JP4896490B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、太陽電池、光センサ、光電変換原理に基づく水素発生装置等として好適に使用できる、光電変換装置に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion device that can be suitably used, for example, as a solar cell, an optical sensor, a hydrogen generation device based on a photoelectric conversion principle, or the like.
近年、前記太陽電池等を低コスト化するために、色素増感型の光電変換装置が、実用化に向けて、盛んに、研究、開発されている。色素増感型の光電変換装置としては、光電変換によって電子と正孔とを発生する光励起体と、前記光励起体が担持された、光励起体での光電変換によって発生した電子を輸送するための、酸化チタン等からなる電子輸送体層と、前記電子輸送体層と非接触の状態で、対向させて配設された対向電極と、前記対向電極と電子輸送体層との間の空間に充てんされた、光励起体での光電変換によって発生した正孔を、前記対向電極に輸送するための、電解質の層とを含むものが一般的である(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, in order to reduce the cost of the solar cell and the like, dye-sensitized photoelectric conversion devices have been actively researched and developed for practical use. As a dye-sensitized photoelectric conversion device, a photoexciter that generates electrons and holes by photoelectric conversion, and the photoexciter supported thereon, for transporting electrons generated by photoelectric conversion in the photoexciter, Filled in the space between the counter electrode and the electron transport layer, an electron transport layer made of titanium oxide or the like, a counter electrode disposed in a non-contact state with the electron transport layer, and facing the counter electrode In addition, a material including an electrolyte layer for transporting holes generated by photoelectric conversion in a photoexciter to the counter electrode is generally used (see, for example, Patent Document 1).
色素増感型の光電変換装置は、前記各部を形成する材料自体が安価であること、各材料を、高純度に精製しなくても使用できること、製造過程で、生産性向上のネックとなるバッチ式の真空装置を殆ど使用しないこと、製造工程が、いずれも、低温プロセスであること、等の特徴を有しており、高い生産性でもって、コスト安価に製造できるという利点がある。 The dye-sensitized photoelectric conversion device is a batch that becomes a bottleneck for improving productivity in the manufacturing process because the material itself forming each part is inexpensive, can be used without purifying each material to high purity. It has the characteristics that almost no vacuum device of the type is used and the manufacturing process is a low-temperature process, and there is an advantage that it can be manufactured at low cost with high productivity.
光励起体としては、従来、金属錯体色素等の、有機系の色素が用いられていた(そのため、色素増感型の名がある)。しかし、近時、色素増感型の光電変換装置の耐候性等を向上して、より長期間に亘って、良好な光電変換特性を維持させるため、前記有機系の色素に代えて、例えば、硫化カドミウム(CdS)、硫化鉛(PbS)、硫化銀(Ag2S)、硫化アンチモン(Sb2S3)、硫化ビスマス(Bi2S3)等の、硫化物無機半導体からなるナノ粒子を、光励起体として用いることが検討された(例えば、非特許文献1〜3参照)。 Conventionally, organic dyes such as metal complex dyes have been used as photoexciters (therefore, there is a name of dye-sensitized type). However, recently, in order to improve the weather resistance of the dye-sensitized photoelectric conversion device and maintain good photoelectric conversion characteristics over a longer period of time, instead of the organic dye, for example, Nanoparticles made of a sulfide inorganic semiconductor, such as cadmium sulfide (CdS), lead sulfide (PbS), silver sulfide (Ag 2 S), antimony sulfide (Sb 2 S 3 ), bismuth sulfide (Bi 2 S 3 ), The use as a photoexciter was studied (for example, see Non-Patent Documents 1 to 3).
また、例えば、特許文献2に記載された、多孔質半導体層と、化合物半導体からなる無機質半導体層とが、増感色素の単分子膜等からなる有機物層を介して積層された構造を有する光電変換装置において、化合物半導体として使用されている、硫化インジウム銅(CuInS2、「CIS」と略称する場合がある)も、前記硫化物無機半導体の1種であり、しかも、可視光域において光吸収係数が大きい等の特性を有し、光励起体として適していることから、これをナノ粒子化して、色素増感型の光電変換装置において、光励起体として使用することが検討された。
従来の、色素増感型の光電変換装置においては、水に、電解質を溶解した水系の電解液を用いて、電解質の層が形成される。具体的には、対向電極と電子輸送体層との間の空間に、水系の電解液を封入したり、水系の電解液を、前記空間に充てんする前後の、任意の段階でゲル化したりすることで、電解質の層が形成される。また、水系の電解液に用いる電解質としては、フェロシアン化物や、電解液中で、可溶性ポリ硫化物種を形成する硫化物等が、一般的に用いられている。後者の硫化物は、電解液中で、硫化物/ポリ硫化物反応〔S2-/Sx 2-(x=2〜5)〕をし、その際に生じる酸化還元対によって、正孔を、対向電極まで輸送する働きをする。 In a conventional dye-sensitized photoelectric conversion device, an electrolyte layer is formed using an aqueous electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in water. Specifically, an aqueous electrolyte solution is sealed in the space between the counter electrode and the electron transporter layer, or gelled at an arbitrary stage before and after filling the space with the aqueous electrolyte solution. Thus, an electrolyte layer is formed. Further, as the electrolyte used for the aqueous electrolyte, ferrocyanide, sulfides that form soluble polysulfide species in the electrolyte, and the like are generally used. The latter sulfide undergoes a sulfide / polysulfide reaction [S 2− / S x 2− (x = 2 to 5)] in the electrolytic solution, and holes are formed by the redox couple generated at that time. It works to transport to the counter electrode.
