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JP2013093174A - Dye sensitized photoelectric conversion element and manufacturing method thereof - Google Patents

Dye sensitized photoelectric conversion element and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2013093174A
JP2013093174A JP2011233907A JP2011233907A JP2013093174A JP 2013093174 A JP2013093174 A JP 2013093174A JP 2011233907 A JP2011233907 A JP 2011233907A JP 2011233907 A JP2011233907 A JP 2011233907A JP 2013093174 A JP2013093174 A JP 2013093174A
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substrate
electrode
dye
photoelectric conversion
conversion element
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JP2011233907A
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Toshihiro Kimura
俊博 木村
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Rohm Co Ltd
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Rohm Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dye-sensitized photoelectric conversion element which can improve power generation characteristics while reducing manufacturing costs, and a manufacturing method therefor.SOLUTION: The dye-sensitized photoelectric conversion element comprises: a first substrate; a first electrode disposed on the first substrate; a catalyst layer formed on the first electrode and exhibiting catalytic activity against an oxidation-reduction electrolyte; an electrolyte adjoining the catalyst layer and consisting of an oxidation-reduction electrolyte dissolved in a solvent; a porous semiconductor layer adjoining the electrolyte and including semiconductor particulates and dye molecules; a second electrode disposed on the porous semiconductor layer; and an encapsulating material disposed between the first and the second substrates and encapsulating the electrolyte. The catalyst layer is composed with a conductive thin film containing one of metal oxide particulates having corrosion resistance against active carbon and electrolytes and an organic compound having conductivity.

Description

本発明は、色素増感光電変換素子(DSC:Dye-sensitized Solar Cells)およびその製造方法に係り、発電特性を向上させることのできる色素増感光電変換素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell (DSC) and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a dye-sensitized photoelectric conversion device capable of improving power generation characteristics and a manufacturing method thereof.

近年、安価で高性能の光電変換素子(太陽電池)としてDSCが注目されている。DSCは、スイス・ローザンヌ工科大学のグレツェルが開発したもので、増感色素を表面に担持した酸化チタンを用いることで、光電変換効率が高く、製造コストが安いなどの利点を有することから、次世代の光電変換素子として期待されている。この光電変換素子は、内部に電解液を封入してあることから、湿式光電変換素子とも呼ばれる。   In recent years, DSC has attracted attention as an inexpensive and high-performance photoelectric conversion element (solar cell). DSC was developed by Grezell of Lausanne University of Technology in Switzerland, and has the advantages of high photoelectric conversion efficiency and low manufacturing cost by using titanium oxide carrying a sensitizing dye on the surface. It is expected as a photoelectric conversion element of the next generation. This photoelectric conversion element is also called a wet photoelectric conversion element because an electrolytic solution is sealed inside.

DSCは、増感色素を表面に担持した多孔質の酸化チタン層を備えた作用極と、作用極の酸化チタン層に対向して配置された対極と、作用極と対極との間に充填された電解質溶液とを備える(例えば、特許文献1参照。)。   DSC is packed between a working electrode having a porous titanium oxide layer carrying a sensitizing dye on its surface, a counter electrode disposed opposite the titanium oxide layer of the working electrode, and the working electrode and the counter electrode. An electrolyte solution (see, for example, Patent Document 1).

特開平11−135817号公報JP-A-11-135817

ところでDSCにおいて、対極材料としては、電極で酸化還元反応を円滑に進行させることのできる白金(Pt)が一般的に使用されている。   By the way, in DSC, platinum (Pt) is generally used as a counter electrode material, which can cause an oxidation-reduction reaction to proceed smoothly at an electrode.

しかし、真空成膜法によって形成される白金膜は、膨大な整備費がかかり、また生産性に劣るため製造コストが嵩むという問題があった。特に、大面積のDSCを生産する場合には、製造コストの低廉化が要求される。   However, the platinum film formed by the vacuum film-forming method has a problem that it requires enormous maintenance costs and is inferior in productivity, resulting in an increase in manufacturing cost. In particular, when a large-area DSC is produced, a reduction in manufacturing cost is required.

また、塩化白金溶液等の白金前駆体溶液中に浸漬、或いはスプレー法で塗布、スクリーン印刷による局所的な成膜を行い、その後焼成処理を加えることで膜状ではなく、酸化還元反応を促進させるのに適した粒径サイズを有する微細白金粒子を得ることも可能とされている。白金消費量を抑え、安価に対極材料を形成することが可能だが、上記製法で形成された白金粒子だけでは、特にDSCへの入射光量が高くなるにつれて酸化還元反応が効率良く進まない状態となり、発電効率が大幅に低下していくという問題があった。   In addition, it is immersed in a platinum precursor solution such as platinum chloride solution, or is applied by spraying, and a local film is formed by screen printing, followed by a baking treatment to promote a redox reaction instead of a film. It is also possible to obtain fine platinum particles having a suitable particle size. It is possible to suppress the platinum consumption and form the counter electrode material at a low cost, but with only the platinum particles formed by the above production method, the oxidation-reduction reaction does not proceed efficiently, especially as the amount of incident light on the DSC increases. There was a problem that the power generation efficiency dropped significantly.

その一方、対極材料として低コスト且つ高い触媒能を有するカーボン電極が提案されている。これはカーボンブラック粒子やグラファイト粒子、活性炭といった多孔質なカーボン材料を水や有機溶媒に分散させて基板に塗布する、或いは樹脂バインダと組み合わせてペースト状態にして、スクリーン印刷することで膜を形成することが出来る。特に、スクリーン印刷での成膜は局所的な成膜が可能であるため、生産性にも優れている。多孔質の炭素電極は、その細孔中に電解質溶液を取り込むことができるので、白金粒子が担持した対極状態と比較して、電極面積がより大きくなり、触媒性が大幅に向上する。また化学的にも安定であるという利点を有する。   On the other hand, a carbon electrode having a low cost and a high catalytic ability has been proposed as a counter electrode material. This is a porous carbon material such as carbon black particles, graphite particles, activated carbon, etc., dispersed in water or an organic solvent and applied to a substrate, or in combination with a resin binder to form a film by screen printing. I can do it. In particular, film formation by screen printing is excellent in productivity because local film formation is possible. Since the porous carbon electrode can take the electrolyte solution into its pores, the electrode area is larger and the catalytic property is greatly improved as compared with the counter electrode state supported by the platinum particles. It also has the advantage of being chemically stable.

しかし、DSCの利用環境の内、屋内での利用を想定とした場合、室内光のような入射光による光発電特性は、カーボン膜を形成するための溶液やペースト膜中に含まれる絶縁抵抗(例えば樹脂バインダ)の影響により、得られるFilling Factor(以下、「F.F.」という)及びエネルギー変換効率ηが低いという問題があることを見出した。   However, in the DSC use environment, assuming indoor use, the photovoltaic power generation characteristics by incident light such as room light have an insulation resistance (in the solution or paste film for forming the carbon film). For example, it has been found that there is a problem that the resulting Filling Factor (hereinafter referred to as “FF”) and energy conversion efficiency η are low due to the influence of a resin binder.

本発明の目的は、カーボンによる触媒製造コスト低廉化を図りつつ、発電特性を向上させることのできる色素増感光電変換素子およびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a dye-sensitized photoelectric conversion element capable of improving the power generation characteristics while reducing the catalyst production cost by carbon and a method for producing the same.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、第1基板と、前記第1基板上に配置された第1電極と、前記第1電極上に形成され、酸化還元電解質に対する触媒活性を有する触媒層と、前記触媒層と接し、前記酸化還元電解質を溶媒に溶解した電解液と、前記電解液に接し、半導体微粒子と色素分子を備える多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層に配置された第2電極と、前記第2電極上に配置された第2基板と、前記第1基板と前記第2基板の間に配置され、前記電解液を封止する封止材とを備え、前記触媒層は、活性炭と前記電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子、または導電性を有する有機物の一方を有する導電性薄膜で構成される色素増感光電変換素子が提供される。   According to one aspect of the present invention for achieving the above object, the first substrate, the first electrode disposed on the first substrate, and the catalytic activity for the redox electrolyte formed on the first electrode. A catalyst layer in contact with the catalyst layer, an electrolyte solution in which the redox electrolyte is dissolved in a solvent, a porous semiconductor layer in contact with the electrolyte solution, comprising semiconductor fine particles and pigment molecules, and the porous semiconductor layer A second electrode disposed; a second substrate disposed on the second electrode; and a sealing material disposed between the first substrate and the second substrate and sealing the electrolyte. In addition, a dye-sensitized photoelectric conversion element is provided in which the catalyst layer is formed of a conductive thin film having one of activated carbon and metal oxide fine particles having corrosion resistance to the electrolytic solution, or an organic material having conductivity.

本発明の他の態様によれば、第1基板上に第1電極を形成する工程と、前記第1電極上に触媒層として、活性炭と電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子、または導電性を有する有機物の一方を有する導電性薄膜を形成する工程と、第2基板上に第2電極を形成する工程と、前記第2電極上に半導体微粒子を備える多孔質半導体層を形成する工程と、前記多孔質半導体層を色素溶液に浸漬させて色素分子を吸着させる工程と、第1基板上に前記第1電極と前記触媒層とを形成した対極基板と、第2基板上に第2電極と色素分子を吸着させた前記多孔質半導体層とを形成した作用極基板とを、直列配列させるための基板間の極間配線電極と封止材を介して貼り合わせる工程と、前記対極基板と前記作用極基板との間に、電解液を注入する工程とを有する色素増感光電変換素子の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a first electrode on a first substrate, and a metal oxide fine particle having a corrosion resistance against activated carbon and an electrolytic solution as a catalyst layer on the first electrode, or a conductive layer. A step of forming a conductive thin film having one of organic materials having a property, a step of forming a second electrode on the second substrate, and a step of forming a porous semiconductor layer comprising semiconductor fine particles on the second electrode; A step of immersing the porous semiconductor layer in a dye solution to adsorb dye molecules; a counter electrode substrate on which the first electrode and the catalyst layer are formed on a first substrate; and a second electrode on a second substrate. And a working electrode substrate having the porous semiconductor layer adsorbed with the dye molecules adhering to each other through an inter-electrode electrode between the substrates and a sealing material for serial arrangement, and the counter electrode substrate, Injection of electrolyte between the working electrode substrate That step in the method of manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion device having a are provided.

