JP4789480B2 - Method for producing dye-sensitized photoelectric conversion element and paint for dye-sensitized photoelectric conversion element - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感型光電変換素子の製造方法、及び色素増感型光電変換素子用塗料に関する。 The present invention relates to a method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element and a paint for a dye-sensitized photoelectric conversion element.
色素増感された光電変換素子及び光電気化学電池は、導電性支持体上に形成された色素を吸着した半導体微粒子含有層からなる光電極、電荷移動層、対極から構成される。特にNature(第353巻、737〜740頁、1991年)および米国特許4927721号等には、色素によって増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子および太陽電池、ならびにこれを作製するための材料および製造技術が開示されている。 A dye-sensitized photoelectric conversion element and a photoelectrochemical cell are composed of a photoelectrode composed of a semiconductor fine particle-containing layer adsorbing a dye formed on a conductive support, a charge transfer layer, and a counter electrode. In particular, Nature (Vol. 353, 737-740, 1991) and US Pat. No. 4,927,721 disclose a photoelectric conversion element and a solar cell using semiconductor fine particles sensitized with a dye, and a material for producing the same. And manufacturing techniques are disclosed.
上述した光電変換素子及び太陽電池は、光吸収色素によって分光増感された多孔質半導体膜によって構成される光電極と、ヨウ素、臭素等のハロゲン類の酸化還元種を含有する、電荷移動層としての電解質と、導電性を有する基体上に、必要に応じて酸化還元電解質への電子授受を容易ならしめる触媒が固定された対電極とを具える。特に、前記多孔質半導体膜を酸化チタンから構成し、増感色素をルテニウム金属錯体から構成し、電解質をヨウ素レドックスを有機溶媒に溶解させて得た電解液から構成し、対電極を白金金属を酸化スズ透明導電性ガラスに固定したものから構成した場合において、高い光電変換効率が得られる事が知られている。 The photoelectric conversion element and solar cell described above include a photoelectrode composed of a porous semiconductor film spectrally sensitized with a light absorbing dye, and a charge transfer layer containing a redox species of halogens such as iodine and bromine. And a counter electrode on which a catalyst for facilitating electron transfer to the redox electrolyte is fixed on a conductive substrate, if necessary. In particular, the porous semiconductor film is composed of titanium oxide, the sensitizing dye is composed of a ruthenium metal complex, the electrolyte is composed of an electrolytic solution obtained by dissolving iodine redox in an organic solvent, and the counter electrode is composed of platinum metal. It is known that high photoelectric conversion efficiency can be obtained when it is made of a material fixed to tin oxide transparent conductive glass.
この形の光電変換素子及び太陽電池は、多孔質半導体膜を、半導体微粒子を含むペースト性の物質を基板に塗布、適宜焼成することにより作製出来るため、従来のシリコン単結晶、多結晶太陽電池や、アモルファスシリコン太陽電池、GaAs、CIS等の化合物半導体太陽電池に比べその製造コストが数分の一に下がることが予想される。 Since this type of photoelectric conversion element and solar cell can be prepared by applying a porous semiconductor film to a substrate by applying a paste-like substance containing semiconductor fine particles to a substrate and firing it appropriately, conventional silicon single crystals, polycrystalline solar cells, Compared with compound semiconductor solar cells such as amorphous silicon solar cells, GaAs, and CIS, the production cost is expected to be reduced to a fraction.
しかしながら、このような例の光電変換素子及び太陽電池における対電極に注目すると、触媒として作用する白金金属を、導電性を有する基体上にスパッタリング法などの真空プロセスにより作製している(特許文献1)。前記スパッタリング法などのプロセスによれば、このような例の光電変換素子及び太陽電池の大きな特徴の一つである、製造設備の簡略化によるコスト低減をはかることが困難である。 However, paying attention to the photoelectric conversion element of this example and the counter electrode in the solar cell, platinum metal acting as a catalyst is produced on a conductive substrate by a vacuum process such as sputtering (Patent Document 1). ). According to the process such as the sputtering method, it is difficult to reduce the cost by simplifying the manufacturing equipment, which is one of the major characteristics of the photoelectric conversion element and the solar cell in such an example.
また、このような例の光電変換素子や太陽電池セルは、同一基板上に多数個接続される形でも製品化されるが、そのような場合、対電極の白金金属をパターン加工する必要がある。スパッタリングなどのプロセスで作製される白金金属膜は、白金自体が非常に耐食性が強いため、通常のフォトリソエッチング法が適用困難なため、リフトオフプロセスなど多段プロセスを用いる必要があり、作製工程が煩雑化するなどの問題も生じている。 Moreover, although the photoelectric conversion element and photovoltaic cell of such an example are commercialized also in the form connected in large numbers on the same board | substrate, it is necessary to pattern-process the platinum metal of a counter electrode in such a case. . The platinum metal film produced by processes such as sputtering is very strong in corrosion resistance, so it is difficult to apply the usual photolithographic etching method, so it is necessary to use a multi-stage process such as a lift-off process, making the production process complicated. There are also problems such as
本発明は、特に対電極の製造プロセスを簡易化することにより、高性能な色素増感型光電変換素子を簡易に得ることを目的とする。 An object of the present invention is to easily obtain a high-performance dye-sensitized photoelectric conversion element, particularly by simplifying the manufacturing process of the counter electrode.
上記目的を達成すべく、本発明は
金属白金微粒子を含むコロイド溶液を形成する工程と、
前記コロイド溶液を所定の導電性基板上に塗布することによって、白金を含む触媒層を形成し、前記導電性基板と前記触媒層とを有する対電極を形成する工程と、
所定の色素を吸着した半導体層を有し、光吸収によって励起されることにより起電力を生ぜしめる光電極を形成する工程と、
前記対電極と前記光電極との間に電荷移動層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、色素増感型光電変換素子の製造方法に関する。
In order to achieve the above object, the present invention comprises a step of forming a colloidal solution containing metal platinum fine particles,
Forming a catalyst layer containing platinum by applying the colloidal solution onto a predetermined conductive substrate, and forming a counter electrode having the conductive substrate and the catalyst layer;
A step of forming a photoelectrode having a semiconductor layer adsorbing a predetermined dye and generating an electromotive force by being excited by light absorption;
Forming a charge transfer layer between the counter electrode and the photoelectrode;
The present invention relates to a method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、色素増感型光電変換素子の対電極において、触媒として作用する金属白金を含む触媒層を形成する際に、従来のようなスパッタリング法を用いる代わりに塗布法を用いて形成することを見出した。
このような塗布法は、印刷装置などの廉価かつ単純な装置を準備し、用いるのみで実現できる。さらには得られた白金金属膜は通常のフォトリソエッチング法によって加工可能であるため、パターン加工などを簡易に行うことができる。したがって、同一基板上において前記対電極、したがって前記色素増感型光電変換素子を多数個同時に簡易なプロセスを通じて形成することができ、前記色素増感型光電変換素子、あるいはこれを用いた太陽電池セルなどの光化学電池セルを簡易かつ廉価に製品化することができる。
The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above object. As a result, when forming a catalyst layer containing platinum metal that acts as a catalyst on the counter electrode of the dye-sensitized photoelectric conversion element, it is necessary to use a coating method instead of the conventional sputtering method. I found it.
