JP2006156212A - Semiconductor electrode and photoelectric conversion element using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、色素の分子集合体を光電変換材料として用いた光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element using a dye molecular aggregate as a photoelectric conversion material.
石炭・石油などの化石燃料の使用によるCO2増加による地球温暖化、また人口の増加に伴うエネルギー需要増大と、近い将来起こるであろう化石燃料の枯渇は人類の存亡に関わる問題と認識されている。近年クリーンで無限の太陽光の利用が精力的に研究されている所以である。実用化されているものに、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンおよびテルル化カドミウムやセレン化インジウム銅等を使った無機系太陽電池がある。 Global warming due to the increase in CO 2 due to the use of fossil fuels such as coal and oil, and the increase in energy demand accompanying population growth, and the depletion of fossil fuels that will occur in the near future are recognized as problems related to the existence of humankind Yes. This is why the use of clean and infinite sunlight has been actively studied in recent years. Inorganic solar cells using single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, cadmium telluride, indium copper selenide, and the like are in practical use.
しかしながら、これら無機系太陽電池は、高純度の材料が必要で、精製工程は複雑であり、コストが高い等の欠点がある。また軽量化等の要求も多く、特にペイバックが長いなど致命的な点が多く、普及に問題があった。 However, these inorganic solar cells require high-purity materials, have a drawback that the purification process is complicated, and the cost is high. In addition, there are many demands for weight reduction, and there are many fatal points such as a long payback, and there has been a problem in the spread.
一方有機材料を使う太陽電池も多く提案されている。p型有機半導体と仕事関数の小さい金属を接合させるショットキー型光電変換素子、p型有機半導体とn型無機半導体、あるいはp型有機半導体と電子受容性有機化合物を接合させるヘテロ接合型光電変換素子等があり、利用される有機半導体は、クロロフィル、ペリレン等の合成色素や顔料、ポリアセチレン等の導電性高分子材料、またはそれらの複合材料等である。これらを真空蒸着法、キャスト法、またはディッピング法等により薄膜化電池が構成されている。これらの有機材料は低コスト、大面積化が容易等の長所もあるが、変換効率は1%以下と低いものが多く、また耐久性も悪いという問題があった。 On the other hand, many solar cells using organic materials have been proposed. A Schottky photoelectric conversion element that joins a p-type organic semiconductor and a metal having a small work function, a heterojunction photoelectric conversion element that joins a p-type organic semiconductor and an n-type inorganic semiconductor, or a p-type organic semiconductor and an electron-accepting organic compound Organic semiconductors to be used are synthetic dyes and pigments such as chlorophyll and perylene, conductive polymer materials such as polyacetylene, or composite materials thereof. A thin film battery is formed by vacuum deposition, casting, dipping, or the like. Although these organic materials have advantages such as low cost and easy area enlargement, the conversion efficiency is often as low as 1% or less, and the durability is poor.
このような中で、グレッツェル博士の報告した溶液系太陽電池は効率も高く、実用化に1歩近づいたといえる(例えば、非特許文献1参照)。この文献で提案された電池は、グレッツェル型太陽電池と呼ばれ、ルテニウム錯体で分光増感された酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式の太陽電池である。作用電極には酸化チタン等の安価な酸化物半導体が利用でき、高純度に精製の必要がなく安価で、更に利用できる光は広い可視光領域にまでわたっており、可視光成分の多い太陽光を有効に電気へ変換できるという利点がある。 Under such circumstances, it can be said that the solution-based solar cell reported by Dr. Gretzel has high efficiency and has come one step closer to practical use (for example, see Non-Patent Document 1). The battery proposed in this document is a wet solar cell called a Gretzel type solar cell, which uses a titanium oxide porous thin film spectrally sensitized with a ruthenium complex as a working electrode. A cheap oxide semiconductor such as titanium oxide can be used for the working electrode, it is inexpensive because it does not need to be purified with high purity, and the available light extends to a wide visible light range, and sunlight with a large amount of visible light components. Can be converted into electricity effectively.
反面、実用化のために解決すべき課題も多い。そのうちの一つは増感色素としてルテニウム錯体が使われていることである。ルテニウムは稀少金属であり資源的な問題がある。かつ極めて高価であり、実用化のためには安価な有機色素の開発が必須である。増感色素としては、9−フェニルキサンテン、シアニン色素、メロシアニン色素等が提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。しかしながら、これらの色素は酸化チタンへの吸着力が弱い、あるいは励起エネルギーレベルが適切でない等の理由で増感効果は低く、さらに経時安定性にも問題がある。 On the other hand, there are many issues to be solved for practical use. One of them is the use of ruthenium complexes as sensitizing dyes. Ruthenium is a rare metal and has resource problems. In addition, the development of inexpensive organic dyes is essential for practical use. As sensitizing dyes, 9-phenylxanthene, cyanine dyes, merocyanine dyes and the like have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3). However, these dyes have a low sensitization effect because they have a weak adsorption power to titanium oxide or an inappropriate excitation energy level, and there is a problem in stability over time.
またグレッツェル博士の文献で、N3色素として有名なルテニューム含有色素は、胆汁酸誘導体などのスペーサー化合物を用いて、単層で吸着させると変換効率が高くなることが知られている。この色素の単分子吸着体は効率が高く有利であるが、上記の理由で高価であり、かつ単分子吸着のため水分などで脱着しやすく耐久性に問題がある。耐久性という意味では、ポリマー色素や色素の集合体が有利であるが、光吸収の後に電子授受などの分子間相互作用が起こり、増感効率は単分子体に劣る。
本発明の目的は安価で高性能の光電変換素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide an inexpensive and high-performance photoelectric conversion element.
本発明者らは目的達成のため鋭意検討し、少なくとも1種の分子集合体を形成可能な増感色素を光電変換材料に組み合わせ、酸化チタン等の多孔質半導体薄膜上に色素のJ凝集体から成る多層吸着構造体を形成し、また、分子集合体を形成する増感色素として、一般式(1)で示される化合物を使用することで、高感度で安定な光電変換素子を得た。 The inventors of the present invention diligently studied to achieve the object, combining a sensitizing dye capable of forming at least one molecular assembly with a photoelectric conversion material, and forming a J aggregate of the dye on a porous semiconductor thin film such as titanium oxide. By using the compound represented by the general formula (1) as a sensitizing dye that forms a multilayer adsorbing structure and a molecular assembly, a highly sensitive and stable photoelectric conversion element was obtained.
本発明の色素の分子集合体とは、所謂、J凝集体と呼ばれているものを指す。有機色素で、この凝集体が形成できるものは、シアニン色素と呼ばれる写真用の増感色素が有名であり、良く研究されている。特殊な分子骨格、分子構造を持つ色素が多いが、通常は凝集体を形成しない分子骨格でも、適当な位置に長鎖アルキル基等の置換基の導入により、LB膜形成の類似手法により、容易にJ凝集体を形成させることが出来る。またシアニン色素以外にも、メロシアニン系色素やトロポノン系色素「Chem.Lett.,175(1988)」も凝集体を形成する化合物があることも知られている。J凝集体以外の色素の低級会合体、すなわちダイマー、トリマーなどの形成は、写真の増感と同様に太陽電池に使った場合にも減感を引き起こす。銀塩写真の分光増感およびJ凝集体については、T.H.James:THE THEORY OF THE PHOTOGRAPHIC PROCESS 4th(1977) Macmillan Publishing Co.Inc.、日本写真学会編:改訂写真工学の基礎(1979)コロナ社等の成書を、また分子集合体の形成と電子移動については、日本化学会編:化学総説No.33「有機光化学の新展開」(1982)学会出版センター、化学総説No.40「分子集合体」(1983)に詳しく記載されている。 The molecular aggregate of the dye of the present invention refers to what is called a J aggregate. Among organic dyes that can form aggregates, photographic sensitizing dyes called cyanine dyes are well known and well studied. Many dyes have a special molecular skeleton and molecular structure, but even a molecular skeleton that does not usually form an aggregate can be easily obtained by introducing a substituent such as a long-chain alkyl group at an appropriate position by a similar method of LB film formation. Can form J aggregates. In addition to cyanine dyes, merocyanine dyes and troponone dyes “Chem. Lett., 175 (1988)” are also known to have compounds that form aggregates. Formation of lower aggregates of dyes other than J aggregates, that is, dimers, trimers, etc., causes desensitization when used in solar cells as well as sensitization of photographs. For spectral sensitization and J-aggregates of silver halide photography, see THJames: THE THEORY OF THE PHOTOGRAPHIC PROCESS 4th (1977) Macmillan Publishing Co. Inc., Japan Photographic Society: Basics of Revised Photo Engineering (1979) Corona, etc. For more information on the formation and electron transfer of molecular aggregates, the Chemical Society of Japan: Chemistry Review No. 33 “New Developments in Organic Photochemistry” (1982) Academic Publishing Center, Chemistry Review No. 40 “Molecular Assemblies” (1983).
