。R1、R2、R3、R4は、それぞれ独立に直鎖状のアルキル基が好ましい。また、安定性の観点から、炭素数1〜4の無置換のアルキル基、特にメチル基が好ましい。 In the formula, the divalent group represented by A is a group that forms a 5- to 7-membered heterocyclic ring together with the nitrogen atom of nitroxide and the two carbon atoms to which R 1 to R 4 are bonded, A C2-C4 alkylene group or alkenylene group can be illustrated. In addition, some of the carbon atoms of the alkylene group may be replaced with oxygen atoms, nitrogen atoms, sulfur atoms, silicon atoms, phosphorus atoms, or boron atoms. Each carbon atom of the alkylene group may have a substituent, such as an aliphatic group, aromatic group, hydroxyl group, alkoxy group, aldehyde group, carboxyl group, alkoxycarbonyl group, cyano group, amino group, nitro group. Group, nitroso group and the like. Examples of the substituent in the substituted alkyl group represented by R 1 , R 2 , R 3 , or R 4 include the substituents that A may have. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are preferably each independently a linear alkyl group. Moreover, from a viewpoint of stability, a C1-C4 unsubstituted alkyl group, especially a methyl group are preferable.
好ましくは、Aは6員環を形成するプロピレン鎖である下記一般式(4)で表されるオキソアンモニウム塩であることが好ましい。 Preferably, A is an oxoammonium salt represented by the following general formula (4), which is a propylene chain forming a 6-membered ring.
(一般式(4)中、R1〜R4,Xは一般式(3)と同様の意味を示し、R5、R6はそれぞれ独立に水素原子、脂肪族基、芳香族基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アルデヒド基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基、ニトロソ基を示し、R5とR6と結合している炭素原子とでC=Oを形成しても良く、さらにR5とR6とが結合して環状構造を形成しても良い。) (In the general formula (4), R 1 to R 4 and X have the same meaning as in the general formula (3), and R 5 and R 6 are each independently a hydrogen atom, aliphatic group, aromatic group, hydroxyl group. , An alkoxy group, an aldehyde group, a carboxyl group, an alkoxycarbonyl group, a cyano group, an amino group, a nitro group, and a nitroso group, and C = O may be formed by a carbon atom bonded to R 5 and R 6. In addition, R 5 and R 6 may be bonded to form a cyclic structure.)
また、電荷輸送層3中において、オキソアンモニウム塩の一部はアニオンを金属錯体に供給し、下記式(5)に示すようなニトロキシルラジカルとニトロキシルカチオンとの平衡状態を示す酸化還元対を形成しても良い。 In addition, in the charge transport layer 3, a part of the oxoammonium salt supplies an anion to the metal complex, and a redox pair showing an equilibrium state between the nitroxyl radical and the nitroxyl cation as shown in the following formula (5). It may be formed.
このようなオキソアンモニウム塩の例としては、下記式(6)〜(9)に示す2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル(TEMPO)ラジカルとその誘導体のオキソアンモニウム塩が好ましく挙げられる。 Examples of such oxoammonium salts are preferably 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (TEMPO) radicals represented by the following formulas (6) to (9) and oxoammonium salts of derivatives thereof. Can be mentioned.
水を含む液体媒体中に金属錯体とオキソアンモニウム塩とを同時に含有することにより、例えば、フェロセンなどの還元体レドックス種を前記式(2)に示すように、フェリシニウムイオン等の酸化体レドックス種に酸化することができる。オキソアンモニウム塩は水中で安定して存在するため、水を含有する電解質に好適に利用できる。 By simultaneously containing a metal complex and an oxoammonium salt in a liquid medium containing water, for example, a reduced redox species such as ferrocene is an oxidized redox species such as ferricinium ion as shown in the above formula (2). Can be oxidized to. Since the oxoammonium salt exists stably in water, it can be suitably used for an electrolyte containing water.
3−3.電解液
電荷輸送層3は、先に示した金属錯体とオキソアンモニウム塩を含有し、液体状態の電解質(電解液)を含む。この電解液は溶媒として水を含む。なお、電解液は多孔性の半導体層や対電極中にも含まれる場合がある。
3-3. Electrolyte Solution The charge transport layer 3 contains the above-described metal complex and oxoammonium salt, and includes a liquid electrolyte (electrolyte solution). This electrolytic solution contains water as a solvent. The electrolytic solution may also be contained in the porous semiconductor layer and the counter electrode.
また、適宜、電解液には有機溶媒を添加できる。例えば、添加される有機溶媒として、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミドなどの含窒素化合物、メトキシプロピオニトリルやアセトニトリルなどのニトリル化合物、γ−ブチロラクトンやバ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、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物、テトラヒドロフラン、ジオキサン、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などのエーテル類、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、さらにはイミダゾール類などが挙げられ、これらはそれぞれ単独で、又は2種以上混合して使用することができる。特に金属錯体やオキソアンモニウム塩の水に対する溶解性が低い場合、これらを溶解可能な有機溶媒を含むことが好ましい。 Moreover, an organic solvent can be appropriately added to the electrolytic solution. For example, as an organic solvent to be added, nitrogen-containing compounds such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylformamide, nitrile compounds such as methoxypropionitrile and acetonitrile, lactone compounds such as γ-butyrolactone and valerolactone, ethylene carbonate , Carbonate compounds such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and further imidazoles, etc. These can be used alone or in admixture of two or more. In particular, when the solubility of the metal complex or oxoammonium salt in water is low, it is preferable to include an organic solvent capable of dissolving them.
3−4.電解液調製方法
本発明に係る金属錯体とオキソアンモニウム塩を電解液中に同時に存在させるためには、それぞれを水に溶解させる方法がある。但し、水への溶解性に乏しい材料の場合、予め水と相溶性があり、材料を溶解可能な有機溶媒に溶解し、水と混合する方法が挙げられる。水の使用量としては、溶媒全体に対して50Vol%以上が好ましく、70Vol%以上がより好ましい。
3-4. Electrolytic Solution Preparation Method In order for the metal complex and the oxoammonium salt according to the present invention to be simultaneously present in the electrolytic solution, there is a method in which each is dissolved in water. However, in the case of a material having poor solubility in water, a method in which the material is compatible with water in advance and the material is dissolved in a soluble solvent and mixed with water can be used. As usage-amount of water, 50 Vol% or more is preferable with respect to the whole solvent, and 70 Vol% or more is more preferable.