Such a coating method can be realized only by preparing and using an inexpensive and simple apparatus such as a printing apparatus. Furthermore, since the obtained platinum metal film can be processed by a normal photolithography etching method, pattern processing or the like can be easily performed. Therefore, a large number of the counter electrodes, and thus the dye-sensitized photoelectric conversion elements, can be simultaneously formed on the same substrate through a simple process, and the dye-sensitized photoelectric conversion element or a solar battery cell using the same Photochemical battery cells such as can be easily and inexpensively commercialized.
なお、本発明においては、前記コロイド溶液を直接金属白金微粒子を分散させた状態で形成することもできるが、所定の導電性微粒子に担持させて複合体を形成し、この複合体が分散した状態とすることもできる。この場合においても、前記コロイド溶液の塗布を得て形成された前記触媒層は、同様の作用効果を示し、前記対電極、したがって前記色素増感型光電変換素子あるいはこれを含む光化学電池セルを簡易かつ廉価に製品化することができる。 In the present invention, the colloidal solution can be formed in a state in which the metal platinum fine particles are directly dispersed. However, a composite is formed by supporting the colloidal solution on predetermined conductive fine particles, and this composite is dispersed. It can also be. Even in this case, the catalyst layer formed by applying the colloidal solution exhibits the same effect, and the counter electrode, and thus the dye-sensitized photoelectric conversion element or the photochemical battery cell including the same can be simplified. It can be commercialized at low cost.
前記複合体は、前記導電性微粒子に直接担持させることもできるが、所定の白金錯体を前記導電性粒子に担持させた後、還元処理を行うことによっても作製することができる。 The composite can be directly supported on the conductive fine particles, but can also be produced by carrying out a reduction treatment after supporting a predetermined platinum complex on the conductive particles.
なお、特開2002−93475号公報には、白金ペーストをパターンコート(塗布法)して電極層を設けた色素増感型太陽電池セル(色素増感型光電変換素子)が開示されているが、前記電極層上に色素担持の半導体層を形成しており、前記電極層は対電極ではなく光電極を構成していることが分かる。したがって、前記公報では、光電極を塗布法により形成しており、対電極を塗布法により形成した本発明の光電変換素子とは異なる。また、前記公報は、対電極側から光を導入する構成の光電変換素子に関するものであって、
光電極側から光を導入する構成の本発明に関する光電変換素子と比較して、光電変換効率は著しく低くなる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-93475 discloses a dye-sensitized solar cell (dye-sensitized photoelectric conversion element) in which an electrode layer is provided by pattern coating (coating method) of platinum paste. It can be seen that a dye-carrying semiconductor layer is formed on the electrode layer, and the electrode layer constitutes a photoelectrode instead of a counter electrode. Therefore, in the said gazette, the photoelectrode is formed by the apply | coating method and it differs from the photoelectric conversion element of this invention which formed the counter electrode by the apply | coating method. The publication relates to a photoelectric conversion element configured to introduce light from the counter electrode side,
Compared with the photoelectric conversion element according to the present invention in which light is introduced from the photoelectrode side, the photoelectric conversion efficiency is remarkably lowered.
さらに、前記公報では、前記白金ペーストをH2PtCl6などの白金塩から形成しており、このような塩素や具素などのハロゲン化物から作製した白金ペーストを通常の印刷機などを用いて塗布すると、印刷機の金属部分を腐食させてしまう。したがって、前記公報に記載の技術は実用には不向きである。一方、本発明では、このような白金の塩素や臭素などのハロゲン化物を含まないコロイド溶液を準備し、このコロイド溶液から塗布法によって対電極の触媒層を形成するようにしているので、上述のような腐食の問題は生じない。したがって、前記公報の技術に比較して、本発明の技術は極めて実用的な方法であることが分かる。
なお、「導電性基板上に塗布する」とは、前記導電性基板が導電層を含む場合においては、この導電層上に形成することを含むものである。また、導電性基板が導電層を含む場合においては、前記導電層基板を構成する基板自体は必ずしも導電性を有している必要はない。 In addition, "applying on a conductive substrate" includes forming on a conductive layer when the conductive substrate includes a conductive layer. In the case where the conductive substrate includes a conductive layer, the substrate itself constituting the conductive layer substrate does not necessarily have conductivity.
以上説明したように、本発明によれば、太陽電池セルの対極の触媒層を所定の基板上に塗料の塗布によって形成出来るため、スパッタなどの真空設備が不要となる。また塗料をペースト状にした場合は基板上に所望の位置に印刷することができ、また、フォトリソエッチングによる加工プロセスが適用できるようになる。したがって、前記色素増感型光電変換素子、あるいはこれを用いた太陽電池セルなどの光化学電池セルを簡易かつ廉価に製品化することができるようになる。 As described above, according to the present invention, the catalyst layer of the counter electrode of the solar battery cell can be formed on a predetermined substrate by applying paint, so that vacuum equipment such as sputtering becomes unnecessary. Further, when the paint is made into a paste, it can be printed at a desired position on the substrate, and a processing process by photolithography etching can be applied. Accordingly, the dye-sensitized photoelectric conversion element or a photochemical battery cell such as a solar battery cell using the same can be easily and inexpensively commercialized.
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, details of the present invention and other features and advantages will be described based on the best mode for carrying out the invention.
(光電変換素子)
図1は、本発明の光電変換素子の一例を概略的に示す構成図である。なお、実際の製造工程においては、図2に示すように、対電極を構成する導電性基板上に、複数の光電変換素子が縦横に配列した構成を採るが、図1においては、図2に示す複数の光電変換素子の内、一つの光電変換素子にのみ着目している。なお、図2(a)は、複数の光電変換素子が配列した状態を上方から見た場合の平面図であり、図2(b)は、前記複数の光電変換素子が配列した状態を側方から見た場合の側面図である。図示を容易にするため、図2においては、光電極を形成しない状態を示している。
(Photoelectric conversion element)
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an example of the photoelectric conversion element of the present invention. In the actual manufacturing process, as shown in FIG. 2, a configuration is adopted in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged vertically and horizontally on a conductive substrate constituting a counter electrode. Of the plurality of photoelectric conversion elements shown, attention is focused on only one photoelectric conversion element. 2A is a plan view of the state in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged as viewed from above, and FIG. 2B is a side view of the state in which the plurality of photoelectric conversion elements are arranged. It is a side view at the time of seeing from. For ease of illustration, FIG. 2 shows a state in which no photoelectrode is formed.