ところが、発明者の検討によると、電解質として、前者のフェロシアン化物を含む水系の電解液を、CIS等の硫化物無機半導体と組み合わせて、色素増感型の光電変換装置を組み立てて、光照射しても、殆ど発電させることができなかった。例えば、CISを、フェロシアン化カリウムを含む水系の電解液と組み合わせた場合の、光電変換効率は、0.03%未満でしかなかった。 However, according to the inventor's study, as the electrolyte, an aqueous electrolyte containing the former ferrocyanide is combined with a sulfide inorganic semiconductor such as CIS to assemble a dye-sensitized photoelectric conversion device, and light irradiation However, almost no power was generated. For example, the photoelectric conversion efficiency when CIS was combined with an aqueous electrolyte containing potassium ferrocyanide was less than 0.03%.
一方、電解質として、後者の硫化物を含む水系の電解液を、CIS等の硫化物無機半導体と組み合わせて、色素増感型の光電変換装置を組み立てた場合には、光照射によって発電させることができたが、光照射しない暗中でも、わずかながら、電流(暗電流)が発生しており、硫化物無機半導体が、硫化物を含む水系の電解液によって腐食されていることが判った。そして、このことから、硫化物を含む水系の電解液と、硫化物無機半導体との組み合わせでは、光電変換装置の信頼性が低く、長期間に亘って、良好な光電変換特性を維持するのが難しいことが確認された。 On the other hand, when a dye-sensitized photoelectric conversion device is assembled by combining a water-based electrolyte containing the latter sulfide as an electrolyte with a sulfide inorganic semiconductor such as CIS, it is possible to generate power by light irradiation. However, even in the dark without light irradiation, a slight current (dark current) was generated, and it was found that the sulfide inorganic semiconductor was corroded by the aqueous electrolyte containing sulfide. From this, the combination of the aqueous electrolyte containing sulfide and the sulfide inorganic semiconductor has a low reliability of the photoelectric conversion device and maintains good photoelectric conversion characteristics over a long period of time. It was confirmed that it was difficult.
本発明の目的は、光励起体として硫化物無機半導体を用いて、これまでよりも信頼性に優れ、長期間に亘って良好な光電変換特性を維持することができる、色素増感型の光電変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to use a dye-sensitized photoelectric conversion that uses a sulfide inorganic semiconductor as a photoexciter and is more reliable than before and can maintain good photoelectric conversion characteristics over a long period of time. To provide an apparatus.
硫化物無機半導体からなり、光電変換によって電子と正孔とを発生する光励起体と、
前記光励起体が担持された、前記光励起体での光電変換によって発生した電子を輸送するための電子輸送体層と、
前記電子輸送体層と非接触の状態で、対向させて配設された対向電極と、
前記対向電極と前記電子輸送体層との間に充てんされた、前記光励起体での光電変換によって発生した正孔を、前記対向電極に輸送するための、非水系の電解液を含む電解質の層と
を備える光電変換装置であって、前記電解液は、溶媒と電解質とからなり、前記電解質は、前記電解液中で可溶性ポリ硫化物種を形成する、Na 2 S、Li 2 S、K 2 S、および(NH 4 ) 2 Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の硫化物であることを特徴とする光電変換装置である。
A photo-exciter made of a sulfide inorganic semiconductor and generating electrons and holes by photoelectric conversion;
The excitation body is supported, and an electron transport layer for transporting electrons generated by photoelectric conversion in the light excitation member,
A counter electrode disposed to face the electron transporter layer in a non-contact state;
Wherein the counter electrode is filled between the electron transport layer, holes generated by photoelectric conversion in the light excitation body, wherein for transporting the counter electrode, a layer of electrolyte containing an electrolyte solution of the non-aqueous The electrolytic solution comprises a solvent and an electrolyte, and the electrolyte forms a soluble polysulfide species in the electrolytic solution, Na 2 S, Li 2 S, K 2 S And (NH 4 ) 2 S. At least one sulfide selected from the group consisting of (NH 4 ) 2 S.
請求項2記載の発明は、前記電子輸送体層は多孔質構造に形成され、前記光励起体としてのCuInS2 の、粒径20nm以下の粒子が、前記電子輸送体層の多孔質構造の孔の内部表面を含む表面に担持されていることを特徴とする請求項1記載の光電変換装置である。 According to a second aspect of the present invention, the electron transporter layer is formed in a porous structure, and CuInS 2 particles having a particle size of 20 nm or less as the photoexciter are pores of the porous structure of the electron transporter layer. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is carried on a surface including an inner surface .