(一般式(1)において、R1はアルキル基、アラルキル基、アルケニル基、アリール基、ヘテロ環を示し、置換基を有していてもよい。R2は窒素原子と共に環状構造を形成する連結基を示す。また、R1とR2、R1と窒素原子とが結合したベンゼン環と結合して環を形成してもよい。R3は水素原子、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子を示し、置換基を有していてもよい。R4は直接結合、二価の連結基、アリール基、ヘテロ環を示す。炭素−炭素二重結合は、E型、またはZ型の何れであってもよい。R5は水素原子、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子を示し、置換基を有していてもよい。R6はイオン性結合でも共有結合でもよく、水素原子、アルキル基のほか、オニウム塩の構造でもよく、置換基を有していてもよい。) (In General Formula (1), R 1 represents an alkyl group, an aralkyl group, an alkenyl group, an aryl group, or a heterocyclic ring, and may have a substituent. R 2 is a linkage that forms a cyclic structure with a nitrogen atom. In addition, R 1 and R 2 , R 1 and a nitrogen atom may be combined with a benzene ring to form a ring, and R 3 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, or a halogen atom. R 4 represents a direct bond, a divalent linking group, an aryl group, or a heterocyclic ring, and the carbon-carbon double bond may be either E-type or Z-type. R 5 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxy group or a halogen atom, and may have a substituent, R 6 may be an ionic bond or a covalent bond, in addition to a hydrogen atom and an alkyl group , May have an onium salt structure and may have a substituent. .)
本発明で使用される分子集合体を形成する色素を用いた半導体電極を用ることにより、安定して高い光電変換性能をもつ太陽電池を得る事が出来る。 By using a semiconductor electrode using a dye that forms the molecular assembly used in the present invention, a solar cell having high and stable photoelectric conversion performance can be obtained.
本発明に用いる前記一般式(1)で示される化合物について、更に詳細に説明する。前記一般式(1)で示される化合物のR1の具体的な例としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基等のアルキル基、ベンジル基、1−ナフチルメチル基等のアラルキル基、ビニル基、シクロヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、ナフチル基等のアリール基、フリル基、チエニル基、インドリル基等のヘテロ環を挙げることができる。また、R1基は置換基を有していてもよく、その置換基の具体例としては、上述のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基、n−ヘキシルオキシ基等のアルコキシ基、メチルチオ基、n−ヘキシルチオ基等のアルキルチオ基、フェノキシ基、1−ナフチルオキシ基等のアリールオキシ基、フェニルチオ基等のアリールチオ基、塩素、臭素等のハロゲン原子、ジメチルアミノ基、ジフェニルアミノ基等のジ置換アミノ基、上述のアリール基、上述のヘテロ環、カルボキシル基、カルボキシメチル基のようなカルボキシアルキル基、スルホニルプロピル基のようなスルホニルアルキル基、リン酸基、ヒドロキサム酸基等の酸性基、シアノ基、ニトロ基、トリフルオロメチル基等の電子吸引性基を挙げることができる。R2は窒素原子と共に環状構造を形成する連結基であり、更にR1とR2、R1と窒素原子で環状構造を形成してもよく、その具体例を(2)〜(29)に挙げることができる。R3は水素原子、上述のアルキル基、上述のアルコキシ基、上述のハロゲン原子を示し、置換基を有していてもよい。その置換基の具体例としては、上述のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基、n−ヘキシルオキシ基等のアルコキシ基、メチルチオ基、n−ヘキシルチオ基等のアルキルチオ基、フェノキシ基、1−ナフチルオキシ基等のアリールオキシ基、フェニルチオ基等のアリールチオ基、塩素、臭素等のハロゲン原子、ジメチルアミノ基、ジフェニルアミノ基等の二置換アミノ基、上述のアリール基、上述のヘテロ環、カルボキシル基、カルボジメチル基等のカルボキシアルキル基、スルホニルプロピル基等のスルホニルアルキル基、リン酸基、ヒドロキサム酸等の酸性基、シアノ基、ニトロ基、トリフルオロメチル基等の電子吸引性基を挙げることができる。酸性基は4級アンモニウム塩、金属塩、エステル、アミドの形態であっても構わない。R4の具体例としては、直接結合またはメチレン基、1,2−エチレン基等のアルキレン基、1,2−ビニレン基等のアルケニレン基、1,4−フェニレン基、1,4−ナフチレン基等のアリーレン基、2,5−チエニレン基等のヘテロ環を1個以上有する二価の連結基を挙げることができる。R5は水素原子、上述のアルキル基、上述のアルコキシ基、上述のハロゲン原子を示し、置換基を有していてもよい。その置換基の具体例としては、上述のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基、n−ヘキシルオキシ基等のアルコキシ基、メチルチオ基、n−ヘキシルチオ基等のアルキルチオ基、フェノキシ基、1−ナフチルオキシ基等のアリールオキシ基、フェニルチオ基等のアリールチオ基、塩素、臭素等のハロゲン原子、ジメチルアミノ基、ジフェニルアミノ基等の二置換アミノ基、上述のアリール基、上述のヘテロ環、カルボキシル基、カルボジメチル基等のカルボキシアルキル基、スルホニルプロピル基等のスルホニルアルキル基、リン酸基、ヒドロキサム酸等の酸性基、シアノ基、ニトロ基、トリフルオロメチル基等の電子吸引性基を挙げることができる。酸性基は4級アンモニウム塩、金属塩、エステル、アミドの形態であっても構わない。R5の具体例としては、水素原子、上述のアルキル基、上述のアルコキシ基、上述のアルキルチオ基、上述のアリール基、上述のヘテロ環を挙げることができ、置換基を有していてもよい。その置換基の具体例としては、上述のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基、n−ヘキシルオキシ基等のアルコキシ基、メチルチオ基、n−ヘキシルチオ基等のアルキルチオ基、フェノキシ基、1−ナフチルオキシ基等のアリールオキシ基、フェニルチオ基等のアリールチオ基、塩素、臭素等のハロゲン原子、ジメチルアミノ基、ジフェニルアミノ基等の二置換アミノ基、上述のアリール基、上述のヘテロ環、カルボキシル基、カルボジメチル基等のカルボキシアルキル基、スルホニルプロピル基等のスルホニルアルキル基、リン酸基、ヒドロキサム酸等の酸性基、シアノ基、ニトロ基、トリフルオロメチル基等の電子吸引性基を挙げることができる。酸性基は4級アンモニウム塩、金属塩、エステル、アミドの形態であっても構わない。R6の具体例として最も好ましいのは水素結合である。それ以外の好ましい構造としては共有結合性の置換基としてメチル基等のアルキル基、フェニル基等のアリール基、ベンジル基等のアルキル基を挙げることができる。 The compound represented by the general formula (1) used in the present invention will be described in more detail. Specific examples of R 1 of the compound represented by the general formula (1) include alkyl groups such as methyl group, ethyl group and isopropyl group, aralkyl groups such as benzyl group and 1-naphthylmethyl group, vinyl group, Examples thereof include alkenyl groups such as cyclohexenyl group, aryl groups such as phenyl group and naphthyl group, and heterocycles such as furyl group, thienyl group and indolyl group. The R 1 group may have a substituent. Specific examples of the substituent include alkoxy groups such as the above-described alkyl group, methoxy group, ethoxy group, n-hexyloxy group, methylthio group, n -Alkylthio groups such as hexylthio group, aryloxy groups such as phenoxy group, 1-naphthyloxy group, arylthio groups such as phenylthio group, halogen atoms such as chlorine and bromine, disubstituted amino groups such as dimethylamino group and diphenylamino group , The above aryl group, the above-mentioned heterocycle, carboxyl group, carboxyalkyl group such as carboxymethyl group, sulfonylalkyl group such as sulfonylpropyl group, acidic group such as phosphoric acid group, hydroxamic acid group, cyano group, nitro group And an electron withdrawing group such as a trifluoromethyl group. R 2 is a linking group that forms a cyclic structure together with the nitrogen atom, and R 1 and R 2 , or R 1 and the nitrogen atom may form a cyclic structure. Specific examples thereof are shown in (2) to (29). Can be mentioned. R 3 represents a hydrogen atom, the above alkyl group, the above alkoxy group, or the above halogen atom, and may have a substituent. Specific examples of the substituent include the above-described alkyl groups, methoxy groups, ethoxy groups, alkoxy groups such as n-hexyloxy groups, alkylthio groups such as methylthio groups and n-hexylthio groups, phenoxy groups, and 1-naphthyloxy groups. Aryloxy groups such as phenylthio groups, halogenthio groups such as chlorine and bromine, disubstituted amino groups such as dimethylamino groups and diphenylamino groups, the above aryl groups, the above heterocycles, carboxyl groups, and carbodimethyls. Examples thereof include carboxyalkyl groups such as sulfonyl groups, sulfonylalkyl groups such as sulfonylpropyl groups, acidic groups such as phosphoric acid groups and hydroxamic acids, and electron withdrawing groups such as cyano groups, nitro groups, and trifluoromethyl groups. The acidic group may be in the form of a quaternary ammonium salt, metal salt, ester or amide. Specific examples of R 4 include a direct bond or alkylene group such as methylene group, 1,2-ethylene group, alkenylene group such as 1,2-vinylene group, 1,4-phenylene group, 1,4-naphthylene group, and