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JP4100863B2 - Photoelectric cell - Google Patents
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JP4100863B2 - Photoelectric cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の技術分野】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す光電気セルに関し、さらに詳しくは可視光の利用率が高く、また長期間にわたって安定的に高い光電変換効率等を維持することが可能な光電気セルに関する。
【0002】
【発明の技術的背景】
光電変換材料は光エネルギーを電気エネルギーとして連続して取り出せる材料であり、電極間の電気化学反応を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料である。このような光電変換材料に光を照射すると、一方の電極側で電子が発生し、対電極に移動し、対電極に移動した電子は、電解質中をイオンとして移動して一方の電極に戻る。この光電エネルギーの変換は連続的に起きているので、たとえば、太陽電池などに利用されている。
【0003】
一般的な太陽電池は、先ず透明性導電膜を形成したガラス板などの支持体上に光電変換材料用半導体の膜を形成して電極とし、次に、対電極として別の透明性導電膜を形成したガラス板などの支持体を備え、これらの電極間に電解質を封入して構成されている。
光電変換材料用半導体に吸着した光増感材に太陽光を照射すると、光増感材は可視領域の光を吸収して励起する。この励起によって発生する電子は半導体に移動し、次いで、透明導電性ガラス電極に移動し、2つの電極を接続する導線を通って対電極に移動し、対電極に移動した電子は電解質中の酸化還元系を還元する。一方、半導体に電子を移動させた光増感材は、酸化体の状態になっているが、この酸化体は電解質中の酸化還元系によって還元され、元の状態に戻る。このようにして電子が連続的に流れ、光電変換材料は太陽電池として機能する。
【0004】
この光電変換材料としては、半導体表面に可視光領域に吸収を持つ分光増感色素を吸着させたものが用いられている。たとえば、特開平1-220380号公報には、金属酸化物半導体層の表面に、ルテニウム錯体などの遷移金属錯体からなる分光増感色素層を有する太陽電池が記載されている。また、特表平5-504023号公報には、金属イオンでドープした酸化チタン半導体層の表面に、ルテニウム錯体などの遷移金属錯体からなる分光増感色素層を有する太陽電池が記載されている。
【0005】
このような太陽電池では、電解質は溶媒に溶解して電解液として用いられる場合があり、このときの溶媒としてアルコール等の有機溶媒が用いられることがあり、さらに電解質として有機系の電解質が用いられることがある。
しかしながら、このような太陽電池では、長期間使用すると、電解質あるいは溶媒が劣化・変質したり、電解液自体が漏出することがあり、さらに光増感材が脱離したり分解することがあり、このため光電変換効率が低下するなどの問題があった。また、用途によっては性能が必ずしも充分でないことからさらに太陽光の利用率や変換効率を高めることが求められている。
【0006】
このような情況のもと、本発明者らは、上記問題点を解決すべく鋭意検討した結果、基板外表面上に可視光反射防止膜および/または紫外線遮蔽膜を形成することによって、上記問題点を何れも解消した光電気セルが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0007】
【発明の目的】
本発明は、可視光の利用率が高く、光増感材、有機系電解質および電解質溶解用有機溶媒等が劣化することがなく、このため長期にわたって安定的に高い光電変換効率等を維持できる光電気セルを提供することを目的としている。
【0008】
【発明の概要】
本発明に係る光電気セルは、
表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に光増感材を吸着した金属酸化物半導体膜(2)が形成されてなる基板(P-1)と、
表面に電極層(3)を有する基板(P-2)とが、
前記電極層(1)および電極層(3)が対向するように配置してなり、
少なくとも一方の基板および電極層が透明性を有し、
金属酸化物半導体膜(2)と電極層(3)との間に電解質層を設けてなる光電気セルにおいて、
少なくとも一方の透明性を有する基板(P-1)および/または基板(P-2)の外表面上に可視光反射防止膜および/または紫外線遮蔽膜が形成されていることを特徴としている。
【0009】
前記紫紫外線遮蔽膜が透明性を有する基板(P-1)外表面に形成され、可視光反射防止膜が前記紫外線遮蔽膜上に形成されてなり、かつ
可視光反射防止膜の屈折率が紫外線遮蔽膜の屈折率よりも低いことが好ましい。
前記紫外線遮蔽膜は、Ce、Fe、Ti、Sb、Zr、Znからなる群から選ばれる1種以上の金属の酸化物粒子、または、Ce、Fe、Ti、Sb、Zr、Znからなる群から選ばれる2種以上の金属の複合酸化物粒子を含んでなることが好ましい。
【0010】
前記可視光反射防止膜が、可視光反射防止膜形成用塗布液を塗布・乾燥し、加熱処理して得られたものであり、
前記紫外線遮蔽膜が、紫外線遮蔽膜形成用塗布液を塗布・乾燥し、加熱処理して得られたものであることが好ましい。
【0011】
【発明の具体的な説明】
以下、本発明に係る光電気セルについて具体的に説明する。
[光電気セル]
本発明に係る光電気セルは、
表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に光増感材を吸着した金属酸化物半導体膜(2)が形成されてなる基板(P-1)と、
表面に電極層(3)を有する基板(P-2)とが、
前記電極層(1)および電極層(3)が対向するように配置してなり、
少なくとも一方の基板および電極層が透明性を有し、
金属酸化物半導体膜(2)と電極層(3)との間に電解質層を設けてなる光電気セルにおいて、
少なくとも一方の透明性を有する基板(P-1)および/または基板(P-2)の外表面上に可視光反射防止膜および/または紫外線遮蔽膜が形成されていることを特徴としている。
【0012】
このような光電気セルとしては、たとえば、図1に示すものが挙げられる。
図1は、本発明に係る光電気セル10の一実施例を示す概略断面図である。
表面に透明電極層11を有し、かつ該透明電極層11表面に光増感材を吸着した半導体膜12が形成されてなる基板(P-1)と、表面に還元触媒能を有する電極層13を有する基板(P-2)とが前記電極層11および13が対向するように配置されている。
【0013】
この金属酸化物半導体膜12と電極層13との間に電解質14が封入されており、
少なくとも一方の透明性を有する基板(P-1)の外表面上に紫外線遮蔽膜16が形成され、さらに紫外線遮蔽膜16表面上に可視光反射防止膜15が形成されている。
【0014】
透明基板(P-1)としてはガラス基板、PET等の有機ポリマー基板等の透明でかつ絶縁性を有する基板を用いることができる。
基板(P-2)としては使用に耐える強度を有していれば特に制限はなく、ガラス基板、PET等の有機ポリマー基板等の透明絶縁性基板の他に、金属チタン、金属アルミニウム、金属銅、金属ニッケルなどの導電性基板を使用することができる。
【0015】
さらに、金属酸化物半導体膜12と電極層13との間にスペーサを介在させることによって、透明基板(P-1)、基板(P-2)として、PETフィルムなどの変形可能な基板を用いることができ、また平板状以外の形状例えば半円筒状などの形状の光電気セルとすることができる。この場合たとえば、透明であったり、薄型で任意の形状の加工であるといったフレキシブルな光電気セル等を得ることができる。
【0016】
透明基板(P-1)表面に形成された透明電極層11としては、酸化錫、Sb、FまたはPがドーピングされた酸化錫、Snおよび/またはFがドーピングされた酸化インジウム、酸化アンチモン、酸化亜鉛、貴金属等などの従来公知の電極を使用することができる。
このような透明電極層11は、熱分解法、CVD法などの従来公知の方法により形成することができる。
【0017】
また、基板(P-2)表面に形成された電極層13としては、還元触媒能を有するものであれば特に制限されるものでなく、白金、ロジウム、ルテニウム金属、ルテニウム酸化物等の電極材料、酸化錫、Sb、FまたはPがドーピングされた酸化錫、Snおよび/またはFがドーピングされた酸化インジウム、酸化アンチモンなどの導電性材料の表面に前記電極材料をメッキあるいは蒸着した電極、カーボン電極など従来公知の電極を用いることができる。
【0018】
このような電極層13は、基板(P-2)上に前記電極を直接コーティング、メッキあるいは蒸着させて、導電性材料を熱分解法、CDV法等の従来公知の方法により導電層を形成した後、該導電層上に前記電極材料をメッキあるいは蒸着するなど従来公知の方法により形成することができる。
なお、基板(P-2)は、透明基板(P-1)と同様に透明なものであってもよく、また電極層13は、透明電極層11と同様に透明電極であってもよい。
【0019】
透明基板(P-1)と透明電極層11の可視光透過率は高い方が好ましく、具体的には50%以上、特に好ましくは90%以上であることが望ましい。可視光透過率が50%未満の場合は光電変換効率が低くなることがある。
これら透明電極層11および電極層13の抵抗値は、各々100Ω/cm2以下であることが好ましい。電極層の抵抗値が100Ω/cm2を超えて高くなると光電変換効率が低くなることがある。
【0020】
金属酸化物半導体膜12は、基板(P-1)上に形成された透明電極層11上に形成されている。また金属酸化物半導体膜12は、基板(P-2)上に形成された電極層13上に形成されていてもよい。このような金属酸化物半導体膜12の膜厚は、0.1〜50μmの範囲にあることが好ましい。
このような金属酸化物半導体膜としては、酸化チタン、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオビウム、酸化タングステン、酸化ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムから選ばれる少なくとも1種または2種以上の金属酸化物からなる金属酸化物半導体膜を挙げることができる。
【0021】
このような金属酸化物半導体膜を構成する金属酸化物粒子は従来公知の方法によって製造することができる。上記金属の無機化合物塩あるいは有機金属化合物を用い、たとえばゾル・ゲル法によって得られる含水金属酸化物のゲルまたはゾルに、必要に応じて酸またはアルカリを添加したのち、加熱・熟成するなどの従来公知の方法で製造することができる。
【0022】
前記金属酸化物粒子の平均粒子径は5〜600nm、好ましくは10〜300nmの範囲にあることが望ましい。なお、金属酸化物粒子の粒子径はレーザードップラー式粒子径測定機(日機装(株)製:マイクロトラック)によって測定することができる。
金属酸化物粒子の平均粒子径が5nm未満であると、形成された金属酸化物半導体膜にクラックが発生しやすく、少ない回数でクラックのない厚膜を形成することが困難になることがあり、さらに金属酸化物半導体膜の細孔径、細孔容積が低下し光増感材の吸着量が低下することもある。また、金属酸化物粒子の平均粒子径が600nmを超えて大きい場合には、金属酸化物半導体膜の強度が不充分となることがある。
【0023】
さらに、前記金属酸化物粒子は、アナタース型酸化チタン、ブルッカイト型酸化チタン、ルチル型酸化チタンの1種または2種以上からなる結晶性酸化チタンであることが好ましい。このような結晶性酸化チタンはバンドギャップが高くかつ誘電率が高く、他の金属酸化物粒子に比較して光増感材の吸着量が高く、さらに安定性、安全性、膜形成が容易である等の優れた特性がある。
【0024】
また、前記金属酸化物半導体膜12は、前記金属酸化物粒子とともに酸化チタンバインダー成分を含んでいることが好ましい。
このような酸化チタンバインダー成分としては、ゾル・ゲル法などで得られた含水チタン酸ゲルまたはゾルからなる酸化チタン、含水チタン酸ゲルまたはゾルに過酸化水素を加えて含水チタン酸を溶解したペ ルオキソチタン酸の分解物などが挙げられる。
【0025】
なお、「ペルオキソチタン酸」とは過酸化水和チタンのことをいい、このような過酸化チタンは可視光領域に吸収を有しており、チタン化合物の水溶液、または水和酸化チタンのゾルまたはゲルに過酸化水素を加え、加熱することによって調製される。水和酸化チタンのゾルまたはゲルは、チタン化合物の水溶液に酸またはアルカリを加えて加水分解し、必要に応じて洗浄、加熱、熟成することによって得られる。使用されるチタン化合物としては特に制限はないが、ハロゲン化チタン、硫酸チタニル等のチタン塩、テトラアルコキシチタン等のチタンアルコキシド、水素化チタン等のチタン化合物を用いることができる。
【0026】
金属酸化物半導体膜12中の酸化チタンバインダー成分と金属酸化物粒子の比率は、酸化物換算の重量比(酸化チタンバインダー成分/金属酸化物粒子)で0.05〜0.50、好ましくは0.1〜0.3の範囲にあることが望ましい。重量比が0.05未満では、可視光領域の光の吸収が不充分であり、さらに光増感材の吸着量の増加しない場合がある。重量比が0.50を超えて高い場合は多孔質な金属酸化物半導体膜が得られない場合があり、さらに光増感材の吸着量を多くできないことがある。
【0027】
金属酸化物半導体膜12は、細孔容積が0.05〜0.8ml/g、平均細孔径が2〜250nmの範囲にあることが好ましい。細孔容積が0.05ml/gより小さい場合は光増感材吸着量が低くなり、また0.8ml/gを超えて高い場合には膜内の電子移動性が低下して光電変換効率を低下させることがある。また平均細孔径が2nm未満の場合は光増感材の吸着量が低下し、250nmを超えて高い場合は電子移動性が低下し光電変換効率が低下することもある。
【0028】
なお、本発明では半導体膜として、金属酸化物の代わりに、他の無機半導体材料から形成された無機半導体膜、有機半導体材料から形成された有機半導体膜、有機無機ハイブリッド半導体膜などを用いることができる。
たとえば、有機半導体材料としては、フタロシアニン、フタロシアニン−ビスナフトハロシアニン、ポリフェノール、ポリアントラセン、ポリシラン、ポリピロール、ポリアニリンなど従来公知の化合物を挙げることができる。
【0029】
次ぎに、本発明では、金属酸化物半導体膜12は光増感材を吸着している。
光増感材としては、可視光領域および/または赤外光領域の光を吸収して励起するものであれば特に制限はなく、たとえば有機色素、金属錯体などを用いることができる。
有機色素としては、分子中にカルボキシル基、ヒドロキシアルキル基、ヒドロキシル基、スルホン基、カルボキシアルキル基等の官能基を有する従来公知の有機色素が使用できる。具体的には、メタルフリーフタロシアニン、シアニン系色素、メタロシアニン系色素、トリフェニルメタン系色素およびウラニン、エオシン、ローズベンガル、ローダミンB、ジブロムフルオレセイン等のキサンテン系色素等が挙げられる。これらの有機色素は金属酸化物半導体膜への吸着速度が早いという特性を有している。
【0030】
また、金属錯体としては、特開平1-220380号公報、特表平5-504023号公報などに記載された銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニンなどの金属フタロシアニン、クロロフィル、ヘミン、ルテニウム-トリス(2,2'-ビスピリジル-4,4'-ジカルボキシラート)、シス-(SCN-)-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシレート)ルテニウム、ルテニウム-シス-ジアクア-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラート)などのルテニウム-シス-ジアクア-ビピリジル錯体、亜鉛-テトラ(4-カルボキシフェニル)ポルフィンなどのポルフィリン、鉄-ヘキサシアニド錯体等のルテニウム、オスミウム、鉄、亜鉛などの錯体を挙げることができる。これらの金属錯体は分光増感の効果や耐久性に優れている。
【0031】
上記の光増感材としての有機色素または金属錯体は単独で用いてもよく、有機色素または金属錯体の2種以上を混合して用いてもよく、さらに有機色素と金属錯体とを併用してもよい。
このような光増感材の吸着方法は、特に制限はなく、光増感材を溶媒に溶解した溶液を、ディッピング法、スピナー法、スプレー法等の方法により金属酸化物半導体膜に吸収させ、次いで乾燥する等の一般的な方法が採用できる。さらに必要に応じて前記吸収工程を繰り返してもよい。また、光増感材溶液を加熱環流しながら前記基板と接触させて光増感材を金属酸化物半導体膜に 吸着させることもできる。