請求項3記載の発明は、前記非水系の電解液は、前記溶媒としてアルコールを含んでいることを特徴とする請求項1または2に記載の光電変換装置である。 According to a third aspect of the invention, the electrolytic solution of the nonaqueous is a photoelectric conversion device according to claim 1 or 2, characterized in that it contains alcohol as the solvent.
請求項4記載の発明は、前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする請求項3記載の光電変換装置である。 The invention according to claim 4 is the photoelectric conversion device according to claim 3, wherein the alcohol is ethanol.
請求項1記載の発明においては、電解液として、水を含まない非水系の電解液を使用しているため、硫化物無機半導体からなる光励起体が、電解液によって腐食されるのを防止することができる。そのため、請求項1記載の発明によれば、光励起体として硫化物無機半導体を用いて、これまでよりも信頼性に優れ、長期間に亘って良好な光電変換特性を維持することができる、色素増感型の光電変換装置を提供することができる。
また請求項1記載の発明においては、前記電解液を構成する電解質として、当該電解液中で可溶性ポリ硫化物種を形成する、Na 2 S、Li 2 S、K 2 S、および(NH 4 ) 2 Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の硫化物を用いることによって、先のメカニズムにより、硫化物無機半導体から注入された正孔を、対向電極まで、速やかに、効率よく輸送させることができる。また、前記硫化物は、硫化物無機半導体との間での正孔の授受が容易であるため、硫化物無機半導体から、電解質としての硫化物への、正孔の注入量を、増大させることもできる。そのため、光電変換装置の光電変換特性を向上することができる。
In the first aspect of the present invention, since a non-aqueous electrolytic solution containing no water is used as the electrolytic solution, the photoexciter made of a sulfide inorganic semiconductor is prevented from being corroded by the electrolytic solution. Can do. Therefore, according to the first aspect of the present invention, a sulfide inorganic semiconductor is used as a photoexciter, which is more reliable than before and can maintain good photoelectric conversion characteristics over a long period of time. A sensitized photoelectric conversion device can be provided.
In the first aspect of the present invention, as the electrolyte constituting the electrolytic solution, to form a soluble polysulfide species in the electrolyte solution, Na 2 S, Li 2 S , K 2 S, and (NH 4) 2 By using at least one sulfide selected from the group consisting of S, holes injected from the sulfide inorganic semiconductor can be quickly and efficiently transported to the counter electrode by the above mechanism. . In addition, since the sulfide easily exchanges holes with the sulfide inorganic semiconductor, the amount of holes injected from the sulfide inorganic semiconductor into the sulfide as an electrolyte is increased. You can also. Therefore, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device can be improved.
請求項2記載の発明によれば、硫化物無機半導体として、先に説明したように、光励起体として適したCuInS2(CIS)を用い、前記CISを、多孔質構造とした電子輸送体層の孔の内部表面を含む表面に担持させることによって、光電変換装置の光電変換特性を向上することができる。また、請求項3記載の発明によれば、溶媒として、アルコールを用いることによって、水系の電解液を使用した場合のように、光励起体が腐食されるのを防止しながら、光励起体から、正孔輸送体としての電解質への正孔の注入量を、水系の電解液を使用した場合と同程度、またはそれよりも増大させて、光電変換装置の光電変換特性を向上することができる。アルコールとしては、前記効果を、さらに向上させることを考慮すると、請求項4に記載したように、エタノールが好ましい。 According to the second aspect of the present invention, as described above, CuInS 2 (CIS) suitable as a photoexciter is used as the sulfide inorganic semiconductor, and the CIS is a porous structure of the porous structure. by Rukoto is carried on the surface including the inside surface of the hole, it is possible to improve the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device. According to the invention described in claim 3, by using alcohol as the solvent, the photoexciter is prevented from corroding while being prevented from being corroded as in the case of using an aqueous electrolyte. The amount of holes injected into the electrolyte as the hole transporter can be increased to the same level as or more than when an aqueous electrolyte is used, and the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device can be improved. As the alcohol, ethanol is preferable as described in claim 4 in consideration of further improving the effect.
本発明の光電変換装置は、硫化物無機半導体からなり、光電変換によって電子と正孔とを発生する光励起体と、
前記光励起体が担持された、前記光励起体での光電変換によって発生した電子を輸送するための電子輸送体層と、
前記電子輸送体層と非接触の状態で、対向させて配設された対向電極と、
前記対向電極と前記電子輸送体層との間に充てんされた、前記光励起体での光電変換によって発生した正孔を、前記対向電極に輸送するための、非水系の電解液を含む電解質の層と
を備える光電変換装置であって、前記電解液は、溶媒と電解質とからなり、前記電解質は、前記電解液中で可溶性ポリ硫化物種を形成する、Na 2 S、Li 2 S、K 2 S、および(NH 4 ) 2 Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の硫化物であることを特徴とするものである。
The photoelectric conversion device of the present invention comprises a sulfide inorganic semiconductor, a photoexciter that generates electrons and holes by photoelectric conversion,
The excitation body is supported, and an electron transport layer for transporting electrons generated by photoelectric conversion in the light excitation member,
A counter electrode disposed to face the electron transporter layer in a non-contact state;
Wherein the counter electrode is filled between the electron transport layer, holes generated by photoelectric conversion in the light excitation body, wherein for transporting the counter electrode, a layer of electrolyte containing an electrolyte solution of the non-aqueous The electrolytic solution comprises a solvent and an electrolyte, and the electrolyte forms a soluble polysulfide species in the electrolytic solution, Na 2 S, Li 2 S, K 2 S And at least one sulfide selected from the group consisting of (NH 4 ) 2 S.