図1に示す光電変換素子100は、光電極101及び対電極109が互いに対向するようにして設けられている。光電極101及び対電極109の間隔は数μm〜数mmである。光電極101は、透明基板104上に透明導電層105が形成されてなる透明導電性基板102と、この透明導電性基板102上に設けられた酸化物半導体電極103とを具えている。また、光電極101及び対電極109の間には、隔壁120とともに電荷移動層としての電解質108が封入されている。
The
酸化物半導体電極103は、図3に拡大して示すように、酸化物半導体微粒子106の表面に増感色素107が吸着担持された構成を採っている。一方、対電極109は、図4に拡大して示すように、基板110上に導電層111及び触媒層112が順次に形成された構成を採っている。
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the
また、電解質108が固体、半固体又は擬固体の状態であって漏れ出す可能性がない場合、隔壁120は無くても良いが、以下に詳述するように、電解質108としてヨウ素レドックス電解液などを用いる場合は、このような電解液を封止すべく隔壁120は必須の要素となる。
In addition, when the
本発明においては、対電極109を構成する触媒層112の、少なくとも電解質108に接触する部分を白金から構成する。但し、実用的には、以下に詳述する製造方法に起因して、触媒層112自体が白金から構成されるか、触媒層112の厚さ方向の全体に亘って分布するようにすることが好ましい(粒子状として存在する場合)。
In the present invention, at least a portion of the
また、白金は触媒層112内に微粒子の状態で存在することが好ましい。この場合、触媒層112の、見かけ面積に対する総表面積が増大し、電解質108と接触する面積が実質的に増加するため、電解質108から触媒層112への電荷移動抵抗を低減することができるようになる。この結果、電解質108から導電層111への電子授受性を向上させることができるようになる。
Platinum is preferably present in the
なお、白金が微粒子として存在する場合、その大きさは50nm以下であることが好ましい。これによって、上述した電荷移動抵抗の低減、それに伴う電子授受性の向上をより効果的に実現することができる。なお、前記大きさの下限は特に限定されるものではないが、現在の微粒子化技術などに起因して、2nm程度である。 When platinum is present as fine particles, the size is preferably 50 nm or less. As a result, it is possible to more effectively realize the above-described reduction in charge transfer resistance and the accompanying improvement in electron transfer performance. The lower limit of the size is not particularly limited, but is about 2 nm due to the current micronization technology.
白金はそれ自体が微粒子として存在することもできるが、導電性微粒子上に担持させることもできる。これらの場合においても複合素子の白金の粒子の大きさは50nm以下であることが好ましく、複合粒子全体に要求される大きさは200nm以下であることが好ましい。 Platinum itself can exist as fine particles, but can also be supported on conductive fine particles. Also in these cases, the size of the platinum particles of the composite element is preferably 50 nm or less, and the size required for the entire composite particle is preferably 200 nm or less.
また、触媒層112の総表面積、すなわち対電極109の電解質108と接触する側の総表面積が、触媒層112の見かけ面積、すなわち対電極109の電解質108と接触する側の見かけ面積に対して1−1000倍であることが好ましい。これによって、上述した電荷移動抵抗を十分に低減できるとともに、電子授受性を十分に向上させることができる。このように相対的に大きな総表面積は、上述したように、白金を微粒子化し、必要に応じて多孔質化することによって実現することができる。また導電性微粒子に白金微粒子を担持した複合粒子を積層することも効果的である。
Further, the total surface area of the
図1に示す光電変換素子100においては、光電極101をアノード電極とし、対電極109をカソード電極とすることができる。所定の波長及び強度を有する光が光電極101に入射すると、増感色素107は前記光を吸収して電子を放出する。この電子を酸化物半導体粒子106が吸収するとともに、電解質108に電子を放出する。この電子は電解質108内を対電極109へ向けて移動し、対電極109で電子授受が行われるようになる。この結果、光電変換素子100において所定の電流が生成され、発電が行われる結果となる。
In the
透明基板104としては、例えば白板ガラス、青板ガラス、石英ガラスなどのガラス基板やプラスチックなどの透明基板が使用できる。プラスチックはポリエステル、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリビニルアセタール、ポリエーテルケトン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等の延伸又は未延伸の透明プラスチックフィルム及び板等が挙げられる。
As the
透明導電層105は酸化スズ(SnO2)、フッ素ド−プ酸化スズ(FTO)、錫ド−プ酸化インジウム(ITO)等の透明導電性酸化物から構成することができる。この透明導電層105の厚さは、0.05〜10μm程度であることが好ましい。表面抵抗としては100Ω/cm2以下が好ましく、さらには20Ω/cm2以下であることが好ましい。この下限には特に制限はないが、通常0.1Ω/cm2程度である。また、透明導電層105の光透過率は50%以上であることが好ましく、70%以上が特に好ましい。上限については特に制限はないが通常90%程度である。また光入射側に反射防止層を付け光透過率を上げることも出来る。
The transparent
酸化物半導体電極103は、上述したように酸化物半導体微粒子106を含むことが好ましい。酸化物半導体電極103は、増感色素107を担持させるための酸化物半導体基体を有することが必要であるが、前記酸化物半導体基体を酸化物半導体微粒子106から構成することにより、その実質的な表面積を増大させることができ、増感色素107の担持できる量を増大させることができる。この結果、光電変換素子100全体としての発電量を増大させることができる。
The
なお、酸化物半導体微粒子106の、見かけ面積に対する総表面積の割合が100倍以上であることが好ましく、さらには100〜2000倍であることが好ましい。これによって、吸着担持できる増感色素107の量を増大させることができるようになる。したがって、酸化物半導体微粒子106は、微粒子であるばかりでなく、多孔質であることが好ましい。但し、酸化物半導体微粒子106は、本発明の必須の要件ではなく、非粒子状の酸化物半導体基体とすることもできる。
Note that the ratio of the total surface area to the apparent area of the oxide semiconductor
酸化物半導体微粒子106は、単金属酸化物やまたはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。単金属酸化物として好ましくはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、もしくはタンタルの酸化物が挙げられる。ペロブスカイト構造を有する化合物として好ましくはチタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウムが挙げられる。
As the oxide semiconductor
本発明に用いられる酸化物半導体としてより好ましくは、具体的には、TiO2、SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、Nb2O5、SrTiO3、BaTiO3が挙げられる。さらに好ましくはTiO2、ZnO、SnO2、Nb2O5、SrTiO3、BaTiO3であり、最も好ましくはTiO2である。またこれらの半導体の導電性を上げる目的でCr、Nb、Ta、Sb、W、As、N等の元素をド−プしたものも用いることが出来る。 More preferable examples of the oxide semiconductor used in the present invention include TiO 2 , SnO 2 , Fe 2 O 3 , WO 3 , ZnO, Nb 2 O 5 , SrTiO 3 , and BaTiO 3 . More preferred are TiO 2 , ZnO, SnO 2 , Nb 2 O 5 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , and most preferred is TiO 2 . For the purpose of increasing the conductivity of these semiconductors, those doped with elements such as Cr, Nb, Ta, Sb, W, As, and N can be used.