本発明の他の態様によれば、第1基板上に所定の間隔で複数の第1電極を形成する工程と、前記各第1電極上に触媒層として、活性炭と電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子、または導電性を有する有機物の一方を有する導電性薄膜を形成する工程と、第2基板上に前記各第1電極と対向される複数の第2電極を形成する工程と、前記各第2電極上に半導体微粒子を備える多孔質半導体層を形成する工程と、前記各多孔質半導体層に色素分子を吸着させる工程と、第1基板上に複数の前記第1電極と前記触媒層とを形成した対極基板と、第2基板上に複数の第2電極と色素分子を吸着させた前記多孔質半導体層とを形成した作用極基板とを、それぞれ色素増感光電変換素子となるセルを区画するように封止材を介して貼り合わせる工程と、それぞれ色素増感光電変換素子となるセル毎に分離するためのスクライブラインを前記第1基板上または前記第2基板上に形成するスクライブ工程と、前記スクライブラインに沿ってブレークして、分離する分離工程と、分離された色素増感光電変換素子の各セルに電解液を注入する工程とを有する色素増感光電変換素子の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a plurality of first electrodes on the first substrate at a predetermined interval, and a metal having corrosion resistance against activated carbon and an electrolytic solution as a catalyst layer on each first electrode. A step of forming a conductive thin film having one of oxide fine particles or a conductive organic material, a step of forming a plurality of second electrodes opposed to the first electrodes on a second substrate, Forming a porous semiconductor layer comprising semiconductor fine particles on each second electrode; adsorbing dye molecules to each porous semiconductor layer; and a plurality of first electrodes and catalyst layers on a first substrate. And a working electrode substrate on which a plurality of second electrodes and the porous semiconductor layer on which the dye molecules are adsorbed are formed on the second substrate, each of which serves as a dye-sensitized photoelectric conversion element Bonding through a sealing material to partition Breaking along the scribe line, a scribe process for forming a scribe line on the first substrate or the second substrate, and a scribe line for separating each cell to be a dye-sensitized photoelectric conversion element, There is provided a method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element comprising a separation step of separating and a step of injecting an electrolyte into each cell of the separated dye-sensitized photoelectric conversion element.

本発明によれば、製造コストの低廉化を図りつつ、発電特性を向上させることのできる色素増感光電変換素子およびその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a dye-sensitized photoelectric conversion element capable of improving power generation characteristics while reducing the manufacturing cost and a method for manufacturing the same.

第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の模式的断面構造図。1 is a schematic cross-sectional structure diagram of a dye-sensitized photoelectric conversion element according to a first embodiment. 図1の多孔質半導体層の半導体微粒子の模式的構造図。FIG. 2 is a schematic structural diagram of semiconductor fine particles of the porous semiconductor layer of FIG. 1. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の動作原理説明図。Explanatory drawing of the operation principle of the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の電解液における電荷交換反応に基づく動作原理説明図。Explanatory drawing of the operation principle based on the charge exchange reaction in the electrolyte solution of the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子において、多孔質半導体層(12)/色素分子(32)/電解液(14)間のエネルギーポテンシャルダイヤグラム。In the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment, the energy potential diagram between a porous semiconductor layer (12) / dye molecule | numerator (32) / electrolyte solution (14). 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子において、色素分子(32)/電解液(14)間のエネルギーポテンシャルダイヤグラムであって、図7のJ部分の拡大図。FIG. 8 is an energy potential diagram between a dye molecule (32) / electrolyte solution (14) in the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the first embodiment, and is an enlarged view of a portion J in FIG. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の作用極の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the working electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の対極の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the counter electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の作用極と対極とを封止材を介して貼り合わせた状態を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure which shows the state which bonded together the working electrode and counter electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concern on 1st Embodiment through the sealing material. 図9で貼り合わせた構成に電解液を注入した後の状態を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure which shows the state after inject | pouring electrolyte solution into the structure bonded together in FIG. (a)第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の作用極の製造工程を示す斜視図、(b)第2基板上に多孔質半導体層を形成した様子を示す斜視図、(c)多孔質半導体層に色素溶液を浸漬させる工程を示す斜視図。(A) The perspective view which shows the manufacturing process of the working electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment, (b) The perspective view which shows a mode that the porous semiconductor layer was formed on the 2nd board | substrate, ( c) A perspective view showing a step of immersing the dye solution in the porous semiconductor layer. (a)第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の対極の製造工程を示す斜視図、(b)注入孔および抜気孔を有するガラス基板上に触媒層を形成した様子を示す斜視図。(A) The perspective view which shows the manufacturing process of the counter electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment, (b) The perspective view which shows a mode that the catalyst layer was formed on the glass substrate which has an injection hole and a vent hole. Figure. (a)第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、作用極と対極を封止材を介して貼り合わせる状態を示す斜視図、(b)電解液を注入する状態を示す斜視図、(c)製造された第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子を示す模式的断面構造図。(A) Perspective view showing a state in which the working electrode and the counter electrode are bonded together via a sealing material, which is a step of the manufacturing process of the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the first embodiment, and (b) electrolysis The perspective view which shows the state which inject | pours a liquid, (c) The typical cross-section figure which shows the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment manufactured. 第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、第2基板上に2つの第2電極を形成した状態を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure which is one process of the manufacturing process of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment, and shows the state which formed the 2nd electrode on the 2nd board | substrate. 第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、第2電極上にカソード電極と直列配列とするための基板間の極間配線を形成した状態を示す模式的断面構造図。FIG. 6 is a process of manufacturing a dye-sensitized photoelectric conversion element according to the second embodiment, and shows a state where inter-electrode wirings for forming a series arrangement with a cathode electrode are formed on a second electrode. FIG. 第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、各第2電極上に多孔質半導体層を形成した状態を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure showing the state where it was one process of the manufacturing process of the dye sensitizing photoelectric conversion element concerning a 2nd embodiment, and formed the porous semiconductor layer on each 2nd electrode. 第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、第1電極上にアノード電極と直列配列とするための基板間の極間配線、および触媒層を形成した状態を示す模式的断面構造図。A step of manufacturing a dye-sensitized photoelectric conversion element according to the second embodiment, in which inter-substrate wiring and a catalyst layer for forming a series arrangement with an anode electrode are formed on a first electrode The typical cross-section figure which shows the state which was made. 第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、作用極と対極を封止材と直列配列とするための基板間の極間配線を介して貼り合わせた状態を示す模式的断面構造図。It is one process of the manufacturing process of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 2nd Embodiment, Comprising through the interelectrode wiring for making a working electrode and a counter electrode into a serial arrangement with a sealing material FIG. 第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造工程の一工程であって、図18で貼り合わせた構成に電解液を注入した後の状態を示す模式的断面構造図。FIG. 19 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state after injecting an electrolytic solution into the structure bonded in FIG. 18, which is one step of the manufacturing process of the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the second embodiment. 第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法について、第2基板上に複数の第2電極が形成された状態を示す平面図。The top view which shows the state by which the several 2nd electrode was formed on the 2nd board | substrate about the manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法の一工程であって、第1基板上に複数の第1電極が形成した状態を示す平面図。The top view which is one process of the manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 3rd Embodiment, and shows the state in which the several 1st electrode was formed on the 1st board | substrate. 第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法の一工程であって、作用極と対極を封止材を介して貼り合わせた状態を示す平面図。The top view which is 1 process of the manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 3rd Embodiment, and shows the state which bonded together the working electrode and the counter electrode through the sealing material. 第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法について、図22のI−I線に沿う模式的断面構造図。FIG. 23 is a schematic cross-sectional structure diagram taken along the line II of FIG. 22 for a method of manufacturing a dye-sensitized photoelectric conversion element according to a third embodiment. 第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法の一工程であって、横方向のスクライブラインを形成した状態を示す平面図。The top view which is one process of the manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 3rd Embodiment, and shows the state which formed the scribe line of the horizontal direction. 第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法の一工程であって、縦方向のスクライブラインをさらに形成した状態を示す平面図。The top view which shows one state of the manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the third embodiment and shows a state in which a vertical scribe line is further formed. 触媒層を焼成する際の温度条件を示すタイムチャート。The time chart which shows the temperature conditions at the time of baking a catalyst layer. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の動作原理説明図。Explanatory drawing of the operation principle of the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the first embodiment. (a)熱処理によるPt粒子の析出状態しめす模式図、(b)図27のB部分の拡大図。(A) The schematic diagram which shows the precipitation state of Pt particle | grains by heat processing, (b) The enlarged view of the B section of FIG. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子に200lxの白色光を照射した場合の発電特性を示すグラフ。The graph which shows the electric power generation characteristic at the time of irradiating 200 lx white light to the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子に800lxの白色光を照射した場合の発電特性を示すグラフ。The graph which shows the electric power generation characteristic at the time of irradiating 800 lx white light to the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子に5000lxの白色光を照射した場合の発電特性を示すグラフ。The graph which shows the electric power generation characteristic at the time of irradiating 5000 lx white light to the dye-sensitized photoelectric conversion element which concerns on 1st Embodiment.

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

以下の実施の形態に係る色素増感光電変換素子において、「透明」とは、透過率が約50%以上であるものと定義する。また「透明」とは、実施の形態に係る色素増感光電変換素子において、可視光線に対して、無色透明という意味でも使用する。可視光線は波長約360nm〜830nm程度、エネルギー約3.45eV〜1.49eV程度に相当し、この領域で透過率が50%以上あれば透明である。   In the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the following embodiment, “transparent” is defined as having a transmittance of about 50% or more. Further, “transparent” is also used to mean colorless and transparent to visible light in the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the embodiment. Visible light corresponds to a wavelength of about 360 nm to 830 nm and an energy of about 3.45 eV to 1.49 eV, and is transparent if the transmittance is 50% or more in this region.

[第1の実施の形態]
(色素増感光電変換素子)
第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の模式的断面構造は、図1に示すように表される。
[First embodiment]
(Dye-sensitized photoelectric conversion element)
A schematic cross-sectional structure of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is expressed as shown in FIG.