【0032】
光増感材を溶解させる溶媒としては、光増感材を溶解しうるものであればよく、具体的には、水、アルコール類、トルエン、ジメチルホルムアミド、クロロホルム、エチルセルソルブ、N-メチルピロリドン、テトラヒドロフラン等を用いることができる。
金属酸化物半導体膜に吸着させる光増感材の量は、金属酸化物半導体膜の比表面積1cm2あたり50μg以上であることが好ましい。光増感材の量が50μg未満の場合、光電変換効率が不充分となることがある。
【0033】
本発明に係る光電気セルは、半導体膜12と透明電極層13(透明電極層表面に半導体膜が形成されている場合は、半導体膜と電極層)とを対向して配置し、側面を樹脂などでシールし、電極間に電解質と液晶からなる電解質層14を封入して形成される。
電解質としては、電気化学的に活性な塩とともに酸化還元系を形成する少なくとも1種の化合物との混合物が使用される。
【0034】
電気化学的に活性な塩としては、テトラプロピルアンモニウムアイオダイドなどの4級アンモニウム塩が挙げられる。
酸化還元系を形成する化合物としては、キノン、ヒドロキノン、ヨウ素(I-/I- 3)、沃化カリウム、臭素(Br-/Br- 3)、臭化カリウムなどが挙げられる。
【0035】
また本発明では、電解質とともに、必要に応じて液晶が使用される。
液晶としては、半導体膜に吸着した光増感材が脱着して溶解することのない程度に光増感材の溶解度の低いものであれば特に制限はなく、従来公知の液晶を用いることができる。
このような液晶としては、温度転移型液晶として従来公知のスメクティック液晶、ネマティック液晶、コレステリック液晶などを用いることができる。
【0036】
さらに、濃度転移型液晶、高分子液晶、高分子分散液晶、円盤状液晶などを用いることができる。なかでも、フッ素原子を含む液晶化合物を用いると、疎水性が高く長期安定性に優れている。
また、液晶とともに溶媒が含まれていてもよい。溶媒としては金属酸化物半導体膜に吸着した光増感材が脱着して溶解することのない程度に光増感材の溶解度の低いものが望ましい。このような溶媒として、具体的には、水、アルコール類、オリゴエーテル類、プロピオンカーボネート等のカーボネート類、燐酸エステル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、スルホラン66の硫黄化合物、炭酸エチレン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。
【0037】
さらに、溶媒として、たとえばビニルモノマーとジビニルモノマーとの混合物、N-メチロール化合物、ジカルボン酸などの反応性モノマーのような有機高分子化(ゲル化)剤を用いることができる。このような反応性モノマーを溶媒として、前記電解質を溶解し、セルを形成した後に、モノマーを硬化させれば電解質を固体化またはゲル化とすることができるので、光電気セルからの液漏れなどを抑制することができる。
【0038】
このような電解質層における電気化学的に活性な塩の濃度は、特に制限されるものではなく、通常、液晶化合物(溶媒が含まれる場合、液晶化合物と溶媒との合計)1リットルに対して、0.01〜5モル/リットル、好ましくは0.1〜2モル/リットルの範囲にあることが望ましい。なお、電気化学的に活性な塩の濃度が0.01モル/リットル未満では、濃度が低すぎるため、光増感材または電極との電子の授受能が低下して、光電変換効率が低下することがある。また、濃度が5モル/リットルを越えると、電気化学的に活性な塩が、液晶化合物および溶媒に溶解しないことがある。
【0039】
また酸化還元系を形成する化合物の濃度は、特に制限されるものではなく、通常、液晶化合物(溶媒が含まれる場合、液晶化合物と溶媒との合計)1リットルに対して、0.01〜5モル/リットル、好ましくは0.1〜2モル/リットルの範囲にあることが望ましい。なお、酸化還元系を形成する化合物の濃度が0.01モル/リットル未満では、濃度が低すぎるため、光増感材または電極との電子の授受能が低下して、光電変換効率が低下することがある。また、濃度が5モル/リットルを越えても、電子の授受能がさらに高くなることがなく、したがって光電変換効率が向上することもない。さらに濃度が5モル/リットルを越えると、長期安定性が低下することもある。
【0040】
電解質中における酸化還元系を形成する化合物と電気化学的に活性な塩とのモル比(酸化還元系を形成する化合物/電気化学的に活性な塩)は、1/20〜3/10の範囲にあることが好ましい。
溶媒が含まれている場合、溶媒の容積(VS)と液晶の容積(VLC)との容積(VS/VLC)比は、1.0以下、好ましく0.75以下の範囲であることが望ましい。容積比が1.0を越えると液晶の割合が少ないために、前述した光散乱効果による光エネルギー利用率の効果が不充分となり、また長期安定性が向上しないことがある。
【0041】
本発明に係る光電気セルは、表面に透明電極層11を有し、かつ該電極層11表面に光増感材を吸着した半導体膜12が形成された基板5と、表面に還元触媒能を有する電極層13を有する基板6とを、前記金属酸化物半導体膜12および電極層13が対向するように配置して、側面を樹脂にてシールし、金属酸化物半導体膜12と電極層13との間に電解質、液晶、および必要に応じて液晶や溶媒を封入し、さらに電極間をリード線で接続することによって作製される。
【0042】
以上のような本発明に係る光電気セルは、電解質層に液晶が含まれている場合は、液晶の光散乱効果により、光の入射角が大きくなっても受光量が大きく低下することがなく、安定的に光エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すことができる。また、入射光のうち光増感材の励起に関与せずに半導体膜によって反射された光が、液晶の光散乱効果により再度半導体膜中の光増感材に照射されて電気エネルギーに変換されるため、光エネルギーの変換効率を高めることができる。さらにまた、液晶として疎水性を有する液晶を用いると、吸湿性を有する電解質のみを用いた場合に比較して吸湿作用が低下するため、吸湿による電解質や光増感材、あるいは溶媒の分解による劣化抑制され、この結果、長期安定性が向上する効果が得られる。
【0043】
本発明に係る光電気セルは、必要に応じて、金属酸化物半導体膜と電極層との間に、スペーサ粒子を介在させてもよい。また、半導体膜にスペーサ粒子が埋設され、かつ該スペーサ粒子の少なくとも一部が電極層と接触するように半導体膜より露出していたものであってもよい。
なお、電極層表面に金属酸化物半導体膜が形成されている場合は、対向する透明電極層と金属半導体膜との間にスペーサ粒子を介在さればよい。
【0044】
このとき、スペーサ粒子としては金属酸化物半導体膜と電極層を損傷することがなくまた互いに接触することがないようにできれば特に制限はなく、球状スペーサ粒子、棒状スペーサ粒子等が使用でき、樹脂(プラスチック)、有機無機複合体、金属酸化物あるいはセラミックス等からなる従来公知の絶縁性粒子を用いることができる。スペーサ粒子7を介在させると、特に金属酸化物半導体膜12と電極層13の間隔が約1〜50μmと小さな範囲にある光電気セルを好適に得ることができる。
【0045】
樹脂製のスペーサ粒子としては、特公平7−95165号公報等に開示された樹脂粒子などが挙げられる。
有機無機複合体のスペーサ粒子としては、特開平7−140472号公報、特公平8−25739号公報などに開示された金属アルコキシドを加水分解して得られる粒子は好適に用いることができる。
【0046】
金属酸化物あるいはセラミックス製のスペーサ粒子としては、特開平3−218915号公報、特公平7−64548号公報等に開示された真球状の粒子は好適に用いることができる。
さらに、前記した各粒子の表面に合成樹脂を融着した粒子も好適に用いることができる。このような粒子としては、たとえば特開昭63−94224号公報に開示された樹脂被覆粒子は好適に用いることができる。特に接着性の樹脂を被覆した粒子は金属酸化物半導体膜および/または電極層と接着することにより固定され移動することがなく有効に均一なギャップ調整あるいは応力吸収効果を発揮することができる。
【0047】
透明基板(P-1)の外表面上に紫外線遮蔽膜16が形成され、該紫外線遮蔽膜16の表面に可視光反射防止膜15が形成されている。
本発明では、図1に示す光電気セルに限らず、反射防止膜および紫外線遮蔽膜のいずれか一方が透明基板(P-1)または基板(P-2)の外表面に形成されていればよい。また反射防止膜自体が2層以上の反射防止膜からなる積層膜であってもよく、紫外線遮蔽膜自体が2層以上の反射防止膜からなる積層膜であってもよく、反射防止膜と紫外線遮蔽膜とが複数層積層した積層膜であってもよい。
【0048】
より好ましくは、透明基板(P-1)の外表面に紫外線遮蔽膜が形成され、該紫外線遮蔽膜表面に反射防止膜が形成されていることが望ましい。
なお、紫外線遮蔽膜と反射防止膜とでは、反射防止膜の方が屈折率が高く、紫外線遮蔽膜と反射防止膜の屈折率の差は概ね0.3以上、さらに好ましくは0.6以上あることが望ましい。屈折率の差が0.3未満の場合は反射防止性能が不充分となる。
【0049】
より好ましくは、透明基板(P-1)の外表面に紫外線遮蔽膜が形成され、該紫外線遮蔽膜表面に反射防止膜が形成されていることが望ましい。
なお、紫外線遮蔽膜と反射防止膜とでは、反射防止膜の方が屈折率が低く、紫外線遮蔽膜と反射防止膜の屈折率の差は概ね0.3以上、さらに好ましくは0.6以上あることが望ましい。屈折率の差が0.3未満の場合は反射防止性能が不充分となる。
【0050】
マトリックス
本発明に用いる反射防止膜用マトリックスとしては、得られる反射防止膜が透明性を有し、下層の基板あるいは紫外線遮蔽膜より屈折率が低く、反射防止性能を有していれば特に制限はないが、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機酸化物、またはこれらの複合酸化物あるいはポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、ブチラール樹脂、フェノール樹脂、酢酸ビニル樹脂、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂等、これら樹脂の共重合体や変成体等の塗料用樹脂等が挙げられる。これらは基材等の種類、密着性、硬度、塗工性等を考慮して選択して用いることができる。
【0051】
これらのうちでも、シリカからなるマトリックスが好ましく、とくに加水分解性有機ケイ素化合物の部分加水分解物、加水分解重縮合物、またはアルカリ金属ケイ酸塩水溶液を脱アルカリして得られるケイ酸液の部分加水分解物、加水分解重縮合物からなるシリカマトリックスが好ましく、特に下記一般式[1]で表されるアルコキシシランの加水分解重縮合物に由来するシリカマトリックスが好ましい。
【0052】
aSi(OR')4-a [1]
(式中、Rはビニル基、アリール基、アクリル基、炭素数1〜8のアルキル基、水素原子またはハロゲン原子であり、R'はビニル基、アリール基、アクリル基、炭系数1〜8のアルキル基、−C24OCn2n+1(n=1〜4)または水素原子であり、aは0〜3の整数である。)
このようなアルコキシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラオクチルシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシランなどが挙げられる。
無機化合物粒子
反射防止膜には、必要に応じて無機化合物粒子が含まれていてもよく、このようなものとしては、屈折率が1.60以下、好ましくは1.50以下で、平均粒子径が5〜300nmの範囲にある酸化物微粒子または複合酸化物微粒子を好適に用いることができる。
【0053】
このような粒子として、本願出願人による特開平5−132309号公報、特開平7−133105号公報、特開平10−194721号公報、特開平10−45403号公報等に開示したシリカ系コロイド粒子を好適に用いることができる。
特に、複合酸化物微粒子の中でも、シリカとシリカ以外の無機酸化物からなり、多孔質の核粒子または空洞と、厚さが1〜50nmの範囲にあるシリカ被覆層からなり、シリカをSiO2で表し、シリカ以外の無機酸化物をMOxで表したときのモル比MOx/SiO2が0.0001〜0.3の範囲にあり、平均粒子径が5〜300nmの範囲にあるような複合酸化物微粒子は、屈折率が通常1.40以下と低く、このような複合酸化物微粒子を含んでなる反射防止膜は屈折率が1.43以下となり、優れた反射防止性能を有している。
【0054】
本発明で使用される無機化合物粒子の平均粒子径が5nm未満の場合は、基材あるいは後述する紫外線防止膜との密着性を向上する効果が充分得られず、平均粒子径が300nmを越えると、反射防止膜の透明性が低下したり、膜にクラックが発生することがある。すなわち無機化合物粒子の平均粒子径が上記範囲にあると基材等との密着性に優れ、膜の強度にも優れた反射防止膜が得られる。
【0055】
このような反射防止膜の膜厚は、50〜500nm、好ましくは80〜300nmの範囲にあることが好ましい。
反射防止膜の膜厚が500nmを越える場合は、反射防止膜が厚すぎて光透過率が低下して透明性が悪化したり外観も悪くなる。
このような反射防止膜は以下に示す(1)または(2)の反射防止膜形成用塗布液を用いて形成される。
【0056】
(1)反射防止膜形成用塗布液
マトリックスとして、前記した樹脂を用いる場合は、反射防止膜形成用マトリックスと必要に応じて前記無機化合物粒子が水および/または有機溶媒に溶解あるいは分散された反射防止膜形成用塗布液(1)を用いる。
【0057】
反射防止膜形成用塗布液(1)中の無機化合物粒子とマトリックスの重量割合は、無機化合物粒子/マトリックス=1/99〜9/1の範囲が望ましい。重量比が9/1を越えると、形成される反射防止膜の強度が不足して実用性に欠ける一方、1/99未満では密着性や強度に優れた反射防止膜の形成が困難である。
【0058】
(2)反射防止膜形成用塗布液
マトリックスとして、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機酸化物、またはこれらの複合酸化物を使用する場合、アルコキシシラン、ハロゲン化シラン、ケイ酸などのケイ素化合物、チタンアルコキシド、四塩化チタンなどのTi化合物、ジルコニウムアルコキシドなどのZr、Zn化合物の塩の1種または2種以上を、水および/または有機溶媒中で酸または塩基触媒の存在下、加水分解・重縮合してマトリックス前駆体分散液を調製し、マトリックス前駆体分散液に必要に応じて前記無機化合物粒子を混合して反射防止膜形成用塗布液を得る。
【0059】
このようにして得られる塗布液中に含まれるマトリックス前駆体の濃度は、酸化物換算で0.05〜10重量%の範囲にあることが好ましい。特に好ましくは0.2〜5.0重量%の範囲である。
塗布液に含まれるマトリックス前駆体の濃度が0.05重量%未満の場合は、得られる膜の膜厚が薄いために耐薬品性や反射防止性能に劣ることがあり、また1回の塗布で充分な膜厚の膜を得られないことがあり、塗布を繰り返して行っても均一な膜厚の膜が得られないことがある。
【0060】
マトリックス前駆体の濃度が10重量%を越えると得られる膜にクラックが生じたり、膜の強度が低下することがある。また膜が厚すぎて反射防止性能が不充分となることがある。
このようなマトリックス前駆体の分子量はポリスチレン換算の分子量で500〜10,000の範囲にあることが好ましく、特に好ましい範囲は700〜2,500である。
【0061】
ポリスチレン換算の分子量で500未満の場合は、塗布液中に未加水分解物が存在することがあり、均一に塗布できないことがある。また仮に塗布したとしても下層との密着性に劣ることがある。ポリスチレン換算の分子量で10,000を越えると被膜の強度が低下する傾向にある。
また、塗布液中の必要に応じて用いる無機化合物粒子の濃度は、酸化物換算で0.05〜3重量%の範囲にあることが好ましい。特に好ましくは0.2〜2重量%の範囲である。
【0062】
塗布液に含まれる無機化合物粒子の濃度が0.05重量%未満の場合は、無機化合物粒子の量が少なすぎて得られる反射防止膜の屈折率が充分低くならず反射防止性能に劣ることがあり、無機化合物粒子の濃度が3重量%を越えると得られる膜にクラックが生じたり、膜の強度が低下することがある。
さらにまた、本発明で使用される反射防止膜形成用塗布液(1)および(2)には、フッ化マグネシウムなどの低屈折率材料で構成された微粒子、反射防止膜の透明度および反射防止性能を阻害しない程度に少量の導電性微粒子および/または染料または顔料などの添加剤が含まれていてもよい。
【0063】
反射防止膜の形成