さらに、電解液の調製方法としては、金属錯体とオキソアンモニウム塩を水に溶解する方法、金属錯体とオキソアンモニウム塩の一方を溶解した水溶液と、他方を溶解した有機溶媒とを混合する方法、若しくは、水と有機溶媒との混合溶媒に金属錯体とオキソアンモニウム塩とを溶解する方法が挙げられる。 Furthermore, as a method for preparing the electrolytic solution, a method of dissolving the metal complex and the oxoammonium salt in water, a method of mixing an aqueous solution in which one of the metal complex and the oxoammonium salt is dissolved, and an organic solvent in which the other is dissolved, or And a method of dissolving a metal complex and an oxoammonium salt in a mixed solvent of water and an organic solvent.
第二の実施形態
次に、本発明の光電変換素子の一実施形態例として、色素増感太陽電池について説明する。
図2は、本発明の光電変換素子の一実施形態に係る色素増感太陽電池の基本構造を示す断面模式図である。図示するように、この色素増感太陽電池は、光透過性を有する透明基板(11)、この透明基板(11)の表面に形成された光透過性を有する透明導電膜(12)、及び、透明導電膜(12)上に形成された色素を吸着した多孔性半導体層である光電変換層(13)からなる半導体電極(18)と、この半導体電極(18)と相対向する位置に設けられた対極(19)と、半導体電極(18)と対極(19)との間に保持された電荷輸送層(14)とを備えてなる。対極(19)は、導電膜(16)が形成された透明基板又は支持基板(17)からなり、この導電膜(16)の表面に白金触媒層(15)が形成されている。そして、電荷輸送層(14)が、水と、金属錯体とオキソアンモニウム塩を含有する電解質を含む。なお、本発明では、電解質を含む層を電解質層という場合もある。
Second Embodiment Next, a dye-sensitized solar cell will be described as an embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the photoelectric conversion element of the present invention. As shown in the figure, this dye-sensitized solar cell includes a transparent substrate (11) having light transmittance, a transparent conductive film (12) having light transmittance formed on the surface of the transparent substrate (11), and A semiconductor electrode (18) composed of a photoelectric conversion layer (13), which is a porous semiconductor layer adsorbing a dye formed on the transparent conductive film (12), and provided at a position facing the semiconductor electrode (18). A counter electrode (19), and a charge transport layer (14) held between the semiconductor electrode (18) and the counter electrode (19). The counter electrode (19) is made of a transparent substrate or support substrate (17) on which a conductive film (16) is formed, and a platinum catalyst layer (15) is formed on the surface of the conductive film (16). The charge transport layer (14) includes an electrolyte containing water, a metal complex, and an oxoammonium salt. In the present invention, a layer containing an electrolyte may be referred to as an electrolyte layer.
この構造を持つ色素増感太陽電池において、透明基板(11)側から光(太陽光)が照射されると、光は、透明基板(11)、透明導電膜(12)を透過して、光電変換層(13)に吸着された色素に照射され、色素は光を吸収して励起する。この励起によって発生した電子は光電変換層(13)から透明導電膜(12)に移動する。透明導電膜(12)へ移動した電子は、外部回路を通じて対極(19)に移動し、対極(19)から電荷輸送層(14)を通って色素に戻る。このようにして電流が流れ、光電変換(発電)を行うことができる。 In the dye-sensitized solar cell having this structure, when light (sunlight) is irradiated from the transparent substrate (11) side, the light passes through the transparent substrate (11) and the transparent conductive film (12), and photoelectric The dye adsorbed on the conversion layer (13) is irradiated, and the dye absorbs light and is excited. Electrons generated by this excitation move from the photoelectric conversion layer (13) to the transparent conductive film (12). The electrons moved to the transparent conductive film (12) move to the counter electrode (19) through the external circuit, and return to the dye from the counter electrode (19) through the charge transport layer (14). In this way, current flows and photoelectric conversion (power generation) can be performed.
半導体電極(18)
透明基板(11)
透明基板は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板などの透明性の高い基板が例示できる。
Semiconductor electrode (18)
Transparent substrate (11)
Examples of the transparent substrate include highly transparent substrates such as a glass substrate and a plastic substrate.
透明導電膜(12)
透明基板(11)に形成される透明導電膜(12)の種類は、特に限定されるものではないが、例えばITO、FTO、SnO2などの金属酸化物からなる透明導電膜が好ましい。透明導電膜の作製方法及び膜厚などは、適宜選択することができるが、1nm〜5μm程度の膜厚ものを用いることができる。
Transparent conductive film (12)
Type of transparent conductive film formed on the transparent substrate (11) (12) include, but are not limited to, for example ITO, FTO, a transparent conductive film made of a metal oxide such as SnO 2 preferred. The production method and film thickness of the transparent conductive film can be selected as appropriate, but those having a film thickness of about 1 nm to 5 μm can be used.
光電変換層(13)
光電変換層は、第一の実施形態で説明した半導体層に色素を吸着させたものが好適に使用できる。
Photoelectric conversion layer (13)
As the photoelectric conversion layer, a layer obtained by adsorbing a dye to the semiconductor layer described in the first embodiment can be suitably used.
電荷輸送層(14)
電荷輸送層(14)には、第一の実施形態で例示した金属錯体とオキソアンモニウム塩を主として水を溶媒とする液状媒体中に溶解した電解液を含む。
Charge transport layer (14)
The charge transport layer (14) includes an electrolytic solution in which the metal complex and oxoammonium salt exemplified in the first embodiment are dissolved in a liquid medium mainly containing water as a solvent.
また、適宜、電解液には、イオン液体、即ち溶融塩を添加できる。イオン液体としては、「Inorg. Chem.」1996,35,p1168−1178、「Electrochemistry」2002.2,p130−136、特表平9−507334号公報、特開平8−259543号公報などに開示されている公知の電池や太陽電池などにおいて一般的に使用することができるものであれば、特に限定されないが、室温(25℃)より低い融点を有する塩か、または室温よりも高い融点を有しても、他の溶融塩や溶融塩以外の添加物を溶解させることにより室温で液状化する塩が好ましく用いられる。 In addition, an ionic liquid, that is, a molten salt can be appropriately added to the electrolytic solution. Examples of the ionic liquid are disclosed in “Inorg. Chem.” 1996, 35, p1168-1178, “Electrochemistry” 2002.2, p130-136, JP-T-9-507334, JP-A-8-259543, and the like. Although it will not specifically limit if it can generally be used in the well-known battery, solar cell, etc. which have a melting point lower than room temperature (25 degreeC) or higher than room temperature However, a salt that liquefies at room temperature by dissolving other molten salt or additives other than the molten salt is preferably used.