図1は、本発明の光電変換装置の、実施の形態の一例を示す断面図である。図1を参照して、この例の光電変換装置1は、基板2と、前記基板2の片面に、電極層3を介して積層された、図示しない光励起体が担持された電子輸送体層4と、前記電子輸送体層4と非接触の状態で、対向させて配設された対向基板5と、前記対向基板5の、電子輸送体層4と対向する面に形成された対向電極層6と、前記対向電極層6と電子輸送体層4との間の空間に充てんされた、非水系の電解液を含む電解質の層7と、前記電解質の層7に含まれる非水系の電解液を保護するために、前記透明基板2と対向基板5とを外周縁部で接着して、両者間の空間を、外部から封止するための封止材8とを備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of an embodiment of a photoelectric conversion device of the present invention. Referring to FIG. 1, a photoelectric conversion device 1 of this example includes a substrate 2 and an electron transport layer 4 that carries a photoexciter (not shown) that is laminated on one surface of the substrate 2 via an electrode layer 3. A counter substrate 5 disposed to face the electron transport layer 4 in a non-contact state, and a counter electrode layer 6 formed on a surface of the counter substrate 5 facing the electron transport layer 4. And an electrolyte layer 7 containing a non-aqueous electrolyte filled in a space between the counter electrode layer 6 and the electron transport layer 4, and a non-aqueous electrolyte contained in the electrolyte layer 7 In order to protect, the transparent substrate 2 and the counter substrate 5 are bonded to each other at the outer peripheral edge portion, and a
前記各部からなる、この例の光電変換装置1は、基板2側、および対向基板5側のいずれか一方が、光励起体としての硫化物無機半導体に照射する光を透過させるために、前記硫化物無機半導体が感度を有する波長域の光に対して透明である必要がある。すなわち、前記基板2、および対向基板5のうちの少なくとも一方が、前記波長域の光に対して透明な透明基板であり、かつ、前記電極層3と対向電極層6のうち、透明基板側の電極層が、同様に、前記波長域の光に対して透明な透明電極層である必要がある。 The photoelectric conversion device 1 of this example, which includes the above-described parts, is configured so that either the substrate 2 side or the counter substrate 5 side transmits the light irradiated to the sulfide inorganic semiconductor as a photoexciter. It is necessary for the inorganic semiconductor to be transparent to light in a wavelength region where the sensitivity is high. That is, at least one of the substrate 2 and the counter substrate 5 is a transparent substrate that is transparent to the light in the wavelength range, and of the electrode layer 3 and the counter electrode layer 6 on the transparent substrate side. Similarly, the electrode layer needs to be a transparent electrode layer that is transparent to light in the wavelength range.
透明基板としては、前記波長域の光に対して透明な、ガラス基板、プラスチック基板(板、シート、フィルム等)、無機物結晶体基板等が挙げられる。また、前記透明基板の、少なくとも片面に、テクスチャー構造を形成する等の、光の反射を防止する処理を施しても良い。また、光の透過側と反対側の基板は、前記波長域の光に対して透明であっても、透明でなくてもよく、透明でない基板としては、例えば、金属基板(板、フィルム等)、不透明プラスチック基板(板、シート、フィルム等)、セラミック基板等が挙げられる。また、前記基板として、十分に低抵抗の材料からなる基板を用いて、その片面に形成される電極層を省略することもできる。 Examples of the transparent substrate include a glass substrate, a plastic substrate (plate, sheet, film, etc.), an inorganic crystal substrate, and the like that are transparent to light in the wavelength range. Moreover, you may perform the process which prevents reflection of light, such as forming a texture structure in at least one surface of the said transparent substrate. Further, the substrate opposite to the light transmitting side may or may not be transparent with respect to the light in the wavelength range, and examples of the substrate that is not transparent include metal substrates (plates, films, etc.). And opaque plastic substrates (plates, sheets, films, etc.), ceramic substrates, and the like. Further, as the substrate, a substrate made of a sufficiently low resistance material can be used, and an electrode layer formed on one surface thereof can be omitted.