反射防止膜の形成方法としては、特に制限はなく、真空蒸発法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの乾式薄膜形成方法、あるいはディッピング法、スピナー法、スプレー法、ロールコーター法、フレキソ印刷法などの方法で塗布した後乾燥する湿式薄膜形成方法を採用することができる。
【0064】
中でも湿式薄膜形成方法は安価に反射防止膜を形成できるので好ましい。
また、得られる反射防止膜の膜厚は、50〜500nm、好ましくは80〜300nmの範囲であることが好ましい。
反射防止膜の膜厚が50nm未満の場合は、膜の強度、耐薬品性、反射防止性能等が劣ることがある。
【0065】
反射防止膜の膜厚が500nmを越えると、膜にクラックが発生したり膜の強度が低下することがあり、また膜が厚すぎて反射防止性能が不充分となることがある。
前記範囲の膜厚であると膜強度や耐擦傷性に優れるとともに優れた反射防止性能を発揮する。このため、光電気セルは太陽光の利用率が高く、高い光電変換効率を得ることができる。
【0066】
本発明では、このような反射防止膜形成用塗布液を塗布して形成した膜を、乾燥時、または乾燥後に、100℃以上で加熱するか、未硬化の被膜に可視光線よりも波長の短い紫外線、電子線、X線、γ線などの電磁波を照射する。このような加熱処理、紫外線照射、電磁波照射などの処理を行うと、マトリックス前駆体の硬化が促進され、得られる反射防止膜の硬度が高くなる。
【0067】
[紫外線遮蔽膜]
紫外線遮蔽膜は、紫外線遮蔽膜形成用マトリックスとCe、Fe、Ti、Sb、Zr、Znからなる群から選ばれる1種以上の金属の酸化物粒子、または、Ce、Fe、Ti、Sb、Zr、Znからなる群から選ばれる2種以上の金属の複合酸化物粒子とからなっている。
【0068】
紫外線遮蔽膜用マトリックス
本発明に用いる紫外線遮蔽膜用マトリックスとしては、得られる紫外線遮蔽膜が透明性を有し、塗布面との密着性がければ特に制限はなく、前記反射防止膜用のマトリックスと同様のものが挙げられる。
具体的には、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機酸化物、またはこれらの複合酸化物あるいはポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、ブチラール樹脂、フェノール樹脂、酢酸ビニル樹脂、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂等、これら樹脂の共重合体や変成体等の塗料用樹脂等が挙げられる。これらは基材等の種類、密着性、硬度、塗工性等を考慮して、適宜選択して用いることができる。
【0069】
紫外線遮蔽用粒子
紫外線遮蔽用粒子としてはCe、Fe、Ti、Sb、Zr、Znからなる群から選ばれる1種以上の金属の酸化物粒子、または、Ce、Fe、Ti、Sb、Zr、Znからなる群から選ばれる2種以上の金属の複合酸化物粒子が用いられる。これら粒子は紫外線遮蔽能力を有するとともに屈折率が1.8以上と高いために得られる紫外線遮蔽膜の屈折率も高ので、高い反射防止性能を有している。
【0070】
このような紫外線遮蔽用粒子として、本願出願人による特開平10−182152号公報、特開平2−178219号公報、特開昭62−283817号公報等に開示したコロイド粒子を好適に用いることができる。
このような紫外線遮蔽用粒子は、平均粒子径が5〜500nmの範囲にあることが好ましい。さらに好ましい範囲は5〜200nmである。紫外線遮蔽用粒子の平均粒子径が5nm未満の場合は、基材との密着性を向上する効果が充分得られず、平均粒子径が500nmを越えると、紫外線遮蔽膜の透明性が低下したり、膜にクラックが発生することがある。紫外線遮蔽用粒子の平均粒子径が上記範囲にあると基材等との密着性に優れ、膜の強度にも優れた紫外線遮蔽膜が得られる。
【0071】
紫外線遮蔽膜中の紫外線遮蔽用粒子の割合は1〜99重量%の範囲にあることが好ましい。さらに好ましい範囲は30〜80重量%である。
紫外線遮蔽膜中の紫外線遮蔽用粒子の割合は1重量%未満の場合は紫外線遮蔽効果や基材との密着性を向上する効果が充分得られず、99重量%を越えると膜の強度が不充分となることがある。
【0072】
このような紫外線遮蔽膜は以下に示す(1)または(2)の紫外線遮蔽膜形成用塗布液を用いて形成される。
(1)紫外線遮蔽膜形成用塗布液
マトリックスとして、前記した樹脂を用いる場合は、マトリックスと前記紫外線遮蔽用粒子が水および/または有機溶媒に溶解あるいは分散された紫外線遮蔽膜形成用塗布液(1)を用いる。
【0073】
紫外線遮蔽膜形成用塗布液(1)中の紫外線遮蔽用粒子とマトリックスの重量割合は、紫外線遮蔽用粒子/マトリックス=1/99〜9/1の範囲が望ましい。重量比が9/1を越えると被膜の強度が不足して実用性に欠ける一方、1/99未満では基材との密着性や強度に優れた紫外線遮蔽膜の形成が困難である。
(2)紫外線遮蔽膜形成用塗布液
マトリックスとして、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機酸化物、またはこれらの複合酸化物を使用する場合、アルコキシシラン、ハロゲン化シラン、ケイ酸などのケイ素化合物、チタンアルコキシド、四塩化チタンなどのTi化合物、ジルコニウムアルコキシドなどのZr、Zn化合物の塩の1種または2種以上を、水および/または有機溶媒中で酸または塩基触媒の存在下、加水分解するとマトリックス前駆体分散液を調製したのち、このマトリックス前駆体分散液に必要に応じて前記紫外線遮蔽用粒子を混合して紫外線遮蔽膜形成用塗布液を得る。
【0074】
このようにして得られる塗布液中に含まれるマトリックス前駆体の濃度は、酸化物換算で0.05〜10重量%の範囲にあることが好ましい。特に好ましくは0.2〜5.0重量%の範囲である。
このようにして得られる塗布液中に含まれるマトリックス前駆体の濃度は、酸化物換算で0.05〜10重量%の範囲にあることが好ましい。特に好ましくは0.2〜5.0重量%の範囲である。
【0075】
塗布液に含まれるマトリックス前駆体の濃度が0.05重量%未満の場合は、1回の塗布で充分な膜厚の膜を得られないことがあり、塗布を繰り返して行っても均一な膜厚の膜が得られないことがある。
マトリックス前駆体の濃度が10重量%を越えると得られる膜にクラックが生じたり、膜の強度が低下することがある。また得られる膜の膜厚が不均一になったり、表面の平坦性に欠ける傾向がある。
【0076】
また、塗布液中の紫外線遮蔽用粒子の濃度は、酸化物換算で0.05〜30重量%の範囲にあることが好ましい。特に好ましくは1〜10重量%の範囲である。
塗布液に含まれる紫外線遮蔽用粒子の濃度が1重量%未満の場合は、紫外線遮蔽用粒子の量が少なすぎて得られる紫外線遮蔽膜の紫外線遮蔽能に劣ることがあり、紫外線遮蔽用粒子の濃度が30重量%を越えると得られる膜にクラックが生じたり、膜の強度が低下することがある。
【0077】
さらにまた、本発明で使用される紫外線遮蔽膜形成用塗布液(1)および(2)には、紫外線遮蔽膜の透明度および紫外線遮蔽効果を阻害しない程度に少量の導電性微粒子および/または染料または顔料などの添加剤が含まれていてもよい。
紫外線遮蔽膜の形成
紫外線遮蔽膜の形成方法としては、ディッピング法、スピナー法、スプレー法、ロールコーター法、フレキソ印刷法などの方法で塗布した後、乾燥する湿式薄膜形成方法を好適に採用することができる。
【0078】
このとき、得られる紫外線遮蔽膜の膜厚は10〜500nm、好ましくは50〜200nmの範囲であることが好ましい。
紫外線遮蔽膜の膜厚が10nm未満の場合は、膜の強度、紫外線遮蔽能などのが低下したり、可視光低反射能が不充分となることがある。
紫外線遮蔽膜の膜厚が500nmを越えると、膜にクラックが発生したり膜の強度が低下することがあり、また膜が厚すぎて可視光低反射能が不充分となることがある。
【0079】
前記範囲の膜厚であると膜強度に優れるとともに優れた紫外線遮蔽能を発揮する。このため、光電気セルは、長期間使用しても電解質あるいは溶媒が劣化・変質したり、変質して漏出することがなく、分光増感色素を脱離させたり劣化させることもなく、このため高い光電変換効率(性能)を長期間維持することができる。
【0080】
本発明では、このような紫外線防止膜形成用塗布液を塗布して形成した膜を、乾燥時、または乾燥後に、100℃以上で加熱するか、未硬化の被膜に可視光線よりも波長の短い紫外線、電子線、X線、γ線などの電磁波を照射することができる。このような処理によって、マトリックス前駆体の硬化が促進され、得られる紫外線防止膜の硬度が高くなる。
【0081】
以上のような本発明に係る光電気セルは、基板の外表面上に可視光反射防止膜形成されている場合、照射可視光のうち入射光が多く可視光利用率の高い光電気セルを得ることができる。また紫外線遮蔽膜が形成されている場合、また長期間使用しても電解質あるいは溶媒が劣化・変質したり、変質して漏出することがなく、またし分光増感色素を脱離させたり劣化させることもない。このため、本発明によれば、高い光電変換効率(性能)を長期間維持できる光電気セルを得ることができる。
【0082】
また、上記可視光反射防止膜および/または紫外線遮蔽膜は反射防止膜形成用塗布液および/または紫外線遮蔽膜形成用塗布液を用いることにより形成できる。このような被膜は、膜強度、基材との密着性、透明性等に優れるとともに安価に形成することができる。
【0083】
【発明の効果】
本発明によれば、照射可視光のうち入射光が多くこのため可視光利用率の高い光電気セルを得ることができるとともに、また長期間使用しても電解質あるいは溶媒が劣化・変質したり、変質して漏出することがなく、分光増感色素を脱離させたり劣化させることもなく、高い光電変換効率(性能)を長期間維持できる光電気セルを得ることができる。
【0084】
【実施例】
以下、実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【0085】
【実施例1】
マトリックス前駆体分散液の調製
正珪酸エチル(TEOS)(SiO2:28重量%)50g、エタノール194.6g、濃硝酸1.4gおよび純水34gの混合溶液を室温で5時間撹拌してSiO2濃度5重量%のマトリックス前駆体分散液を調製した。
【0086】
紫外線遮蔽膜形成用塗布液の調製
上記マトリックス前駆体分散液100gに紫外線遮蔽用粒子として酸化チタンコロイド(触媒化成工業(株)製:HPW-15R、平均粒子径15nm、濃度30重量%)100gを混合して紫外線遮蔽膜形成用塗布液(A)を調製した。
可視光反射防止膜形成用塗布液の調製
まず、以下のようにして粒子内部が空洞である無機化合物粒子を調製した。
【0087】
平均粒径5nm、SiO2濃度20重量%のシリカゾル10gと純水190gとを混合して反応母液を調製し、95℃に加温した。この反応母液のpHは10.5であった。この反応母液に、SiO2に換算して1.5重量%の濃度のケイ酸ナトリウム水溶液24,900gと、Al23に換算して0.5重量%の濃度のアルミン酸ナトリウム水溶液36,800gとを同時に添加した。その間、反応液の温度を95℃に保持した。反応液のpHは、ケイ酸ナトリウムおよびアルミン酸ナトリウムの添加直後、12.5に上昇し、その後、ほとんど変化しなかった。
【0088】
添加終了後、反応液を室温まで冷却し、限外濾過膜で洗浄して固形分濃度20重量%のSiO2・Al23多孔質物質前駆体粒子の分散液を調製した。
次いで、この多孔質物質前駆体粒子の分散液500gを採取し、純水1,700gを加えて98℃に加温し、この温度を保持しながら、ケイ酸ナトリウム水溶液を陽イオン交換樹脂で脱アルカリして得られたケイ酸液(SiO2濃度3.5重量%)3,000gを添加して多孔質物質前駆体粒子表面にシリカ保護膜を形成した。得られた多孔質物質前駆体粒子の分散液を、限外濾過膜で洗浄して固形分濃度13重量%に調整したのち、多孔質物質前駆体粒子の分散液500gに純水1,125gを加え、さらに濃塩酸(35.5%)を滴下してpH1.0とし、脱アルミニウム処理を行ったのち、pH3の塩酸水溶液10Lと純水5Lを加えながら限外濾過膜で溶解したアルミニウム塩を分離し、粒子前駆体分散液を調製した。
【0089】
上記粒子前駆体分散液1500gと、純水500g、エタノール1,750gおよび28%アンモニア水626gとの混合液を35℃に加温した後、エチルシリケート(SiO2:28重量%)104gを添加し、粒子前駆体表面にエチルシリケートの加水分解重縮合物でシリカ外殻層を形成することによって、外殻層内部に空洞を有する粒子を作製した。次いで、エバポレーターで固形分濃度5重量%まで濃縮した後、濃度15重量%のアンモニア水を加えてpH10とし、オートクレーブで180℃、2時間加熱処理し、限外濾過膜を用いて分散媒をエタノールに置換した固形分濃度20重量%の内部が空洞である無機化合物粒子の分散液を調製した。
【0090】
得られた粒子の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した。その結果、外殻層内部に空洞が形成された粒子が得られた。またこの粒子のAl23/SiO2モル比は0.0022、平均粒子径は96nm、屈折率は1.31であった。次いで、先に調製したSiO2濃度5重量%のマトリックス前駆体分散液に、エタノール/ブタノール/ジアセトンアルコール/イソプロピルアルコール(2:1:1:5重量混合比)の混合溶媒を加え、上記で調製した無機化合物粒子分散液を無機化合物粒子の濃度が0.2重量%、マトリックス前駆体SiO2濃度1重量%の可視光反射防止膜形成用塗布液(A)を調製した。
【0091】
紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板の調製
フッ素ドープした酸化スズを電極として形成した透明ガラス基板を40℃に保持しながら、電極の反対側の面に紫外線遮蔽膜形成用塗布液(A)をスピナー法で100rpm、90秒の条件で、紫外線遮蔽膜の膜厚が120nmとなるように塗布し乾燥した。
【0092】
ついで、紫外線遮蔽膜上に、同じように、スピナー法で100rpm、90秒の条件で、可視光反射防止膜の膜厚が100nmとなるように塗布し乾燥し、160℃で30分間加熱処理して紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板(A)を調製した。
紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板(A)について、反射率計(大塚電子(株)製:MCPD-2000)を用いて反射率を測定した。なお波長400〜700nmの範囲で反射率が最も低い波長での反射率をボトム反射率として、また波長400〜700nmの範囲における平均反射率を視感反射率とした。
【0093】
結果を表1に示す。
半導体膜用金属酸化物粒子の調製
5gの水素化チタンを1Lの純水に懸濁し、濃度5%過酸化水素液400gを30分かけて添加し、ついで80℃に加熱して溶解してペルオキソチタン酸の溶液を調製した。これに濃アンモニア水を添加してpH9に調整し、オートクレーブに入れ、250℃で5時間、飽和蒸気圧下で水熱処理を行ってチタニアコロイド粒子(A)を調製した。X線回折により結晶性の高いアナターゼ型酸化チタンであった。平均粒子径は表40nmであった。
【0094】
半導体膜形成用塗布液の調製
次に、上記で得られたチタニアコロイド粒子(A)を濃度10%まで濃縮し、これに前記ペルオキソチタン酸溶液を混合し、この混合物中のチタンをTiO2に換算したときの重量の30重量%となるように、膜形成助剤であるヒドロキシプロピルセルロースを添加して半導体膜形成用塗布液を調製した。
【0095】
半導体膜の形成
次いで、上記紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜を形成した電極付き透明ガラス基板の電極面上に塗布し、自然乾燥し、引き続き低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソチタン酸を分解(加水分解・重縮合)させ、半導体膜を硬化させた。さらに、300℃で30分間加熱してヒドロキシプロピルセルロースの分解およびアニーリングを行って酸化チタン半導体膜(A)を形成した。
【0096】
得られた酸化チタン半導体膜(A)の膜厚および窒素吸着法によって求めた細孔容積と平均細孔径を表1に示す。
分光増感色素の吸着
分光増感色素としてシス-(SCN-)-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシレート)ルテニウム(II)で表されるルテニウム錯体の濃度3×10-4モル/リットルのエタノール溶液を調製した。この分光増感色素溶液を、rpm100スピナーを用いて、酸化チタン半導体膜(A)上へ塗布して乾燥した。この塗布および乾燥工程を5回行った。得られた酸化チタン半導体膜の分光増感色素の吸着量は、酸化チタン膜(A)の比表面積1cm2あたりの吸着量として表1に示す。なお、塗布乾燥後の半導体膜の重量増分を吸着量とした。