第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200に係る色素増感光電変換素子200に適用される作用極100は、図1に示すように、ガラス基板22と、ガラス基板22上に配置された第1電極(対極)18と、第1電極18上に配置された触媒層21とを備える。   As shown in FIG. 1, the working electrode 100 applied to the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is formed on the glass substrate 22 and the glass substrate 22. A first electrode (counter electrode) 18 disposed and a catalyst layer 21 disposed on the first electrode 18 are provided.

色素増感光電変換素子200は、図1に示すように、ガラス基板22と、ガラス基板22上に設けられた第1電極18と、第1電極18上に配置された触媒層21と、触媒層21と接し、溶媒と複数種類の酸化還元電解質を混合して作られた電解質を備える電荷輸送層14とを備える。   As illustrated in FIG. 1, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 includes a glass substrate 22, a first electrode 18 provided on the glass substrate 22, a catalyst layer 21 disposed on the first electrode 18, a catalyst The charge transport layer 14 includes an electrolyte that is in contact with the layer 21 and includes an electrolyte made by mixing a solvent and a plurality of types of redox electrolytes.

さらに、色素増感光電変換素子200は、図1に示すように、第2基板20と、第2基板20上に配置された透明電極10と、透明電極10上に配置された図2に示すような半導体微粒子2と色素分子4とを備える多孔質半導体層12と、多孔質半導体層12と接し、酸化還元電解質を溶媒に溶解した電解液14と、電解液14に接する第1電極18と、第1電極18上に配置された第1基板22と、第2基板20と第1基板22の間に配置され、電解液14を封止する封止材16とを備える。   Furthermore, as shown in FIG. 1, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 is shown in FIG. 2 in which the second substrate 20, the transparent electrode 10 disposed on the second substrate 20, and the transparent electrode 10 are disposed. A porous semiconductor layer 12 having such semiconductor fine particles 2 and dye molecules 4, an electrolyte solution 14 in contact with the porous semiconductor layer 12, a redox electrolyte dissolved in a solvent, and a first electrode 18 in contact with the electrolyte solution 14. The first substrate 22 disposed on the first electrode 18 and the sealing material 16 disposed between the second substrate 20 and the first substrate 22 and sealing the electrolyte solution 14 are provided.

透明電極10および第1電極18は、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどの透明電極で形成される。 The transparent electrode 10 and the first electrode 18 are formed of transparent electrodes such as FTO, ZnO, ITO, SnO 2 , for example.

触媒層21は、活性炭および電解液14に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子を含むペースト層を焼成して形成することができる。   The catalyst layer 21 can be formed by firing a paste layer containing fine particles of metal oxide having corrosion resistance against activated carbon and the electrolytic solution 14.

電解液に対する耐食性を有する金属酸化物としては、TiO、ZnO、SnO2、WO等を用いることができる。 The metal oxide having corrosion resistance to electrolytic solution, can be used TiO 2, ZnO, SnO 2, WO 3 and the like.

上記のようなペースト層を焼成して形成される触媒層21は、高温(例えば、400〜450℃)の焼成によりペーストに含まれる樹脂バインダが機能しなくなって絶縁性を失い、第1電極(対極)18の表面の電荷移動や電解液14との電荷交換反応を速やかに進行させることができる。これにより、色素増感光電変換素子200の発電特性、特にF.F.を向上させることができる。   The catalyst layer 21 formed by firing the paste layer as described above loses its insulating properties because the resin binder contained in the paste does not function by firing at a high temperature (for example, 400 to 450 ° C.), and the first electrode ( Charge transfer on the surface of the counter electrode 18 and charge exchange reaction with the electrolytic solution 14 can be rapidly advanced. As a result, the power generation characteristics of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200, particularly F.R. F. Can be improved.

また、従来においては、高温の焼成により樹脂バインダが機能しなくなると、活性炭膜と基板との密着性が低下して、活性炭膜の膜剥がれが起こり易くなっていた。一方、本実施の形態では、従来の樹脂バインダによって活性炭を固定していた構成に代えて、活性炭ペースト内に添加されているTiO、ZnO、SnO2、WO等の金属酸化物の微粒子(ナノ粒子)の焼結を行うことにより、ネッキング(共有結合)により活性炭を結合させて固定している。 Conventionally, when the resin binder does not function due to high-temperature firing, the adhesion between the activated carbon film and the substrate is lowered, and the activated carbon film is easily peeled off. On the other hand, in the present embodiment, instead of the configuration in which activated carbon is fixed by a conventional resin binder, fine particles of metal oxide such as TiO 2 , ZnO, SnO 2 and WO 3 added in the activated carbon paste ( By sintering the nanoparticles, the activated carbon is bonded and fixed by necking (covalent bonding).

これにより、触媒層21は、活性炭が有する高い触媒性を維持すると共に、第1電極18との密着性を確保することができる。   As a result, the catalyst layer 21 can maintain the high catalytic properties of the activated carbon and ensure adhesion with the first electrode 18.

また、活性炭および金属酸化物の微粒子を含むペーストにおける活性炭の濃度を例えば20質量%程度とすることにより、焼成後における触媒層21の膜剥がれを抑制することができる。   Moreover, the film | membrane peeling of the catalyst layer 21 after baking can be suppressed by making the density | concentration of the activated carbon in the paste containing the microparticles | fine-particles of activated carbon and a metal oxide into about 20 mass%, for example.

また、触媒層21の膜厚を制御することにより、活性炭粒子による比較的大きな実効面積(表面積)を確保することができ、第1電極(対極)18の表面の電子移動反応を速やかに進行させることができる。したがって、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200は、太陽光下のような高照度の光源に限らず、室内光のような比較的低照度下においても、高い触媒性を有する白金(Pt)を用いたものと同等の光発電特性を保持することができる。なお、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の発電特性に関する実験結果については、図29〜図31を参照して後述する。   Moreover, by controlling the film thickness of the catalyst layer 21, a relatively large effective area (surface area) due to the activated carbon particles can be secured, and the electron transfer reaction on the surface of the first electrode (counter electrode) 18 can be rapidly advanced. be able to. Therefore, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is not limited to a high illuminance light source such as under sunlight, but has high catalytic properties even under a relatively low illuminance such as indoor light. Photovoltaic properties equivalent to those using platinum (Pt) can be maintained. In addition, the experimental result regarding the power generation characteristic of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment will be described later with reference to FIGS.

また、触媒層21を構成する活性炭およびTiO、ZnO、SnO、WO等の金属酸化物の微粒子は、白金(Pt)に比べて比較的安価であり、また白金(Pt)を成膜する際の真空成膜法を用いる必要がなく、後述するようにスクリーン印刷等の印刷法を適用して成膜可能であるので、製造コストを低廉化して、色素増感光電変換素子の製造単価を大幅に引き下げることができる。 Further, the activated carbon and the fine particles of metal oxides such as TiO 2 , ZnO, SnO 2 , and WO 3 constituting the catalyst layer 21 are relatively cheaper than platinum (Pt), and the film of platinum (Pt) is formed. There is no need to use a vacuum film formation method, and film formation can be performed by applying a printing method such as screen printing, as will be described later. Therefore, the manufacturing cost is reduced and the unit price of the dye-sensitized photoelectric conversion element is reduced. Can be greatly reduced.

さらに、触媒層21は、活性炭に導電性高分子(PEDOT:PSSなど)を含むことで、粒子間の導電性を更に向上させることが出来、この場合においても製造コストの低廉化を図りつつ、発電特性を向上させることができる。   Furthermore, the catalyst layer 21 can further improve the conductivity between particles by containing a conductive polymer (such as PEDOT: PSS) in the activated carbon, and in this case, while reducing the manufacturing cost, The power generation characteristics can be improved.

多孔質半導体層12は、TiO、ZnO、WO、InO、ZrO、Ta、Nb、SnOなどの材料を用いて形成されていても良い。特に、効率面から安価なTiO(アナターゼ型、ルチル型)が主に用いられる。 The porous semiconductor layer 12 may be formed using a material such as TiO 2 , ZnO, WO 3 , InO 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 3 , SnO 2 . In particular, TiO 2 (anatase type, rutile type) that is inexpensive from the viewpoint of efficiency is mainly used.

図1の多孔質半導体層12の半導体微粒子2の模式的構造は、図2に示すように表される。図2に示すように、多孔質半導体層12は、TiOなどからなる半導体微粒子2が互いに結合して複雑なネットワークを形成している。色素分子4は、半導体微粒子2の表面に吸着される。多孔質半導体層12内には、大きさ100nm以下の細孔が多数存在する。 A schematic structure of the semiconductor fine particles 2 of the porous semiconductor layer 12 of FIG. 1 is expressed as shown in FIG. As shown in FIG. 2, in the porous semiconductor layer 12, semiconductor fine particles 2 made of TiO 2 or the like are bonded to each other to form a complex network. The dye molecules 4 are adsorbed on the surface of the semiconductor fine particles 2. A large number of pores having a size of 100 nm or less exist in the porous semiconductor layer 12.

(動作原理)
第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の動作原理は、図3に示すように表される。
(Operating principle)
The operation principle of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is expressed as shown in FIG.

下記の(a)〜(d)の反応が継続して起こることで、起電力が発生し、負荷24に電流が導通する。   When the following reactions (a) to (d) occur continuously, an electromotive force is generated, and a current is conducted to the load 24.

(a)色素分子32が光子(hν)を吸収し、電子(e)を放出し、色素分子32は酸化体DOになる。 (A) The dye molecule 32 absorbs a photon (hν), emits an electron (e ), and the dye molecule 32 becomes an oxidized DO.

(b)Reで表される還元体の酸化還元電解質26が多孔質半導体層12中を拡散して、DOで表される酸化体の色素分子32に接近する。 (B) The reduced redox electrolyte 26 represented by Re diffuses in the porous semiconductor layer 12 and approaches the oxidized dye molecule 32 represented by DO.