具体的には、溶融塩のカチオンとしては、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、チアゾリウム、ピペリジニウム、ピラゾリウム、イソオキサゾリウム、チアジアゾリウム、オキサジアゾリウム、トリアゾリウム、ピロリジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピリダジニウム、ピラジニウム、トリアジニウム、ホスホニウム、スルホニウム、カルバゾリウム、インドリウム、及びこれらの誘導体が好ましく、特に好ましくは、アンモニウム、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピペリジニウム、ピラゾリウム、スルホニウムである。また、溶融塩のアニオンとしては、AlCl4 −、Al2Cl7 −などの金属塩化物、PF6 −、BF4 −、CF3SO3 −、N(CF3SO2)2 −、CF3COO−などのフッ素含有物、NO3 −、CH3COO−、C6H11COO−、CH3OSO3 −、CH3OSO2 −、CH3SO3 −、CH3SO2 −、(CH3O)2PO2 −などの非フッ素化合物、塩素、臭素。ヨウ素などのハロゲン化物などが挙げられる。 Specifically, as the cation of the molten salt, ammonium, imidazolium, oxazolium, thiazolium, piperidinium, pyrazolium, isoxazolium, thiadiazolium, oxadiazolium, triazolium, pyrrolidinium, pyridinium, pyrimidinium, pyridazinium, pyrazinium, Triazinium, phosphonium, sulfonium, carbazolium, indolium, and derivatives thereof are preferable, and ammonium, imidazolium, pyridinium, piperidinium, pyrazolium, and sulfonium are particularly preferable. The anion of the molten salt includes metal chlorides such as AlCl 4 − and Al 2 Cl 7 — , PF 6 − , BF 4 − , CF 3 SO 3 − , N (CF 3 SO 2 ) 2 − , CF 3. Fluorine-containing materials such as COO − , NO 3 − , CH 3 COO − , C 6 H 11 COO − , CH 3 OSO 3 − , CH 3 OSO 2 − , CH 3 SO 3 − , CH 3 SO 2 − , (CH Non-fluorine compounds such as 3 O) 2 PO 2 — , chlorine, bromine. And halides such as iodine.
溶融塩は、各種文献や公報で公知の方法により合成することができる。4級アンモニウム塩を例に挙げると、第一段階として3級アミンにアルキル化剤としてアルキルハライドを用いてアミンの4級化を行い、第二段階としてハライドアニオンから目的のアニオンへイオン交換を行うという方法を用いることができる。若しくは、3級アミンを目的のアニオンを有する酸と反応させて一段階で目的の化合物を得る方法がある。 The molten salt can be synthesized by methods known in various literatures and publications. Taking a quaternary ammonium salt as an example, a quaternization of an amine is performed using a tertiary amine as an alkylating agent as an alkylating agent as a first step, and an ion exchange from a halide anion to a target anion is performed as a second step. Can be used. Alternatively, there is a method in which a tertiary amine is reacted with an acid having a target anion to obtain the target compound in one step.
また、電荷輸送層には、上記電解液以外にゲル状電解質、固体電解質を含んでいても良い。このような、ゲル状電解質若しくは固体電解質としては、下記一般式(10)の環状ニトロキシルラジカルのポリマーを用いることができる。 The charge transport layer may contain a gel electrolyte or a solid electrolyte in addition to the electrolyte solution. As such a gel electrolyte or solid electrolyte, a polymer of a cyclic nitroxyl radical represented by the following general formula (10) can be used.
(式中、E、R1、R2、R3、R4は、上記一般式(3)のA,R1、R2、R3、R4と同様の意味を示し、R7は酸素原子またはカルボニルオキシ基、R8、R9、R10は、水素原子またはアルキル基を示す。nは10以上10000以下の整数を示す。*は結合手を示す。) (In the formula, E, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 represent the same meaning as A, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the general formula (3), and R 7 represents oxygen. An atom or a carbonyloxy group, R 8 , R 9 and R 10 represent a hydrogen atom or an alkyl group, n represents an integer of 10 or more and 10,000 or less, and * represents a bond.
上記ポリマーは、ホモポリマーであっても、コポリマーであっても良い。コポリマーは、ブロックコポリマーであっても、ランダムコポリマーであっても良い。これらのポリマーの例としては、下記式(11)〜(13)に示すようなTEMPOポリマーが好ましく挙げられる。 The polymer may be a homopolymer or a copolymer. The copolymer may be a block copolymer or a random copolymer. Preferred examples of these polymers include TEMPO polymers as shown in the following formulas (11) to (13).
ニトロキシルラジカルポリマー以外で、液体電解質を固体化するための高分子化合物を用いても良い。液体電解質を保持できる高分子化合物であればよく、ポリオキシアルキレン鎖を持つ化合物を含み、電解質をゲル化又は固体化できるものであれば特に限定されず、通常はポリオキシアルキレン鎖を持つポリマー前駆体(ポリマーゲル化剤)が用いられる。例えば、(イ)特開平5−109311号公報や特開平11−176452号公報に開示された、三官能性末端アクリロイル変性アルキレンオキサイド重合体や、四官能性末端アクリロイル変性アルキレンオキサイド重合体などのアルキレンオキサイド重合体鎖を有するアクリロイル変性高分子化合物が挙げられる。(ロ)また、少なくとも一種類のイソシアネート基を有する化合物Aと、少なくとも一種のイソシアネート基と反応性のある化合物Bとを含み、化合物Aと化合物Bのうち少なくとも一種類がポリオキシアルキレン鎖を持つものが挙げられる(特開2002−289271等参照)。ポリオキシアルキレン鎖を持つ化合物としては、分子量500〜50,000の高分子構造を有する化合物が好ましく用いられる In addition to the nitroxyl radical polymer, a polymer compound for solidifying the liquid electrolyte may be used. It is not particularly limited as long as it is a polymer compound that can hold a liquid electrolyte, and includes a compound having a polyoxyalkylene chain, and can be gelled or solidified, and usually a polymer precursor having a polyoxyalkylene chain. The body (polymer gelling agent) is used. For example, (i) alkylenes such as trifunctional terminal acryloyl modified alkylene oxide polymers and tetrafunctional terminal acryloyl modified alkylene oxide polymers disclosed in JP-A-5-109311 and JP-A-11-176442 Examples include acryloyl-modified polymer compounds having an oxide polymer chain. (B) In addition, it contains compound A having at least one type of isocyanate group and compound B that is reactive with at least one type of isocyanate group, and at least one of compound A and compound B has a polyoxyalkylene chain. (See JP 2002-289271 A, etc.). As the compound having a polyoxyalkylene chain, a compound having a polymer structure having a molecular weight of 500 to 50,000 is preferably used.