光電気セルの作成
先ず、溶媒としてアセトニトリルと炭酸エチレンの体積比が1:4の比でを混合した溶媒にテトラプロピルアンモニウムアイオダイドとヨウ素とを、それぞれの濃度が0.46モル/L、0.06モル/Lとなるように溶解して電解質溶液を調製した。
【0097】
前記で調製した紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板(A)電極を一方の電極とし、他方の電極としてフッ素ドープした酸化スズを電極として形成し、その上に白金を担持した透明ガラス基板を対向して配置し、側面を樹脂にてシールし、電極間に上記の電解質溶液を封入し、さらに電極間をリード線で接続して光電気セル(A)を作製した。
【0098】
得られた光電気セルについて、以下の評価を行った。
性能評価 (1)
光電気セル(A)は、ソーラーシュミレーターで100W/m2の強度の光を照射して、Voc(開回路状態の電圧)、Joc(回路を短絡したときに流れる電流の密度)、FF(曲線因子)およびη(変換効率)を測定し結果を表に示した。
【0099】
性能評価 (2)
光電気セル(A)の可視光反射防止膜面上20cmの距離からアイスーパーUVテスター(岩崎電気(株)製:100mW/cm2)を10時間照射し、性能評価(1)と同様にVoc、Joc、FFおよびηを測定し結果を表に示した。
【0100】
【実施例2】
紫外線遮蔽用粒子として酸化チタン・酸化鉄複合コロイド(触媒化成工業(株)製:サンベールF、平均粒子径25nm、濃度30重量%)100gを混合して紫外線遮蔽膜形成用塗布液(B)を調製して用いた以外は実施例1と同様にして、光り電気セル(B)を作製し、性能評価(1)および性能評価(2)を行った。
【0101】
結果を表1に示す。
【0102】
【実施例3】
紫外線遮蔽用粒子として酸化セリウムコロイド(触媒化成工業(株)製:サンベールA、平均粒子径18nm、濃度30重量%)100gを混合して紫外線遮蔽膜形成用塗布液(C)を調製して用いた以外は実施例1と同様にして光電気セル(C)を作製し、性能評価(1)および性能評価(2)を行った。
【0103】
結果を表1に示す。
【0104】
【実施例4】
紫外線遮蔽用粒子として酸化チタン・酸化ジルコニウム複合コロイド(触媒化成工業(株)製:サンベールZ、平均粒子径20nm、濃度30重量%)100gを混合して紫外線遮蔽膜形成用塗布液(D)を調製して用いた以外は実施例1と同様にして光電気セル(D)を作製し、性能評価(1)および性能評価(2)を行った。
【0105】
結果を表1に示す。
【0106】
【実施例5】
紫外線遮蔽膜形成用塗布液の調製
紫外線遮蔽用粒子として酸化チタンコロイド(触媒化成工業(株)製:HPW-15R、平均粒子径15nm、濃度30重量%)100gを用い、これを限外濾過膜に通し、分散媒をエタノールに置換した。このエタノールゾル(固形分濃度5重量%)50gと、アクリル樹脂(日立化成(株)製:ヒタロイド1007)3gおよびイソプロパノールとn−ブタノールの1/1(重量比)混合溶媒47gとを充分に混合して紫外線遮蔽膜形成用塗布液(E)を調製した。
【0107】
可視光反射防止膜形成用塗布液の調製
実施例1で用いた、分散媒をエタノールに置換した固形分濃度20重量%の内部が空洞である無機化合物粒子の分散液に、さらにエタノールを加えて固形分濃度を5重量%に調製し、これを50g採取し、アクリル樹脂(日立化成(株)製:ヒタロイド1007)3gおよびイソプロパノールとn−ブタノールの1/1(重量比)混合溶媒47gとを充分に混合して可視光反射防止膜形成用塗布液(E)を調製した。
【0108】
紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板の調製
フッ素ドープした酸化スズを電極層として形成した透明ポリイミドフィルム基板を40℃に保持しながら、電極の反対側の面に紫外線遮蔽膜形成用塗布液(E)をバーコーター法(スピナー法で100rpm、90秒の条件)で、紫外線遮蔽膜の膜厚が100nmとなるように塗布し乾燥した。
【0109】
ついで、紫外線遮蔽膜上に、同じように、バーコーター法(スピナー法で100rpm、90秒の条件)で、可視光反射防止膜の膜厚が100nmとなるように塗布し乾燥し、160℃で30分間加熱処理して紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板(E)を調製た。
紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ガラス基板(E)について、平均反射率を視感反射率を測定した。結果を表1に示す
半導体膜の形成
次いで、上記紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜を形成した電極付き透明ガラス基板の電極面上に、実施例1で用いたと同じ半導体膜形成用塗布液を塗布し、自然乾燥し、引き続き低圧水銀ランプを用いて6000mJ/cm2の紫外線を照射してペルオキソ酸を分解させ、半導体膜を硬化させた。
【0110】
さらに、250℃で30分間加熱してヒドロキシプロピルセルロースの分解およびアニーリングを行って酸化チタン半導体膜(E)を形成した。
得られた酸化チタン半導体膜(E)の膜厚および窒素吸着法によって求めた細孔容積と平均細孔径を表1に示す。
分光増感色素の吸着
次に、実施例1と同様に、分光増感色素(シス-(SCN-)-ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシレート)ルテニウム(II)で表されるルテニウム錯体を吸着させた。吸着量を表1に示す。
光電気セルの作成
前記で調製した紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜付ポリイミドフィルム基板電極を一方の電極とし、他方の電極としてフッ素ドープした酸化スズを電極として形成し、その上に白金を担持した透明ポリイミドフィルム基板を対向して配置し、側面を樹脂にてシールし、電極間に上記の電解質溶液を封入し、さらに電極間をリード線で接続して光電気セル(E)を作製し、実施例1と同様にして性能評価(1)および性能評価(2)を行った。
【0111】
結果を表1に示す。
【0112】
【比較例1】
光電気セルの作成
実施例1において、紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜を形成することなくフッ素ドープした酸化スズを電極として形成した透明ガラス基板を用いた以外は実施例1と同様にして光電気セル(F)を作製し、性能評価(1)および性能評価(2)を行い結果を表に示した。
【0113】
【比較例2】
光電気セルの作成
実施例5において、紫外線遮蔽膜・可視光反射防止膜を形成することなくフッ素ドープした酸化スズを電極として形成した透明ポリイミドフィルム基板を一方の電極として用いた以外は実施例5と同様にして光電気セル(G)を作製し、性能評価(1)および性能評価(2)を行った。
【0114】
結果を表1に示す。
【0115】
【表1】

Figure 0004100863

【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の光電気セルの一実施例の模式断面図を示す。
【符号の説明】
10……光電気セル
11……透明電極層
12……半導体膜
13……表面に還元触媒能を有する電極層
14……電解質
15……可視光反射防止膜
16……紫外線遮蔽膜
P-1、P-2……基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic cell that converts light energy into electrical energy and extracts it. More specifically, the present invention relates to light that has a high visible light utilization rate and that can stably maintain high photoelectric conversion efficiency over a long period of time. It relates to an electric cell.
[0002]
TECHNICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
The photoelectric conversion material is a material that can continuously extract light energy as electric energy, and is a material that converts light energy into electric energy using an electrochemical reaction between electrodes. When such a photoelectric conversion material is irradiated with light, electrons are generated on one electrode side, move to the counter electrode, and the electrons moved to the counter electrode move as ions in the electrolyte and return to the one electrode. Since this photoelectric energy conversion occurs continuously, it is used, for example, in solar cells.
[0003]
In general solar cells, a semiconductor film for a photoelectric conversion material is first formed on a support such as a glass plate on which a transparent conductive film is formed, and then another transparent conductive film is used as a counter electrode. A support such as a formed glass plate is provided, and an electrolyte is sealed between these electrodes.
When the photosensitizer adsorbed on the semiconductor for photoelectric conversion material is irradiated with sunlight, the photosensitizer absorbs light in the visible region and is excited. The electrons generated by this excitation move to the semiconductor, then move to the transparent conductive glass electrode, move to the counter electrode through the conducting wire connecting the two electrodes, and the electrons transferred to the counter electrode are oxidized in the electrolyte. Reduce the reduction system. On the other hand, the photosensitizer that has moved electrons to the semiconductor is in an oxidant state, but this oxidant is reduced by the redox system in the electrolyte and returns to its original state. In this way, electrons flow continuously, and the photoelectric conversion material functions as a solar cell.
[0004]
As this photoelectric conversion material, a material obtained by adsorbing a spectral sensitizing dye having absorption in the visible light region on the semiconductor surface is used. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-220380 describes a solar cell having a spectral sensitizing dye layer made of a transition metal complex such as a ruthenium complex on the surface of a metal oxide semiconductor layer. Japanese Patent Publication No. 5-504023 describes a solar cell having a spectral sensitizing dye layer made of a transition metal complex such as a ruthenium complex on the surface of a titanium oxide semiconductor layer doped with metal ions.
[0005]
In such a solar cell, the electrolyte may be dissolved in a solvent and used as an electrolytic solution. An organic solvent such as alcohol may be used as the solvent at this time, and an organic electrolyte is used as the electrolyte. Sometimes.
However, in such a solar cell, when used for a long period of time, the electrolyte or solvent may deteriorate or deteriorate, the electrolytic solution itself may leak, and the photosensitizer may be detached or decomposed. Therefore, there has been a problem that the photoelectric conversion efficiency is lowered. Moreover, since performance is not necessarily sufficient depending on a use, it is calculated | required to raise the utilization factor and conversion efficiency of sunlight further.
[0006]
Under such circumstances, the present inventors have intensively studied to solve the above problems, and as a result, by forming a visible light antireflection film and / or an ultraviolet shielding film on the outer surface of the substrate, the above problems can be solved. The inventors have found that a photoelectric cell in which all the points are eliminated can be obtained, and have completed the present invention.