(c)酸化還元電解質26から色素分子32に電子(e)が供給される。酸化還元電解質26は、Oxで表される酸化体の酸化還元電解質28になり、色素分子32はDRで表される還元された色素分子30になる。 (C) Electrons (e ) are supplied from the redox electrolyte 26 to the dye molecules 32. The redox electrolyte 26 becomes an oxidized redox electrolyte 28 represented by Ox, and the dye molecule 32 becomes a reduced dye molecule 30 represented by DR.

(d)酸化還元電解質28は、第1電極18方向に拡散し、第1電極18より電子を供給されて、Reで表される還元体の酸化還元電解質26になる。 (D) The redox electrolyte 28 diffuses in the direction of the first electrode 18 and is supplied with electrons from the first electrode 18 to become a redox electrolyte 26 of a reductant represented by Re.

酸化還元電解質26は、多孔質半導体層12中の入り組んだ空間を拡散しながら色素分子32の近傍に接近する必要がある。   The redox electrolyte 26 needs to approach the vicinity of the dye molecule 32 while diffusing in the complicated space in the porous semiconductor layer 12.

また、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の電解液14における電荷交換反応に基づく動作原理は、図4に示すように表される。   Moreover, the principle of operation based on the charge exchange reaction in the electrolyte solution 14 of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is expressed as shown in FIG.

まず、外部から光照射されると光子(hν)が色素分子32と反応して、色素分子32は基底状態から励起状態へと遷移する。このとき発生した励起電子(e)がTiOからなる多孔質半導体層12の伝導帯へ注入される。多孔質半導体層12中を導通した電子(e)は、透明電極10から外部回路の負荷24を導通し、第1電極18へ移動する。第1電極18から電解液14中に注入された電子(e)は。電解液14中のヨウ素酸化還元電解質(I/I )と電荷交換される。ヨウ素酸化還元電解質(I/I )が電解液14内を拡散し、色素分子32と再反応する。ここで、電荷交換反応は、色素分子表面において、3I→I +2eに従って進行し、第1電極18において、I +2e→3Iに従って進行する。 First, when light is irradiated from the outside, photons (hν) react with the dye molecules 32, and the dye molecules 32 transition from the ground state to the excited state. The excited electrons (e ) generated at this time are injected into the conduction band of the porous semiconductor layer 12 made of TiO 2 . The electrons (e ) conducted through the porous semiconductor layer 12 conduct through the load 24 of the external circuit from the transparent electrode 10 and move to the first electrode 18. Electrons (e ) injected from the first electrode 18 into the electrolytic solution 14. Charge exchange is performed with the iodine redox electrolyte (I / I 3 ) in the electrolytic solution 14. The iodine redox electrolyte (I / I 3 ) diffuses in the electrolytic solution 14 and reacts with the dye molecules 32 again. Here, the charge exchange reaction proceeds according to 3I → I 3 + 2e − on the surface of the dye molecule, and proceeds according to I 3 + 2e → 3I − on the first electrode 18.

電解液14は、溶媒として、例えば、アセトニトリルを使用し、この場合の電解質として、例えば、ヨウ素は、電解液14中のヨウ素酸化還元電解質I として存在する。また、電解質として、例えば、ヨウ化物塩(ヨウ化リチウム、ヨウ化カリウムなど)は、電解液14中のヨウ素酸化還元電解質Iとして存在する。また、電解液14中には、逆電子移動抑制溶液として添加剤(例えば、TBP:ターシャルブチルピリジン)を適用しても良い。 The electrolytic solution 14 uses, for example, acetonitrile as a solvent, and as an electrolyte in this case, for example, iodine exists as an iodine redox electrolyte I 3 in the electrolytic solution 14. Further, as an electrolyte, for example, an iodide salt (lithium iodide, potassium iodide, etc.) exists as an iodine redox electrolyte I in the electrolytic solution 14. Further, an additive (for example, TBP: tertiary butyl pyridine) may be applied to the electrolytic solution 14 as a reverse electron transfer inhibiting solution.

上記の溶質、添加剤を溶媒(アセトニトリル)に溶解させることによって、電解液14を構成することができる。なお、上記の材料は湿式DSCなどに適用可能なものであって、常温溶融塩(イオン性液体)や固体電解質を用いる場合には、構成材料が異なる。   The electrolytic solution 14 can be constituted by dissolving the above solute and additive in a solvent (acetonitrile). In addition, said material is applicable to wet DSC etc., Comprising material differs, when normal temperature molten salt (ionic liquid) and a solid electrolyte are used.

第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200において、溶媒は、後述する電解質、添加剤を溶解する液体であり、高沸点、化学的安定性が高く、高誘電率(電解質が良く溶解する)、低粘度であること望ましい。例えば、アセトニトリル、炭酸プロピレン、γブチロラクトン、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどで構成されていても良い。   In the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment, the solvent is a liquid that dissolves an electrolyte and an additive that will be described later, has a high boiling point, high chemical stability, and a high dielectric constant (the electrolyte is good). It is desirable to have a low viscosity. For example, it may be composed of acetonitrile, propylene carbonate, γ-butyrolactone, methoxyacetonitrile, propionitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, and the like.

第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200において、多孔質半導体層(12)/色素分子(32)/電解液(14)間のエネルギーポテンシャルダイヤグラムは、図5に示すように表される。また、色素分子(32)/電解液(14)間のエネルギーポテンシャルダイヤグラムであって、図5のJ部分の拡大図は、図6に示すように表される。   In the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment, the energy potential diagram between the porous semiconductor layer (12) / the dye molecule (32) / the electrolyte solution (14) is expressed as shown in FIG. Is done. Moreover, it is an energy potential diagram between a dye molecule (32) / electrolyte solution (14), Comprising: The enlarged view of J part of FIG. 5 is represented as shown in FIG.

外部から光照射されると光子(hν)が色素分子32と反応して、色素分子32は基底状態HOMOから励起状態LUMOへと遷移する。このとき発生した励起電子(e)がTiOからなる多孔質半導体層12の伝導帯へ注入される。多孔質半導体層12中を導通した電子(e)は、透明電極10から外部回路の負荷24を導通し、第1電極18へ移動する。第1電極18から電解液14中に注入された電子(e)は、電解液14中のヨウ素・混合系酸化還元電解質と電荷交換される。ヨウ素・臭素混合系酸化還元電解質が電解液14内を拡散し、色素分子32と再反応する。 When light is irradiated from the outside, photons (hν) react with the dye molecules 32, and the dye molecules 32 transition from the ground state HOMO to the excited state LUMO. The excited electrons (e ) generated at this time are injected into the conduction band of the porous semiconductor layer 12 made of TiO 2 . The electrons (e ) conducted through the porous semiconductor layer 12 conduct through the load 24 of the external circuit from the transparent electrode 10 and move to the first electrode 18. Electrons (e ) injected from the first electrode 18 into the electrolytic solution 14 are exchanged with the iodine / mixed redox electrolyte in the electrolytic solution 14. The iodine-bromine mixed redox electrolyte diffuses in the electrolyte solution 14 and reacts with the dye molecules 32 again.

電解液14の酸化還元準位EROと多孔質半導体層12のフェルミ準位E間の電位差が最大起電力VMAXである。最大起電力VMAXの値は、電解液14の酸化還元電解質により変化する。酸化還元電解質単独系(ヨウ素酸化還元電解質)の場合には、例えば、0.9V(I,N719)である。電解液14がヨウ素・臭素の混合系酸化還元電解質を含む場合には、図6に示すように、混合比率を調整することで混合系酸化還元電解質の酸化還元電位を、ヨウ素酸化還元電解質の酸化還元電位と臭素酸化還元電解質の酸化還元電位の間の任意の値に調整することができる。 The potential difference between the oxidation-reduction level E RO of the electrolytic solution 14 and the Fermi level E f of the porous semiconductor layer 12 is the maximum electromotive force V MAX . The value of the maximum electromotive force V MAX varies depending on the redox electrolyte of the electrolytic solution 14. In the case of a single redox electrolyte system (iodine redox electrolyte), for example, 0.9 V (I, N719). When the electrolytic solution 14 contains a mixed redox electrolyte of iodine / bromine, as shown in FIG. 6, the redox potential of the mixed redox electrolyte is adjusted by adjusting the mixing ratio to oxidize the iodine redox electrolyte. It can be adjusted to any value between the reduction potential and the redox potential of the bromine redox electrolyte.

図6に示すように、電解液14の臭素酸化還元電解質の混合比が零の場合、酸化還元準位ERO=0.53V(I/I )であるのに対して、ヨウ素酸化還元電解質の混合比が零の場合、酸化還元準位ERO=1.09V(Br/Br )である。この間のギャップエネルギーEgaの値は、1.09−0.53=0.56Vである。 As shown in FIG. 6, when the mixing ratio of bromine redox electrolyte in the electrolytic solution 14 is zero, the redox level E RO = 0.53 V (I / I 3 ), whereas iodine redox When the mixing ratio of the electrolyte is zero, the oxidation-reduction level E RO = 1.09 V (Br / Br 3 ). The value of this period of the gap energy E ga is a 1.09-0.53 = 0.56V.

HOMOレベルと酸化還元準位EROの電位差Eghの値が大きい場合には、最大起電力VMAXを得る上で、電圧ロスとなる。HOMOレベルと酸化還元準位EROの電位差Eghの値が低い場合には、電解液14から色素分子32への電子(e)の移動が阻害される。 When the value of the potential difference E gh between the HOMO level and the oxidation-reduction level E RO is large, a voltage loss occurs when obtaining the maximum electromotive force V MAX . If the value of the potential difference E gh the HOMO level and the redox level E RO is low, electrons to the dye molecules 32 from the electrolyte 14 (e -) transfer is inhibited.

したがって、電子(e)を効率良く電解液14から色素分子32側に導通すると共に、最大起電力VMAXを得る上での電圧ロスを抑制するためには、酸化還元準位EROのレベルは色素分子32のHOMOレベルよりは上で、かつ電位差Eghをできるだけ小さくすることが望ましい。 Therefore, in order to efficiently conduct electrons (e ) from the electrolytic solution 14 to the dye molecule 32 side and to suppress voltage loss in obtaining the maximum electromotive force V MAX , the level of the redox level E RO Is preferably higher than the HOMO level of the dye molecule 32 and the potential difference E gh is made as small as possible.