また酸化物半導体電極106から電解質108の間で電子が流れることを防止するために酸化物半導体電極106の表面上、具体的には酸化物半導体微粒子106の表面上に金属酸化物や金属炭酸塩を形成する事もできる。特に、酸化物半導体微粒子106がTiO2から構成される場合は、ZnO、Y2O3、Al2O3、SrO、MgO、Nb2O5、TaO、ZrO2、CeO、SrCO3、MgCO3を好適に使用できる。
Further, in order to prevent electrons from flowing from the
増感色素107は、実用的な見地から、自然光の波長範囲である300nm〜1200nmの波長範囲に光吸収性を持つ金属錯体色素および/または有機色素から構成することが好ましい。また、増感色素107は、酸化物半導体微粒子106の表面に対する適当な結合基を有していることが好ましい。色素の1例としてはルテニウム錯体色素が挙げられる。例えば、米国特許4927721号、同4684537号、同5084365号、同5350644号、同5463057号、同5525440号に記載の錯体色素が好適に
使用される。
The sensitizing dye 107 is preferably composed of a metal complex dye and / or an organic dye having light absorptivity in a wavelength range of 300 nm to 1200 nm, which is a wavelength range of natural light, from a practical viewpoint. The sensitizing dye 107 preferably has an appropriate bonding group to the surface of the oxide semiconductor
電解質108はレドックスを含む電子伝導性物質が好適に使用される。電子伝導性物質の形態としては常温で液体であっても良いし、ゲル状物質であっても良いし、固体であっても良く、特に制限するものではない。溶媒を用いる場合にはアセトニトリル、プロピオニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等が好適に使用される。溶融塩としては、例えばヨウ化リチウムと他の少なくとも1種類のリチウム塩や1,3−ジメチルプロピルイミダゾリウムが挙げられる。
The
またこれらの有機溶媒や溶融塩にゲル化剤を加え、半固体状の電子伝導性物質とすることもできる。ゲル化剤の1例としては ゲル電解質のマトリクスに使用されるポリマーとしては例えばポリアクリロニトリル、ポリビニリデンフルオリド等が挙げられる。 Moreover, a gelling agent can be added to these organic solvents and molten salts to form a semi-solid electron conductive material. As an example of the gelling agent, examples of the polymer used in the matrix of the gel electrolyte include polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride.
酸化還元対としてはヨウ素の酸化体、還元体の組み合わせが好適に使用される。ヨウ素酸化還元対を形成する原料としてはI2と各種のヨウ化物(たとえばLiI、NaI、KI、CsI、CaI2、MgI2などの金属ヨウ化物、4級イミダゾリウム化合物のヨウ素塩、4級ピリジニウム化合物のヨウ素塩、テトラアルキルアンモニウム化合物のヨウ素塩など)を使用することが出来る。この中では、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2、MgI2の金属ヨウ化物、4級イミダゾリウム化合物のヨウ素塩、4級ピリジニウム化合物のヨウ素塩またはテトラアルキルアンモニウム化合物のヨウ素塩とI2の組み合わせが好ましく、さらに複数のヨウ化物とI2を組み合わせることがより好ましい。さらに好ましくは、LiIとI2と4級イミダゾリウム化合物のヨウ素塩が好適に使用できる。 As the redox couple, a combination of an oxidized form of iodine and a reduced form is preferably used. I 2 and various iodides (for example, metal iodides such as LiI, NaI, KI, CsI, CaI 2 and MgI 2 ), iodine salts of quaternary imidazolium compounds, quaternary pyridinium Iodine salts of compounds, iodine salts of tetraalkylammonium compounds, etc.) can be used. Among them, LiI, NaI, KI, CsI, CaI 2 , MgI 2 metal iodide, quaternary imidazolium compound iodine salt, quaternary pyridinium compound iodine salt or tetraalkyl ammonium compound iodine salt and I 2 A combination is preferable, and a combination of a plurality of iodides and I 2 is more preferable. More preferably, an iodine salt of LiI, I 2 and a quaternary imidazolium compound can be suitably used.
酸化還元対の濃度としては好ましくは0.1モル/リットル以上であり、特に好ましくは0.3モル/リットル以上である。また特に制限はないが、溶媒への溶解性から通常3モル/リットル程度が上限である。 The concentration of the redox couple is preferably 0.1 mol / liter or more, particularly preferably 0.3 mol / liter or more. Although there is no particular limitation, the upper limit is usually about 3 mol / liter because of its solubility in a solvent.
但し、図1に示す光電変換素子100においては、隔壁120を設けているので、外部からの水分の浸入は極力低減することができる。隔壁120はポリマーや接着剤等の有機物や、ガラスフリットや金属箔等の無機物から構成することができる。
However, in the
対電極109の基板110は、Ni、Fe、Pt、Al、In、Sn、Cu、Zn、Ag、Au、Mo、Ti、Zr、SUS等の金属板または酸化スズ、フッ素ド−プ酸化スズ、錫ド−プ酸化インジウム等の導電性酸化物基板、またはNi、Fe、Pt、Al、In、Sn、Cu、Z、Ag、Au、Mo、Ti、Zr、SUS等の金属板上に酸化スズ、フッ素ド−プ酸化スズ、錫ド−プ酸化インジウム等導電性酸化物膜を形成したもの、酸化スズ、フッ素ド−プ酸化スズ、錫ド−プ酸化インジウム等の導電性酸化物基板上にNi、Fe、Pt、Al、In、Sn、Cu、Zn、Ag、Au、Mo、Ti、Zr、SUS等の金属膜を形成したものを用いることが出来る。また、透明基板104と同様のガラス基板、透明プラスチックフィルム及び板などを使用することができる。
The
この中でも特にコスト面を考慮すると、上述したプラスチックフィルム及び金属板上に導電性酸化物膜を形成したものを使用することが好ましい。但し、プラスチックフィルムを用いた場合は、耐腐食性が若干低下する。一方、コスト的には不利であるが、ガラス基板上に導電性酸化物膜を形成したものは高い耐腐食性を呈するようになる。 Of these, considering the cost, it is preferable to use the above-mentioned plastic film and metal plate formed with a conductive oxide film. However, when a plastic film is used, the corrosion resistance is slightly reduced. On the other hand, although it is disadvantageous in terms of cost, the one in which the conductive oxide film is formed on the glass substrate exhibits high corrosion resistance.
なお、上述したように、基板110が上述した金属板あるいは導電性酸化物基板から構成される場合、又は導電性酸化物膜や金属膜を含むことにより導電性を呈する場合、導電層111は特に設ける必要はない。
In addition, as described above, when the
また、図4に示すように導電層111を設ける場合、この導電層111は酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、及び錫ドープ酸化インジウムなどから構成することが好ましい。この場合、電解質108がヨウ素レドックス電解液を含む場合においても、電解質108に対して高い腐食耐性を呈するようになる。
In the case where the conductive layer 111 is provided as shown in FIG. 4, the conductive layer 111 is preferably composed of tin oxide, fluorine-doped tin oxide, tin-doped indium oxide, or the like. In this case, even when the
対電極109の触媒層112は、前述した白金微粒子から構成できる他、膜付着強度、導電性などの一層の向上を目的として、必要なら他の成分、例えばケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、セリウム、チタン、イットリウム、亜鉛、マグネシウム、インジウム、錫、アンチモン、ガリウム、ルテニウムなどの酸化物または複合酸化物の微粒子、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、及び錫ドープ酸化インジウム等の導電性酸化物微粒子を含むことが好ましい。
The
(光電変換素子の製造方法)
次に、本発明の光電変換素子の製造方法を、図1〜4に示す光電変換素子100と関連させながら説明する。
(Manufacturing method of photoelectric conversion element)
Next, the manufacturing method of the photoelectric conversion element of this invention is demonstrated, making it relate with the
最初に、光電極101の作製方法について説明する。透明基板104を準備し、この上に透明導電層105を形成して、透明導電性基板102を作製する。透明導電層105はスパッタリング法やCVD法、あるいは塗布法など公知の成膜技術を用いて形成することができる。また、市販の透明導電層105が形成された透明基板104を透明導電性基板102として直接的に使用することもできる。
First, a method for manufacturing the
次いで、所定のバインダを含んでなる酸化物半導体微粒子ペーストを準備し、透明導電性基板102上に塗布し、焼成して前記バインダを除去することによって、透明導電性基板102上に酸化物半導体微粒子106を形成する。
Next, an oxide semiconductor fine particle paste containing a predetermined binder is prepared, applied on the transparent
前記塗布は、スクリーン印刷法、スピンコート法、ロールコート法、スプレー法、バーコート法、ディップ法、メニスカスコート法、グラビア印刷法、ディスペンス法、インクジェット法などの通常の薄膜塗布技術がいずれも使用可能である。この内、スクリーン印刷法は、印刷基体上の所望の位置に膜を形成する事ができるので特に好ましい塗布法である。 The coating is performed using any of ordinary thin film coating techniques such as screen printing, spin coating, roll coating, spraying, bar coating, dip, meniscus coating, gravure printing, dispensing, and inkjet. Is possible. Among these, the screen printing method is a particularly preferable coating method because a film can be formed at a desired position on the printing substrate.