上記(イ)の三官能性又は四官能性末端アクリロイル変性アルキレンオキサイド重合体は、例えば、三官能性の場合にはグリセロールやトリメチロールプロパン等を、四官能性の場合にはジグリセリンやペンタエリスリトール等を、それぞれ出発物質として、これらにエチレンオキサイドやプロピレンオキサイド等のアルキレンオキサイドを付加させ、さらにアクリル酸、メタクリル酸等の不飽和有機酸をエステル化反応させるか、又はアクリル酸クロリド、メタクリル酸クロリド等の酸クロリド類を脱塩酸反応させることによって得られる化合物である。 The trifunctional or tetrafunctional terminal acryloyl-modified alkylene oxide polymer (i) is, for example, glycerol or trimethylolpropane in the case of trifunctional, diglycerin or pentaerythritol in the case of tetrafunctional. Etc. as starting materials, alkylene oxides such as ethylene oxide and propylene oxide are added thereto, and an unsaturated organic acid such as acrylic acid and methacrylic acid is further esterified, or acrylic acid chloride and methacrylic acid chloride It is a compound obtained by carrying out dehydrochlorination reaction of acid chlorides, such as.
上記(ロ)の化合物Aとしては、例えば、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネートなどの芳香族イソシアネート;ヘキサメチレンジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族イソシアネート;イソホロンジイソシアネート、シクロヘキシルジイソシアネート等の脂環族イソシアネートが挙げられ、これらの2量体、3量体などの多量体又は変性体であってもよい。また、低分子アルコールとこれらイソシアネートのアダクト体、さらには、ポリオキシアルキレンとこれらイソシアネートをあらかじめ付加反応させた化合物が挙げられる。化合物Bとしては、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アミノ基などの活性水素基を有する化合物が挙げられ、より具体的には、カルボキシル基を有する化合物としては、ヘキサン酸、アジピン酸、フタル酸、アゼライン酸などのカルボン酸;ヒドロキシル基を有する化合物としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、ショ糖などのポリオール;アミノ基を有する化合物としては、エチレンジアミン、トリレンジアミン、ジフェニルメタンジアミン、ジエチレントリアミンなどの有機アミン類などがそれぞれ挙げられる。また、化合物Bとしては、上記のような活性水素基を一分子中に一つ以上有し、かつポリオキシアルキレン鎖を有する化合物も挙げられる。 Examples of (B) compound A include aromatic isocyanates such as tolylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate and xylylene diisocyanate; aliphatic isocyanates such as hexamethylene diisocyanate and trimethylhexamethylene diisocyanate; fats such as isophorone diisocyanate and cyclohexyl diisocyanate. Examples thereof include cyclic isocyanates, which may be multimers such as dimers and trimers, or modified products. Further, low molecular alcohols and adducts of these isocyanates, and compounds obtained by addition reaction of polyoxyalkylene and these isocyanates in advance are also included. Examples of the compound B include compounds having an active hydrogen group such as a carboxyl group, a hydroxyl group, and an amino group. More specifically, examples of the compound having a carboxyl group include hexanoic acid, adipic acid, phthalic acid, and azelaic acid. Carboxylic acids such as: hydroxyl group-containing compounds such as ethylene glycol, diethylene glycol, glycerin, pentaerythritol, sorbitol, sucrose polyols; amino group-containing compounds such as ethylenediamine, tolylenediamine, diphenylmethanediamine, diethylenetriamine, etc. These organic amines are listed. Compound B also includes a compound having one or more active hydrogen groups as described above in one molecule and a polyoxyalkylene chain.
安定化添加剤
電解質中の金属錯体は前述の式(2)に示すように、酸化状態と還元状態で酸化還元している。また、オキソアンモニウム塩の一部も前述の式ニトロキシルラジカルとこの酸化状態(カチオン状態)を安定化させる目的で、電解質中に塩を添加することも可能である。用いる塩としては、カチオンとして、リチウム、ナトリウム、カリウム、アンモニウム、イミダゾリウム、オキサゾリウム、チアゾリウム、ピペリジニウム、ピラゾリウム、イソオキサゾリウム、チアジアゾリウム、オキサジアゾリウム、トリアゾリウム、ピロリジニウム、ピリジニウム、ピリミジニウム、ピリダジニウム、ピラジニウム、トリアジニウム、ホスホニウム、スルホニウム、カルバゾリウム、インドリウム、及びこれらの誘導体が好ましく、特に好ましくは、アンモニウム、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピペリジニウム、ピラゾリウム、スルホニウムである。また、アニオンとしては、PF6 −、BF4 −、CF3SO3 −、N(CF3SO2)2 −、F(HF)n −、CF3COO−などのフッ素含有物、NO3 −、CH3COO−、C6H11COO−、CH3OSO3 −、CH3OSO2 −、CH3SO3 −、CH3SO2 −、(CH3O)2PO2 −、SbCl6 −などの非フッ素化合物、ヨウ素、臭素などのハロゲン化物などが挙げられる。前述の溶融塩は安定化添加剤として機能する場合もある。
Stabilizing additive The metal complex in the electrolyte is oxidized and reduced in an oxidized state and a reduced state, as shown in the above-mentioned formula (2). Further, a part of the oxoammonium salt may be added to the electrolyte for the purpose of stabilizing the above-mentioned formula nitroxyl radical and its oxidation state (cationic state). As a salt to be used, as a cation, lithium, sodium, potassium, ammonium, imidazolium, oxazolium, thiazolium, piperidinium, pyrazolium, isoxazolium, thiadiazolium, oxadiazolium, triazolium, pyrrolidinium, pyridinium, pyrimidinium, pyridazinium, Pyrazinium, triazinium, phosphonium, sulfonium, carbazolium, indolium, and derivatives thereof are preferable, and ammonium, imidazolium, pyridinium, piperidinium, pyrazolium, and sulfonium are particularly preferable. As anions, fluorine-containing materials such as PF 6 − , BF 4 − , CF 3 SO 3 − , N (CF 3 SO 2 ) 2 − , F (HF) n − and CF 3 COO − , NO 3 − , CH 3 COO − , C 6 H 11 COO − , CH 3 OSO 3 − , CH 3 OSO 2 − , CH 3 SO 3 − , CH 3 SO 2 − , (CH 3 O) 2 PO 2 − , SbCl 6 − And non-fluorine compounds such as iodine, bromine and the like. The aforementioned molten salt may function as a stabilizing additive.