次に示すように、ヨウ素酸化還元電解質と臭素酸化還元電解質を混合することで得られるヨウ素・臭素混合系酸化還元電解質よりなる電解液では、ヨウ素酸化還元電解質を単独で用いた場合に比べて、臭素酸化還元電解質の添加量に応じて開放端電圧の値が増加する。これは、ヨウ素酸化還元電解質に比べて、臭素酸化還元電解質は酸化還元電位がポジティブ(正)であり、ヨウ素−臭素混合系酸化還元電解質の酸化還元電位が臭素酸化還元電解質の添加量に応じてポジティブ(正)側にシフトするためである。   As shown below, in an electrolytic solution comprising an iodine-bromine mixed redox electrolyte obtained by mixing an iodine redox electrolyte and a bromine redox electrolyte, compared to the case where the iodine redox electrolyte is used alone, The open-circuit voltage value increases according to the amount of bromine redox electrolyte added. Compared with iodine redox electrolyte, bromine redox electrolyte has positive (positive) redox potential, and the redox potential of iodine-bromine mixed redox electrolyte depends on the amount of bromine redox electrolyte added. This is for shifting to the positive side.

(色素増感光電変換素子の構成)
次に、図7〜図10を参照して、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の構成例について説明する。
(Configuration of dye-sensitized photoelectric conversion element)
Next, a configuration example of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図7に示すように、ガラス基板またはフレキシブルなプラスチック基板等で構成される第2基板20の上に、透明電極10および多孔質半導体層12から成る作用極100を形成する。   As shown in FIG. 7, a working electrode 100 composed of a transparent electrode 10 and a porous semiconductor layer 12 is formed on a second substrate 20 composed of a glass substrate or a flexible plastic substrate.

透明電極10は、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどのスパッタ成膜等により形成される。 The transparent electrode 10 is formed by, for example, sputtering film formation of FTO, ZnO, ITO, SnO 2 or the like.

多孔質半導体層12は、例えば、スクリーン印刷技術、スピンコート技術、ディッピング、スプレーコート技術などを用いて形成することができる。なお、多孔質半導体層12の形成方法については後述する。   The porous semiconductor layer 12 can be formed using, for example, screen printing technology, spin coating technology, dipping, spray coating technology, or the like. A method for forming the porous semiconductor layer 12 will be described later.

また、図8に示すように、ガラス基板またはフレキシブルなプラスチック基板等で構成される第1基板22の上に、第1電極18および触媒層21を形成する。   Further, as shown in FIG. 8, the first electrode 18 and the catalyst layer 21 are formed on the first substrate 22 composed of a glass substrate or a flexible plastic substrate.

第1電極18は、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどのスパッタ成膜等により形成される。 The first electrode 18 is formed by, for example, sputtering film formation of FTO, ZnO, ITO, SnO 2 or the like.

触媒層21は、スクリーン印刷技術などを用いて形成することができる。なお、触媒層21の形成方法については後述する。   The catalyst layer 21 can be formed using a screen printing technique or the like. The method for forming the catalyst layer 21 will be described later.

そして、図9に示すように、第1基板22の上に、封止材16を介して第2基板20が貼り合わされた構成とされる。   Then, as shown in FIG. 9, the second substrate 20 is bonded onto the first substrate 22 via the sealing material 16.

図10の模式的断面構造図は、図9のように封止材16を介して貼り合わせた構成に電解液14を注入して完成された色素増感光電変換素子200の構成を示す。   The schematic cross-sectional structure diagram of FIG. 10 shows the structure of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 completed by injecting the electrolyte solution 14 into the structure bonded through the sealing material 16 as shown in FIG.

なお、図9、図10に示すように、第1基板22の第1電極18上には、色素増感光電変換素子200のプラス極となるアノード電極3Aが、第2基板20の透明電極10上には、色素増感光電変換素子200のマイナス極となるカソード電極3Kがそれぞれ形成されている。   9 and 10, the anode electrode 3A serving as the positive electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 is formed on the first electrode 18 of the first substrate 22 and the transparent electrode 10 of the second substrate 20. On the top, the cathode electrode 3K that is the negative electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 is formed.

(色素増感光電変換素子の製造方法)
次に、図11〜図13を参照して、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の製造方法について説明する。
(Method for producing dye-sensitized photoelectric conversion element)
Next, a method for manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図11を参照して、スクリーン印刷法によって、多孔質半導体層12を形成する例について説明する。   First, an example of forming the porous semiconductor layer 12 by screen printing will be described with reference to FIG.

図11(a)に示すように、透明電極10を形成した後の第2基板20の上に、形成すべき多孔質半導体層に対応する開口部を有するマスク部材23aを位置合わせしてセットする。なお、形成すべき多孔質半導体層の目標厚に合わせてマスク部材23aの厚さが選定される。   As shown in FIG. 11A, a mask member 23a having an opening corresponding to the porous semiconductor layer to be formed is positioned and set on the second substrate 20 after the transparent electrode 10 is formed. . The thickness of the mask member 23a is selected according to the target thickness of the porous semiconductor layer to be formed.

次いで、TiO、ZnO、WO、InO、ZrO、Ta、Nb、SnOなどの微粒子を含むペースト12aをマスク部材23a上に塗布し、スキージ25aを矢印方向に移動させて、ペースト12aをマスク部材23aの開口部内に充填する。 Next, paste 12a containing fine particles such as TiO 2 , ZnO, WO 3 , InO 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 3 , Nb 2 O 3 , SnO 2 is applied onto the mask member 23a, and the squeegee 25a is moved in the direction of the arrow. It is moved and the paste 12a is filled in the opening of the mask member 23a.

次に、図11(b)に示すように、マスク部材23aを取り除いた後に、所定の温度でペースト層を焼成することにより、多孔質半導体層12が形成される。   Next, as shown in FIG. 11B, the porous semiconductor layer 12 is formed by baking the paste layer at a predetermined temperature after removing the mask member 23a.

続いて、図11(c)に示すように、容器44に入れられた色素溶液45に、多孔質半導体層12を浸漬させることにより、多孔質半導体層12に色素を吸着させる。   Subsequently, as illustrated in FIG. 11C, the porous semiconductor layer 12 is adsorbed with the dye by immersing the porous semiconductor layer 12 in the dye solution 45 placed in the container 44.

色素は、レッドダイ(N719)、ブラックダイ(N749)などを適用することができる。   As the dye, a red die (N719), a black die (N749), or the like can be applied.

これにより、色素を吸着させた多孔質半導体層12を備える作用極100が作成される。   Thereby, the working electrode 100 including the porous semiconductor layer 12 on which the dye is adsorbed is created.

次に、図12を参照して、スクリーン印刷法によって、触媒層21を形成する例について説明する。   Next, an example of forming the catalyst layer 21 by screen printing will be described with reference to FIG.

図12(a)に示すように、第1電極18を形成した後の第1基板22の上に、形成すべき触媒層に対応する開口部を有するマスク部材23bを位置合わせしてセットする。なお、形成すべき触媒層の目標厚に合わせてマスク部材23bの厚さが選定される。   As shown in FIG. 12A, a mask member 23b having an opening corresponding to the catalyst layer to be formed is positioned and set on the first substrate 22 after the first electrode 18 is formed. Note that the thickness of the mask member 23b is selected in accordance with the target thickness of the catalyst layer to be formed.

次いで、活性炭およびTiO、ZnO、SnO2、WO等の金属酸化物の微粒子を含むペースト21aをマスク部材23b上に塗布し、スキージ25bを矢印方向に移動させて、ペースト21aをマスク部材23bの開口部内に充填する。 Next, paste 21a containing fine particles of activated carbon and metal oxides such as TiO 2 , ZnO, SnO 2, and WO 3 is applied onto mask member 23b, squeegee 25b is moved in the direction of the arrow, and paste 21a is applied to mask member 23b. The inside of the opening is filled.

次に、図12(b)に示すように、マスク部材23bを取り除いた後に、所定の温度でペースト層を焼成することにより、触媒層21が形成される。   Next, as shown in FIG. 12B, after removing the mask member 23b, the catalyst layer 21 is formed by firing the paste layer at a predetermined temperature.

なお、第1基板22の対向する二隅には、電解液14の注入孔22aおよび注入する際の抜気を行う抜気孔22bがドリル等により穿孔されている。なお、以下に記述される電解液注入の際、端面からの真空注入法を採用する場合は、電解液14の注入孔22aおよび注入する際の抜気を行う抜気孔22bを形成する必要はない。   It should be noted that an injection hole 22a for the electrolyte solution 14 and an exhaust hole 22b for exhausting air when injecting are drilled at two opposite corners of the first substrate 22 by a drill or the like. In addition, when adopting the vacuum injection method from the end face at the time of electrolyte solution injection described below, it is not necessary to form the injection hole 22a of the electrolyte solution 14 and the air discharge hole 22b for performing air discharge at the time of injection. .

図13を参照して、色素増感光電変換素子200の組み立て方法等について説明する。   A method of assembling the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 will be described with reference to FIG.

図13(a)に示すように、図11の工程で多孔質半導体層12が形成された第2基板20の周縁部に沿って紫外線硬化樹脂等で構成される封止材16を塗布し、図12の工程で触媒層21が形成された第1基板22を位置決めして重ね合わせる。   As shown in FIG. 13A, a sealing material 16 made of an ultraviolet curable resin or the like is applied along the peripheral edge of the second substrate 20 on which the porous semiconductor layer 12 is formed in the step of FIG. The first substrate 22 on which the catalyst layer 21 is formed in the step of FIG. 12 is positioned and overlapped.

次いで、第1基板22側から紫外線等を照射して封止材16を硬化させ、第2基板20と第1基板22を封止材16を介して貼り合わせる。   Next, the sealing material 16 is cured by irradiating ultraviolet rays or the like from the first substrate 22 side, and the second substrate 20 and the first substrate 22 are bonded together via the sealing material 16.