the like. And a divalent linking group having one or more heterocycles such as an arylene group and a 2,5-thienylene group. R 5 represents a hydrogen atom, the above alkyl group, the above alkoxy group, or the above halogen atom, and may have a substituent. Specific examples of the substituent include the above-described alkyl groups, methoxy groups, ethoxy groups, alkoxy groups such as n-hexyloxy groups, alkylthio groups such as methylthio groups and n-hexylthio groups, phenoxy groups, and 1-naphthyloxy groups. Aryloxy groups such as phenylthio groups, halogenthio groups such as chlorine and bromine, disubstituted amino groups such as dimethylamino groups and diphenylamino groups, the above aryl groups, the above heterocycles, carboxyl groups, and carbodimethyls. Examples thereof include carboxyalkyl groups such as sulfonyl groups, sulfonylalkyl groups such as sulfonylpropyl groups, acidic groups such as phosphoric acid groups and hydroxamic acids, and electron withdrawing groups such as cyano groups, nitro groups, and trifluoromethyl groups. The acidic group may be in the form of a quaternary ammonium salt, metal salt, ester or amide. Specific examples of R 5 include a hydrogen atom, the above alkyl group, the above alkoxy group, the above alkylthio group, the above aryl group, and the above heterocycle, and may have a substituent. . Specific examples of the substituent include the above-described alkyl groups, methoxy groups, ethoxy groups, alkoxy groups such as n-hexyloxy groups, alkylthio groups such as methylthio groups and n-hexylthio groups, phenoxy groups, and 1-naphthyloxy groups. Aryloxy groups such as phenylthio groups, halogenthio groups such as chlorine and bromine, disubstituted amino groups such as dimethylamino groups and diphenylamino groups, the above aryl groups, the above heterocycles, carboxyl groups, and carbodimethyls. Examples thereof include carboxyalkyl groups such as sulfonyl groups, sulfonylalkyl groups such as sulfonylpropyl groups, acidic groups such as phosphoric acid groups and hydroxamic acids, and electron withdrawing groups such as cyano groups, nitro groups, and trifluoromethyl groups. The acidic group may be in the form of a quaternary ammonium salt, metal salt, ester or amide. Most preferred as a specific example of R 6 is a hydrogen bond. Other preferred structures include alkyl groups such as methyl groups, aryl groups such as phenyl groups, and alkyl groups such as benzyl groups as covalent substituents.
以下に、本発明で利用できるJ凝集体を形成する色素の具体例をあげるが、勿論これだけに限定されるものではなく、J凝集体を形成できれば有効である。 Specific examples of dyes that form J aggregates that can be used in the present invention will be given below, but the invention is of course not limited thereto, and it is effective if J aggregates can be formed.
本発明の光電変換素子は、導電性支持体、導電性支持体上に設置した色素によって増感された半導体層、電荷移動層及び対極からなる。感光層は単層構成でも積層構成でもよく、目的に応じて設計される。また、導電性支持体の導電層と感光層の境界、感光層と移動層の境界等、この素子における境界においては、各層の構成成分は相互に拡散、または混合していてもよい。 The photoelectric conversion element of the present invention comprises a conductive support, a semiconductor layer sensitized by a dye placed on the conductive support, a charge transfer layer, and a counter electrode. The photosensitive layer may be a single layer structure or a stacked structure, and is designed according to the purpose. In addition, at the boundary of this element such as the boundary between the conductive layer and the photosensitive layer of the conductive support, the boundary between the photosensitive layer and the moving layer, the constituent components of each layer may be diffused or mixed with each other.
導電性支持体は、金属のように支持体そのものに導電性があるもの、または表面に導電剤を含む導電層を有するガラスあるいはプラスチックの支持体を用いることができる。後者の場合、導電剤としては白金、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、炭素、あるいはインジウム−スズ複合酸化物(以降「ITO」と略記する)、フッ素をドーピングした酸化スズ等の金属酸化物(以降「FTO」と略記する)等が挙げられる。導電性支持体は、光を10%以上透過する透明性を有していることが好ましく、50%以上透過することがより好ましい。この中でも、ITOやFTOからなる導電層をガラス上に堆積した導電性ガラスが特に好ましい。 As the conductive support, there can be used a support made of glass or plastic having a conductive layer containing a conductive agent on its surface, such as a metal having a conductive property in itself. In the latter case, the conductive agent is a metal oxide such as platinum, gold, silver, copper, aluminum or the like, carbon or indium-tin composite oxide (hereinafter abbreviated as “ITO”), fluorine-doped tin oxide or the like. (Hereinafter abbreviated as “FTO”) and the like. The conductive support preferably has a transparency that transmits light of 10% or more, and more preferably transmits 50% or more. Among these, conductive glass in which a conductive layer made of ITO or FTO is deposited on glass is particularly preferable.
透明導電性基板の抵抗を下げる目的で、金属リード線を用いてもよい。金属リード線の材質はアルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル等の金属が挙げられる。金属リード線は、透明基板に蒸着、スパッタリング、圧着等で設置し、その上にITOやFTOを設ける方法、あるいは透明導電層上に金属リード線を設置する。 A metal lead wire may be used for the purpose of reducing the resistance of the transparent conductive substrate. Examples of the material of the metal lead wire include metals such as aluminum, copper, silver, gold, platinum, and nickel. A metal lead wire is installed on a transparent substrate by vapor deposition, sputtering, pressure bonding, or the like, and a method of providing ITO or FTO thereon or a metal lead wire on a transparent conductive layer.
半導体としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、あるいは金属のカルコゲニドに代表される化合物半導体、またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。金属のカルコゲニドとしてはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、あるいはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、等のリン化物、ガリウム砒素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等が好ましい。また、ペロブスカイト構造を有する化合物としては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等が好ましい。 As the semiconductor, a single semiconductor such as silicon or germanium, a compound semiconductor typified by a metal chalcogenide, a compound having a perovskite structure, or the like can be used. Metal chalcogenides include titanium, tin, zinc, iron, tungsten, zirconium, hafnium, strontium, indium, cerium, yttrium, lanthanum, vanadium, niobium, or tantalum oxide, cadmium, zinc, lead, silver, antimony, bismuth. Sulfide, cadmium, lead selenide, cadmium telluride and the like. Other compound semiconductors are preferably phosphides such as zinc, gallium, indium, cadmium, gallium arsenide, copper-indium-selenide, copper-indium-sulfide, and the like. As the compound having a perovskite structure, strontium titanate, calcium titanate, sodium titanate, barium titanate, potassium niobate and the like are preferable.