また、電荷輸送層には、セパレータなどの多孔性の絶縁材料を含んでいても良い。セパレータに上記の電解液を含浸させることで、光電変換層と対電極とが直接接触することを防止すると共に、両者間の電荷輸送を行うことができる。 The charge transport layer may include a porous insulating material such as a separator. By impregnating the separator with the above electrolytic solution, the photoelectric conversion layer and the counter electrode can be prevented from being in direct contact with each other, and charge transport between the two can be performed.
対極(19)
支持基板(17)としては、ガラスや高分子フィルム、Si等の半導体基板、金属板(箔)などが挙げられる。対極からも光入射させる場合には、透明性の高い基板を使用する。また、導電性のある基板の場合は、導電膜(16)を省略することができる。
Counter electrode (19)
Examples of the support substrate (17) include glass, a polymer film, a semiconductor substrate such as Si, and a metal plate (foil). When light is also incident from the counter electrode, a highly transparent substrate is used. In the case of a conductive substrate, the conductive film (16) can be omitted.
支持基板(17)が絶縁性若しくは半絶縁性の場合、導電膜(16)を設ける。導電膜(16)は水を含む電解質に対して耐性のある材料が好ましく、透明導電膜(12)に使用される金属酸化物導電材料が好ましく使用される。 When the support substrate (17) is insulative or semi-insulating, a conductive film (16) is provided. The conductive film (16) is preferably a material resistant to an electrolyte containing water, and a metal oxide conductive material used for the transparent conductive film (12) is preferably used.
導電膜(16)の表面に形成される白金触媒層(15)は、導電膜(16)の全面または一部に膜状に形成されていても良い。白金触媒層は、触媒機能を発現できる厚さ、例えば、1〜2000nm程度に形成される。 The platinum catalyst layer (15) formed on the surface of the conductive film (16) may be formed in a film shape on the entire surface or a part of the conductive film (16). The platinum catalyst layer is formed to a thickness capable of exhibiting a catalytic function, for example, about 1 to 2000 nm.
上記の説明では、光電変換層(13)と白金触媒層(15)はそれぞれ異なる基板上に形成する例を示したが、同じ透明導電膜(12)を有する透明基板(11)上に、光電変換層(13)と白金触媒層(15)を設けた後、これらの間の透明導電膜(12)をレーザースクライブなどにより切断して、横電界型の素子としても良い。 In the above description, an example in which the photoelectric conversion layer (13) and the platinum catalyst layer (15) are formed on different substrates has been described. However, on the transparent substrate (11) having the same transparent conductive film (12), After providing the conversion layer (13) and the platinum catalyst layer (15), the transparent conductive film (12) between them may be cut by laser scribing or the like to obtain a lateral electric field type element.
(その他の実施形態)
本発明に係る光電変換素子は複数組み合わせて、光電変換素子スタックとして光電変換(太陽光発電)システムに用いることもできる。
図3は、光電変換システムの具体例を示す図である。図3に示した光電変換システム150においては、光電変換素子スタック100で生じた電子が、充放電制御装置152を経由して蓄電器154に移動する。充放電制御装置152には直流電流で駆動する負荷153が接続されている。また、蓄電器154からの直流電流は、インバータ155でDA変換されて、交流電流で駆動する負荷156に流れる。
(Other embodiments)
A plurality of photoelectric conversion elements according to the present invention can be combined and used as a photoelectric conversion element stack in a photoelectric conversion (photovoltaic power generation) system.
FIG. 3 is a diagram illustrating a specific example of the photoelectric conversion system. In the photoelectric conversion system 150 illustrated in FIG. 3, electrons generated in the photoelectric conversion element stack 100 move to the battery 154 via the charge / discharge control device 152. A load 153 that is driven by a direct current is connected to the charge / discharge control device 152. Further, the direct current from the battery 154 is DA-converted by the inverter 155 and flows to the load 156 driven by the alternating current.
光電変換素子スタック100の構成に特に制限はないが、たとえば図4〜図7のような構成を例示することができる。図4〜図7は、光電変換素子スタック100の構成例を示す断面図である。 Although there is no restriction | limiting in particular in the structure of the photoelectric conversion element stack 100, For example, a structure like FIGS. 4-7 can be illustrated. 4 to 7 are cross-sectional views illustrating a configuration example of the photoelectric conversion element stack 100.
図4は、W型のスタックモジュール101である。
図4においては、透明基板163と透明基板164との間に、光電変換層161、電解質(電荷輸送層)163および対向極(対電極)162により構成された光電変換素子が複数配置されている。光電変換層161は、たとえば第二の実施形態に記載の光電変換層13とする。透明基板163と光電変換層161との間、および透明基板164と対向極162との間には、それぞれ、透明導電性膜166および透明導電性膜167が設けられている。これらの透明導電性膜は、1つの素子の光電変換層161と隣接する素子の対向極162とに共通に設けられ、隣接する素子間が接続されている。また、複数の透明導電性膜166間および透明導電性膜167間は、絶縁材料により構成されたシール材170によりシールされている。透明導電膜166は、両端においてそれぞれアノード(マイナス極)168およびカソード(プラス極)169に接続する。
FIG. 4 shows a W-type stack module 101.
In FIG. 4, a plurality of photoelectric conversion elements each including a photoelectric conversion layer 161, an electrolyte (charge transport layer) 163, and a counter electrode (counter electrode) 162 are disposed between the transparent substrate 163 and the transparent substrate 164. . The photoelectric conversion layer 161 is, for example, the photoelectric conversion layer 13 described in the second embodiment. A transparent conductive film 166 and a transparent conductive film 167 are provided between the transparent substrate 163 and the photoelectric conversion layer 161 and between the transparent substrate 164 and the counter electrode 162, respectively. These transparent conductive films are provided in common to the photoelectric conversion layer 161 of one element and the counter electrode 162 of the adjacent element, and the adjacent elements are connected. Further, the space between the plurality of transparent conductive films 166 and the space between the transparent conductive films 167 are sealed with a sealing material 170 made of an insulating material. The transparent conductive film 166 is connected to the anode (minus electrode) 168 and the cathode (plus electrode) 169 at both ends.