続いて、図13(b)に示すように、第1基板22に形成された注入孔22aから電解液14を注入する。この際に、内部の空気は抜気孔22bから抜けるので、スムーズに電解液14を注入することができる。   Subsequently, as shown in FIG. 13B, the electrolytic solution 14 is injected from the injection hole 22 a formed in the first substrate 22. At this time, since the internal air escapes from the vent hole 22b, the electrolyte solution 14 can be injected smoothly.

次いで、図示は省略するが、注入孔22aおよび抜気孔22bをガラス板の接着や、樹脂の充填等によって封止し、電解液14が漏れ出さないよう処置する。   Next, although illustration is omitted, the injection hole 22a and the vent hole 22b are sealed by adhesion of a glass plate, filling with a resin, or the like so as to prevent the electrolyte solution 14 from leaking out.

これにより、図13(c)に示す構成の色素増感光電変換素子200が組み立てられる。   As a result, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 having the configuration shown in FIG. 13C is assembled.

[第2の実施の形態]
(直列配線構造を有する色素増感光電変換素子)
次に、図14〜図19を参照して、第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200aの構成例について説明する。
[Second Embodiment]
(Dye-sensitized photoelectric conversion element with serial wiring structure)
Next, a configuration example of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200a according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200aは、1枚の基板内に2セルを直列配列させた構成である。   The dye-sensitized photoelectric conversion element 200a according to the second embodiment has a configuration in which two cells are arranged in series on one substrate.

図14に示すように、ガラス基板またはフレキシブルなプラスチック基板等で構成される第2基板20の上に、所定の間隔10aを挟んで透明電極10および10を形成する。 As shown in FIG. 14, on the second substrate 20 composed of a glass substrate or a flexible plastic substrate, a transparent electrode 10 1 and 10 2 across a predetermined gap 10a.

透明電極10および10は、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどのスパッタ成膜等により形成される。 Transparent electrodes 10 1 and 10 2, for example, FTO, ZnO, ITO, is formed by sputtering or the like, such as SnO 2.

図15に示すように、透明電極10の上には、色素増感光電変換素子200のマイナス極となるカソード電極3Kと2つのセルを直列配列とするための基板間の極間配線電極3Sが例えばAgやAlやCu等によって形成される。 Figure 15 As shown in, on the transparent electrode 10 2, pole between the wiring electrodes 3S between the substrates to the cathode electrode 3K and two cells as a negative electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 and the series arrangement Is formed of, for example, Ag, Al, Cu, or the like.

図16に示すように、透明電極10および10の上には、多孔質半導体層12および12がそれぞれ形成される。 As shown in FIG. 16, on the transparent electrode 10 1 and 10 2 are porous semiconductor layer 12 1 and 12 2 are respectively formed.

なお、多孔質半導体層12および12は、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の製造方法で示したスクリーン印刷(図11参照)等によって形成することができる。即ち、例えば形成すべき多孔質半導体層に対応する開口部を有するマスク部材を位置合わせしてセットし、TiOなどの微粒子を含むペーストをマスク部材上に塗布し、スキージによってマスク部材の開口部内に充填する。次いで、マスク部材を取り除いた後に、所定の温度でペースト層を焼成することにより多孔質半導体層12および12が形成される。なお、多孔質半導体層12および12に色素を吸着させる工程も図11(c)に示す場合と同様である。 Incidentally, the porous semiconductor layer 12 1 and 12 2 can be formed by screen printing (see FIG. 11) such as shown in the manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment. That is, for example, a mask member having an opening corresponding to the porous semiconductor layer to be formed is aligned and set, a paste containing fine particles such as TiO 2 is applied on the mask member, and the inside of the opening of the mask member is applied by a squeegee. To fill. Then, after removing the mask member, the porous semiconductor layer 12 1 and 12 2 are formed by firing a paste layer at a predetermined temperature. The step of adsorbing the dye on the porous semiconductor layer 12 1 and 12 2 is the same as in the case shown in FIG. 11 (c).

また、図17に示すように、ガラス基板またはフレキシブルなプラスチック基板等で構成される第1基板22の上に、所定の間隔18aを挟んで第1電極18および18が形成され、第1電極18および18の上には触媒層21および21が形成される。 In addition, as shown in FIG. 17, first electrodes 18 1 and 18 2 are formed on a first substrate 22 made of a glass substrate, a flexible plastic substrate, or the like, with a predetermined interval 18a interposed therebetween. Catalyst layers 21 1 and 21 2 are formed on the electrodes 18 1 and 18 2 .

第1電極18および18は、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどのスパッタ成膜等により形成される。 The first electrodes 18 1 and 18 2 are formed by, for example, sputtering film formation of FTO, ZnO, ITO, SnO 2 or the like.

触媒層21および21は、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の製造方法で示したスクリーン印刷(図12参照)等によって形成することができる。即ち、第1電極18および18を形成した後の第1基板22の上に、形成すべき触媒層に対応する開口部を有するマスク部材を位置合わせしてセットし、活性炭およびTiO、ZnO、WO等の金属酸化物の微粒子を含むペーストをマスク部材上に塗布し、スキージによってペーストをマスク部材の開口部内に充填する。次いで、マスク部材を取り除いた後に、所定の温度でペースト層を焼成することにより、触媒層21および21が形成される。 The catalyst layers 21 1 and 21 2 can be formed by screen printing (see FIG. 12) shown in the method for manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment. That is, a mask member having an opening corresponding to the catalyst layer to be formed is aligned and set on the first substrate 22 after the first electrodes 18 1 and 18 2 are formed, and activated carbon and TiO 2 , A paste containing metal oxide fine particles such as ZnO and WO 3 is applied onto the mask member, and the paste is filled into the opening of the mask member by a squeegee. Then, after removing the mask member, by firing a paste layer at a predetermined temperature, the catalyst layer 21 1 and 21 2 are formed.

また、第1電極18の上には、色素増感光電変換素子200のプラス極となるアノード電極3Aと2つのセルを直列配列とするための基板間の極間配線電極3Sが例えばAgやAlやCu等によって形成される。 Also, on the first electrode 18 1, Ya pole between the wiring electrodes 3S for example Ag between the substrates for the anode electrode 3A and the two cells as the positive electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 and the series arrangement It is formed of Al, Cu or the like.

そして、図18に示すように、第1基板22の上に、封止材16を介して第2基板20が貼り合わされた構成とされる。   Then, as shown in FIG. 18, the second substrate 20 is bonded onto the first substrate 22 via the sealing material 16.

図19の模式的断面構造図は、図9のように封止材16を介して直列配列されて貼り合わせたセルに電解液14および14を注入して完成された色素増感光電変換素子200aの構成を示す。 A schematic cross-sectional structure diagram of FIG. 19 is a dye-sensitized photoelectric conversion completed by injecting electrolytic solutions 14 1 and 14 2 into cells that are arranged in series via a sealing material 16 and bonded together as shown in FIG. The structure of the element 200a is shown.

第2の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200aによれば、製造コストの低廉化を図りつつ、発電特性を向上させることができる。   According to the dye-sensitized photoelectric conversion element 200a according to the second embodiment, it is possible to improve the power generation characteristics while reducing the manufacturing cost.

[第3の実施の形態]
(複数の色素増感光電変換素子の製造方法)
次に、図20〜図25を参照して、第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の他の製造方法について説明する。
[Third embodiment]
(Manufacturing method of a plurality of dye-sensitized photoelectric conversion elements)
Next, another method for manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.

第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法は、複数個(m×n:但し、mおよびnは整数)のセルを作り込み、分離して複数個の色素増感光電変換素子200を得る製造方法である。   In the method of manufacturing a dye-sensitized photoelectric conversion element according to the third embodiment, a plurality of (m × n: where m and n are integers) cells are formed and separated to form a plurality of dye-sensitized photoelectric conversion elements. This is a manufacturing method for obtaining the conversion element 200.

図20に示すように、ガラス基板またはフレキシブルなプラスチック基板等で構成される第2基板20の上に、所定の間隔を挟んで1011〜10mnの計m×n(但し、mおよびnは整数)個の透明電極を形成する。 As shown in FIG. 20, on a second substrate 20 composed of a glass substrate, a flexible plastic substrate, or the like, a total of 10 11 to 10 mn with a predetermined interval therebetween, where m and n are (Integer) transparent electrodes are formed.

透明電極1011〜10mnは、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどのスパッタ成膜等により形成される。 The transparent electrodes 10 11 to 10 mn are formed by, for example, sputtering film formation of FTO, ZnO, ITO, SnO 2 or the like.

なお、図示は省略するが、透明電極1011〜10mnの上には、多孔質半導体層12がそれぞれ形成される。 Although not shown, on the transparent electrode 10 11 to 10 mn are porous semiconductor layer 12 are formed.

なお、多孔質半導体層12は、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の製造方法で示したスクリーン印刷(図11参照)等を応用して形成することができる。また、各多孔質半導体層12には、色素が吸着される。   The porous semiconductor layer 12 can be formed by applying screen printing (see FIG. 11) shown in the method for manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment. Further, a dye is adsorbed on each porous semiconductor layer 12.

また、図21に示すように、ガラス基板またはフレキシブルなプラスチック基板等で構成される第1基板22の上に、所定の間隔を挟んで1811〜18mnの計m×n(但し、mおよびnは整数)個の第1電極を形成する。 In addition, as shown in FIG. 21, a total of mxn of 18 11 to 18 mn with a predetermined interval on the first substrate 22 composed of a glass substrate or a flexible plastic substrate or the like (where m and n n is an integer) first electrodes.

第1電極1811〜18mnは、例えば、FTO、ZnO、ITO、SnOなどのスパッタ成膜等により形成される。 The first electrodes 18 11 to 18 mn are formed, for example, by sputtering film formation of FTO, ZnO, ITO, SnO 2 or the like.

なお、図示は省略するが、第1電極1811〜18mnの上には、触媒層21がそれぞれ形成される。 Although not shown, on the first electrode 18 11 ~ 18 mn, the catalyst layer 21 are formed.

触媒層21は、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の製造方法で示したスクリーン印刷(図12参照)等によって形成することができる。   The catalyst layer 21 can be formed by screen printing (see FIG. 12) shown in the method for manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment.