次いで、所定の溶媒中に増感色素107を溶解させて増感色素溶液を作製し、この溶液中に酸化物半導体微粒子106を基板ごと浸漬させることによって、増感色素107を酸化物半導体微粒子106上に吸着させ担持させる。前記溶媒としては、メタノール、エタノール、2プロパノール、1ブタノール、t-ブタノール等のアルコール類、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、3メトキシプロピオニトリル等のニトリル類、またはこれらの混合溶媒を用いることができる。
Next, the sensitizing dye 107 is dissolved in a predetermined solvent to prepare a sensitizing dye solution, and the oxide semiconductor
以上のような操作を経ることにより、増感色素107が吸着した酸化物半導体微粒子106、すなわち酸化物半導体電極103を具えた光電極101を得ることができる。
Through the operation as described above, the oxide semiconductor
次に、対電極109の作製方法について説明する。最初に、基板110を準備し、必要に応じて導電層111を塗布法など公知の方法によって形成する。次いで、基板110又は導電層111上に、本発明に従い、塗布法により触媒層112を形成する。以下に触媒層112の形成方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
最初に、所定の溶媒中に金属白金微粒子を分散させたコロイド溶液を作製する。この際、必要に応じて、所定のコロイド化剤を用いる。 First, a colloidal solution in which metal platinum fine particles are dispersed in a predetermined solvent is prepared. At this time, a predetermined colloid agent is used as necessary.
また、前記前記溶媒としては、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類、メチルセロソルブ(β−オキシエチルメチルエーテル)、エチルセロソルブ(β−オキシエチルエーテル)、ブチルセロソルブ(ブチル−β−オキシエチルエーテル)等のセロソルブ類、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のエステル類を好適に用いることができる。 Examples of the solvent include water, alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone, methyl cellosolve (β-oxyethyl methyl ether), ethyl cellosolve (β- Cellosolves such as oxyethyl ether) and butyl cellosolve (butyl-β-oxyethyl ether), aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, ethyl acetate, butyl acetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, ethylene glycol monoethyl ether Acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monomethyl ether acetate, diethylene glycol mono Esters such as chill ether acetate can be preferably used.
なお、前記コロイド溶液中における前記金属白金微粒子の大きさは50nm以下であることが好ましい。これによって、触媒層112中に含まれる白金微粒子の大きさを上述したように50nm以下の好ましい範囲に設定することができる。
The size of the metal platinum fine particles in the colloidal solution is preferably 50 nm or less. Thereby, the size of the platinum fine particles contained in the
また、前記コロイド溶液は、前記金属白金微粒子を所定の導電性粒子に担持させて複合体を形成し、この複合体を分散した状態で作製することもできる。この場合、前記コロイド溶液を構成する溶媒は上記に例示したものから構成することができる。また、前記導電性粒子は、前記金属白金微粒子とともに、後に触媒層112を構成するようになるため、触媒層112に関連した説明した上記酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、及び錫ドープ酸化インジウム等の導電性酸化物微粒子などから構成することができる。
The colloidal solution can also be prepared in such a state that the metal platinum fine particles are supported on predetermined conductive particles to form a complex and the complex is dispersed. In this case, the solvent constituting the colloidal solution can be composed of those exemplified above. Further, since the conductive particles together with the metal platinum fine particles will later constitute the
なお、上述した複合体からコロイド溶液を作製する場合は、前記複合体の大きさが200nm以下であることが好ましい。これによって、触媒層112中において、導電性粒子及びこれに担持した白金微粒子を含む全体の大きさを200nm以下にすることができ、上述したような作用効果を有することができるようになる。
In addition, when producing a colloidal solution from the composite_body | complex mentioned above, it is preferable that the magnitude | size of the said composite is 200 nm or less. As a result, the total size of the
前記複合体は、前記金属白金微粒子を前記導電性粒子に対して直接担持させることによっても形成することができるが、所定の白金錯体を用い、この白金錯体を前記導電性粒子に担持させた後、還元処理を施すことによっても得ることができる。前記還元処理は、所定の還元剤を用いたり、アルコール浸漬をした後紫外線を照射するなどの方法を用いたりすることによって得ることができる。前記白金金属錯体としては、白金アセチルアセトナート、白金EDTA錯体、白金ビピリジル錯体を例示することができる。 The composite can also be formed by directly supporting the metal platinum fine particles on the conductive particles, but after using a predetermined platinum complex and supporting the platinum complex on the conductive particles. It can also be obtained by performing a reduction treatment. The reduction treatment can be obtained by using a predetermined reducing agent or using a method of irradiating ultraviolet rays after immersion in alcohol. Examples of the platinum metal complex include platinum acetylacetonate, platinum EDTA complex, and platinum bipyridyl complex.
前記コロイド溶液中に分散剤を添加し、及び/又は超音波分散などの方法を用いて、前記溶液中の白金微粒子あるいは複合体の分散性を向上させることができる。分散剤としては、有機系カルボン酸、有機系アミン類等を用いることができる。有機系カルボン酸としては、例えば、酢酸、シュウ酸、コハク酸、マロン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、マレイン酸、クエン酸、酒石酸等、及びそれらの金属塩を用いることができる。また、有機系アミン類としては、例えば、ジメチルアミノエタノール、ジエタノールアミン、プロパノールアミン、ブタノールアミン等のアルカノールアミン等を用いることができる。 The dispersibility of the platinum fine particles or the composite in the solution can be improved by adding a dispersant to the colloidal solution and / or using a method such as ultrasonic dispersion. As the dispersant, organic carboxylic acids, organic amines, and the like can be used. Examples of the organic carboxylic acid that can be used include acetic acid, oxalic acid, succinic acid, malonic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, maleic acid, citric acid, tartaric acid, and metal salts thereof. Examples of organic amines that can be used include alkanolamines such as dimethylaminoethanol, diethanolamine, propanolamine, and butanolamine.
また、分散性を制御する目的で、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリアクリル酸等の高分子等を分散補助剤として用いることもできる。 For the purpose of controlling dispersibility, for example, polymers such as polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyacrylic acid, and the like can be used as a dispersion aid.
さらに、前記溶液には、必要に応じてバインダを加え、ペーストとすることもできる。 Furthermore, a binder may be added to the solution as necessary to form a paste.