図5は、S型のスタックモジュール102である。
図5においては、透明導電性膜166上に光電変換層161が設けられ、光電変換層161の上面から側面にわたって光電変換層161を覆うセパレータ171およびセパレータ171の全面を覆う対向極162が設けられ、空間に電解液163が充填されて素子を構成している。図5においても、隣接する一方の素子の光電変換層161と他方の対向極162とが共通の透明導電性膜166を介して1つの透明基板163上に配置されている。
FIG. 5 shows an S-type stack module 102.
In FIG. 5, the photoelectric conversion layer 161 is provided on the transparent conductive film 166, the separator 171 that covers the photoelectric conversion layer 161 from the upper surface to the side surface of the photoelectric conversion layer 161, and the counter electrode 162 that covers the entire surface of the separator 171. The space is filled with the electrolytic solution 163 to constitute an element. Also in FIG. 5, the photoelectric conversion layer 161 and the other counter electrode 162 of one adjacent element are disposed on one transparent substrate 163 via a common transparent conductive film 166.
図6は、Z型のスタックモジュール103である。
図6の基本構成は図4に示したW型と共通するが、図6においては、複数の透明導電性膜165および透明導電性膜166が素子ごとに設けられている。隣接する一方の素子の光電極167は、透明導電性膜166、導電性シール材172および他方の素子の透明導電性膜165を介して他方の素子の対向極169に接続する。導電性シール材172の側面外周は、透明導電性膜165および透明導電性膜166に接する領域をのぞいてシール材170に被覆されている。
FIG. 6 shows a Z-type stack module 103.
Although the basic configuration of FIG. 6 is common to the W type shown in FIG. 4, in FIG. 6, a plurality of transparent conductive films 165 and transparent conductive films 166 are provided for each element. The photoelectrode 167 of one adjacent element is connected to the counter electrode 169 of the other element through the transparent conductive film 166, the conductive sealant 172, and the transparent conductive film 165 of the other element. The outer periphery of the side surface of the conductive sealing material 172 is covered with the sealing material 170 except for the area in contact with the transparent conductive film 165 and the transparent conductive film 166.
図4〜図6に示したW、SおよびZ型は小型セルを直列に接続したスタックモジュールであるが、図7に示すように、グリッド配線型のモジュール104としてもよい。
図7においては、電解液163、透明導電性膜166および透明導電性膜167が複数の素子に共通に設けられており、透明導電性膜166および透明導電性膜167上の所定の位置に金属集電配線174が配置されている。金属集電配線174は絶縁膜173に覆われ、電解液163との間が絶縁されている。
The W, S, and Z types shown in FIGS. 4 to 6 are stack modules in which small cells are connected in series, but may be a grid wiring type module 104 as shown in FIG.
In FIG. 7, an electrolytic solution 163, a transparent conductive film 166, and a transparent conductive film 167 are provided in common for a plurality of elements, and metal is placed at predetermined positions on the transparent conductive film 166 and the transparent conductive film 167. Current collection wiring 174 is arranged. The metal current collector wiring 174 is covered with an insulating film 173 and insulated from the electrolyte solution 163.
グリッド配線型のモジュール104は、1つのセルを大面積化した場合の集電ロスをさらに低減することができるモジュールである。なお、グリッド配線型をZ、WまたはS型でスタック化することもできる。 The grid wiring type module 104 is a module that can further reduce the current collection loss when the area of one cell is increased. The grid wiring type can be stacked in Z, W, or S type.
なお、図4〜図7において、光は光電変換層161の側から入射する。また、図4に示したW型では、光は両面入射となる。対向極162の側の基板に光透過性の高い基板を用いることで両面から光入射させることができる。 4 to 7, light enters from the photoelectric conversion layer 161 side. In the W type shown in FIG. 4, light is incident on both sides. By using a highly light-transmitting substrate as the substrate on the counter electrode 162 side, light can be incident from both sides.
また、図4〜図7においては、基板として透明基板163および透明基板164を用いる例を示したが、たとえばW、Sおよびグリッド配線型の対向極側の基板には、透過性がない材料も利用できる。このような材料としては、たとえばPEEK等の樹脂基板、SUS等の金属基板、Si等の半導体基板などが挙げられる。 4 to 7 show an example in which the transparent substrate 163 and the transparent substrate 164 are used as the substrate. For example, a material having no transparency may be used for the substrate on the opposite pole side of the W, S, and grid wiring type. Available. Examples of such a material include a resin substrate such as PEEK, a metal substrate such as SUS, and a semiconductor substrate such as Si.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
たとえば、本実施形態における光電変換素子は、太陽電池だけでなく、光センサに用いることもできる。図8は、光電変換素子200を含む光センサの回路の構成例を示す図である。 For example, the photoelectric conversion element in the present embodiment can be used not only for a solar battery but also for an optical sensor. FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a circuit of an optical sensor including the photoelectric conversion element 200.
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。上記した図2に示す積層構造を持つ色素増感太陽電池を次のようにして作製した。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the scope of the present invention is not limited thereto. A dye-sensitized solar cell having the laminated structure shown in FIG. 2 was produced as follows.
(実施例1)
1.半導体層の形成
半導体層は以下の手順で作製した。まず溶剤として濃度15vol%の酢酸水溶液20mLを用い、そこに市販の酸化チタン粉末5g(P25、日本アエロジル(株))、界面活性剤0.1mL(ポリオキシエチレン−p−イソオクチルフェノール(商品名:「Triton X−100」、シグマアルドリッチ社製)、ポリエチレングリコール0.3g(分子量20000)を加え、攪拌ミキサーで約1時間攪拌(1回10分間)することで、酸化チタンペーストを作製した。
次に、透明基板(11)としてガラス基板を、透明導電膜(12)としてITOをスパッタ蒸着したガラス基板(2cm×1.5cm、シート抵抗:10Ω/□)を用意した。このガラス基板をホットプレートで450℃に加熱し、TAA(ジイソプロポキシチタニウム ビスアセチルアセトネート:シグマアルドリッチ社製)エタノール溶液(2×10−2 mol/L)をスプレー法により10回塗布した。
次いで、このガラス基板のITO膜上に上記の酸化チタンペーストをドクターブレード法で膜厚が5μm程度となるように適量塗布(塗布面積:5mm×5mm)した。この電極を電気炉に挿入し、大気雰囲気にて450℃で約30分間焼成して半導体電極(18)を得た。
Example 1
1. Formation of Semiconductor Layer The semiconductor layer was produced by the following procedure. First, 20 mL of an acetic acid aqueous solution having a concentration of 15 vol% was used as a solvent, and 5 g of commercially available titanium oxide powder (P25, Nippon Aerosil Co., Ltd.), 0.1 mL of a surfactant (polyoxyethylene-p-isooctylphenol (trade name: “Triton X-100” (manufactured by Sigma-Aldrich) and 0.3 g of polyethylene glycol (molecular weight 20000) were added, and the mixture was stirred with a stirring mixer for about 1 hour (once for 10 minutes) to prepare a titanium oxide paste.