本発明に用いられる半導体は、単結晶でも多結晶でもよい。変換効率としては単結晶が好ましいが、製造コスト、原材料確保等の点では多結晶が好ましく、その半導体の粒径は2nm以上、1μm以下であることが好ましい。 The semiconductor used in the present invention may be single crystal or polycrystalline. As the conversion efficiency, a single crystal is preferable, but a polycrystal is preferable in terms of manufacturing cost, securing raw materials, and the like, and the particle size of the semiconductor is preferably 2 nm or more and 1 μm or less.
導電性支持体上に半導体層を形成する方法としては、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法、ゾル−ゲル法等がある。その分散液の作製方法としては、前述のゾル−ゲル法、乳鉢等で機械的に粉砕する方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、あるいは半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させ、そのまま使用する方法等が挙げられる。 Examples of a method for forming a semiconductor layer on a conductive support include a method in which a dispersion or colloidal solution of semiconductor fine particles is applied on a conductive support, a sol-gel method, and the like. The dispersion can be prepared by the above-mentioned sol-gel method, a method of mechanically pulverizing with a mortar, etc., a method of dispersing while pulverizing using a mill, or a fine particle in a solvent when synthesizing a semiconductor. And a method of using it as it is.
機械的粉砕、あるいはミルを使用して粉砕して作製する分散液の場合、少なくとも半導体微粒子単独、あるいは半導体微粒子と樹脂の混合物を水あるいは有機溶剤に分散して形成される。使用される樹脂としては、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等によるビニル化合物の重合体や共重合体、シリコーン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリエステル樹脂、セルロースエステル樹脂、セルロースエーテル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。 In the case of a dispersion prepared by mechanical pulverization or pulverization using a mill, it is formed by dispersing at least semiconductor fine particles alone or a mixture of semiconductor fine particles and a resin in water or an organic solvent. Resins used include polymers and copolymers of vinyl compounds such as styrene, vinyl acetate, acrylic acid esters, methacrylic acid esters, silicone resins, phenoxy resins, polysulfone resins, polyvinyl butyral resins, polyvinyl formal resins, polyester resins. , Cellulose ester resin, cellulose ether resin, urethane resin, phenol resin, epoxy resin, polycarbonate resin, polyarylate resin, polyamide resin, polyimide resin and the like.
半導体微粒子を分散する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、あるいはN−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができる。これらは単独、あるいは2種以上の混合溶媒として用いることができる。 Solvents for dispersing the semiconductor fine particles include alcohol solvents such as water, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, ethyl formate, ethyl acetate, and n-butyl acetate. Ester solvents, diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or ether solvents such as dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone , Dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodine Halogenated hydrocarbon solvents such as debenzene or 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, Examples thereof include hydrocarbon solvents such as m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene. These can be used alone or as a mixed solvent of two or more.
得られた分散液の塗布方法としては、ローラ法、ディップ法、エアナイフ法、ブレード法、ワイヤーバー等、スライドホッパ法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、あるいはスプレー法を挙げることができる。 Examples of a method for applying the obtained dispersion include a roller method, a dip method, an air knife method, a blade method, a wire bar, a slide hopper method, an extrusion method, a curtain method, a spin method, and a spray method.
更に半導体層は、単層であっても多層であってもよい。多層の場合、粒径の異なる半導体微粒子の分散液を多層塗布したり、種類の異なる半導体や、樹脂、添加剤の組成が異なる塗布層を多層塗布することもできる。また、一度の塗布で膜厚が不足する場合には多層塗布は有効な手段である。 Furthermore, the semiconductor layer may be a single layer or multiple layers. In the case of multiple layers, a dispersion of semiconductor fine particles having different particle diameters can be applied in multiple layers, or different types of semiconductors, and application layers having different compositions of resins and additives can be applied in multiple layers. In addition, when the film thickness is insufficient with a single coating, the multilayer coating is an effective means.
一般的に、半導体層の膜厚が増大するほど単位投影面積当たりの担持色素量も増えるため光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離も増えるために電荷の再結合も多くなってしまう。従って、半導体層の膜厚は0.1〜100μmが好ましく、1〜30μmがより好ましい。 In general, as the thickness of the semiconductor layer increases, the amount of supported dye increases per unit projected area and the light capture rate increases. However, the diffusion distance of the generated electrons also increases, and the recombination of charges also increases. End up. Therefore, the film thickness of the semiconductor layer is preferably 0.1 to 100 μm, and more preferably 1 to 30 μm.
半導体微粒子は導電性支持体上に塗布した後、加熱処理してもしなくともよいが、粒子同士の電子的コンタクト及び塗膜強度の向上や支持体との密着性向上の点から、加熱処理、マイクロ波照射、プレス処理あるいは電子線照射を行ってもよく、これらの処理は単独で行っても二種類以上行っても構わない。加熱処理の歳、加熱温度は40〜700℃が好ましく、80〜600℃がより好ましい。また、加熱時間は5分〜50時間が好ましく、10分〜20時間がより好ましい。マイクロ波照射は、半導体電極の半導体層形成側から照射しても、裏側から照射しても構わない。照射時間には特に制限が無いが、1時間以内で行うことが好ましい。プレス処理は、100kg/cm2以上が好ましく、1000kg/cm2が更に好ましい。プレスする時間は特に制限が無いが、1時間以内で行うことが好ましい。 The semiconductor fine particles may be heat-treated after being coated on the conductive support, but from the viewpoint of improving the electronic contact between the particles and the strength of the coating film and the adhesion with the support, Microwave irradiation, press treatment, or electron beam irradiation may be performed, and these treatments may be performed alone or in combination of two or more. The age of the heat treatment and the heating temperature are preferably 40 to 700 ° C, more preferably 80 to 600 ° C. The heating time is preferably 5 minutes to 50 hours, and more preferably 10 minutes to 20 hours. The microwave irradiation may be performed from the semiconductor layer forming side of the semiconductor electrode or from the back side. Although there is no restriction | limiting in particular in irradiation time, It is preferable to carry out within 1 hour. The press treatment is preferably 100 kg / cm 2 or more, more preferably 1000 kg / cm 2 . There is no particular limitation on the pressing time, but it is preferably performed within 1 hour.
半導体微粒子は多くの色素を吸着できるように表面積の大きなものが好ましい。このため半導体層を支持体上に塗設した状態での表面積は、投影面積に対して10倍以上であることが好ましく、100倍以上であることがより好ましい。 The semiconductor fine particles preferably have a large surface area so that many dyes can be adsorbed. For this reason, it is preferable that the surface area in the state which coated the semiconductor layer on the support body is 10 times or more with respect to a projection area, and it is more preferable that it is 100 times or more.
本発明の光電変換素子に使う色素は、具体例で示したようにJ凝集体が形成できるものに限る。J凝集体の形成は、色素溶液の吸収極大に比較して、40〜100nmの長波長シフトが観察されることで容易に判別可能である。 The pigment | dye used for the photoelectric conversion element of this invention is restricted to what can form J aggregate as shown in the specific example. The formation of the J aggregate can be easily discerned by observing a long wavelength shift of 40 to 100 nm as compared to the absorption maximum of the dye solution.
半導体層に色素を吸着させる方法としては、色素溶液中あるいは色素分散液中に半導体微粒子を含有する作用電極を浸漬する方法、色素溶液あるいは分散液を半導体層に塗布して吸着させる方法を用いることができる。前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等を用いることができ、後者の場合は、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。しかしながら、色素の吸着平衡が確実に達成されるには、溶液による浸漬法が最も優れている。 As a method of adsorbing the dye to the semiconductor layer, a method of immersing a working electrode containing semiconductor fine particles in a dye solution or a dye dispersion, or a method of applying a dye solution or a dispersion to the semiconductor layer and adsorbing it is used. Can do. In the former case, dipping method, dipping method, roller method, air knife method, etc. can be used, and in the latter case, wire bar method, slide hopper method, extrusion method, curtain method, spin method, spray method, etc. Can be used. However, the immersion method using a solution is the best method for reliably achieving the adsorption equilibrium of the dye.