[0007]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has a high utilization factor of visible light, and does not deteriorate the photosensitizer, the organic electrolyte, the organic solvent for dissolving the electrolyte, and the like. Therefore, light that can stably maintain high photoelectric conversion efficiency and the like over a long period of time. It aims to provide an electric cell.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION
The photovoltaic cell according to the present invention comprises:
A substrate (P-1) comprising a metal oxide semiconductor film (2) having an electrode layer (1) on the surface and adsorbing a photosensitizer on the surface of the electrode layer (1);
A substrate (P-2) having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layer (1) and the electrode layer (3) are arranged so as to face each other,
At least one of the substrate and the electrode layer has transparency,
In the photoelectric cell in which the electrolyte layer is provided between the metal oxide semiconductor film (2) and the electrode layer (3),
A visible light antireflection film and / or an ultraviolet shielding film is formed on the outer surface of at least one of the transparent substrate (P-1) and / or the substrate (P-2).
[0009]
The purple ultraviolet shielding film is formed on the outer surface of the transparent substrate (P-1), a visible light antireflection film is formed on the ultraviolet shielding film, and
The refractive index of the visible light antireflection film is preferably lower than the refractive index of the ultraviolet shielding film.
The ultraviolet shielding film is one or more metal oxide particles selected from the group consisting of Ce, Fe, Ti, Sb, Zr, Zn, or from the group consisting of Ce, Fe, Ti, Sb, Zr, Zn. It is preferable to comprise composite oxide particles of two or more kinds of metals selected.
[0010]
The visible light antireflection film is obtained by applying and drying a visible light antireflection film-forming coating solution, followed by heat treatment,
It is preferable that the ultraviolet shielding film is obtained by applying and drying an ultraviolet shielding film-forming coating solution, followed by heat treatment.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The photoelectric cell according to the present invention will be specifically described below.
[Photoelectric cell]
The photovoltaic cell according to the present invention comprises:
A substrate (P-1) comprising a metal oxide semiconductor film (2) having an electrode layer (1) on the surface and adsorbing a photosensitizer on the surface of the electrode layer (1);
A substrate (P-2) having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layer (1) and the electrode layer (3) are arranged so as to face each other,
At least one of the substrate and the electrode layer has transparency,
In the photoelectric cell in which the electrolyte layer is provided between the metal oxide semiconductor film (2) and the electrode layer (3),
A visible light antireflection film and / or an ultraviolet shielding film is formed on the outer surface of at least one of the transparent substrate (P-1) and / or the substrate (P-2).
[0012]
An example of such a photoelectric cell is shown in FIG.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of a photoelectric cell 10 according to the present invention.
A substrate (P-1) having a transparent electrode layer 11 on the surface and a semiconductor film 12 having a photosensitizer adsorbed on the surface of the transparent electrode layer 11, and an electrode layer having a reduction catalytic ability on the surface A substrate (P-2) having 13 is disposed so that the electrode layers 11 and 13 face each other.
[0013]
An electrolyte 14 is sealed between the metal oxide semiconductor film 12 and the electrode layer 13,
An ultraviolet shielding film 16 is formed on the outer surface of at least one of the transparent substrates (P-1), and a visible light antireflection film 15 is further formed on the surface of the ultraviolet shielding film 16.
[0014]
As the transparent substrate (P-1), a transparent and insulating substrate such as a glass substrate or an organic polymer substrate such as PET can be used.
The substrate (P-2) is not particularly limited as long as it has enough strength to withstand use. In addition to transparent insulating substrates such as glass substrates and organic polymer substrates such as PET, metallic titanium, metallic aluminum, metallic copper A conductive substrate such as metallic nickel can be used.
[0015]
Furthermore, a deformable substrate such as a PET film is used as the transparent substrate (P-1) and the substrate (P-2) by interposing a spacer between the metal oxide semiconductor film 12 and the electrode layer 13. Moreover, it can be set as the photoelectric cell of shapes other than flat form, for example, semicylindrical shape. In this case, for example, it is possible to obtain a flexible photoelectric cell or the like that is transparent or thin and has an arbitrary shape.
[0016]
The transparent electrode layer 11 formed on the surface of the transparent substrate (P-1) includes tin oxide, tin oxide doped with Sb, F or P, indium oxide doped with Sn and / or F, antimony oxide, oxidation Conventionally known electrodes such as zinc and noble metals can be used.
Such a transparent electrode layer 11 can be formed by a conventionally known method such as a thermal decomposition method or a CVD method.
[0017]
In addition, the electrode layer 13 formed on the surface of the substrate (P-2) is not particularly limited as long as it has a reduction catalytic ability, and electrode materials such as platinum, rhodium, ruthenium metal, ruthenium oxide and the like. An electrode obtained by plating or vapor-depositing the electrode material on the surface of a conductive material such as tin oxide, tin oxide doped with Sb, F or P, indium oxide doped with Sn and / or F, or antimony oxide, a carbon electrode A conventionally well-known electrode can be used.
[0018]
The electrode layer 13 is formed by directly coating, plating, or vapor-depositing the electrode on the substrate (P-2), and forming a conductive layer by a conventionally known method such as a thermal decomposition method or a CDV method. Thereafter, the electrode material can be formed on the conductive layer by a conventionally known method such as plating or vapor deposition.
The substrate (P-2) may be transparent like the transparent substrate (P-1), and the electrode layer 13 may be a transparent electrode like the transparent electrode layer 11.
[0019]
The visible light transmittance of the transparent substrate (P-1) and the transparent electrode layer 11 is preferably higher, specifically 50% or more, particularly preferably 90% or more. When the visible light transmittance is less than 50%, the photoelectric conversion efficiency may be lowered.
The resistance values of the transparent electrode layer 11 and the electrode layer 13 are 100 Ω / cm, respectively.2The following is preferable. The resistance value of the electrode layer is 100 Ω / cm2When the value exceeds the value, the photoelectric conversion efficiency may be lowered.
[0020]
The metal oxide semiconductor film 12 is formed on the transparent electrode layer 11 formed on the substrate (P-1). The metal oxide semiconductor film 12 may be formed on the electrode layer 13 formed on the substrate (P-2). The film thickness of such a metal oxide semiconductor film 12 is preferably in the range of 0.1 to 50 μm.
Examples of such a metal oxide semiconductor film include at least one or two or more metal oxides selected from titanium oxide, lanthanum oxide, zirconium oxide, niobium oxide, tungsten oxide, strontium oxide, zinc oxide, tin oxide, and indium oxide. The metal oxide semiconductor film which consists of a thing can be mentioned.
[0021]
The metal oxide particles constituting such a metal oxide semiconductor film can be produced by a conventionally known method. Conventionally, using an inorganic compound salt or organometallic compound of the above metal, for example, adding an acid or alkali to a hydrous metal oxide gel or sol obtained by a sol-gel method, if necessary, followed by heating and aging It can be produced by a known method.
[0022]
The average particle diameter of the metal oxide particles is 5 to 600 nm, preferably 10 to 300 nm. The particle diameter of the metal oxide particles can be measured with a laser Doppler particle size measuring instrument (manufactured by Nikkiso Co., Ltd .: Microtrac).
If the average particle diameter of the metal oxide particles is less than 5 nm, cracks are likely to occur in the formed metal oxide semiconductor film, and it may be difficult to form a thick film without cracks in a small number of times. Furthermore, the pore diameter and pore volume of the metal oxide semiconductor film may decrease, and the amount of adsorption of the photosensitizer may decrease. In addition, when the average particle diameter of the metal oxide particles is larger than 600 nm, the strength of the metal oxide semiconductor film may be insufficient.
[0023]
Furthermore, the metal oxide particles are preferably crystalline titanium oxide composed of one or more of anatase type titanium oxide, brookite type titanium oxide, and rutile type titanium oxide. Such crystalline titanium oxide has a high band gap and a high dielectric constant, and the adsorption amount of the photosensitizer is higher than other metal oxide particles, and further, stability, safety, and film formation are easy. There are some excellent properties.
[0024]
The metal oxide semiconductor film 12 preferably contains a titanium oxide binder component together with the metal oxide particles.
Examples of such a titanium oxide binder component include a hydrous titanic acid gel obtained by a sol-gel method or the like, a titanium oxide composed of a sol, or a hydrous titanic acid gel or sol to which hydrogen peroxide is added to dissolve the hydrous titanic acid. Examples include a decomposition product of luoxotitanic acid.
[0025]
“Peroxotitanic acid” refers to hydrated titanium peroxide, and such titanium peroxide has absorption in the visible light region, and is an aqueous solution of a titanium compound, or a hydrated titanium oxide sol or Prepared by adding hydrogen peroxide to the gel and heating. The hydrated titanium oxide sol or gel is obtained by adding an acid or alkali to an aqueous solution of a titanium compound to hydrolyze it, and washing, heating and aging as necessary. Although there is no restriction | limiting in particular as a titanium compound used, Titanium compounds, such as titanium halides, such as a halogenated titanium and a titanyl sulfate, titanium alkoxides, such as tetraalkoxy titanium, and a titanium hydride can be used.
[0026]
The ratio of the titanium oxide binder component to the metal oxide particles in the metal oxide semiconductor film 12 is 0.05 to 0.50, preferably 0 in terms of weight ratio in terms of oxide (titanium oxide binder component / metal oxide particles). It is desirable to be in the range of 0.1 to 0.3. When the weight ratio is less than 0.05, the absorption of light in the visible light region is insufficient, and the amount of adsorption of the photosensitizer may not increase. When the weight ratio is higher than 0.50, a porous metal oxide semiconductor film may not be obtained, and the amount of adsorption of the photosensitizer may not be increased.
[0027]
The metal oxide semiconductor film 12 preferably has a pore volume of 0.05 to 0.8 ml / g and an average pore diameter of 2 to 250 nm. When the pore volume is smaller than 0.05 ml / g, the adsorption amount of the photosensitizer is low, and when it is higher than 0.8 ml / g, the electron mobility in the film is lowered and the photoelectric conversion efficiency is improved. May decrease. Further, when the average pore diameter is less than 2 nm, the adsorption amount of the photosensitizer decreases, and when it exceeds 250 nm, the electron mobility decreases and the photoelectric conversion efficiency may decrease.
[0028]
In the present invention, an inorganic semiconductor film formed from another inorganic semiconductor material, an organic semiconductor film formed from an organic semiconductor material, an organic-inorganic hybrid semiconductor film, or the like is used as the semiconductor film instead of the metal oxide. it can.
For example, examples of the organic semiconductor material include conventionally known compounds such as phthalocyanine, phthalocyanine-bisnaphthalocyanine, polyphenol, polyanthracene, polysilane, polypyrrole, and polyaniline.
[0029]
Next, in the present invention, the metal oxide semiconductor film 12 adsorbs the photosensitizer.
The photosensitizer is not particularly limited as long as it absorbs and excites light in the visible light region and / or infrared light region. For example, organic dyes, metal complexes, and the like can be used.
As the organic dye, a conventionally known organic dye having a functional group such as a carboxyl group, a hydroxyalkyl group, a hydroxyl group, a sulfone group, or a carboxyalkyl group in the molecule can be used. Specific examples include metal-free phthalocyanines, cyanine dyes, methocyanine dyes, triphenylmethane dyes, and xanthene dyes such as uranin, eosin, rose bengal, rhodamine B, and dibromofluorescein. These organic dyes have a characteristic that the adsorption rate to the metal oxide semiconductor film is fast.
[0030]
Examples of the metal complex include metal phthalocyanines such as copper phthalocyanine and titanyl phthalocyanine described in JP-A-1-220380 and JP-A-5-504023, chlorophyll, hemin, ruthenium-tris (2,2 ′ -Bispyridyl-4,4'-dicarboxylate), cis- (SCN-Ruthenium- such as) -bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) ruthenium, ruthenium-cis-diaqua-bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate) Examples thereof include complexes of ruthenium, osmium, iron, zinc and the like, such as cis-diaqua-bipyridyl complexes, porphyrins such as zinc-tetra (4-carboxyphenyl) porphine, and iron-hexacyanide complexes. These metal complexes are excellent in the effect of spectral sensitization and durability.
[0031]
The organic dye or metal complex as the above-mentioned photosensitizer may be used alone, or may be used by mixing two or more kinds of organic dyes or metal complexes, and further used in combination with an organic dye and a metal complex. Also good.
The adsorption method of such a photosensitizer is not particularly limited, and a solution obtained by dissolving the photosensitizer in a solvent is absorbed into the metal oxide semiconductor film by a method such as a dipping method, a spinner method, a spray method, Next, a general method such as drying can be employed. Furthermore, you may repeat the said absorption process as needed. Alternatively, the photosensitizer can be adsorbed to the metal oxide semiconductor film by bringing the photosensitizer solution into contact with the substrate while heating and refluxing.
[0032]
The solvent for dissolving the photosensitizer may be any solvent that can dissolve the photosensitizer, and specifically water, alcohols, toluene, dimethylformamide, chloroform, ethyl cellosolve, N-methylpyrrolidone. , Tetrahydrofuran and the like can be used.
The amount of photosensitizer adsorbed on the metal oxide semiconductor film is 1 cm of the specific surface area of the metal oxide semiconductor film.2It is preferably 50 μg or more per unit. When the amount of the photosensitizer is less than 50 μg, the photoelectric conversion efficiency may be insufficient.
[0033]
In the photoelectric cell according to the present invention, the semiconductor film 12 and the transparent electrode layer 13 (the semiconductor film and the electrode layer when the semiconductor film is formed on the surface of the transparent electrode layer) are arranged to face each other, and the side surface is made of resin. And the like, and an electrolyte layer 14 made of an electrolyte and a liquid crystal is sealed between the electrodes.
As the electrolyte, a mixture with at least one compound that forms a redox system with an electrochemically active salt is used.
[0034]
Examples of the electrochemically active salt include quaternary ammonium salts such as tetrapropylammonium iodide.
Compounds that form a redox system include quinone, hydroquinone, iodine (I-/ I- Three), Potassium iodide, bromine (Br)-/ Br- Three), Potassium bromide and the like.
[0035]
In the present invention, a liquid crystal is used as needed together with the electrolyte.
The liquid crystal is not particularly limited as long as the photosensitizer adsorbed on the semiconductor film has a low solubility so that the photosensitizer does not desorb and dissolve, and a conventionally known liquid crystal can be used. .
As such a liquid crystal, a conventionally known smectic liquid crystal, nematic liquid crystal, cholesteric liquid crystal or the like can be used as a temperature transition type liquid crystal.
[0036]
Further, a concentration transition type liquid crystal, a polymer liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, a disk-like liquid crystal, or the like can be used. Among these, when a liquid crystal compound containing a fluorine atom is used, it is highly hydrophobic and excellent in long-term stability.