そして、図22に示すように、第1基板22の上に、各素子毎に紫外線硬化樹脂等で構成される封止材16が塗布され、第2基板20を高精度で位置合わせして第1基板22と重ね合わされる。そして、紫外線等の照射により封止材16を硬化させて、封止材16を介して第1基板22と第2基板20とが貼り合わされた構成とされる。   Then, as shown in FIG. 22, a sealing material 16 made of an ultraviolet curable resin or the like is applied to each element on the first substrate 22, and the second substrate 20 is aligned with high accuracy. One substrate 22 is overlaid. Then, the sealing material 16 is cured by irradiation with ultraviolet rays or the like, and the first substrate 22 and the second substrate 20 are bonded to each other through the sealing material 16.

図23は、上述のようにして構成された色素増感光電変換素子について、図22のI−I線に沿う模式的断面構造図である。   FIG. 23 is a schematic cross-sectional structure diagram of the dye-sensitized photoelectric conversion element configured as described above, taken along line II of FIG.

なお、図23に示すように、封止材16の間に基板のみ残る箇所があるが、そこが後述するスクライブラインSLとなり、打撃等のブレークにより各素子に分離される。   As shown in FIG. 23, only the substrate remains between the sealing materials 16, but this becomes a scribe line SL, which will be described later, and is separated into each element by a break such as hitting.

次いで、図22のように計m×n個の色素増感光電変換素子が貼り合わされた状態で、図24に示すように横方向のスクライブラインSL1を形成する。   Next, in a state where a total of m × n dye-sensitized photoelectric conversion elements are bonded as shown in FIG. 22, a horizontal scribe line SL1 is formed as shown in FIG.

具体的には、封止材16が設けられた位置に、スクライビング装置のスクライビングホイールを高精度に位置合わせして各スクライブラインSL1を形成する。   Specifically, each scribing line SL1 is formed by accurately aligning the scribing wheel of the scribing device at the position where the sealing material 16 is provided.

続いて、図25に示すように縦方向のスクライブラインSL2を形成する。   Subsequently, a vertical scribe line SL2 is formed as shown in FIG.

そして、スクライブラインSL1およびスクライブラインSL2に沿って打撃を与えるなどすると、ガラス材が有する壁開性によりスクライブラインSL1およびスクライブラインSL2に沿って割れて各素子に分離される。   Then, when an impact is given along the scribe line SL1 and the scribe line SL2, etc., the glass material breaks along the scribe line SL1 and the scribe line SL2 and is separated into each element due to the wall opening property of the glass material.

なお、図示は省略するが、各素子に分離された後、電解液が注入され、ガラス板の接着や、樹脂の充填等によって封止し、電解液が漏れ出さないよう処置することで色素増感光電変換素子が作り込まれる。   Although not shown in the figure, after separation into each element, an electrolyte solution is injected, sealed by glass plate adhesion or resin filling, etc., and treated so that the electrolyte solution does not leak out. A photoelectric conversion element is built in.

第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子の製造方法によれば、発電特性を向上させた色素増感光電変換素子200の製造コストの低廉化を図ることができる。   According to the method for manufacturing the dye-sensitized photoelectric conversion element according to the third embodiment, the manufacturing cost of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 with improved power generation characteristics can be reduced.

図26のタイムチャートは、第1から第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200、200aが有する触媒層21を焼成する際の温度条件(焼成プロファイル)の例を示す。この例では、焼成開始からt0までは室温(RT)で保ち、時間t0〜t1(例えば30分間)では450℃まで15℃/min程度の温度傾斜で昇温し、時間t1〜t2(例えば、30分間)まで450℃に保つ。   The time chart of FIG. 26 shows an example of temperature conditions (firing profile) when the catalyst layer 21 included in the dye-sensitized photoelectric conversion elements 200 and 200a according to the first to third embodiments is fired. In this example, the temperature is maintained at room temperature (RT) from the start of firing to t0, the temperature is increased to 450 ° C. with a temperature gradient of about 15 ° C./min at time t0 to t1 (for example, 30 minutes), and time t1 to t2 (for example, 30 minutes) at 450 ° C.

次いで、時間t2〜t3(例えば30分K間)は、室温(RT)まで−15℃/min程度の温度傾斜で降温させて焼成を終了する。   Next, for a period of time t2 to t3 (for example, for 30 minutes K), the temperature is lowered to a room temperature (RT) with a temperature gradient of about −15 ° C./min, and the firing is finished.

図27は、第1〜第3の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の動作原理
を示す。また、図28(b)は、図27のB部の拡大図である。
FIG. 27 shows the operation principle of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first to third embodiments. Moreover, FIG.28 (b) is an enlarged view of the B section of FIG.

次の(a)〜(d)の反応が継続して起こることで、起電力が発生し、負荷24に電流が導通する。   When the following reactions (a) to (d) occur continuously, an electromotive force is generated, and a current is conducted to the load 24.

(a)多孔質半導体層12の色素分子が光子(hν)を吸収し、電子(e)を放出し、色素分子は酸化体になる。 (A) The dye molecules in the porous semiconductor layer 12 absorb photons (hν), emit electrons (e ), and the dye molecules become oxidants.

(b)還元体の酸化還元電解質が多孔質半導体層12中を拡散して、酸化体の色素分子に接近する。 (B) The reduced redox electrolyte diffuses in the porous semiconductor layer 12 and approaches the oxidized dye molecules.

(c)酸化還元電解質から色素分子に電子(e)が供給される。酸化還元電解質は、酸化体の酸化還元電解質になり、色素分子は還元された色素分子になる。 (C) Electrons (e ) are supplied from the redox electrolyte to the dye molecules. The redox electrolyte becomes an oxidized redox electrolyte, and the dye molecule becomes a reduced dye molecule.

(d)酸化還元電解質は、第1電極18方向に拡散し、触媒層21の活性炭ACの触媒作用により電子を供給されて、還元体の酸化還元電解質になる。 (D) The redox electrolyte diffuses in the direction of the first electrode 18 and is supplied with electrons by the catalytic action of the activated carbon AC of the catalyst layer 21 to become a redox electrolyte of the reductant.

なお、比較例として、図28(a)に示すように、熱処理による白金(Pt)の析出を利用した場合には安価にPt粒子を形成することができる。   As a comparative example, as shown in FIG. 28A, Pt particles can be formed at a low cost when precipitation of platinum (Pt) by heat treatment is used.

(発電特性に関する実験結果)
図29〜31のグラフに、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の発電特性に関する実験結果を示す。
(Experimental results on power generation characteristics)
29 to 31 show experimental results regarding the power generation characteristics of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment.

図29は、色素増感光電変換素子200に、200lxの白色光を照射した場合の発電特性を示すグラフである。なお、グラフにおいて、Cは第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の発電特性を示し、Ptは比較対象として触媒層を白金(Pt)で構成した場合の発電特性を示す(図30,図31についても同様)。   FIG. 29 is a graph showing power generation characteristics when the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 is irradiated with 200 lx white light. In the graph, C represents the power generation characteristics of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment, and Pt represents the power generation characteristics when the catalyst layer is made of platinum (Pt) as a comparison target ( The same applies to FIGS. 30 and 31).

図30は、色素増感光電変換素子200に、800lxの白色光を照射した場合の発電特性を示すグラフである。   FIG. 30 is a graph showing power generation characteristics when the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 is irradiated with 800 lx white light.

図31は、色素増感光電変換素子200に、50000lxの白色光を照射した場合の発電特性を示すグラフである。   FIG. 31 is a graph showing power generation characteristics when the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 is irradiated with 50000 lx white light.

図29、図30のグラフを見ると分かるように、200lxまたは800lxの白色光を照射した場合には、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200は、触媒層を白金(Pt)で構成した場合と略同等の発電特性を有している。   As can be seen from the graphs of FIGS. 29 and 30, when 200 lx or 800 lx white light is irradiated, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment uses a platinum (Pt ).

一方、図31に示すように、50000lxの白色光を照射した場合には、触媒層を白金(Pt)で構成した場合よりも、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の発電特性の方が優れていることが分かる。   On the other hand, as shown in FIG. 31, when 50,000 lx of white light is irradiated, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is more effective than the case where the catalyst layer is made of platinum (Pt). It can be seen that the power generation characteristics are superior.

以上のように、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200は、従来から優れた触媒性を有するとされていた白金(Pt)で触媒層を形成した場合と、同等以上の発電特性を有する。しかも、第1の実施の形態に係る色素増感光電変換素子200の触媒層21を構成する活性炭およびTiO、ZnO、SnO2、WO等の金属酸化物の微粒子は、白金(Pt)に比べて比較的安価であり、また白金(Pt)を成膜する際の真空成膜法を用いる必要もなく、製造コストも比較的安価であり、価格性能比は白金(Pt)で触媒層を形成した場合を大きく上回るといえる。 As described above, the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is equivalent to or more than the case where the catalyst layer is formed of platinum (Pt), which has been conventionally considered to have excellent catalytic properties. Has power generation characteristics. Moreover, fine particles of activated carbon and metal oxides such as TiO 2 , ZnO, SnO 2, and WO 3 constituting the catalyst layer 21 of the dye-sensitized photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment are made of platinum (Pt). It is relatively inexpensive, and there is no need to use a vacuum film formation method when forming a film of platinum (Pt), and the manufacturing cost is relatively inexpensive, and the price / performance ratio is platinum (Pt). It can be said that it greatly exceeds the case of formation.

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the embodiments have been described. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are illustrative and do not limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.

(電気二重層キャパシタ)
例えば、電気二重層キャパシタにおいて、活物質電極110,112の何れかを、電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子と、活性炭または有機物の一方を有する導電性薄膜で構成することができる。
(Electric double layer capacitor)
For example, in the electric double layer capacitor, any one of the active material electrodes 110 and 112 can be formed of a conductive thin film having fine particles of metal oxide having corrosion resistance against an electrolytic solution and one of activated carbon and organic matter.

(リチウムイオンキャパシタ)
また、例えば、リチウムイオンキャパシタにおいて、活物質電極111,112の何れかを、電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子と、活性炭または有機物の一方を有する導電性薄膜で構成することができる。
(Lithium ion capacitor)
Further, for example, in a lithium ion capacitor, any of the active material electrodes 111 and 112 can be formed of a conductive thin film having fine particles of metal oxide having corrosion resistance to an electrolytic solution and one of activated carbon and organic matter.