色素吸着の際には縮合剤を併用してもよい。縮合剤は、無機物表面に物理的あるいは化学的に色素を結合する際の触媒をするもの、または化学量論的に反応するものの何れでもよい。更に、縮合助剤としてチオール、あるいはヒドロキシ化合物を添加してもよい。 In the case of dye adsorption, a condensing agent may be used in combination. The condensing agent may be either a catalyst that physically or chemically binds the dye to the inorganic surface or a substance that reacts stoichiometrically. Furthermore, a thiol or a hydroxy compound may be added as a condensation aid.
色素を溶解、あるいは分散する溶媒は、水、メタノール、エタノール、あるいはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、アセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル等のニトリル系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、あるいはN−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができ、これらは単独、あるいは2種以上の混合として用いることができる。 Solvents that dissolve or disperse the dye are alcohol solvents such as water, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, and nitriles such as acetonitrile and 3-methoxypropionitrile. Solvents, ester solvents such as ethyl formate, ethyl acetate, or n-butyl acetate, ether solvents such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolane, or dioxane, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethyl Amide solvents such as acetamide or N-methyl-2-pyrrolidone, dichloromethane, chloroform, bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chloroben , O-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, or halogenated hydrocarbon solvents such as 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, Examples include hydrocarbon solvents such as methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, and cumene, and these are used alone or as a mixture of two or more. be able to.
これらを用い、色素を吸着する際の温度としては、−50℃以上、200℃以下が好ましい。また、このとき色素溶液を攪拌しながら行っても構わない。攪拌する場合の方法としては、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザー、あるいは超音波分散等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。吸着に要する時間は、5秒以上、1000時間以下が好ましく、10秒以上、500時間以下がより好ましく、1分以上、150時間以下が更に好ましい。 The temperature at which these are used and the dye is adsorbed is preferably -50 ° C or higher and 200 ° C or lower. At this time, the dye solution may be stirred. Examples of the stirring method include, but are not limited to, a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, and ultrasonic dispersion. The time required for adsorption is preferably 5 seconds or more and 1000 hours or less, more preferably 10 seconds or more and 500 hours or less, and still more preferably 1 minute or more and 150 hours or less.
本発明では、色素を吸着する際に一般式(2)で示されるステロイド系化合物を併用しても構わない。このステロイド誘導体、とりわけコール酸誘導体が好ましいが、その添加によりJ凝集体の形成が促進されることも解った。そのステロイド系化合物の具体例としては、(Bー1)〜(B−10)に示すものが挙げられる。ステロイド系化合物の添加量は、色素1質量部に対して0.01〜1000質量部が好ましく、0.1〜100質量部がより好ましい。 In the present invention, the steroidal compound represented by the general formula (2) may be used in combination when adsorbing the dye. This steroid derivative, particularly a cholic acid derivative, is preferred, but it has also been found that the addition promotes the formation of J aggregates. Specific examples of the steroidal compound include those shown in (B-1) to (B-10). The addition amount of the steroidal compound is preferably 0.01 to 1000 parts by mass, and more preferably 0.1 to 100 parts by mass with respect to 1 part by mass of the pigment.
(一般式(2)において、R7は酸性基を置換するアルキル基を示す。R8は水素原子、水酸基、ハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヘテロ環、アシル基、アシルオキシ基、オキシカルボニル基、オキソ基、酸性基を示し、置換基を有していてもよい。nは1〜13の整数を示す。nが2以上の時、R8は同一のものであっても異なっていてもよい。また、ステロイド環内は二重結合を含んでいてもよい。) (In the general formula (2), R 7 represents an alkyl group that substitutes an acidic group. R 8 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group, a halogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, a heterocycle, an acyl group, an acyloxy group, An oxycarbonyl group, an oxo group, an acidic group, which may have a substituent, n represents an integer of 1 to 13. When n is 2 or more, R 8 may be the same or different. In addition, the steroid ring may contain a double bond.)
本発明の光電変換素子の電荷移動層としては、酸化還元対を有機溶媒に溶解した電解液、酸化還元対を有機溶媒に溶解した液体をポリマーマトリックスに含浸したゲル電解質、酸化還元対を含有する溶融塩、固体電解質、有機正孔輸送材料等を用いることができる。 The charge transfer layer of the photoelectric conversion element of the present invention contains an electrolytic solution in which a redox couple is dissolved in an organic solvent, a gel electrolyte in which a liquid in which a redox couple is dissolved in an organic solvent is impregnated in a polymer matrix, and a redox couple Molten salts, solid electrolytes, organic hole transport materials, and the like can be used.
本発明で使用される電解液は、電解質、溶媒、及び添加物から構成されることが好ましい。好ましい電解質はヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化セシウム、ヨウ化カルシウム等の金属ヨウ化物−ヨウ素の組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムヨ−ダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイド等の4級アンモニウム化合物のヨウ素塩−ヨウ素の組み合わせ、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化セシウム、臭化カルシウム等の金属臭化物−臭素の組み合わせ、テトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイド等の4級アンモニウム化合物の臭素塩−臭素の組み合わせ、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩、フェロセン−フェリシニウムイオン等の金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィド等のイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノン等が挙げられる。上述の電解質は単独の組み合わせであっても混合であってもよい。また、電解質として、室温で溶融状態の溶融塩を用いることもできる。この溶融塩を用いた場合は、特に溶媒を用いなくても構わない。 The electrolytic solution used in the present invention is preferably composed of an electrolyte, a solvent, and an additive. Preferred electrolytes include metal iodide-iodine combinations such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, cesium iodide, calcium iodide, tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, imidazolium iodide, and the like. Iodine salts of quaternary ammonium compounds-iodine combinations, metal bromides such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, cesium bromide, calcium bromide-bromine combinations, quaternary compounds such as tetraalkylammonium bromide, pyridinium bromide Bromine-bromine combinations of ammonium compounds, metal complexes such as ferrocyanate-ferricyanate, ferrocene-ferricinium ion, sulfur compounds such as sodium polysulfide, alkylthiol-alkyldisulfide, viologen Dye, hydroquinone - quinones, and the like. The above-mentioned electrolytes may be a single combination or a mixture. Further, a molten salt in a molten state at room temperature can also be used as the electrolyte. When this molten salt is used, it is not necessary to use a solvent.
電解液における電解質濃度は、0.05〜20Mが好ましく、0.1〜15Mが更に好ましい。電解液に用いる溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒、3−メチル−2−オキサゾリジノン等の複素環化合物、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等のエーテル系溶媒、メタノール、エタノール、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のアルコール系溶媒、アセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル系溶媒、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の非プロトン性極性溶媒等が好ましい。また、t−ブチルピリジン、2−ピコリン、2,6−ルチジン等の塩基性化合物を併用しても構わない。 The electrolyte concentration in the electrolytic solution is preferably 0.05 to 20M, and more preferably 0.1 to 15M. Solvents used for the electrolyte include carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate, heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone, ether solvents such as dioxane, diethyl ether and ethylene glycol dialkyl ether, methanol, ethanol Alcohol solvents such as polypropylene glycol monoalkyl ether, nitrile solvents such as acetonitrile, 3-methoxypropionitrile and benzonitrile, and aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide and sulfolane are preferred. Further, basic compounds such as t-butylpyridine, 2-picoline, and 2,6-lutidine may be used in combination.