Moreover, the solvent may be contained with the liquid crystal. As the solvent, a solvent having a low solubility of the photosensitizer so that the photosensitizer adsorbed on the metal oxide semiconductor film does not desorb and dissolve is desirable. Specific examples of such solvents include water, alcohols, oligoethers, carbonates such as propion carbonate, phosphate esters, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone, and sulfolane 66. Sulfur compounds, ethylene carbonate, acetonitrile, γ-butyrolactone and the like can be mentioned.
[0037]
Furthermore, as a solvent, for example, an organic polymerizing (gelling) agent such as a mixture of a vinyl monomer and a divinyl monomer, a reactive monomer such as an N-methylol compound or dicarboxylic acid can be used. Using such a reactive monomer as a solvent, the electrolyte is dissolved and the cell is formed, and then the monomer is cured, so that the electrolyte can be solidified or gelled. Can be suppressed.
[0038]
The concentration of the electrochemically active salt in such an electrolyte layer is not particularly limited, and is usually 1 liter of a liquid crystal compound (the total of the liquid crystal compound and the solvent if a solvent is included) It is desirable to be in the range of 0.01 to 5 mol / liter, preferably 0.1 to 2 mol / liter. If the concentration of the electrochemically active salt is less than 0.01 mol / liter, the concentration is too low, so that the ability to exchange electrons with the photosensitizer or the electrode decreases, and the photoelectric conversion efficiency decreases. Sometimes. When the concentration exceeds 5 mol / liter, the electrochemically active salt may not dissolve in the liquid crystal compound and the solvent.
[0039]
The concentration of the compound that forms the redox system is not particularly limited, and is usually 0.01 to 5 with respect to 1 liter of the liquid crystal compound (the total of the liquid crystal compound and the solvent when a solvent is included). It is desirable to be in the range of mol / liter, preferably 0.1-2 mol / liter. If the concentration of the compound that forms the redox system is less than 0.01 mol / liter, the concentration is too low, so that the ability to exchange electrons with the photosensitizer or the electrode decreases, and the photoelectric conversion efficiency decreases. Sometimes. Further, even when the concentration exceeds 5 mol / liter, the electron transfer capability is not further increased, and therefore the photoelectric conversion efficiency is not improved. Further, when the concentration exceeds 5 mol / liter, long-term stability may be lowered.
[0040]
The molar ratio of the compound forming the redox system and the electrochemically active salt in the electrolyte (compound forming the redox system / electrochemically active salt) is in the range of 1/20 to 3/10. It is preferable that it exists in.
If a solvent is included, the solvent volume (VS) And volume of liquid crystal (VLC) And volume (VS/ VLC) Ratio is 1.0 or less, preferably 0.75 or less. If the volume ratio exceeds 1.0, the proportion of liquid crystal is small, so that the effect of the light energy utilization rate due to the light scattering effect described above becomes insufficient, and long-term stability may not be improved.
[0041]
The photoelectric cell according to the present invention has a transparent electrode layer 11 on the surface and a substrate 5 on which a semiconductor film 12 having adsorbed a photosensitizer is formed on the surface of the electrode layer 11, and a reduction catalytic ability on the surface. The substrate 6 having the electrode layer 13 is disposed so that the metal oxide semiconductor film 12 and the electrode layer 13 face each other, the side surfaces are sealed with a resin, and the metal oxide semiconductor film 12 and the electrode layer 13 are An electrolyte, a liquid crystal, and optionally a liquid crystal or a solvent are sealed between the electrodes, and the electrodes are connected by lead wires.
[0042]
In the photoelectric cell according to the present invention as described above, when the liquid crystal is included in the electrolyte layer, the amount of received light is not greatly reduced by the light scattering effect of the liquid crystal even when the incident angle of light increases. The light energy can be stably converted into electric energy and extracted. In addition, the light reflected by the semiconductor film without being involved in the excitation of the photosensitizer in the incident light is again irradiated to the photosensitizer in the semiconductor film and converted into electrical energy by the light scattering effect of the liquid crystal. Therefore, the conversion efficiency of light energy can be increased. Furthermore, when liquid crystal having hydrophobicity is used as the liquid crystal, the hygroscopic action is reduced as compared with the case where only the hygroscopic electrolyte is used. Therefore, deterioration due to decomposition of the electrolyte, photosensitizer, or solvent due to moisture absorption. As a result, an effect of improving long-term stability is obtained.
[0043]
In the photoelectric cell according to the present invention, spacer particles may be interposed between the metal oxide semiconductor film and the electrode layer as necessary. Alternatively, spacer particles may be embedded in the semiconductor film, and at least a part of the spacer particles may be exposed from the semiconductor film so as to be in contact with the electrode layer.
Note that in the case where a metal oxide semiconductor film is formed on the surface of the electrode layer, spacer particles may be interposed between the opposing transparent electrode layer and the metal semiconductor film.
[0044]
At this time, the spacer particles are not particularly limited as long as the metal oxide semiconductor film and the electrode layer are not damaged and do not contact each other, and spherical spacer particles, rod-shaped spacer particles, and the like can be used. Conventionally known insulating particles made of plastic), organic-inorganic composites, metal oxides, ceramics, or the like can be used. In particular, when the spacer particles 7 are interposed, a photoelectric cell in which the distance between the metal oxide semiconductor film 12 and the electrode layer 13 is as small as about 1 to 50 μm can be suitably obtained.
[0045]
Examples of the resin spacer particles include resin particles disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-95165.
As the spacer particles of the organic-inorganic composite, particles obtained by hydrolyzing metal alkoxides disclosed in JP-A-7-140472 and JP-B-8-25739 can be suitably used.
[0046]
As the metal oxide or ceramic spacer particles, spherical particles disclosed in JP-A-3-218915 and JP-B-7-64548 can be suitably used.
Furthermore, particles obtained by fusing a synthetic resin on the surface of each particle described above can also be suitably used. As such particles, for example, resin-coated particles disclosed in JP-A-63-94224 can be suitably used. In particular, particles coated with an adhesive resin are fixed by adhering to the metal oxide semiconductor film and / or electrode layer, and can effectively exhibit uniform gap adjustment or stress absorption without moving.
[0047]
An ultraviolet shielding film 16 is formed on the outer surface of the transparent substrate (P-1), and a visible light antireflection film 15 is formed on the surface of the ultraviolet shielding film 16.
In the present invention, not only the photoelectric cell shown in FIG. 1, but any one of the antireflection film and the ultraviolet shielding film is formed on the outer surface of the transparent substrate (P-1) or the substrate (P-2). Good. Further, the antireflection film itself may be a laminated film composed of two or more antireflection films, or the ultraviolet shielding film itself may be a laminated film composed of two or more antireflection films. A laminated film in which a plurality of shielding films are laminated may be used.
[0048]
More preferably, an ultraviolet shielding film is formed on the outer surface of the transparent substrate (P-1), and an antireflection film is formed on the ultraviolet shielding film surface.
Note that the antireflection film has a higher refractive index than the ultraviolet shielding film and the antireflection film, and the difference in refractive index between the ultraviolet shielding film and the antireflection film is approximately 0.3 or more, more preferably 0.6 or more. It is desirable. When the difference in refractive index is less than 0.3, the antireflection performance is insufficient.
[0049]
  More preferably, an ultraviolet shielding film is formed on the outer surface of the transparent substrate (P-1), and an antireflection film is formed on the ultraviolet shielding film surface.
  Note that the refractive index of the antireflection film is higher than that of the ultraviolet shielding film and the antireflection film.LowThe difference in refractive index between the ultraviolet shielding film and the antireflection film is preferably about 0.3 or more, more preferably 0.6 or more. When the difference in refractive index is less than 0.3, the antireflection performance is insufficient.
[0050]
matrix
The antireflection film matrix used in the present invention is not particularly limited as long as the obtained antireflection film has transparency, has a lower refractive index than the underlying substrate or ultraviolet shielding film, and has antireflection performance. Is an inorganic oxide such as silica, titania, zirconia, or a composite oxide or polyester resin thereof, acrylic resin, urethane resin, vinyl chloride resin, epoxy resin, melamine resin, fluorine resin, silicon resin, butyral resin, phenol resin , Vinyl acetate resins, ultraviolet curable resins, electron beam curable resins, and the like, and resins for coating such as copolymers and modified products of these resins. These can be selected and used in consideration of the type of substrate, adhesion, hardness, coatability and the like.
[0051]
Among these, a matrix made of silica is preferable, and a hydrolyzable organosilicon compound partial hydrolyzate, hydrolyzed polycondensate, or a portion of a silicic acid solution obtained by dealkalizing an aqueous alkali metal silicate solution. A silica matrix composed of a hydrolyzate and a hydrolyzed polycondensate is preferred, and a silica matrix derived from an alkoxysilane hydrolyzed polycondensate represented by the following general formula [1] is particularly preferred.
[0052]
RaSi (OR ')4-a            [1]
(In the formula, R is a vinyl group, an aryl group, an acrylic group, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, a hydrogen atom or a halogen atom, and R ′ is a vinyl group, an aryl group, an acrylic group, or a carbon system having 1 to 8 carbon atoms. An alkyl group, -C2HFourOCnH2n + 1(N = 1 to 4) or a hydrogen atom, and a is an integer of 0 to 3. )
Such alkoxysilanes include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, tetraoctylsilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, Examples include vinyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, and dimethyldimethoxysilane.
Inorganic compound particles
The antireflection film may contain inorganic compound particles as necessary. As such, the refractive index is 1.60 or less, preferably 1.50 or less, and the average particle size is 5 to 5. Oxide fine particles or composite oxide fine particles in the range of 300 nm can be suitably used.
[0053]
As such particles, silica-based colloidal particles disclosed in JP-A-5-132309, JP-A-7-133105, JP-A-10-194721, JP-A-10-45403, etc. by the applicant of the present application are used. It can be used suitably.
In particular, among the composite oxide fine particles, silica and inorganic oxides other than silica, porous core particles or cavities, and a silica coating layer having a thickness in the range of 1 to 50 nm.2Inorganic oxides other than silicaxMolar ratio MO expressed asx/ SiO2Are in the range of 0.0001 to 0.3 and the average particle diameter is in the range of 5 to 300 nm, the refractive index is usually as low as 1.40 or less. The antireflective film containing the material has a refractive index of 1.43 or less and has excellent antireflection performance.
[0054]
When the average particle size of the inorganic compound particles used in the present invention is less than 5 nm, the effect of improving the adhesion with the substrate or the ultraviolet ray prevention film described later cannot be sufficiently obtained, and the average particle size exceeds 300 nm. The transparency of the antireflection film may be reduced, or cracks may occur in the film. That is, when the average particle diameter of the inorganic compound particles is in the above range, an antireflection film having excellent adhesion to a substrate and the like and excellent film strength can be obtained.
[0055]
The film thickness of such an antireflection film is preferably in the range of 50 to 500 nm, preferably 80 to 300 nm.
When the film thickness of the antireflection film exceeds 500 nm, the antireflection film is too thick, the light transmittance is lowered, the transparency is deteriorated, and the appearance is also deteriorated.
Such an antireflection film is formed by using the antireflection film forming coating liquid (1) or (2) shown below.
[0056]
(1) Coating liquid for antireflection film formation
When the above-described resin is used as the matrix, an antireflection film-forming coating liquid (1) in which the antireflection film-forming matrix and, if necessary, the inorganic compound particles are dissolved or dispersed in water and / or an organic solvent is used. Use.
[0057]
The weight ratio between the inorganic compound particles and the matrix in the coating liquid (1) for forming the antireflection film is desirably in the range of inorganic compound particles / matrix = 1/99 to 9/1. When the weight ratio exceeds 9/1, the strength of the formed antireflection film is insufficient and lacks practicality, while when it is less than 1/99, it is difficult to form an antireflection film excellent in adhesion and strength.
[0058]
(2) Coating liquid for antireflection film formation
When an inorganic oxide such as silica, titania or zirconia, or a composite oxide thereof is used as a matrix, a silicon compound such as alkoxysilane, halogenated silane, or silicic acid, a titanium compound such as titanium alkoxide or titanium tetrachloride, A matrix precursor dispersion is prepared by hydrolyzing and polycondensing one or more of Zr and Zn compounds such as zirconium alkoxide in the presence of an acid or base catalyst in water and / or an organic solvent. The inorganic compound particles are mixed with the matrix precursor dispersion as necessary to obtain a coating solution for forming an antireflection film.
[0059]
The concentration of the matrix precursor contained in the coating solution thus obtained is preferably in the range of 0.05 to 10% by weight in terms of oxide. Particularly preferred is the range of 0.2 to 5.0% by weight.
When the concentration of the matrix precursor contained in the coating solution is less than 0.05% by weight, the resulting film is thin and may have poor chemical resistance and antireflection performance. A film with a sufficient film thickness may not be obtained, and a film with a uniform film thickness may not be obtained even when coating is repeated.
[0060]
If the concentration of the matrix precursor exceeds 10% by weight, the resulting film may be cracked or the strength of the film may be reduced. In addition, the film may be too thick and the antireflection performance may be insufficient.
The molecular weight of such a matrix precursor is preferably in the range of 500 to 10,000 in terms of polystyrene, and particularly preferably in the range of 700 to 2,500.
[0061]
When the molecular weight in terms of polystyrene is less than 500, an unhydrolyzed product may be present in the coating solution, and the coating may not be performed uniformly. Even if it is applied, it may be inferior in adhesion to the lower layer. When the molecular weight in terms of polystyrene exceeds 10,000, the strength of the coating tends to decrease.
Moreover, it is preferable that the density | concentration of the inorganic compound particle used as needed in a coating liquid exists in the range of 0.05-3 weight% in conversion of an oxide. Especially preferably, it is 0.2 to 2 weight% of range.
[0062]
When the concentration of the inorganic compound particles contained in the coating solution is less than 0.05% by weight, the refractive index of the antireflection film obtained when the amount of the inorganic compound particles is too small is not sufficiently low and the antireflection performance may be inferior. In addition, when the concentration of the inorganic compound particles exceeds 3% by weight, the resulting film may be cracked or the strength of the film may be reduced.
Furthermore, the antireflection film-forming coating solutions (1) and (2) used in the present invention include fine particles composed of a low refractive index material such as magnesium fluoride, transparency of the antireflection film and antireflection performance. A small amount of conductive fine particles and / or additives such as dyes or pigments may be contained to such an extent that they do not hinder.
[0063]
Formation of antireflection film
The method for forming the antireflection film is not particularly limited, and is a dry thin film forming method such as a vacuum evaporation method, a sputtering method, or an ion plating method, or a dipping method, a spinner method, a spray method, a roll coater method, a flexographic printing method, etc. It is possible to employ a wet thin film forming method that is applied and then dried.