透明電極層としては、例えば、フッ素(F)やアンチモン(Sb)をドープした酸化錫(SnO2)等の錫化合物や、酸化錫(SnO2)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)をドープした酸化インジウム(In2O3)等のインジウム化合物、あるいは、In4Sn3O12等のインジウム−錫複合酸化物(ITO)等の、透明導電材料からなる薄膜が挙げられる。前記透明導電材料は、光励起体としての硫化物無機半導体が感度を有する波長域の光、特に可視光域の光の透過率が高い上、低抵抗の薄膜を形成するのが容易であるため、透明電極層として好ましい。透明電極層は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法等の、真空成膜法によって形成することができる他、スプレー熱分解法、ペースト法、ディップコート法等の、真空装置を使用しない成膜法によっても、容易に形成することができる。 As the transparent electrode layer, for example, a tin compound such as tin oxide (SnO 2 ) doped with fluorine (F) or antimony (Sb), tin oxide (SnO 2 ), manganese (Mn), or molybdenum (Mo) is doped. Examples thereof include a thin film made of a transparent conductive material such as an indium compound such as indium oxide (In 2 O 3 ) or an indium-tin composite oxide (ITO) such as In 4 Sn 3 O 12 . Since the transparent conductive material has a high transmittance for light in the wavelength region in which the sulfide inorganic semiconductor as a photoexciter has sensitivity, particularly in the visible light region, it is easy to form a low-resistance thin film. Preferred as a transparent electrode layer. The transparent electrode layer can be formed by vacuum film-forming methods such as sputtering, vacuum deposition, ion plating, CVD, etc., and vacuum devices such as spray pyrolysis, paste, dip coating, etc. The film can be easily formed even by a film forming method that does not use.
光電変換装置1の光電変換特性を向上することを考慮すると、透明電極層は、そのシート抵抗が、20Ω/□以下、特に、10Ω/□以下であるのが好ましく、これを達成するため、透明電極層を、前記透明導電材料からなる連続層と、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、およびこれらの合金、または化合物等の、低抵抗の材料からなり、かつ、光を透過するための通孔を有する網目状の取り出し電極層とを積層した積層構造に形成しても良い。 In consideration of improving the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device 1, the transparent electrode layer preferably has a sheet resistance of 20Ω / □ or less, particularly 10Ω / □ or less, and in order to achieve this, the transparent electrode layer is transparent. The electrode layer includes a continuous layer made of the transparent conductive material, silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), nickel (Ni), iron (Fe), zinc (Zn), and molybdenum. (Mo), tungsten (W), and alloys or alloys thereof, and a laminated structure in which a network-shaped extraction electrode layer made of a low-resistance material and having a through hole for transmitting light is laminated. You may form in.
光の透過側と反対側の電極層は、前記波長域の光に対して透明であっても、透明でなくてもよいが、光電変換装置1の光電変換特性を向上することを考慮すると、透明電極層と同様に、そのシート抵抗が、20Ω/□以下、特に、10Ω/□以下であるのが好ましく、これを達成するために、電極層を、前記取り出し電極層と同様の、低抵抗の材料によって形成するのが好ましい。また、電極層は、透明電極層と同様に、透明導電材料からなる連続層と、低抵抗の材料からなる網目状の取り出し電極層とを積層した積層構造に形成しても良い。また、先に説明したように、光の透過側と反対側の基板として、十分に低抵抗の材料、例えば、前記取り出し電極層等と同様の材料からなる基板を用いて、電極層を省略することもできる。 The electrode layer on the side opposite to the light transmission side may or may not be transparent to the light in the wavelength range, but considering that the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device 1 are improved, Similar to the transparent electrode layer, the sheet resistance is preferably 20 Ω / □ or less, particularly preferably 10 Ω / □ or less. In order to achieve this, the electrode layer is made of the same low resistance as the extraction electrode layer. It is preferable to form the material. Similarly to the transparent electrode layer, the electrode layer may be formed in a laminated structure in which a continuous layer made of a transparent conductive material and a network-shaped extraction electrode layer made of a low resistance material are laminated. Further, as described above, as the substrate opposite to the light transmitting side, a sufficiently low resistance material, for example, a substrate made of the same material as the extraction electrode layer is used, and the electrode layer is omitted. You can also
電子輸送体層4は、光励起体での光電変換によって発生した電子を輸送することができる、種々の電子輸送材料によって形成することができる。電子輸送体層4は、任意の形状に形成することができるが、光励起体をできるだけ多く担持させることや、担持させた光励起体と、電解質の層7に含まれる電解液とを、できるだけ広い接触面積で接触させること等を考慮すると、多孔質構造に形成するのが好ましい。電子輸送体層4を、多孔質構造に形成するためには、電子輸送体層4のもとになる電子輸送材料の粉末を、ポリエチレングリコール、水等と混合して調整したペーストを、電極層3上に塗布した後、焼成する方法等が挙げられる。また、電子輸送体層4は、例えば、特許文献1に記載されているように、層状で、かつ、電解質の層7と接する面が粗面化された構造に形成しても良い。 The electron transport layer 4 can be formed of various electron transport materials capable of transporting electrons generated by photoelectric conversion in the photoexciter. The electron transport layer 4 can be formed in an arbitrary shape, but supports as much photoexciter as possible, or contacts the supported photoexciter with the electrolyte contained in the electrolyte layer 7 as wide as possible. Considering contact with the area, etc., it is preferable to form a porous structure. In order to form the electron transporter layer 4 in a porous structure, an electrode layer is prepared by mixing a powder of an electron transporting material that is the basis of the electron transporter layer 4 with polyethylene glycol, water, or the like. The method of baking after apply | coating on 3 is mentioned. Further, as described in Patent Document 1, for example, the electron transport layer 4 may be formed in a layered structure with a roughened surface in contact with the electrolyte layer 7.