前記塗布は、上述したように、スクリーン印刷法、スピンコート法、ロールコート法、スプレー法、バーコート法、ディップ法、メニスカスコート法、グラビア印刷法、ディスペンス法、インクジェット法などの通常の薄膜塗布技術がいずれも使用可能である。この内、スクリーン印刷法は、印刷基体上の所望の位置に膜を形成する事ができるので特に好ましい塗布法である。 As described above, the coating is performed by a normal thin film coating method such as a screen printing method, a spin coating method, a roll coating method, a spray method, a bar coating method, a dip method, a meniscus coating method, a gravure printing method, a dispensing method, and an inkjet method. Any technique can be used. Among these, the screen printing method is a particularly preferable coating method because a film can be formed at a desired position on the printing substrate.
なお、前記塗布後において、得られた塗膜に対して焼成処理を施すことができる。前記コロイド溶液中に含まれる溶媒は塗布後において自然に揮発し除去されるが、前記ペーストを使用する場合はバインダは塗布、乾燥後においても残留するようになる。したがって、前記塗膜を触媒層として使用するためには、前記塗膜中のペーストを焼成し、樹脂分を除去する必要がある。 In addition, a baking process can be given with respect to the obtained coating film after the said application | coating. The solvent contained in the colloidal solution is volatilized and removed naturally after coating, but when the paste is used, the binder remains even after coating and drying. Therefore, in order to use the coating film as a catalyst layer, it is necessary to bake the paste in the coating film and remove the resin component.
また、前記ペーストの種類に応じ、前記焼成処理の代わりに、紫外線やプラズマを照射することによって得られた塗膜全体の樹脂分を除去することも出来る。 Moreover, according to the kind of the said paste, it can also remove the resin part of the whole coating film obtained by irradiating with an ultraviolet-ray or a plasma instead of the said baking processing.
なお、上述した溶液及びコロイド溶液は、図1〜4に示す本発明の光電変換素子100の、対電極109における触媒層112を形成する際の塗料としての性質を有する。
In addition, the solution and colloid solution mentioned above have the property as a coating material at the time of forming the
以下、本発明を実施例に従って具体的に説明するが、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely according to an Example, this invention is not limited to the content of an Example.
(実施例1)
<光電極の作製>
半導体微粒子として酸化チタン微粒子(住友大阪セメント社製、平均粒径20nm)を用い、酸化チタン微粒子含有ペーストを調製した。TiO2超微粒子25重量%と1−p−メンテン−8−オール(α−テルピネオール(商品名):関東化学社製)75重量%、ポリビニルブチラール(積水化学BM-1)5重量%の仕込み比にて混合した。混合は3本ロール(EXAKT社製)にておこなった。
Example 1
<Production of photoelectrode>
Using titanium oxide fine particles (manufactured by Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd.,
次いで、酸化スズ透明導電膜つきガラス基板(日本板硝子社製、表面抵抗10Ω/□)を35mm×20mmの大きさに切断し、この導電面側にシルクスクリ−ン印刷法を用いて上記の酸化チタンペ−ストを10mm×10mmの正方形状に印刷した。これを電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)に入れ、500℃にて30分間焼成した。焼成後、基板温度が100℃以下になる前に(シスージ(チオシアネート)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))のエタノール溶液(いずれも3×10−4モル/リットル)に3時間浸漬することで色素を吸着させ、前記透明導電膜付きガラス基板上に、酸化物半導体電極を形成し、光電極を作製した。 Next, a glass substrate with a tin oxide transparent conductive film (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance 10Ω / □) is cut into a size of 35 mm × 20 mm, and the above oxidation is performed on the conductive surface side using a silk screen printing method. Titanium paste was printed in a 10 mm × 10 mm square shape. This was put into an electric furnace (Maffle furnace FP-32 type manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) and baked at 500 ° C. for 30 minutes. After firing, before the substrate temperature becomes 100 ° C. or lower (ethanol solution of (cis-di (thiocyanate) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II)) (both 3 × 10 -4 mol / liter) was adsorbed for 3 hours to adsorb the dye, and an oxide semiconductor electrode was formed on the glass substrate with a transparent conductive film to produce a photoelectrode.
<対電極の作製>
最初に、水素化ホウ素ナトリウム1.5gを純水9000gに溶解したものと、8gの塩化白金酸6水和物を純水800に溶解させたものを急激に混合し白金コロイドを作製した。得られたコロイド状分散液を限外濾過法により濾過し濾過液の電導度が1μS・cmになるまで洗浄し、コロイド分散液中の塩素を除去した。さらに限外濾過法により濃縮し、4.5重量%の白金微粒子を含む水性ゾル(コロイド溶液)を得た。白金微粒子の平均粒径は10nmであった。
<Preparation of counter electrode>
First, a solution obtained by dissolving 1.5 g of sodium borohydride in 9000 g of pure water and 8 g of chloroplatinic acid hexahydrate dissolved in pure water 800 were rapidly mixed to prepare a platinum colloid. The obtained colloidal dispersion was filtered by an ultrafiltration method and washed until the conductivity of the filtrate became 1 μS · cm to remove chlorine in the colloidal dispersion. Further, it was concentrated by an ultrafiltration method to obtain an aqueous sol (colloid solution) containing 4.5% by weight of platinum fine particles. The average particle size of the platinum fine particles was 10 nm.
次いで、イソプロパノ−ルに白金が1重量%の濃度になるよう前記白金コロイド溶液を分散させたもの5gを、1−p−メンテン−8−オール(α−テルピネオール(商品名):関東化学社製)にポリビニルブチラール(積水化学BM-1)10重量%で溶解させたビヒクル15gの仕込み比にて混合し、白金含有ペーストを調製した。次いで、機械式ホモジナイザ−(IKA社製)によって混合した後、回転式エバポレ−タ−(東京理化社製)によってイソプロパノ−ルを除去した。3本ロール(EXAKT社製)によって混練を行った。 Subsequently, 1 g of 1-p-menten-8-ol (α-terpineol (trade name): manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was obtained by dispersing the platinum colloid solution in isopropanol so that the concentration of platinum was 1% by weight. ) Was mixed at a charging ratio of 15 g of a vehicle dissolved in 10% by weight of polyvinyl butyral (Sekisui Chemical BM-1) to prepare a platinum-containing paste. Subsequently, after mixing by a mechanical homogenizer (manufactured by IKA), isopropanol was removed by a rotary evaporator (manufactured by Tokyo Rika Co., Ltd.). The kneading was performed with three rolls (manufactured by EXAKT).
その後、酸化スズ透明導電膜つきガラス基板(日本板硝子社製、表面抵抗10Ω/□)を35mm×20mmの大きさに切断し、サンドブラスタ−装置にてφ0.6mmの貫通孔を開け電解液注入孔を形成した。この基板の導電面側にシルクスクリ−ン印刷法を用いて上記の白金コロイド含有ペ−ストを10mm×10mmの正方形状に印刷した。その後、前記ペーストを、前記透明導電膜付きガラス基板ごと電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)に入れ、500℃にて1時間焼成して、対電極を作製した。 Thereafter, a glass substrate with a tin oxide transparent conductive film (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance 10Ω / □) is cut into a size of 35 mm × 20 mm, a φ0.6 mm through hole is opened with a sandblaster device, and an electrolyte is injected. A hole was formed. The platinum colloid-containing paste was printed in a square shape of 10 mm × 10 mm on the conductive surface side of the substrate using a silk screen printing method. Then, the paste was put together with the glass substrate with the transparent conductive film into an electric furnace (Maffle furnace FP-32 type manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) and baked at 500 ° C. for 1 hour to produce a counter electrode.