[0064]
Among these, the wet thin film forming method is preferable because an antireflection film can be formed at low cost.
The thickness of the antireflection film obtained is preferably in the range of 50 to 500 nm, preferably 80 to 300 nm.
When the film thickness of the antireflection film is less than 50 nm, the film strength, chemical resistance, antireflection performance, etc. may be inferior.
[0065]
When the thickness of the antireflection film exceeds 500 nm, cracks may occur in the film or the strength of the film may decrease, and the film may be too thick and the antireflection performance may be insufficient.
When the film thickness is in the above range, the film strength and scratch resistance are excellent, and excellent antireflection performance is exhibited. For this reason, the photoelectric cell has a high utilization rate of sunlight and can obtain high photoelectric conversion efficiency.
[0066]
In the present invention, a film formed by applying such an antireflection film-forming coating solution is heated at 100 ° C. or higher at the time of drying or after drying, or an uncured film has a wavelength shorter than that of visible light. Irradiate electromagnetic waves such as ultraviolet rays, electron beams, X-rays and γ rays. When such heat treatment, ultraviolet irradiation, electromagnetic wave irradiation, or the like is performed, the curing of the matrix precursor is promoted and the hardness of the resulting antireflection film is increased.
[0067]
[Ultraviolet shielding film]
The ultraviolet shielding film is composed of an ultraviolet shielding film forming matrix and one or more metal oxide particles selected from the group consisting of Ce, Fe, Ti, Sb, Zr, and Zn, or Ce, Fe, Ti, Sb, and Zr. And composite oxide particles of two or more metals selected from the group consisting of Zn.
[0068]
Matrix for UV shielding film
The matrix for the ultraviolet ray shielding film used in the present invention is not particularly limited as long as the obtained ultraviolet ray shielding film has transparency and adhesion to the coated surface, and is the same as the matrix for the antireflection film. Can be mentioned.
Specifically, inorganic oxides such as silica, titania and zirconia, or composite oxides or polyester resins thereof, acrylic resins, urethane resins, vinyl chloride resins, epoxy resins, melamine resins, fluororesins, silicone resins, butyral resins Examples thereof include phenol resins, vinyl acetate resins, ultraviolet curable resins, electron beam curable resins, and coating resins such as copolymers and modified products of these resins. These can be appropriately selected and used in consideration of the type of substrate and the like, adhesion, hardness, coatability and the like.
[0069]
UV shielding particles
As the ultraviolet shielding particles, one or more metal oxide particles selected from the group consisting of Ce, Fe, Ti, Sb, Zr, and Zn, or from the group consisting of Ce, Fe, Ti, Sb, Zr, and Zn. Two or more kinds of metal composite oxide particles selected are used. These particles have an ultraviolet shielding ability and a high refractive index of 1.8 or more, so that the obtained ultraviolet shielding film has a high refractive index and therefore has a high antireflection performance.
[0070]
As such ultraviolet shielding particles, colloidal particles disclosed in JP-A-10-182152, JP-A-2-178219, JP-A-62-283817 and the like by the applicant of the present application can be suitably used. .
Such ultraviolet shielding particles preferably have an average particle diameter in the range of 5 to 500 nm. A more preferable range is 5 to 200 nm. When the average particle diameter of the ultraviolet shielding particles is less than 5 nm, the effect of improving the adhesion to the substrate cannot be obtained sufficiently, and when the average particle diameter exceeds 500 nm, the transparency of the ultraviolet shielding film decreases. Cracks may occur in the film. When the average particle diameter of the ultraviolet shielding particles is within the above range, an ultraviolet shielding film having excellent adhesion to a substrate and the like and excellent film strength can be obtained.
[0071]
The proportion of the ultraviolet shielding particles in the ultraviolet shielding film is preferably in the range of 1 to 99% by weight. A more preferable range is 30 to 80% by weight.
When the proportion of the ultraviolet shielding particles in the ultraviolet shielding film is less than 1% by weight, the ultraviolet shielding effect and the effect of improving the adhesion to the substrate cannot be sufficiently obtained, and when it exceeds 99% by weight, the strength of the film is insufficient. May be sufficient.
[0072]
Such an ultraviolet shielding film is formed using the coating liquid for forming an ultraviolet shielding film (1) or (2) shown below.
(1) UV shielding film forming coating solution
When the above-described resin is used as the matrix, an ultraviolet shielding film forming coating solution (1) in which the matrix and the ultraviolet shielding particles are dissolved or dispersed in water and / or an organic solvent is used.
[0073]
The weight ratio between the ultraviolet shielding particles and the matrix in the ultraviolet shielding film-forming coating solution (1) is preferably in the range of ultraviolet shielding particles / matrix = 1/99 to 9/1. If the weight ratio exceeds 9/1, the strength of the film is insufficient and lacks practicality, while if it is less than 1/99, it is difficult to form an ultraviolet shielding film excellent in adhesion to the substrate and strength.
(2) UV shielding film forming coating solution
When an inorganic oxide such as silica, titania, zirconia, or a composite oxide thereof is used as a matrix, a silicon compound such as alkoxysilane, halogenated silane, or silicic acid, a titanium compound such as titanium alkoxide or titanium tetrachloride, A matrix precursor dispersion is prepared by hydrolyzing one or more of salts of Zr and Zn compounds such as zirconium alkoxide in the presence of an acid or base catalyst in water and / or an organic solvent, and then preparing this matrix. If necessary, the ultraviolet light shielding particles are mixed with the precursor dispersion to obtain a coating liquid for forming an ultraviolet light shielding film.
[0074]
The concentration of the matrix precursor contained in the coating solution thus obtained is preferably in the range of 0.05 to 10% by weight in terms of oxide. Particularly preferred is the range of 0.2 to 5.0% by weight.
The concentration of the matrix precursor contained in the coating solution thus obtained is preferably in the range of 0.05 to 10% by weight in terms of oxide. Particularly preferred is the range of 0.2 to 5.0% by weight.
[0075]
When the concentration of the matrix precursor contained in the coating solution is less than 0.05% by weight, a film having a sufficient film thickness may not be obtained by one coating, and a uniform film can be obtained even by repeated coating. A thick film may not be obtained.
If the concentration of the matrix precursor exceeds 10% by weight, the resulting film may be cracked or the strength of the film may be reduced. Moreover, the film thickness of the obtained film tends to be non-uniform, or the surface flatness tends to be lacking.
[0076]
Moreover, it is preferable that the density | concentration of the particle | grains for ultraviolet shielding in a coating liquid exists in the range of 0.05-30 weight% in conversion of an oxide. Particularly preferably, it is in the range of 1 to 10% by weight.
When the concentration of the ultraviolet shielding particles contained in the coating solution is less than 1% by weight, the ultraviolet shielding ability of the ultraviolet shielding film obtained when the amount of the ultraviolet shielding particles is too small may be inferior. If the concentration exceeds 30% by weight, the resulting film may be cracked or the strength of the film may be reduced.
[0077]
Furthermore, in the coating liquids (1) and (2) for forming an ultraviolet shielding film used in the present invention, a small amount of conductive fine particles and / or dyes or dyes are used so as not to inhibit the transparency and ultraviolet shielding effect of the ultraviolet shielding film. Additives such as pigments may be included.
Formation of UV shielding film
As a method of forming the ultraviolet shielding film, a wet thin film forming method of applying and drying by a method such as a dipping method, a spinner method, a spray method, a roll coater method, or a flexographic printing method can be suitably employed.
[0078]
At this time, the film thickness of the obtained ultraviolet shielding film is 10 to 500 nm, preferably 50 to 200 nm.
When the film thickness of the ultraviolet shielding film is less than 10 nm, the strength of the film, the ultraviolet shielding ability, etc. may decrease, or the visible light low reflectivity may be insufficient.
If the film thickness of the ultraviolet shielding film exceeds 500 nm, cracks may occur in the film or the film strength may decrease, and the film may be too thick and the low visible light reflectivity may be insufficient.
[0079]
When the film thickness is in the above range, the film strength is excellent and an excellent ultraviolet shielding ability is exhibited. For this reason, even if the photoelectric cell is used for a long period of time, the electrolyte or solvent does not deteriorate or deteriorate, or deteriorates and leaks, and the spectral sensitizing dye is not desorbed or deteriorated. High photoelectric conversion efficiency (performance) can be maintained for a long time.
[0080]
In the present invention, a film formed by applying such a coating solution for forming an anti-ultraviolet film is heated at 100 ° C. or higher at the time of drying or after drying, or an uncured film has a wavelength shorter than that of visible light. Electromagnetic waves such as ultraviolet rays, electron beams, X-rays, and γ rays can be irradiated. By such treatment, the curing of the matrix precursor is promoted, and the hardness of the resulting UV protection film is increased.
[0081]
When the visible light antireflection film is formed on the outer surface of the substrate, the photoelectric cell according to the present invention as described above obtains a photoelectric cell having a large incident light in the irradiated visible light and a high visible light utilization rate. be able to. In addition, when an ultraviolet shielding film is formed, the electrolyte or solvent does not deteriorate or deteriorate even if it is used for a long time, and it does not deteriorate due to deterioration, and the spectral sensitizing dye is desorbed or deteriorated. There is nothing. For this reason, according to this invention, the photoelectric cell which can maintain high photoelectric conversion efficiency (performance) for a long period of time can be obtained.
[0082]
The visible light antireflection film and / or the ultraviolet shielding film can be formed by using an antireflection film forming coating solution and / or an ultraviolet shielding film forming coating solution. Such a film is excellent in film strength, adhesion to a substrate, transparency and the like, and can be formed at low cost.
[0083]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a photoelectric cell having a high visible light utilization rate because of a large amount of incident light in the irradiated visible light, and the electrolyte or solvent deteriorates or deteriorates even when used for a long time. A photoelectric cell that can maintain high photoelectric conversion efficiency (performance) for a long period of time without degrading and leaking without desorbing or degrading the spectral sensitizing dye can be obtained.
[0084]
【Example】
Hereinafter, although an example explains, the present invention is not limited by these examples.
[0085]
[Example 1]
Preparation of matrix precursor dispersion
Orthoethyl silicate (TEOS) (SiO2: 28 wt%) 50 g of ethanol, 194.6 g of ethanol, 1.4 g of concentrated nitric acid, and 34 g of pure water were stirred at room temperature for 5 hours, and SiO 22A matrix precursor dispersion having a concentration of 5% by weight was prepared.
[0086]
Preparation of coating solution for UV shielding film formation
100 g of the above-mentioned matrix precursor dispersion is mixed with 100 g of titanium oxide colloid (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd .: HPW-15R, average particle diameter 15 nm, concentration 30 wt%) as an ultraviolet shielding particle. Liquid (A) was prepared.
Preparation of coating solution for forming visible light antireflection film
First, inorganic compound particles having a hollow inside were prepared as follows.
[0087]
Average particle size 5nm, SiO2A reaction mother liquor was prepared by mixing 10 g of silica sol having a concentration of 20% by weight and 190 g of pure water, and heated to 95 ° C. The pH of this reaction mother liquor was 10.5. In this reaction mother liquor, SiO224,900 g of a sodium silicate aqueous solution having a concentration of 1.5% by weight in terms of2OThreeIn addition, 36,800 g of a sodium aluminate aqueous solution having a concentration of 0.5% by weight was added at the same time. Meanwhile, the temperature of the reaction solution was maintained at 95 ° C. The pH of the reaction solution rose to 12.5 immediately after the addition of sodium silicate and sodium aluminate, and hardly changed thereafter.
[0088]
After completion of the addition, the reaction solution is cooled to room temperature, washed with an ultrafiltration membrane, and a SiO 2 having a solid content concentration of 20% by weight.2・ Al2OThreeA dispersion of porous material precursor particles was prepared.
Next, 500 g of this porous material precursor particle dispersion is sampled, 1,700 g of pure water is added and heated to 98 ° C., and the aqueous sodium silicate solution is removed with a cation exchange resin while maintaining this temperature. Silicic acid solution obtained by alkali (SiO2A silica protective film was formed on the surface of the porous material precursor particles by adding 3,000 g (concentration: 3.5 wt%). The obtained dispersion of porous material precursor particles was washed with an ultrafiltration membrane to adjust the solid content concentration to 13% by weight, and then 1125 g of pure water was added to 500 g of the dispersion of porous material precursor particles. In addition, concentrated hydrochloric acid (35.5%) was added dropwise to adjust the pH to 1.0, and after dealumination treatment, aluminum salt dissolved in the ultrafiltration membrane was added while adding 10 L of hydrochloric acid aqueous solution of pH 3 and 5 L of pure water. Separated to prepare a particle precursor dispersion.
[0089]
A mixture of 1500 g of the particle precursor dispersion, 500 g of pure water, 1,750 g of ethanol, and 626 g of 28% ammonia water was heated to 35 ° C., and then ethyl silicate (SiO2: 28 wt%) 104 g was added, and a silica outer shell layer was formed on the surface of the particle precursor with a hydrolyzed polycondensate of ethyl silicate to prepare particles having cavities inside the outer shell layer. Next, after concentration to a solid content concentration of 5% by weight with an evaporator, ammonia water with a concentration of 15% by weight is added to adjust the pH to 10, and heat treatment is performed at 180 ° C. for 2 hours in an autoclave, and the dispersion medium is ethanol using an ultrafiltration membrane. A dispersion liquid of inorganic compound particles having a solid content concentration of 20% by weight and a hollow inside was prepared.
[0090]
The cross section of the obtained particles was observed with a transmission electron microscope (TEM). As a result, particles having cavities formed in the outer shell layer were obtained. Also, Al of this particle2OThree/ SiO2The molar ratio was 0.0022, the average particle size was 96 nm, and the refractive index was 1.31. Next, the previously prepared SiO2A mixed solvent of ethanol / butanol / diacetone alcohol / isopropyl alcohol (2: 1: 1: 5 weight mixing ratio) is added to a 5% by weight matrix precursor dispersion, and the inorganic compound particle dispersion prepared above is added. Concentration of inorganic compound particles is 0.2% by weight, matrix precursor SiO2A coating solution (A) for forming a visible light antireflection film having a concentration of 1% by weight was prepared.
[0091]
Preparation of glass substrate with UV shielding film and visible light antireflection film
While maintaining a transparent glass substrate formed with fluorine-doped tin oxide as an electrode at 40 ° C., an ultraviolet shielding film-forming coating solution (A) is applied to the opposite surface of the electrode at 100 rpm for 90 seconds by a spinner method. The ultraviolet shielding film was applied and dried so that the film thickness was 120 nm.