電子輸送体層4を形成する電子輸送材料としては、例えば、酸化インジウム(In2O3)、酸化錫(SnO2)、酸化タングステン(WO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化銀(Ag2O)、酸化マンガン(MnO2)、酸化銅(Cu2O3)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化ニッケル(NiO)、ストロンチウム−チタン複合酸化物(SrTiO3)、カリウム−ニオブ複合酸化物(K4NbO17)等の、電子輸送性を有する化合物の1種または2種以上が挙げられる。特に、電子の輸送性能に優れると共に、それ自体の製造プロセス、および、多孔質構造の電子輸送体層4を形成する製造プロセスが簡易で、大面積の電子輸送体層4を形成するのが容易なTiO2、ZnOが好ましい。 Examples of the electron transport material forming the electron transport layer 4 include indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), and titanium oxide (TiO 2 ). ), Niobium oxide (Nb 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), silver oxide (Ag 2 O), manganese oxide (MnO 2 ), copper oxide (Cu 2 O 3 ) , Iron oxide (Fe 2 O 3 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), nickel oxide (NiO), strontium-titanium composite oxide (SrTiO 3 ), potassium-niobium composite oxide object (K 4 NbO 17) such, and one or more compounds having an electron transporting property. In particular, the electron transport performance is excellent, the manufacturing process for forming the electron transporter layer 4 having a porous structure is simple, and the electron transporter layer 4 having a large area can be easily formed. Of these, TiO 2 and ZnO are preferable.
電子輸送体層4と、その下の電極層3との間には、例えば、電解液を透過しない緻密な酸化物半導体層を挿入しても良い。これにより、両電極層3、6間でのリーク電流を低減して、光電変換装置1の、負荷を接続しない状態での開放電圧値を、向上することができる。酸化物半導体層は、電子輸送体層4との間の界面抵抗を減少することを考慮すると、前記電子輸送体層4を形成しているのと同じ、電子輸送材料によって形成するのが好ましい。 For example, a dense oxide semiconductor layer that does not transmit electrolyte may be inserted between the electron transporter layer 4 and the electrode layer 3 therebelow. Thereby, the leakage current between both the electrode layers 3 and 6 can be reduced, and the open circuit voltage value in the state which does not connect the load of the photoelectric conversion apparatus 1 can be improved. The oxide semiconductor layer is preferably formed of the same electron transport material as that forming the electron transport layer 4 in consideration of reducing the interface resistance with the electron transport layer 4.
電子輸送体層4に、光励起体として担持させる硫化物無機半導体としては、前記電子輸送体層4を形成する電子輸送材料に対して、伝導帯の底部のエネルギー準位が、0.1〜0.4eV程度、特に、0.2eV前後、高エネルギー側に位置する硫化物無機半導体を使用するのが好ましい。両成分の、エネルギー準位の電位差が、前記の範囲未満である場合には、内部電界が低下して、電子の移動量が減少するため、硫化物無機半導体において、光照射によって発生した電子を、スムースに、電子輸送体層4に電荷移動できないおそれがある。また、逆に、両成分の、エネルギー準位の電位差が、前記の範囲を超える場合には、バンドオフセットが大きくなりすぎて、光照射によって発生した電子の、電子輸送体層4への注入効率が低下するため、却って、前記電子を、スムースに、電子輸送体層4に電荷移動できないおそれがある。 The sulfide inorganic semiconductor supported on the electron transport layer 4 as a photoexciter has an energy level at the bottom of the conduction band of 0.1 to 0 with respect to the electron transport material forming the electron transport layer 4. It is preferable to use a sulfide inorganic semiconductor located on the high energy side at about 0.4 eV, particularly around 0.2 eV. When the potential difference between the energy levels of both components is less than the above range, the internal electric field is reduced and the amount of electron movement is reduced. Therefore, in the sulfide inorganic semiconductor, electrons generated by light irradiation are reduced. There is a possibility that charges cannot be smoothly transferred to the electron transport layer 4. Conversely, when the potential difference between the energy levels of both components exceeds the above range, the band offset becomes too large, and the injection efficiency of electrons generated by light irradiation into the electron transport layer 4 is increased. On the other hand, there is a possibility that the electrons cannot be smoothly transferred to the electron transporter layer 4.
電子輸送体層4を形成する電子輸送材料が、先に説明したTiO2やZnOである場合、硫化物無機半導体としては、CuInS2(CIS)が好適に使用される。前記CISは、バンドギャップが約1.5eVの、カルコパイライト型結晶構造を有する化合物半導体であって、先に説明したように、可視光域において光吸収係数が大きいため、光励起体として適している。 When the electron transport material forming the electron transport layer 4 is TiO 2 or ZnO described above, CuInS 2 (CIS) is preferably used as the sulfide inorganic semiconductor. The CIS is a compound semiconductor having a chalcopyrite type crystal structure with a band gap of about 1.5 eV, and has a large light absorption coefficient in the visible light region as described above, and is therefore suitable as a photoexciter. .