<光電変換素子の作製>
熱可塑・熱圧着性の樹脂からなるフィルム状接着剤(タマポリ社製HM52)を上述のようにして作製した光電極及び対電極間に配置し、120℃に保持された電気炉中に2分間入れ、前記接着剤を前記光電極及び前記対電極と接着させることにより、隔壁を形成した。
<Production of photoelectric conversion element>
A film adhesive (HM52 manufactured by Tamapoly Co., Ltd.) made of a thermoplastic / thermocompression-bonding resin is placed between the photoelectrode and counter electrode produced as described above, and placed in an electric furnace maintained at 120 ° C. for 2 minutes. A partition wall was formed by adhering the adhesive to the photoelectrode and the counter electrode.
次いで、電解液(メトキシプロピオニトリルに支持電解質として1−2ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムのヨウ素塩0.65モル/リットル、ヨウ化リチウム0.5モル/リットル、ヨウ素0.05モル/リットル、タ−シャリ−ブチルピリジン0.5モル/リットルを加えたもの)を、前記対電極にあけた電解液注入孔から注入し、前記光電極、前記対電極及び前記隔壁で封止することによって光電変換素子を得た。 Next, an electrolytic solution (methoxypropyldinitrile as a supporting electrolyte, 1-2dimethyl-3-propylimidazolium iodine salt 0.65 mol / liter, lithium iodide 0.5 mol / liter, iodine 0.05 mol / liter , Tert-butylpyridine 0.5 mol / liter) was injected from the electrolyte injection hole formed in the counter electrode, and sealed with the photoelectrode, the counter electrode and the partition wall A photoelectric conversion element was obtained.
(実施例2)
本実施例において、光電極の作製及び光電変換素子の作製は、実施例1と同様にして実施した。但し、対電極は以下のようにして作製した。
(Example 2)
In this example, the photoelectrode and the photoelectric conversion element were manufactured in the same manner as in Example 1. However, the counter electrode was produced as follows.
<対電極の作製>
イソプロパノ−ルに30重量パ−セントの濃度でITO(スズドープ酸化インジウム)超微粒子を分散させた分散液(住友大阪セメント(株)社製)6.66gを、エタノールにエチルセルロース(関東化学社製)を溶解させたビヒクル5.0gと1−p−メンテン−8−オール(α−テルピネオール(商品名):関東化学社製)7.5gを混合した。機械式ホモジナイザ−(IKA社製)によって混合した後、回転式エバポレ−タ−(東京理化社製)によってイソプロパノ−ルとエタノールを除去した。3本ロール(EXAKT社製)によって混練を行い、ITOペーストを調製した。
<Preparation of counter electrode>
Ethyl cellulose (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) and 6.66 g of a dispersion liquid (manufactured by Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd.) in which ultrafine particles of ITO (tin-doped indium oxide) are dispersed at a concentration of 30% by weight in isopropanol are used. 5.0 g of the vehicle in which the solution was dissolved and 7.5 g of 1-p-menten-8-ol (α-terpineol (trade name): manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were mixed. After mixing by a mechanical homogenizer (manufactured by IKA), isopropanol and ethanol were removed by a rotary evaporator (manufactured by Tokyo Rika). Kneading was carried out with three rolls (manufactured by EXAKT) to prepare an ITO paste.
次いで、酸化スズ透明導電膜つきガラス基板(日本板硝子社製、表面抵抗10Ω/□)を35mm×20mmの大きさに切断し、サンドブラスタ−装置にてφ0.6mmの貫通孔を開け電解液注入孔を形成した。この基板の導電面側にシルクスクリ−ン印刷法を用いて上記のITOペーストを10mm×10mmの正方形状に印刷した。150℃に保持した電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)中で10分間保持し乾燥させ、前記透明導電膜付きガラス基板上にITO微粒子が含有膜を形成した。
次いで、ITO膜実施例1と同様の方法で作成した白金含有ペーストをスクリーン印刷法を用いて印刷した。電気炉(ヤマト科学製マッフル炉FP−32型)に入れ、500℃にて1時間焼成し、前記透明導電膜付きガラス基板上に、ITO層と白金からなる触媒層から形成されてなる対電極を作製した。
Next, a glass substrate with a tin oxide transparent conductive film (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., surface resistance 10Ω / □) is cut into a size of 35 mm × 20 mm, a φ0.6 mm through hole is opened with a sandblaster device, and an electrolyte is injected. A hole was formed. The ITO paste was printed in a 10 mm × 10 mm square shape on the conductive surface side of the substrate using a silk screen printing method. It was kept for 10 minutes in an electric furnace (Yamato Scientific Muffle Furnace FP-32) held at 150 ° C. and dried to form a film containing ITO fine particles on the glass substrate with a transparent conductive film.
Next, a platinum-containing paste prepared by the same method as in ITO film Example 1 was printed using a screen printing method. A counter electrode formed in an electric furnace (Yamato Scientific muffle furnace FP-32 type), fired at 500 ° C. for 1 hour, and formed on the glass substrate with the transparent conductive film from an ITO layer and a catalyst layer made of platinum. Was made.
(比較例1)
本比較例において、光電極の作製及び光電変換素子の作製は、実施例1と同様にして実施した。但し、上記特許文献1に準じて対電極はPt膜付き基板を使用した。この基板は、酸化スズ透明導電膜付きガラス基板(日本板硝子社製、表面抵抗10Ω/□)にプラズマスパッタ装置でPtを200nm製膜することによって作製した。これを35mm×20mmの大きさに切断し、サンドブラスタ−装置にてφ0.6mmの貫通孔を開け電解液注入孔を形成、対電極を作製した。
(Comparative Example 1)
In this comparative example, the photoelectrode and the photoelectric conversion element were manufactured in the same manner as in Example 1. However, a substrate with a Pt film was used as the counter electrode in accordance with
(比較例2)
本実施例においても、光電極の作製及び光電変換素子の作製は、実施例1と同様にして実施した。但し、対電極は上記特許文献2に準じて以下のようにして作製した。
イソプロパノ−ルに4重量パ−セントの濃度で塩化白金酸6水和物(関東化学社製)を溶解させたもの9.38gを、1−p−メンテン−8−オール(α−テルピネオール(商品名):関東化学社製)に10重量パ−セントの濃度でエチルセルロース(関東化学社製)を溶解させたビヒクル15gを混合した。機械式ホモジナイザ−(IKA社製)によって混合した後、回転式エバポレ−タ−(東京理化社製)によってイソプロパノ−ルを除去した。3本ロール(EXAKT社製)によって混練を行い、塩化白金酸ペーストを調製した。
(Comparative Example 2)
Also in this example, the photoelectrode and the photoelectric conversion element were manufactured in the same manner as in Example 1. However, the counter electrode was produced in the following manner according to Patent Document 2.
9.38 g of chloroplatinic acid hexahydrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) dissolved in isopropanol at a concentration of 4% by weight was dissolved in 1-p-menten-8-ol (α-terpineol (product). Name): manufactured by Kanto Chemical Co.) was mixed with 15 g of a vehicle in which ethyl cellulose (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was dissolved at a concentration of 10% by weight. After mixing with a mechanical homogenizer (manufactured by IKA), isopropanol was removed with a rotary evaporator (manufactured by Tokyo Rika). Kneading was performed with three rolls (manufactured by EXAKT) to prepare a chloroplatinic acid paste.