本発明では、電解質はポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法によりゲル化させることもできる。ポリマー添加によりゲル化させる場合の好ましいポリマーとしては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン等を挙げることができる。オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合の好ましいゲル化剤としては、ジベンジルデン−D−ソルビトール、コレステロール誘導体、アミノ酸誘導体、トランス−(1R,2R)−1,2−シクロヘキサンジアミンのアルキルアミド誘導体、アルキル尿素誘導体、N−オクチル−D−グルコンアミドベンゾエート、双頭型アミノ酸誘導体、4級アンモニウム誘導体等を挙げることができる。 In the present invention, the electrolyte can be gelled by a technique such as addition of a polymer, addition of an oil gelling agent, polymerization including polyfunctional monomers, or a crosslinking reaction of the polymer. Preferable polymers in the case of gelation by polymer addition include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride and the like. Preferred gelling agents for gelation by adding an oil gelling agent include dibenzylden-D-sorbitol, cholesterol derivatives, amino acid derivatives, trans- (1R, 2R) -1,2-cyclohexanediamine alkylamide derivatives, alkylureas Derivatives, N-octyl-D-gluconamide benzoate, double-headed amino acid derivatives, quaternary ammonium derivatives and the like can be mentioned.
多官能モノマーによって重合する場合の好ましいモノマーとしては、ジビニルベンゼン、エチレングルコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等を挙げることができる。更に、アクリルアミド、メチルアクリレート等のアクリル酸やα−アルキルアクリル酸から誘導されるエステル類やアミド類、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル等のマレイン酸やフマル酸から誘導されるエステル類、ブタジエン、シクロペンタジエン等のジエン類、スチレン、p−クロロスチレン、スチレンスルホン酸ナトリウム等の芳香族ビニル化合物、ビニルエステル類、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、含窒素複素環を有するビニル化合物、4級アンモニウム塩を有するビニル化合物、N−ビニルホルムアミド、ビニルスルホン酸、ビニリデンフルオライド、ビニルアルキルエーテル類、N−フェニルマレイミド等の単官能モノマーを含有してもよい。モノマー全量に占める多官能性モノマーは、0.5〜70質量%が好ましく、1.0〜50質量%がより好ましい。 Preferred monomers for polymerization with a polyfunctional monomer include divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, pentaerythritol triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, and the like. be able to. Furthermore, esters and amides derived from acrylic acid such as acrylamide and methyl acrylate and α-alkyl acrylic acid, esters derived from maleic acid and fumaric acid such as dimethyl maleate and diethyl fumarate, butadiene, cyclohexane and the like. Dienes such as pentadiene, aromatic vinyl compounds such as styrene, p-chlorostyrene and sodium styrene sulfonate, vinyl esters, acrylonitrile, methacrylonitrile, vinyl compounds having a nitrogen-containing heterocyclic ring, vinyl having a quaternary ammonium salt A monofunctional monomer such as a compound, N-vinylformamide, vinylsulfonic acid, vinylidene fluoride, vinyl alkyl ethers, N-phenylmaleimide may be contained. 0.5-70 mass% is preferable and the polyfunctional monomer which occupies for the monomer whole quantity has more preferable 1.0-50 mass%.
上述のモノマーは、ラジカル重合によって重合することができる。本発明で使用できるゲル電解質用モノマーは、加熱、光、電子線あるいは電気化学的にラジカル重合することができる。架橋高分子が加熱によって形成される場合に使用される重合開始剤は、2,2´−アゾビスイソブチロニトリル、2,2´−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル−2,2´−アゾビス(2−メチルプロピオネート)等のアゾ系開始剤、ベンゾイルパーオキシド等の過酸化物系開始剤等が好ましい。これらの重合開始剤の添加量は、モノマー総量に対して、0.01〜20質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。 The above-mentioned monomers can be polymerized by radical polymerization. The monomer for gel electrolyte that can be used in the present invention can be radically polymerized by heating, light, electron beam or electrochemical. The polymerization initiator used when the crosslinked polymer is formed by heating is 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl-2. Azo initiators such as 2,2′-azobis (2-methylpropionate) and peroxide initiators such as benzoyl peroxide are preferable. The addition amount of these polymerization initiators is preferably 0.01 to 20% by mass and more preferably 0.1 to 10% by mass with respect to the total amount of monomers.
ポリマーの架橋反応により電解質をゲル化させる場合、架橋反応に必要な反応性基を含有するポリマー及び架橋剤を併用することが望ましい。架橋可能な反応性基に好ましい例としては、ピリジン、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、トリアゾール、モルフォリン、ピペリジン、ピペラジン等の含窒素複素環を挙げることができ、好ましい架橋剤は、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキル、スルホン酸エステル、酸無水物、酸クロリド、イソシアネート等の窒素原子に対して求電子反応可能な2官能以上の試薬を挙げることができる。 When the electrolyte is gelled by a polymer crosslinking reaction, it is desirable to use a polymer containing a reactive group necessary for the crosslinking reaction and a crosslinking agent in combination. Preferable examples of the crosslinkable reactive group include nitrogen-containing heterocycles such as pyridine, imidazole, thiazole, oxazole, triazole, morpholine, piperidine, piperazine, etc. Preferred crosslinking agents include alkyl halides, halogens Bifunctional or higher functional reagents capable of electrophilic reaction with nitrogen atoms such as aralkyl fluoride, sulfonic acid ester, acid anhydride, acid chloride, and isocyanate can be exemplified.
無機固体化合物を電解質の代わりに用いる場合、ヨウ化銅、チオシアン化銅等をキャスト法、塗布法、スピンコート法、浸漬法、電解メッキ等の手法により電極内部に導入することができる。 When an inorganic solid compound is used instead of the electrolyte, copper iodide, copper thiocyanide, or the like can be introduced into the electrode by a casting method, a coating method, a spin coating method, a dipping method, electrolytic plating, or the like.
また、本発明では電解質の代わりに有機電荷輸送物質を用いることができる。電荷輸送物質には正孔輸送物質と電子輸送物質がある。前者の例としては、例えば特公昭34−5466号公報等に示されているオキサジアゾール類、特公昭45−555号公報等に示されているトリフェニルメタン類、特公昭52−4188号公報等に示されているピラゾリン類、特公昭55−42380号公報等に示されているヒドラゾン類、特開昭56−123544号公報等に示されているオキサジアゾール類、特開昭54−58445号公報に示されているテトラアリールベンジジン類、特開昭58−65440号公報、あるいは特開昭60−98437号公報に示されているスチルベン類等を挙げることができる。その中でも、本発明に使用される電荷輸送物質としては、特開昭60−24553号公報、特開平2−96767号公報、特開平2−183260号公報、並びに特開平2−226160号公報に示されているヒドラゾン類、特開平2−51162号公報、並びに特開平3−75660号公報に示されているスチルベン類が特に好ましい。また、これらは単独、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。 In the present invention, an organic charge transport material can be used instead of the electrolyte. Charge transport materials include hole transport materials and electron transport materials. Examples of the former include, for example, oxadiazoles disclosed in Japanese Patent Publication No. 34-5466, triphenylmethanes disclosed in Japanese Patent Publication No. 45-555, and Japanese Patent Publication No. 52-4188. Pyrazolines shown in the above, hydrazones shown in JP-B-55-42380, oxadiazoles shown in JP-A-56-123544, etc., JP-A-54-58445 And tetrasylbenzidines disclosed in JP-A No. 58-65440, and stilbenes disclosed in JP-A No. 60-98437. Among them, examples of the charge transport material used in the present invention are shown in JP-A-60-24553, JP-A-2-96767, JP-A-2-183260, and JP-A-2-226160. Particularly preferred are the hydrazones described, and the stilbenes shown in JP-A-2-51162 and JP-A-3-75660. Moreover, these can be used individually or in mixture of 2 or more types.
一方、電子輸送物質としては、例えばクロラニル、テトラシアノエチレン、テトラシアノキノジメタン、2,4,7−トリニトロ−9−フルオレノン、2,4,5,7−テトラニトロ−9−フルオレノン、2,4,5,7−テトラニトロキサントン、2,4,8−トリニトロチオキサントン、1,3,7−トリニトロジベンゾチオフェン、あるいは1,3,7−トリニトロジベンゾチオフェン−5,5−ジオキシド等がある。これらの電子輸送物質は単独、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。 On the other hand, examples of the electron transport material include chloranil, tetracyanoethylene, tetracyanoquinodimethane, 2,4,7-trinitro-9-fluorenone, 2,4,5,7-tetranitro-9-fluorenone, 2,4 , 5,7-tetranitroxanthone, 2,4,8-trinitrothioxanthone, 1,3,7-trinitrodibenzothiophene, 1,3,7-trinitrodibenzothiophene-5,5-dioxide, etc. . These electron transport materials can be used alone or as a mixture of two or more.