しかも、CISは、伝導帯の底部のエネルギー順位が、ZnOに対して、0.1〜0.4eV程度、高エネルギー側に位置するため、電子移動の点で、前記ZnOからなる電子輸送体層4との、伝導帯のエネルギーマッチングが良好であり、光照射によって発生した電子を、スムースに、電子輸送体層4に電荷移動させることができる。また、CISは、伝導帯の底部のエネルギー順位が、TiO2に対しては、0.2eV前後、高エネルギー側に位置するため、電子移動の点で、前記TiO2電子輸送体層4との、伝導帯のエネルギーマッチングが、特に良好であり、光照射によって発生した電子を、より一層、スムースに、電子輸送体層4に電荷移動させることができる。 Moreover, since the energy order of the bottom of the conduction band is about 0.1 to 0.4 eV relative to ZnO on the high energy side, CIS is an electron transporter layer made of ZnO in terms of electron transfer. 4, the energy matching of the conduction band is good, and electrons generated by light irradiation can be smoothly transferred to the electron transport layer 4. Also, CIS is the energy level of the bottom of the conduction band, for TiO 2, before and after 0.2 eV, because they are located on the higher energy side, in terms of electron transfer, and the TiO 2 electron-transporting layer 4 The energy matching of the conduction band is particularly good, and electrons generated by light irradiation can be transferred to the electron transport layer 4 more smoothly and smoothly.
そのため、硫化物無機半導体としてCISを使用すると共に、前記CISを、TiO2やZnOからなる電子輸送体層4と組み合わせることによって、光電変換装置1の光電変換特性を、向上することができる。なお、CISは、光励起体としての光学的特性や電気的特性が、顕著に劣化しない範囲で、例えば、CuIn5S8、CuIn5S9、Cu1.70In0.05S、CuIn11S17、Cu2S、In2S3等の1種または2種以上を含有しても良い。 Therefore, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device 1 can be improved by using CIS as the sulfide inorganic semiconductor and combining the CIS with the electron transport layer 4 made of TiO 2 or ZnO. CIS is a range in which optical characteristics and electrical characteristics as a photoexciter are not significantly deteriorated, for example, CuIn 5 S 8 , CuIn 5 S 9 , Cu 1.70 In 0.05 S, CuIn 11 S 17 , Cu 2. S, it may contain one or more of such an in 2 S 3.
硫化物無機半導体としては、CIS以外の、他の硫化物無機半導体を使用することもできる。前記他の硫化物無機半導体としては、例えば、CdS、PbS、Ag2S、Sb2S3、Bi2S3等が挙げられる。前記硫化物無機半導体を使用して、光照射によって発生した電子を、スムースに、電子輸送体層4に電荷移動させるためには、先に説明したように、硫化物無機半導体の、伝導帯の底部のエネルギー準位が、0.1〜0.4eV程度、特に、0.2eV前後、高エネルギー側に位置するように、組み合わせる電子輸送体層4を形成する電子輸送材料を選択すればよい。 As the sulfide inorganic semiconductor, other sulfide inorganic semiconductors other than CIS can also be used. Examples of the other sulfide inorganic semiconductors include CdS, PbS, Ag 2 S, Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3 and the like. In order to smoothly transfer electrons generated by light irradiation to the electron transporter layer 4 using the sulfide inorganic semiconductor, as described above, the conduction band of the sulfide inorganic semiconductor is reduced. What is necessary is just to select the electron transport material which forms the electron transport body layer 4 to combine so that the energy level of a bottom part may be about 0.1-0.4 eV, especially about 0.2 eV and may be located in the high energy side.
硫化物無機半導体からなる光励起体は、微細な粒子の状態で、電子輸送体層4の表面(多孔質構造の電子輸送体層4の場合は、図に表れた外表面だけでなく、多孔質構造の孔の内部表面を含む全表面)に担持されているのが好ましい。粒子状の光励起体は、特に、量子サイズ効果を発現することができるナノ粒子を含んでいることが好ましく、ナノ粒子の半径は、有効ボーア半径以下であるのがさらに好ましい。例えば、前記CISの場合は、ナノ粒子の粒径が20nm以下(半径が10nm以下)であるのが好ましい。 The photoexciter made of a sulfide inorganic semiconductor is in the form of fine particles, and the surface of the electron transporter layer 4 (in the case of the electron transporter layer 4 having a porous structure, not only the outer surface shown in the figure but also the porous body) It is preferably carried on the entire surface including the internal surface of the pores of the structure. In particular, the particulate photoexciter preferably includes nanoparticles capable of exhibiting a quantum size effect, and the radius of the nanoparticles is more preferably equal to or less than the effective Bohr radius. For example, in the case of the CIS, the particle diameter of the nanoparticles is preferably 20 nm or less (radius is 10 nm or less).