[0092]
Next, on the ultraviolet shielding film, similarly, the spinner method was applied at 100 rpm for 90 seconds so that the thickness of the visible light antireflection film was 100 nm, dried, and heat-treated at 160 ° C. for 30 minutes. Thus, a glass substrate (A) with an ultraviolet shielding film and a visible light antireflection film was prepared.
The reflectance of the glass substrate (A) with an ultraviolet shielding film and a visible light antireflection film was measured using a reflectometer (manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd .: MCPD-2000). The reflectance at the wavelength having the lowest reflectance in the wavelength range of 400 to 700 nm was defined as the bottom reflectance, and the average reflectance in the wavelength range of 400 to 700 nm was defined as the luminous reflectance.
[0093]
The results are shown in Table 1.
Preparation of metal oxide particles for semiconductor films
5 g of titanium hydride was suspended in 1 L of pure water, 400 g of 5% hydrogen peroxide solution was added over 30 minutes, and then heated to 80 ° C. to dissolve to prepare a solution of peroxotitanic acid. Concentrated aqueous ammonia was added thereto to adjust the pH to 9, and the mixture was placed in an autoclave and subjected to hydrothermal treatment at 250 ° C. for 5 hours under saturated vapor pressure to prepare titania colloidal particles (A). It was anatase type titanium oxide having high crystallinity by X-ray diffraction. The average particle size was 40 nm.
[0094]
Preparation of coating solution for semiconductor film formation
Next, the titania colloidal particles (A) obtained above are concentrated to a concentration of 10%, and the peroxotitanic acid solution is mixed therewith, and the titanium in the mixture is converted into TiO2.2A coating solution for forming a semiconductor film was prepared by adding hydroxypropylcellulose, which is a film forming aid, so as to be 30% by weight of the weight when converted to.
[0095]
Formation of semiconductor film
Next, it was applied on the electrode surface of the transparent glass substrate with the electrode on which the ultraviolet ray shielding film and the visible light antireflection film were formed, naturally dried, and subsequently 6000 mJ / cm using a low pressure mercury lamp.2Was irradiated with UV light to decompose perhydrotitanic acid (hydrolysis and polycondensation) to cure the semiconductor film. Furthermore, the titanium oxide semiconductor film (A) was formed by heating at 300 ° C. for 30 minutes to decompose and anneal hydroxypropylcellulose.
[0096]
Table 1 shows the film thickness of the obtained titanium oxide semiconductor film (A) and the pore volume and average pore diameter determined by the nitrogen adsorption method.
Spectral sensitizing dye adsorption
As a spectral sensitizing dye, cis- (SCN-) -Bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II)-FourA mol / liter ethanol solution was prepared. This spectral sensitizing dye solution was applied onto the titanium oxide semiconductor film (A) using an rpm 100 spinner and dried. This coating and drying process was performed five times. The adsorption amount of the spectral sensitizing dye of the obtained titanium oxide semiconductor film was 1 cm of the specific surface area of the titanium oxide film (A).2The amount of adsorption per unit is shown in Table 1. In addition, the weight increment of the semiconductor film after coating and drying was defined as the adsorption amount.
Photoelectric cell creation
First, tetrapropylammonium iodide and iodine are mixed in a solvent in which acetonitrile and ethylene carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 4, and the respective concentrations are 0.46 mol / L and 0.06 mol / L. The electrolyte solution was prepared by dissolving so as to be.
[0097]
The glass substrate (A) with an ultraviolet light shielding film / visible light antireflection film prepared as described above is used as one electrode, and fluorine glass-doped tin oxide is formed as the other electrode, and transparent glass carrying platinum thereon The substrates were placed facing each other, the side surfaces were sealed with resin, the electrolyte solution was sealed between the electrodes, and the electrodes were connected with lead wires to produce a photoelectric cell (A).
[0098]
The following evaluation was performed about the obtained photoelectric cell.
Performance evaluation (1)
Photoelectric cell (A) is a solar simulator, 100 W / m2Irradiate light of the intensity, measure Voc (voltage in an open circuit state), Joc (density of current flowing when the circuit is short-circuited), FF (curve factor) and η (conversion efficiency) and tabulate the results Indicated.
[0099]
Performance evaluation (2)
Eye super UV tester (Iwasaki Electric Co., Ltd .: 100 mW / cm) from a distance of 20 cm above the visible light antireflection film surface of the photoelectric cell (A)2) For 10 hours, Voc, Joc, FF and η were measured in the same manner as in the performance evaluation (1), and the results are shown in the table.
[0100]
[Example 2]
Mixing 100 g of titanium oxide / iron oxide composite colloid (catalyst chemical industry Co., Ltd .: sun veil F, average particle size 25 nm, concentration 30 wt%) as ultraviolet shielding particles, and coating solution (B) for forming an ultraviolet shielding film A light electric cell (B) was produced in the same manner as in Example 1 except that it was prepared and used, and performance evaluation (1) and performance evaluation (2) were performed.
[0101]
The results are shown in Table 1.
[0102]
[Example 3]
A coating liquid (C) for forming an ultraviolet shielding film is prepared by mixing 100 g of colloidal cerium oxide (manufactured by Catalyst Kasei Kogyo Co., Ltd .: Sun Veil A, average particle diameter 18 nm, concentration 30% by weight) as ultraviolet shielding particles. A photoelectric cell (C) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the performance evaluation (1) and the performance evaluation (2) were performed.
[0103]
The results are shown in Table 1.
[0104]
[Example 4]
Mixing 100 g of titanium oxide / zirconium oxide composite colloid (catalyst chemical industry Co., Ltd .: sun veil Z, average particle diameter 20 nm, concentration 30% by weight) as ultraviolet shielding particles, and coating solution (D) for forming an ultraviolet shielding film A photoelectric cell (D) was produced in the same manner as in Example 1 except that it was prepared and used, and performance evaluation (1) and performance evaluation (2) were performed.
[0105]
The results are shown in Table 1.
[0106]
[Example 5]
Preparation of coating solution for UV shielding film formation
100g of titanium oxide colloid (manufactured by Catalytic Chemical Industry Co., Ltd .: HPW-15R, average particle size 15nm, concentration 30% by weight) is used as UV shielding particles, this is passed through an ultrafiltration membrane, and the dispersion medium is replaced with ethanol. did. 50 g of this ethanol sol (solid content concentration 5% by weight), 3 g of an acrylic resin (manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd .: Hitaloid 1007), and 47 g of a mixed solvent of isopropanol and n-butanol (1/1 by weight) were thoroughly mixed. Thus, an ultraviolet shielding film forming coating solution (E) was prepared.
[0107]
Preparation of coating solution for forming visible light antireflection film
To the dispersion of inorganic compound particles in which the inside of the solid content concentration of 20% by weight, in which the dispersion medium is replaced with ethanol, used in Example 1, is hollow, ethanol is further added to adjust the solid content concentration to 5% by weight. 50 g of this was sampled, and 3 g of acrylic resin (Hitaloid 1007 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) and 47 g of a 1/1 (weight ratio) mixed solvent of isopropanol and n-butanol were sufficiently mixed to form a visible light antireflection film. Coating solution (E) was prepared.
[0108]
Preparation of glass substrate with UV shielding film and visible light antireflection film
While maintaining a transparent polyimide film substrate formed of fluorine-doped tin oxide as an electrode layer at 40 ° C., an ultraviolet shielding film-forming coating solution (E) was applied to the opposite surface of the electrode by a bar coater method (100 rpm by spinner method, The film was applied and dried so that the film thickness of the ultraviolet shielding film was 100 nm under the condition of 90 seconds.
[0109]
Next, on the ultraviolet shielding film, the coating was applied by the bar coater method (spinner method at 100 rpm for 90 seconds) so that the film thickness of the visible light antireflection film was 100 nm and dried at 160 ° C. The glass substrate (E) with an ultraviolet shielding film and a visible light antireflection film was prepared by heat treatment for 30 minutes.
With respect to the glass substrate (E) with an ultraviolet shielding film and a visible light antireflection film, the average reflectance was measured as the luminous reflectance. The results are shown in Table 1.
Formation of semiconductor film
Next, the same coating solution for forming a semiconductor film as used in Example 1 was applied on the electrode surface of the transparent glass substrate with an electrode on which the ultraviolet ray shielding film and the visible light antireflection film were formed, followed by natural drying, followed by low-pressure mercury. 6000mJ / cm using a lamp2The ultraviolet ray was irradiated to decompose the peroxo acid, and the semiconductor film was cured.
[0110]
Further, the titanium oxide semiconductor film (E) was formed by heating at 250 ° C. for 30 minutes to decompose and anneal hydroxypropylcellulose.
Table 1 shows the film thickness of the obtained titanium oxide semiconductor film (E) and the pore volume and average pore diameter determined by the nitrogen adsorption method.
Spectral sensitizing dye adsorption
Next, as in Example 1, spectral sensitizing dye (cis- (SCN-A ruthenium complex represented by) -bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II) was adsorbed. Table 1 shows the amount of adsorption.
Photoelectric cell creation
The polyimide film substrate electrode with the ultraviolet shielding film and the visible light antireflection film prepared as described above is used as one electrode, and fluorine doped tin oxide is formed as the other electrode, and the transparent polyimide film substrate carrying platinum thereon. Are placed opposite to each other, the side surfaces are sealed with resin, the electrolyte solution is sealed between the electrodes, and the electrodes are connected with lead wires to produce a photoelectric cell (E). Similarly, performance evaluation (1) and performance evaluation (2) were performed.
[0111]
The results are shown in Table 1.
[0112]
[Comparative Example 1]
Photoelectric cell creation
In Example 1, a photoelectric cell (F) was prepared in the same manner as in Example 1 except that a transparent glass substrate in which fluorine-doped tin oxide was formed as an electrode without forming an ultraviolet shielding film or a visible light antireflection film was used. Were manufactured, performance evaluation (1) and performance evaluation (2) were performed, and the results are shown in the table.
[0113]
[Comparative Example 2]
Photoelectric cell creation
In Example 5, light was used in the same manner as in Example 5 except that a transparent polyimide film substrate formed with fluorine-doped tin oxide as an electrode without forming an ultraviolet shielding film or a visible light antireflection film was used as one electrode. An electric cell (G) was produced, and performance evaluation (1) and performance evaluation (2) were performed.
[0114]
The results are shown in Table 1.
[0115]
[Table 1]
Figure 0004100863

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of one embodiment of a photovoltaic cell of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 …… Photoelectric cell
11 ... Transparent electrode layer
12 ... Semiconductor film
13 ... Electrode layer with reduction catalytic activity on the surface
14 …… Electrolyte
15 …… Visible light antireflection film
16 …… UV shielding film
P-1, P-2 …… Board

Claims (5)

表面に電極層(1)を有し、かつ該電極層(1)表面に光増感材を吸着した金属酸化物半導体膜(2)が形成されてなる基板(P-1)と、
表面に電極層(3)を有する基板(P-2)とが、
前記電極層(1)および電極層(3)が対向するように配置してなり、
少なくとも一方の基板および電極層が透明性を有し、
金属酸化物半導体膜(2)と電極層(3)との間に電解質層を設けてなる光電気セルにおいて、
少なくとも一方の透明性を有する基板(P-1)および/または基板(P-2)の外表面上に、 e 、F e 、T i 、S b 、Zr、Z n からなる群から選ばれる1種以上の金属の酸化物粒子、または、C e 、F e 、T i 、S b 、Zr、Z n からなる群から選ばれる2種以上の金属の複合酸化物粒子を含んでなる紫外線遮蔽膜が形成されていることを特徴とする光電気セル。
A substrate (P-1) comprising a metal oxide semiconductor film (2) having an electrode layer (1) on the surface and adsorbing a photosensitizer on the surface of the electrode layer (1);
A substrate (P-2) having an electrode layer (3) on the surface,
The electrode layer (1) and the electrode layer (3) are arranged so as to face each other,
At least one of the substrate and the electrode layer has transparency,
In the photoelectric cell in which the electrolyte layer is provided between the metal oxide semiconductor film (2) and the electrode layer (3),
On the outer surface of the substrate (P-1) and / or the substrate (P-2) having at least one of transparency, selected C e, F e, T i , S b, Zr, from the group consisting of Z n one or more metal oxide particles, or, C e, F e, T i, S b, Zr, ultraviolet shielding comprising the composite oxide particles of two or more metals selected from the group consisting of Z n A photoelectric cell characterized in that a film is formed.
紫外線遮蔽膜が透明性を有する基板(P-1)外表面に形成され、可視光反射防止膜が前記紫外線遮蔽膜上に形成されてなり、かつ
可視光反射防止膜の屈折率が紫外線遮蔽膜の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の光電気セル。
The ultraviolet light shielding film is formed on the outer surface of the transparent substrate (P-1), the visible light antireflection film is formed on the ultraviolet light shielding film, and the refractive index of the visible light antireflection film is the ultraviolet light shielding film. The photoelectric cell according to claim 1, wherein the photoelectric cell has a refractive index lower than that of the photoelectric cell.
前記可視光反射防止膜が、可視光反射防止膜形成用塗布液を塗布・乾燥し、加熱処理して得られたものであり、
前記紫外線遮蔽膜が、紫外線遮蔽膜形成用塗布液を塗布・乾燥し、加熱処理して得られたものであることを特徴とする請求項1または2に記載の光電気セル。
The visible light antireflection film is obtained by applying and drying a visible light antireflection film-forming coating solution, followed by heat treatment,
3. The photoelectric cell according to claim 1 , wherein the ultraviolet shielding film is obtained by applying, drying, and heat-treating a coating liquid for forming an ultraviolet shielding film.
紫外線遮蔽膜と可視光反射防止膜との屈折率差を0.3以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光電気セル。  The photoelectric cell according to claim 1, wherein a difference in refractive index between the ultraviolet shielding film and the visible light antireflection film is 0.3 or more. 前記可視光反射防止膜が、シリカとシリカ以外の無機酸化物からなり、多孔質の核粒子または空洞と、厚さが1〜50nmの範囲にあるシリカ被覆層からなり、シリカをSiO2で表し、シリカ以外の無機酸化物をMOxで表したときのモル比MOx/SiO2が0.0001〜0.3の範囲にあり、平均粒子径が5〜300nmの範囲にあるような複合酸化物微粒子を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光電気セル。The visible light antireflection film is composed of silica and an inorganic oxide other than silica, is composed of porous core particles or cavities, and a silica coating layer having a thickness in the range of 1 to 50 nm, and silica is represented by SiO 2 . , the molar ratio MO x / SiO 2 when the inorganic oxide other than silica, expressed in MO x is in the range of 0.0001 to 0.3, an average particle diameter as in the range of 5~300nm composite oxide 5. The photoelectric cell according to claim 1, further comprising physical particles.
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