また、更に増感効果を増大させる増感剤として、ある種の電子吸引性化合物を添加することもできる。この電子吸引性化合物としては例えば、2,3−ジクロロ−1,4−ナフトキノン、1−ニトロアントラキノン、1−クロロ−5−ニトロアントラキノン、2−クロロアントラキノン、フェナントレンキノン等のキノン類、4−ニトロベンズアルデヒド等のアルデヒド類、9−ベンゾイルアントラセン、インダンジオン、3,5−ジニトロベンゾフェノン、あるいは3,3′,5,5′−テトラニトロベンゾフェノン等のケトン類、無水フタル酸、4−クロロナフタル酸無水物等の酸無水物、テレフタラルマロノニトリル、9−アントリルメチリデンマロノニトリル、4−ニトロベンザルマロノニトリル、あるいは4−(p−ニトロベンゾイルオキシ)ベンザルマロノニトリル等のシアノ化合物、3−ベンザルフタリド、3−(α−シアノ−p−ニトロベンザル)フタリド、あるいは3−(α−シアノ−p−ニトロベンザル)−4,5,6,7−テトラクロロフタリド等のフタリド類等を挙げることができる。 Further, as a sensitizer that further increases the sensitizing effect, a certain kind of electron-withdrawing compound can be added. Examples of the electron-withdrawing compound include 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone, 1-nitroanthraquinone, 1-chloro-5-nitroanthraquinone, 2-chloroanthraquinone, phenanthrenequinone and other quinones, 4-nitro Aldehydes such as benzaldehyde, ketones such as 9-benzoylanthracene, indandione, 3,5-dinitrobenzophenone, or 3,3 ', 5,5'-tetranitrobenzophenone, phthalic anhydride, 4-chloronaphthalic anhydride Acid anhydrides such as terephthalalmalononitrile, 9-anthrylmethylidenemalononitrile, 4-nitrobenzalmalononitrile, or cyano compounds such as 4- (p-nitrobenzoyloxy) benzalmalononitrile, 3-benzalphthalide , 3- (α-cyano- - Nitorobenzaru) phthalide, or 3- (alpha-cyano -p- Nitorobenzaru) -4,5,6,7 can be mentioned phthalides such as tetrachloro phthalide like.
これらの電荷輸送材料を用いて電荷移動層を形成する場合、樹脂を併用しても構わない。樹脂を併用する場合にはポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリアリレート樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂が好ましい。これらの樹脂は、単独あるいは共重合体として2種以上を混合しても構わない。 When forming a charge transfer layer using these charge transport materials, a resin may be used in combination. When resin is used in combination, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polysulfone resin, polycarbonate resin, polyester resin, polyphenylene oxide resin, polyarylate resin, acrylic resin, methacrylic resin, phenoxy resin and the like can be mentioned. Among these, polystyrene resin, polyvinyl acetal resin, polycarbonate resin, polyester resin, and polyarylate resin are preferable. These resins may be used alone or as a copolymer in combination of two or more.
電荷移動層の形成方法は大きく2通りの方法が挙げられる。1つは増感色素を担持した半導体微粒子含有層の上に、先に対極を貼り合わせ、その隙間に液状の電荷移動層を挟み込む方法、もう一つは、半導体微粒子含有層の上に直接電荷移動層を付与する方法である。後者の場合、対極はその後新たに付与することになる。 There are two main methods for forming the charge transfer layer. One is a method in which a counter electrode is first pasted on a semiconductor fine particle-containing layer carrying a sensitizing dye, and a liquid charge transfer layer is sandwiched between the opposite electrodes, and the other is a method in which a charge is directly applied on the semiconductor fine particle-containing layer. This is a method of providing a moving layer. In the latter case, the counter electrode is newly added thereafter.
前者の場合、電荷移動層の挟み込み方法として、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセスと常圧より低い圧力にして気相を液相に置換する真空プロセスが挙げられる。後者の場合、湿式の電荷移動層においては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止を施す必要がある。また、ゲル電解液の場合においては、湿式で塗布して重合等の方法により固体化する方法もある。その場合、乾燥、固定化した後に対極を付与してもよい。電解液の他、有機電荷輸送材料の溶解液やゲル電解質を付与する方法としては、半導体微粒子含有層や色素の付与と同様に、浸漬法、ローラ法、ディップ法、エアーナイフ法、エクストルージョン法、スライドホッパー法、ワイヤーバー法、スピン法、スプレー法、キャスト法、各種印刷法等が挙げられる。 In the former case, examples of the method for sandwiching the charge transfer layer include a normal pressure process using a capillary phenomenon due to immersion and a vacuum process in which the gas phase is replaced with a liquid phase at a pressure lower than normal pressure. In the latter case, in the wet charge transfer layer, it is necessary to provide a counter electrode without being dried to prevent liquid leakage at the edge portion. In the case of a gel electrolyte, there is a method in which it is applied in a wet manner and solidified by a method such as polymerization. In that case, you may provide a counter electrode after drying and fixing. In addition to the electrolyte solution, the organic charge transport material solution and the gel electrolyte can be applied in the same manner as the semiconductor fine particle-containing layer and the dye, as in the immersion method, roller method, dipping method, air knife method, and extrusion method. , Slide hopper method, wire bar method, spin method, spray method, casting method, various printing methods, and the like.
対極は通常前述の導電性支持体と同様に導電性層を有する支持体を用いることもできるが、強度や密封性が十分に保たれるような構成では支持体は必ずしも必要ではない。対極に用いる材料の具体例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属、炭素系化合物、ITO、FTO等の導電性金属酸化物等が挙げられる。対極の厚さには特に制限はない。 As the counter electrode, a support having a conductive layer can be used in the same manner as the conductive support described above, but the support is not necessarily required in a configuration in which the strength and the sealing performance are sufficiently maintained. Specific examples of the material used for the counter electrode include metals such as platinum, gold, silver, copper, aluminum, rhodium and indium, carbon compounds, and conductive metal oxides such as ITO and FTO. There is no particular limitation on the thickness of the counter electrode.
感光層に光が到達するためには、前述の導電性支持体と対極の少なくとも一方は実質的に透明でなければならない。本発明の光電変換素子においては、導電性支持体が透明であり、太陽光を支持体側から入射させる方法が好ましい。この場合、対極には光を反射させる材料を使用することが好ましく、金属、導電性酸化物を蒸着したガラス、プラスチック、あるいは金属薄膜が好ましい。 In order for light to reach the photosensitive layer, at least one of the conductive support and the counter electrode must be substantially transparent. In the photoelectric conversion element of this invention, the electroconductive support body is transparent and the method of making sunlight inject from a support body side is preferable. In this case, a material that reflects light is preferably used for the counter electrode, and a metal, glass, plastic, or metal thin film on which a conductive oxide is deposited is preferable.
対極の塗設については前述の通り、電荷移動層の上に付与する場合と半導体微粒子層上に付与する場合の2通りがある。何れの場合も対極材料の種類や電荷移動層の種類により、適宜、電荷移動層上または半導体微粒子含有層上に対極材料を塗布、ラミネート、蒸着、貼り合わせ等の手法により形成可能である。また、電荷移動層が固体の場合には、その上に直接、前述の導電性材料を塗布、蒸着、CVD等の手法で対極を形成することができる。 As described above, there are two types of coating of the counter electrode: when applied on the charge transfer layer and when applied on the semiconductor fine particle layer. In any case, the counter electrode material can be appropriately formed on the charge transfer layer or the semiconductor fine particle-containing layer by a technique such as coating, laminating, vapor deposition, or bonding depending on the type of the counter electrode material or the type of the charge transfer layer. When the charge transfer layer is solid, the counter electrode can be formed directly on the charge transfer layer by a technique such as coating, vapor deposition, or CVD.
以下実施例によって本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。なお、実施例中の部数や百分率は全て質量基準である。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples. In addition, all the parts and percentages in the examples are based on mass.