(評価)
次に、上記実施例及び比較例で得た光電変換素子の光電変換特性、並びに対電極のパターン加工性及びコロイド溶液ペーストの耐金属腐食性について調べた。
(Evaluation)
Next, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion elements obtained in the above Examples and Comparative Examples, the pattern processability of the counter electrode, and the metal corrosion resistance of the colloid solution paste were examined.
<光電変換特性>
AM1.5、JIS−クラスAの分光放射特性を持つソ−ラ−シミュレ−タ−(山下電装社製YSS80A)により模擬太陽光を発生させた。この光の強度は100mW/cm2であった。本素子に、模擬太陽光を連続的に照射し、電流電圧測定装置(ケースレー240にてI−V特性を測定することによって変換効率を求めた。
<Photoelectric conversion characteristics>
Simulated sunlight was generated by a solar simulator (YSS80A manufactured by Yamashita Denso Co., Ltd.) having spectral emission characteristics of AM1.5 and JIS-Class A. The intensity of this light was 100 mW / cm 2 . This element was continuously irradiated with simulated sunlight, and the conversion efficiency was determined by measuring the IV characteristics with a current-voltage measuring device (Caseley 240).
<耐腐食性>
上記実施例及び上記比較例の対電極作製用ペースト5gをイソプロパノール40gとイオン交換水5gの混合溶液に投入し、機械式ホモジナイザーで撹拌した。この液体中を100mLスクリュー管瓶に入れ、20mm×10mm×t1mmのSUS304板を投入し、70℃の恒温機中1ヶ月間保持し、SUS304板の変化を観察した。
<Corrosion resistance>
5 g of the counter electrode preparation pastes of the above examples and comparative examples were put into a mixed solution of 40 g of isopropanol and 5 g of ion-exchanged water, and stirred with a mechanical homogenizer. This liquid was put into a 100 mL screw tube bottle, a 20 mm × 10 mm ×
<パターン加工性>
上記実施例及び上記比較例の対電極作製用ペーストを用いて透明導電性ガラス上に触媒層のパターン作製を行った。325メッシュのステンレススクリーン上に印刷部と非印刷部のライン幅を25μm〜500μmとしたストライプテストパターンを感光性乳剤で形成したスクリーン版で印刷を行い、120℃に保持した乾燥機中で溶剤を乾燥させた。触媒層パターンのストライプパターンが明確に観察出来る幅からパターン加工性を判断した。
<Pattern workability>
A catalyst layer pattern was formed on the transparent conductive glass using the counter electrode preparation pastes of the above Examples and Comparative Examples. A strip test pattern with a line width of 25 μm to 500 μm between the printed part and the non-printed part was printed on a 325 mesh stainless steel screen with a screen plate formed with a photosensitive emulsion, and the solvent was removed in a dryer maintained at 120 ° C. Dried. Pattern workability was judged from the width at which the stripe pattern of the catalyst layer pattern could be clearly observed.
以上の評価結果を表1に示す。また、光電変換素子の光電変換効率に関する、光短絡電流密度Jsc(mA/cm2)及び光開放電圧Vco(V)との関係を示すグラフ(I−V特性)を図5に示す。 The above evaluation results are shown in Table 1. FIG. 5 shows a graph (IV characteristics) showing the relationship between the photoelectric short-circuit current density Jsc (mA / cm 2) and the optical open circuit voltage Vco (V) regarding the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element.
表1及び図5から明らかなように、本発明の方法で得た光電変換素子は高い光電変換効率を有することが分かる。また、表1から明らかなように、本発明の方法では、対電極のパターン加工性にも優れ、使用するコロイド溶液ペーストの耐金属腐食性が高い、すなわち金属に対する腐食性も小さいことが判明した。一方、特許文献1のようなスパッタリング法で形成した対電極はパターン加工性に劣り、特許文献2に使用されているような白金塩から構成したコロイド溶液ペーストは、耐金属腐食性が低い、すなわち金属に対する腐食性が高いことが判明した。
As is apparent from Table 1 and FIG. 5, it can be seen that the photoelectric conversion element obtained by the method of the present invention has high photoelectric conversion efficiency. Further, as is apparent from Table 1, it was found that the method of the present invention was excellent in the patterning property of the counter electrode, and the colloidal solution paste used had high metal corrosion resistance, that is, low metal corrosion resistance. . On the other hand, the counter electrode formed by the sputtering method as in
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。 As described above, the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention with specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and all modifications and changes are made without departing from the scope of the present invention. It can be changed.
例えば、上述したコロイド溶液中には、白金コロイドなどの分散性を阻害しない限りにおいて、樹脂成分を含有させることもできる。樹脂成分としては、例えば、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、セルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、塩ビ樹脂等の熱硬化性あるいは熱可塑性有機高分子化合物、紫外線(UV)硬化性有機高分子化合物、電子線(EB)硬化性有機高分子化合物、ポリシロキサン等の無機高分子化合物等を、単独もしくは複合して用いることができる。 For example, the above-described colloid solution may contain a resin component as long as the dispersibility of platinum colloid or the like is not inhibited. Examples of the resin component include thermosetting or acrylic resin, polyester resin, polyurethane resin, polyolefin resin, polystyrene resin, cellulose, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, butyral resin, alkyd resin, and vinyl chloride resin. Thermoplastic organic polymer compounds, ultraviolet (UV) curable organic polymer compounds, electron beam (EB) curable organic polymer compounds, inorganic polymer compounds such as polysiloxane, etc. can be used alone or in combination. .
100 光電変換素子
101 光電極
102 透明導電性基板
103 酸化物半導体電極
104 透明基板
105 透明導電層
106 酸化物半導体微粒子
107 増感色素
108 電解質
109 対電極
110 基板
111 導電層
112 触媒層
120 隔壁
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記コロイド溶液を所定の導電性基板上に塗布することによって、白金を含む触媒層を形成し、前記導電性基板と前記触媒層とを有する対電極を形成する工程と、
所定の色素を吸着した半導体層を有し、光吸収によって励起されることにより起電力を生ぜしめる光電極を形成する工程と、
前記対電極と前記光電極との間に電荷移動層を形成する工程と、を具える
色素増感型光電変換素子の製造方法において、
前記金属白金微粒子は、導電性粒子に担持させてなる複合体を構成し、
前記コロイド溶液は前記複合体を含むことを特徴とする、色素増感型光電変換素子の製造方法。 Forming a colloidal solution containing metal platinum particulates;
Forming a catalyst layer containing platinum by applying the colloidal solution onto a predetermined conductive substrate, and forming a counter electrode having the conductive substrate and the catalyst layer;
A step of forming a photoelectrode having a semiconductor layer adsorbing a predetermined dye and generating an electromotive force by being excited by light absorption;
Forming a charge transfer layer between the counter electrode and the photoelectrode.
In the method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element,
The metal platinum fine particles constitute a composite supported on conductive particles,
The method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element, wherein the colloidal solution contains the complex.
する、請求項1〜4のいずれか一に記載の色素増感型光電変換素子の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 4 , wherein a baking treatment is performed after the application of the colloid solution onto the conductive substrate.
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