(リチウムイオン電池)
また、例えば、リチウムイオン電池において、活物質電極111,113の何れかを、電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子と、活性炭または有機物の一方を有する導電性薄膜で構成することができる。
(Lithium ion battery)
Further, for example, in a lithium ion battery, any of the active material electrodes 111 and 113 can be formed of a conductive thin film having fine particles of metal oxide having corrosion resistance to an electrolytic solution and one of activated carbon and organic matter.

本発明の色素増感光電変換素子は、太陽光のみならず室内光のような低照度光源からの入射光で発電することが出来るため、電源として適用することによって、携帯通信機器やゲーム機器など各種電子機器用補助電源や無線通信センサモジュールの駆動電源といった様々なシステムに適用可能である。   The dye-sensitized photoelectric conversion element of the present invention can generate electric power with incident light from a low-illuminance light source such as indoor light as well as sunlight. The present invention can be applied to various systems such as auxiliary power supplies for various electronic devices and drive power supplies for wireless communication sensor modules.

2…半導体微粒子
3A…アノード電極
3K…カソード電極
3S…極間配線電極
4…色素分子
10…透明電極
12…多孔質半導体層
12a…ペースト
14…電荷輸送層(電解液)
16…封止材
18…第1電極
20…第2基板
19、21…触媒層
21a…ペースト
22…第1基板(ガラス基板)
22a…注入孔
22b…抜気孔
23a、23b…マスク部材
24…負荷
25a、25b…スキージ
26、28…酸化還元電解質
30、32…色素分子
44…容器
45…色素溶液
100…作用極
110,112,113…活物質電極
130…セパレータ
132a,132b…引き出し電極
200、200a…色素増感光電変換素子
2 ... Semiconductor fine particles 3A ... Anode electrode 3K ... Cathode electrode 3S ... Interelectrode electrode 4 ... Dye molecule 10 ... Transparent electrode 12 ... Porous semiconductor layer 12a ... Paste 14 ... Charge transport layer (electrolyte)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 16 ... Sealing material 18 ... 1st electrode 20 ... 2nd board | substrate 19, 21 ... Catalyst layer 21a ... Paste 22 ... 1st board | substrate (glass substrate)
22a ... Injection hole 22b ... Deaeration hole 23a, 23b ... Mask member 24 ... Load 25a, 25b ... Squeegee 26, 28 ... Redox electrolyte 30, 32 ... Dye molecule 44 ... Container 45 ... Dye solution 100 ... Working electrode 110, 112, 113 ... Active material electrode 130 ... Separator 132a, 132b ... Lead electrode 200, 200a ... Dye-sensitized photoelectric conversion element

Claims (8)

第1基板と、
前記第1基板上に配置された第1電極と、
前記第1電極上に形成され、酸化還元電解質に対する触媒活性を有する触媒層と、
前記触媒層と接し、前記酸化還元電解質を溶媒に溶解した電解液と、
前記電解液に接し、半導体微粒子と色素分子を備える多孔質半導体層と、
前記多孔質半導体層に配置された第2電極と、
前記第2電極上に配置された第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板の間に配置され、前記電解液を封止する封止材と
を備え、
前記触媒層は、前記活性炭および電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子、または導電性を有する有機物の一方を有する導電性薄膜で構成されることを特徴とする色素増感光電変換素子。
A first substrate;
A first electrode disposed on the first substrate;
A catalyst layer formed on the first electrode and having catalytic activity for a redox electrolyte;
An electrolyte solution in contact with the catalyst layer and dissolving the redox electrolyte in a solvent;
A porous semiconductor layer in contact with the electrolyte solution, comprising semiconductor fine particles and dye molecules;
A second electrode disposed in the porous semiconductor layer;
A second substrate disposed on the second electrode;
A sealing material disposed between the first substrate and the second substrate and sealing the electrolyte;
The dye-sensitized photoelectric conversion element, wherein the catalyst layer is composed of a conductive thin film having one of metal oxide fine particles having corrosion resistance to the activated carbon and the electrolytic solution or an organic material having conductivity.
前記触媒層は、前記活性炭および電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子を含むペースト層を焼成して形成されたことを特徴とする請求項1に記載の色素増感光電変換素子。   2. The dye-sensitized photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the catalyst layer is formed by firing a paste layer containing metal oxide fine particles having corrosion resistance to the activated carbon and the electrolyte solution. 前記電解液に対する耐食性を有する金属酸化物は、TiO、ZnO、SnO若しくはWOの何れかであることを特徴とする請求項1または2に記載の色素増感光電変換素子。 3. The dye-sensitized photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the metal oxide having corrosion resistance to the electrolytic solution is TiO 2 , ZnO, SnO 2, or WO 3 . 第1基板上に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上に触媒層として、活性炭と電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子、または導電性を有する有機物の一方を有する導電性薄膜を形成する工程と、
第2基板上に第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に半導体微粒子を備える多孔質半導体層を形成する工程と、
前記多孔質半導体層を色素溶液に浸漬させて色素分子を吸着させる工程と、
前記第1基板上に前記第1電極と前記触媒層とを形成した対極基板と、前記第2基板上に前記第2電極と前記色素分子を吸着させた前記多孔質半導体層とを形成した作用極基板とを、
直列配列させるための基板間の極間配線電極と封止材を介して貼り合わせる工程と、
前記対極基板と前記作用極基板との間に、電解液を注入する工程と
を有することを特徴とする色素増感光電変換素子の製造方法。
Forming a first electrode on a first substrate;
Forming a conductive thin film having, as a catalyst layer on the first electrode, fine particles of activated carbon and metal oxide having corrosion resistance to an electrolyte or an organic material having conductivity;
Forming a second electrode on the second substrate;
Forming a porous semiconductor layer comprising semiconductor fine particles on the second electrode;
Immersing the porous semiconductor layer in a dye solution to adsorb dye molecules;
The counter electrode substrate in which the first electrode and the catalyst layer are formed on the first substrate, and the porous semiconductor layer in which the second electrode and the dye molecules are adsorbed are formed on the second substrate. The polar substrate,
A step of bonding via an inter-electrode electrode between the substrates to be arranged in series and a sealing material,
And a step of injecting an electrolytic solution between the counter electrode substrate and the working electrode substrate.
第1基板上に所定の間隔で複数の第1電極を形成する工程と、
前記各第1電極上に触媒層として、活性炭と電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子、または導電性を有する有機物の一方を有する導電性薄膜を形成する工程と、
第2基板上に前記各第1電極と対向される複数の第2電極を形成する工程と、
前記各第2電極上に半導体微粒子を備える多孔質半導体層を形成する工程と、
前記各多孔質半導体層に色素分子を吸着させる工程と、
前記第1基板上に複数の前記第1電極と前記触媒層とを形成した対極基板と、前記第2基板上に複数の前記第2電極と前記色素分子を吸着させた前記多孔質半導体層とを形成した作用極基板とを、それぞれ色素増感光電変換素子となるセルを区画するように封止材を介して貼り合わせる工程と、
それぞれ色素増感光電変換素子となるセル毎に分離するためのスクライブラインを前記第1基板上または前記第2基板上に形成するスクライブ工程と、
前記スクライブラインに沿ってブレークして、分離する分離工程と、
分離された色素増感光電変換素子の各セルに電解液を注入する工程と
を有することを特徴とする色素増感光電変換素子の製造方法。
Forming a plurality of first electrodes at a predetermined interval on the first substrate;
Forming a conductive thin film having one of activated carbon and metal oxide fine particles having corrosion resistance against an electrolytic solution or an organic material having conductivity as a catalyst layer on each first electrode;
Forming a plurality of second electrodes opposed to the first electrodes on a second substrate;
Forming a porous semiconductor layer comprising semiconductor fine particles on each of the second electrodes;
Adsorbing dye molecules to each of the porous semiconductor layers;
A counter electrode substrate having a plurality of the first electrodes and the catalyst layer formed on the first substrate; a plurality of the second electrodes and the porous semiconductor layer having the dye molecules adsorbed on the second substrate; And a step of bonding the working electrode substrate formed through a sealing material so as to partition a cell that becomes a dye-sensitized photoelectric conversion element,
A scribe step for forming a scribe line on each of the first substrate or the second substrate for separating each cell to be a dye-sensitized photoelectric conversion element;
A separation step of breaking along the scribe line and separating;
And a step of injecting an electrolytic solution into each cell of the separated dye-sensitized photoelectric conversion element.
前記導電性薄膜を形成する工程は、前記活性炭および電解液に対する耐食性を有する金属酸化物の微粒子を含むペーストを前記第1基板の第1電極上に塗布する工程を有することを特徴とする請求項5に記載の色素増感光電変換素子の製造方法。   The step of forming the conductive thin film includes a step of applying a paste containing fine particles of metal oxide having corrosion resistance to the activated carbon and an electrolytic solution on the first electrode of the first substrate. 6. A method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element according to 5. 前記ペーストを前記第1基板の第1電極上に塗布する工程は、
前記第1電極上に、所定面積の開口部を有するマスクを位置合わせして重ね合わせる工程と、
前記マスクの上に前記ペーストを堆積する工程と、
スキージによって前記ペーストを前記開口部に充填する工程と、
前記マスクを取り除く工程と、
前記ペーストで構成されるペースト層を所定の焼成温度で焼成する工程と
を有することを特徴とする請求項6に記載の色素増感光電変換素子の製造方法。
The step of applying the paste on the first electrode of the first substrate includes:
Aligning and overlaying a mask having an opening of a predetermined area on the first electrode;
Depositing the paste on the mask;
Filling the opening with the paste with a squeegee;
Removing the mask;
And baking the paste layer composed of the paste at a predetermined baking temperature.
前記焼成温度は、400〜450℃であることを特徴とする請求項7に記載の色素増感光電変換素子の製造方法。   The said baking temperature is 400-450 degreeC, The manufacturing method of the dye-sensitized photoelectric conversion element of Claim 7 characterized by the above-mentioned.
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