Next, a glass substrate (2 cm × 1.5 cm, sheet resistance: 10Ω / □) on which a glass substrate was used as the transparent substrate (11) and ITO was sputter-deposited as the transparent conductive film (12) was prepared. This glass substrate was heated to 450 ° C. with a hot plate, and a TAA (diisopropoxytitanium bisacetylacetonate: Sigma-Aldrich) ethanol solution (2 × 10 −2 mol / L) was applied 10 times by a spray method.
Next, an appropriate amount of the above titanium oxide paste was applied onto the ITO film of the glass substrate by a doctor blade method so that the film thickness was about 5 μm (application area: 5 mm × 5 mm). This electrode was inserted into an electric furnace and baked at 450 ° C. for about 30 minutes in an air atmosphere to obtain a semiconductor electrode (18).
2.色素の吸着
下記式で表される色素(三菱製紙製、商品名「D149」)をアセトニトリルに濃度3×10−4 mol/Lで溶解させ、吸着用色素溶液を調製した。
2. Adsorption of Dye A dye represented by the following formula (trade name “D149”, manufactured by Mitsubishi Paper Industries Co., Ltd.) was dissolved in acetonitrile at a concentration of 3 × 10 −4 mol / L to prepare a dye solution for adsorption.
この吸着用色素溶液と、上述で得られた半導体電極を容器に入れ、1.5時間静置し、色素を吸着させた。その後、アセトニトリルで数回洗浄し、50℃で約30分間自然乾燥させた。これにより、半導体層に色素が吸着した光電変換層(13)を得た。 This adsorption dye solution and the semiconductor electrode obtained above were put in a container and allowed to stand for 1.5 hours to adsorb the dye. Thereafter, it was washed several times with acetonitrile and naturally dried at 50 ° C. for about 30 minutes. This obtained the photoelectric converting layer (13) which the pigment | dye adsorb | sucked to the semiconductor layer.
3.電解質の注入
次に電解液を調製した。電解液の組成を以下に示す。
電解液1
フェロセン 0.01 mol/L
溶媒:水70:アセトニトリル30(Vol%)。
電解液2
フェロセン 0.01 mol/L
TEMPO・BF4 0.0004 mol/L
溶媒:水70:アセトニトリル30(Vol%)。
電解液3
フェロセン 0.01 mol/L
溶媒:水70:テトラヒドロフラン30(Vol%)。
電解液4
フェロセン 0.01 mol/L
TEMPO・BF4 0.0004 mol/L
溶媒:水70:テトラヒドロフラン30(Vol%)。
3. Injection of electrolyte Next, an electrolyte solution was prepared. The composition of the electrolytic solution is shown below.
Electrolytic solution 1
Ferrocene 0.01 mol / L
Solvent: water 70: acetonitrile 30 (Vol%).
Electrolytic solution 2
Ferrocene 0.01 mol / L
TEMPO · BF 4 0.0004 mol / L
Solvent: water 70: acetonitrile 30 (Vol%).
Electrolytic solution 3
Ferrocene 0.01 mol / L
Solvent: Water 70: Tetrahydrofuran 30 (Vol%).
Electrolyte 4
Ferrocene 0.01 mol / L
TEMPO · BF 4 0.0004 mol / L
Solvent: Water 70: Tetrahydrofuran 30 (Vol%).
上記で得た半導体電極の光電変換層(13)に上記電解液をそれぞれ滴下し、さらにロータリーポンプで約10分間真空引きして溶液を光電変換層に十分浸みこませた。その後、白金触媒層(15)を具備した対極(19)を設置し、治具にて固定した。その後、エポキシ樹脂にて外界との接触を避ける封止を実施し光電変換素子を作製した。 The above electrolytes were dropped into the photoelectric conversion layer (13) of the semiconductor electrode obtained above, and were further evacuated with a rotary pump for about 10 minutes so that the solution was sufficiently immersed in the photoelectric conversion layer. Then, the counter electrode (19) which equipped the platinum catalyst layer (15) was installed, and it fixed with the jig | tool. Then, sealing which avoids a contact with the external world with an epoxy resin was implemented, and the photoelectric conversion element was produced.
4.光電変換素子特性の評価
作製した光電変換素子の評価はソーラーシュミレーター用いてAM1.5、100mW/cm2照射条件化でのI−V測定を行った。
4). Evaluation of characteristics of photoelectric conversion element Evaluation of the produced photoelectric conversion element was carried out by using a solar simulator to perform IV measurement under irradiation conditions of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 .
ここで光電変換素子の両端を電子負荷装置に接続して、開放電圧から取り出し電圧がゼロになるまで5mV/secステップの電位走査を繰り返して行った。
電解液1(比較例1)と電解液2(実施例1)を用いた結果を図9に、電解液3(比較例2)と電解液4(実施例2)を用いた結果を図10にそれぞれ示す。
図9及び図10に示すように、電解質にTEMPO・BF4を添加した場合、短絡電流値(Jsc)が飛躍的に高くなっていることが分かる。
Here, both ends of the photoelectric conversion element were connected to an electronic load device, and potential scanning at a step of 5 mV / sec was repeated until the voltage from the open circuit voltage was zero.
FIG. 9 shows the results using the electrolytic solution 1 (Comparative Example 1) and the electrolytic solution 2 (Example 1), and FIG. 10 shows the results using the electrolytic solution 3 (Comparative Example 2) and the electrolytic solution 4 (Example 2). Respectively.
As shown in FIGS. 9 and 10, it can be seen that when TEMPO · BF4 is added to the electrolyte, the short-circuit current value (Jsc) is dramatically increased.
本発明に係る光電変換素子は、色素増感太陽電池として好適に用いられるものであり、さらに太陽電池だけでなく、光センサなどとしても利用することができる。 The photoelectric conversion element according to the present invention is suitably used as a dye-sensitized solar cell, and can be used not only as a solar cell but also as an optical sensor.