合成例 例示化合物(A−40)の合成
化合物(C−1)(1.0g)、シアノ酢酸(0.40g)、酢酸アンモニウム(0.13g)を酢酸4.7gに溶解し、120℃で加熱撹拌。30分後、加熱を停止すると直ぐに固化。室温まで冷却後、水(50ml)を加えて撹拌し、結晶を濾取。結晶をビーカーに移し、水(100ml)で2回洗浄し、次いで2−プロパノール(50ml)で2回洗浄し、例示化合物(A−40)を得た。融点226〜229℃(分解)。最大吸収波長(λmax)428nm。最大モル吸収係数(εmax)5.1×104mol・cm
Synthesis Example Synthesis of Exemplified Compound (A-40) Compound (C-1) (1.0 g), cyanoacetic acid (0.40 g), and ammonium acetate (0.13 g) were dissolved in 4.7 g of acetic acid at 120 ° C. Heat stirring. After 30 minutes, solidify as soon as heating is stopped. After cooling to room temperature, water (50 ml) was added and stirred, and the crystals were collected by filtration. The crystals were transferred to a beaker and washed twice with water (100 ml) and then twice with 2-propanol (50 ml) to obtain Exemplified Compound (A-40). Melting point: 226-229 ° C. (decomposition). Maximum absorption wavelength (λmax) 428 nm. Maximum molar absorption coefficient (εmax) 5.1 × 10 4 mol · cm
酸化チタン(日本エアロジル社製P−25)2g、アセチルアセトン0.2g、界面活性剤(アルドリッチ社製Triton X−100)0.3gを水6.5gと共にペイントコンディショナー(レッドデビル社製)で6時間分散処理を施した。更に、この分散液4.0gに対して濃硝酸0.2ml、エタノール0.4ml、ポリエチレングリコール(#20,000)1.2gを加えてペーストを作製した。このペーストをFTOガラス基板上に膜厚5μmになるように塗布し、室温で乾燥後、100℃で1時間、更に500℃で1時間焼成して酸化チタン膜を作製した。 2 hours of titanium oxide (P-25 manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.), 0.2 g of acetylacetone, and 0.3 g of surfactant (Triton X-100 manufactured by Aldrich) together with 6.5 g of water in a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 6 hours. Dispersion treatment was performed. Further, 0.2 g of concentrated nitric acid, 0.4 ml of ethanol, and 1.2 g of polyethylene glycol (# 20,000) were added to 4.0 g of this dispersion to prepare a paste. This paste was applied onto an FTO glass substrate so as to have a film thickness of 5 μm, dried at room temperature, and then baked at 100 ° C. for 1 hour and further at 500 ° C. for 1 hour to produce a titanium oxide film.
例示化合物(A−40)で示した色素をt−ブタノール/アセトニトリル(1/1)の混合溶液に溶解し、0.5mMの濃度の色素溶液を作製した。この色素溶液の可視−紫外吸収スペクトルを図1に示す。この色素溶液に、先に作製した半導体電極を室温で15時間浸漬して吸着処理を施した。この半導体電極の可視−紫外吸収スペクトルを図2に示す。図1より、この色素の溶液中における最大吸収波長は428nmであるのに対し、図2に示す酸化チタン薄膜に吸着した色素の最大吸収波長は492nmまで長波長化しており、色素が酸化チタン薄膜上でJ凝集体を形成していることが示唆される。 The dye represented by the exemplary compound (A-40) was dissolved in a mixed solution of t-butanol / acetonitrile (1/1) to prepare a dye solution having a concentration of 0.5 mM. The visible-ultraviolet absorption spectrum of this dye solution is shown in FIG. In this dye solution, the previously produced semiconductor electrode was immersed at room temperature for 15 hours for adsorption treatment. The visible-ultraviolet absorption spectrum of this semiconductor electrode is shown in FIG. From FIG. 1, the maximum absorption wavelength in the solution of this dye is 428 nm, whereas the maximum absorption wavelength of the dye adsorbed on the titanium oxide thin film shown in FIG. 2 is increased to 492 nm, and the dye is a titanium oxide thin film. It is suggested that J aggregates are formed above.
色素を吸着した半導体電極と対極とを対向配置した間隙に電解液を注入して、半導体電極を作用極とする光電変換素子を作製した。なお、対極にはチタニウム板上にスパッタリングによって形成した白金膜を、電解液にはヨウ化リチウム0.1M、ヨウ素0.05M、ヨウ化1,2−ジメチル−3−n−プロピルイミダゾリウム0.5Mの3−メトキシアセトニトリル溶液を使用した。この光電変換素子に、作用極側からソーラーシミュレータ光源による疑似太陽光(AM1.5、照射強度100mW/cm2)を照射した。その結果、開放電圧0.64V、短絡電流密度11.4mA/cm2、形状因子0.63、変換効率4.59%と良好な値を示した。 An electrolytic solution was injected into a gap in which a semiconductor electrode adsorbing a dye and a counter electrode were arranged to face each other, to produce a photoelectric conversion element using the semiconductor electrode as a working electrode. The counter electrode is a platinum film formed on a titanium plate by sputtering, and the electrolyte solution is 0.1M lithium iodide, 0.05M iodine, 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide,. A 5M 3-methoxyacetonitrile solution was used. This photoelectric conversion element was irradiated with artificial sunlight (AM1.5, irradiation intensity 100 mW / cm 2 ) from a solar simulator light source from the working electrode side. As a result, the open circuit voltage was 0.64 V, the short-circuit current density was 11.4 mA / cm 2 , the shape factor was 0.63, and the conversion efficiency was 4.59%.
(比較例1)
エオシンYをt−ブタノール/アセトニトリル(1/1)の混合溶液に溶解し、0.5mMの濃度の色素溶液を作製した。この色素溶液のUV吸収スペクトルを図3に示す。この色素溶液に、先に作製した半導体電極を室温で15時間浸漬して吸着処理を施した。この半導体電極のUV吸収スペクトルを図4に示す。図3より、この色素の溶液中における最大吸収波長は538nmであるのに対し、図4に示す酸化チタン薄膜に吸着した色素の最大吸収波長も539nmであり、スペクトルの変化は観測されなかった。これは、色素が酸化チタン薄膜上で単分子吸着していることを示唆するものである。
(Comparative Example 1)
Eosin Y was dissolved in a mixed solution of t-butanol / acetonitrile (1/1) to prepare a dye solution having a concentration of 0.5 mM. The UV absorption spectrum of this dye solution is shown in FIG. In this dye solution, the previously produced semiconductor electrode was immersed at room temperature for 15 hours for adsorption treatment. The UV absorption spectrum of this semiconductor electrode is shown in FIG. From FIG. 3, the maximum absorption wavelength of this dye in the solution was 538 nm, whereas the maximum absorption wavelength of the dye adsorbed on the titanium oxide thin film shown in FIG. 4 was 539 nm, and no change in the spectrum was observed. This suggests that the dye is adsorbed monomolecularly on the titanium oxide thin film.
先に作製した半導体電極と対極の間に実施例1で用いた電解液を浸して光電変換素子を作製した。得た光電変換素子の特性評価は実施例1と同様にして行った。その結果、開放電圧0.55V、短絡電流密度3.1mA/cm2、形状因子0.57、変換効率0.97%であり、実施例1に比較して低い特性であった。 The photoelectric conversion element was produced by immersing the electrolyte solution used in Example 1 between the previously produced semiconductor electrode and the counter electrode. The characteristics of the obtained photoelectric conversion element were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the open circuit voltage was 0.55 V, the short-circuit current density was 3.1 mA / cm 2 , the form factor was 0.57, and the conversion efficiency was 0.97%.
以上から明らかなように、本発明によれば良好な変換効率を有する光電変換素子を提供することができる。 As is clear from the above, according to the present invention, a photoelectric conversion element having good conversion efficiency can be provided.
本発明の活用例として、光電変換効率に優れた色素増感型太陽電池が挙げられる。 As an application example of the present invention, a dye-sensitized solar cell excellent in photoelectric conversion efficiency can be mentioned.
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