1 光電変換層
2 対電極
3 電荷輸送層
11…透明基板
12…透明導電膜
13…光電変換層
14…電荷輸送層
15…白金触媒層
16…導電膜
17…透明基板若しくは支持基板
18…半導体電極
19…対極
100 光電変換素子スタック
101 W型スタックモジュール
102 S型スタックモジュール
103 Z型スタックモジュール
104 グリッド配線型スタックモジュール
150 光電変換システム
152 充放電制御装置
153、156 負荷
154 充電器
155 インバータ
161 光電変換層
162 対向極
163 電解質
164、165 透明基板
166、167 透明導電膜
168 アノード
169 カソード
170 シール材
171 セパレータ
172 導電性シール材
173 絶縁膜
174 金属集電配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photoelectric conversion layer 2 Counter electrode 3 Charge transport layer 11 ... Transparent substrate 12 ... Transparent conductive film 13 ... Photoelectric conversion layer 14 ... Charge transport layer 15 ... Platinum catalyst layer 16 ... Conductive film 17 ... Transparent substrate or support substrate 18 ... Semiconductor electrode DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Counter electrode 100 Photoelectric conversion element stack 101 W-type stack module 102 S-type stack module 103 Z-type stack module 104 Grid wiring type stack module 150 Photoelectric conversion system 152 Charge / discharge control device 153, 156 Load 154 Charger 155 Inverter 161 Photoelectric conversion Layer 162 Counter electrode 163 Electrolytes 164 and 165 Transparent substrates 166 and 167 Transparent conductive film 168 Anode 169 Cathode 170 Sealing material 171 Separator 172 Conductive sealing material 173 Insulating film 174 Metal current collection wiring
Claims (18)
対電極と、
電荷輸送層と、
を備え、
前記電荷輸送層中に、水と、金属錯体とオキソアンモニウム塩とを含有する電解質を含む光電変換素子。 A photoelectric conversion layer;
A counter electrode;
A charge transport layer;
With
A photoelectric conversion element comprising an electrolyte containing water, a metal complex, and an oxoammonium salt in the charge transport layer.
対電極と、
電解質層と、
を備え、
前記電解質層中に、水と、金属錯体とオキソアンモニウム塩とを含有する光電変換素子。 A semiconductor electrode;
A counter electrode;
An electrolyte layer;
With
A photoelectric conversion element comprising water, a metal complex, and an oxoammonium salt in the electrolyte layer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011148647A JP2013016360A (en) | 2011-07-04 | 2011-07-04 | Photoelectric conversion element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011148647A JP2013016360A (en) | 2011-07-04 | 2011-07-04 | Photoelectric conversion element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013016360A true JP2013016360A (en) | 2013-01-24 |
Family
ID=47688866
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011148647A Withdrawn JP2013016360A (en) | 2011-07-04 | 2011-07-04 | Photoelectric conversion element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013016360A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016031514A1 (en) * | 2014-08-27 | 2016-03-03 | ウシオ電機株式会社 | Dye-sensitized solar cell module |
| JP2016122720A (en) * | 2014-12-25 | 2016-07-07 | 積水化学工業株式会社 | Electrolyte, photoelectric conversion element and dye-sensitized solar cell |
| WO2022239856A1 (en) * | 2021-05-14 | 2022-11-17 | 国立大学法人東京工業大学 | Thermoelectric conversion apparatus and cobalt metal complex |
-
2011
- 2011-07-04 JP JP2011148647A patent/JP2013016360A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016031514A1 (en) * | 2014-08-27 | 2016-03-03 | ウシオ電機株式会社 | Dye-sensitized solar cell module |
| JP2016046495A (en) * | 2014-08-27 | 2016-04-04 | ウシオ電機株式会社 | Dye-sensitized solar cell module |
| JP2016122720A (en) * | 2014-12-25 | 2016-07-07 | 積水化学工業株式会社 | Electrolyte, photoelectric conversion element and dye-sensitized solar cell |
| WO2022239856A1 (en) * | 2021-05-14 | 2022-11-17 | 国立大学法人東京工業大学 | Thermoelectric conversion apparatus and cobalt metal complex |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5404058B2 (en) | Ionic liquid electrolyte | |
| JP5590025B2 (en) | PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME | |
| JP5023866B2 (en) | Dye-sensitized photoelectric conversion element, method for producing the same, and electronic device | |
| JP5620314B2 (en) | Photoelectric conversion element, photoelectrochemical cell, dye for photoelectric conversion element and dye solution for photoelectric conversion element | |
| US8895849B2 (en) | Photoelectric conversion element, manufacturing method thereof, optical sensor, and solar cell | |
| CN102356509B (en) | Dye-sensitized solar cell, photoelectric conversion element, and dye used therein | |
| US20110297236A1 (en) | Dye-sensitized photovoltaic device, method for making the same, electronic device, method for making the same, and electronic apparatus | |
| KR20080094021A (en) | Dye-sensitized photoelectric inverter | |
| JP2004214129A (en) | Photoelectric conversion element and method of manufacturing the same, and electronic device and method of manufacturing the same | |
| JP5350851B2 (en) | Composition for photoelectric conversion element and photoelectric conversion element using the same | |
| KR101088676B1 (en) | Electrolyte solution for dye-sensitized solar cell containing pyrrolidinium iodide-based ionic liquid, dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell comprising same | |
| JP2013016360A (en) | Photoelectric conversion element | |
| JP5439869B2 (en) | PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME | |
| Agarwala et al. | Investigation of ionic conductivity and long-term stability of a LiI and KI coupled diphenylamine quasi-solid-state dye-sensitized solar cell | |
| JP5996255B2 (en) | Photoelectric conversion element and π-conjugated organic radical compound | |
| JPWO2012115094A1 (en) | Photoelectric conversion element | |
| JP2009081074A (en) | Dye-sensitized photoelectric conversion element, electrolyte composition, electrolyte additive, and electronic device | |
| CN103897428B (en) | The synthetic method of bipyridyl ruthenium class complex | |
| JP2014086239A (en) | Energy storage type dye-sensitized solar cell | |
| JP2011150881A (en) | Photoelectric transfer element, optical sensor, and solar cell | |
| JP2008041320A (en) | Electrolyte composition for dye-sensitized solar cell | |
| JP2013016390A (en) | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof | |
| KR20120125887A (en) | Polymer electrolyte for dye-sensitized solarcell comprising conducting polymer | |
| KR20130005918A (en) | Gel type electrolyte for dye-sensitized solarcell | |
| JP2013016352A (en) | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141007 |