ナノ粒子を含む微細な粒子状の光励起体を、電子輸送体層4に担持させる方法は、気相法と、液相法とに大別されるが、特に、先に説明した多孔質構造の電子輸送体層4の、孔の内部表面の隅々まで、光励起体を担持させるためには、液相法を採用するのが好ましい。気相法では、担持工程の初期の段階で、電子輸送体層4の表面に堆積した硫化物無機半導体によって、前記電子輸送体層4の、孔の入口が塞がれて、穴の内部表面まで十分に、光励起体を担持させることができないおそれがある。 The method of supporting the fine particle-like photoexciter containing nanoparticles on the electron transporter layer 4 is roughly divided into a gas phase method and a liquid phase method. In particular, the porous structure described above is used. In order to carry the photoexciter to every corner of the inner surface of the hole of the electron transport layer 4, it is preferable to adopt a liquid phase method. In the vapor phase method, the entrance of the hole of the electron transport layer 4 is blocked by the sulfide inorganic semiconductor deposited on the surface of the electron transport layer 4 in the initial stage of the supporting process, and the inner surface of the hole There is a possibility that the photoexciter cannot be supported sufficiently.
これに対し、液相法では、硫化物無機半導体のもとになる成分を含む液を、電子輸送体層4の、穴の内奥部まで十分に浸透させた状態で、前記液と、電子輸送体層4の、孔の内部表面との間での相互作用によって、電子輸送体層4の外表面だけでなく、穴の内奥部の内部表面の隅々まで、前記硫化物無機半導体からなる、微細な粒子状の光励起体を、担持させることができる。また、多孔質電子輸送体層4に対する、光励起体のカバレッジを向上することもできる。さらに、液相法では、気相法に比して、より低温で、光励起体を担持させることができるため、基板2から電子輸送体層4までの各層が、熱履歴によってダメージを受けるのを、極力、防ぐこともできる。特に、電極層3が透明電極層である場合に、熱履歴によって組成が変化して、導電性が低下したり、透明性が低下したりするのを防止することができる。 On the other hand, in the liquid phase method, in a state where the liquid containing the component that is the basis of the sulfide inorganic semiconductor is sufficiently infiltrated into the inner part of the hole of the electron transport layer 4, the liquid and the electron Due to the interaction between the transporter layer 4 and the inner surface of the hole, not only the outer surface of the electron transporter layer 4 but also the corners of the inner surface of the inner part of the hole are separated from the sulfide inorganic semiconductor. Thus, a fine particulate photoexciter can be supported. Moreover, the coverage of the photoexciter with respect to the porous electron transporter layer 4 can also be improved. Further, in the liquid phase method, since the photoexciter can be supported at a lower temperature than in the gas phase method, each layer from the substrate 2 to the electron transporter layer 4 is damaged by the thermal history. , You can also prevent as much as possible. In particular, in the case where the electrode layer 3 is a transparent electrode layer, it is possible to prevent the composition from being changed due to the thermal history, thereby reducing the conductivity and the transparency.
液相法としては、例えば、コロイド法、均一沈殿法、アルコキシド法、水熱合成法、マイクロエマルジョン法等の化学沈殿法や、凍結乾燥法、噴霧乾燥法、噴霧熱分解法等の溶媒蒸発法が挙げられる。また、特に、形成する粒子状の光励起体の、粒径制御に優れた方法として、逆ミセル法、ホットソープ法が採用できる他、マイクロカプセルやマイクロチューブを反応場とした方法も、好適に採用することができる。 Examples of the liquid phase method include a chemical precipitation method such as a colloid method, a uniform precipitation method, an alkoxide method, a hydrothermal synthesis method, and a microemulsion method, and a solvent evaporation method such as a freeze drying method, a spray drying method, and a spray pyrolysis method. Is mentioned. In addition, the reverse micelle method and the hot soap method can be adopted as a method excellent in controlling the particle size of the particulate photoexciter to be formed, and a method using a microcapsule or a microtube as a reaction field is also preferably adopted. can do.
硫化物無機半導体からなる光励起体を担持させた電子輸送体層4と、対向電極層6との間の空間に充てんされる電解質の層7は、非水系の電解液を含むこと以外は、従来同様に形成される。すなわち、前記電解質の層7は、対向電極層6と電子輸送体層4との間の空間に、非水系の電解液を封入したり、前記非水系の電解液を、前記空間に充てんする前後の、任意の段階でゲル化したりすることで形成される。 The electrolyte layer 7 filled in the space between the electron transporter layer 4 carrying a photoexciter made of a sulfide inorganic semiconductor and the counter electrode layer 6 is conventional except that it contains a non-aqueous electrolyte. It is formed similarly. That is, the electrolyte layer 7 is formed before or after the non-aqueous electrolyte solution is sealed in the space between the counter electrode layer 6 and the electron transport layer 4 or the non-aqueous electrolyte solution is filled in the space. It is formed by gelling at any stage.
電解質の層7に含まれる非水系の電解液は、実質的に水を含まない溶媒中に、電解質を溶解することで構成される。非水系の電解液を構成する、実質的に水を含まない溶媒としては、先に説明したように、アルコールが好ましい。溶媒としてアルコールを含む非水系の電解液は、水系の電解液のように、光励起体を腐食するおそれがない上、光励起体から電子輸送体層への電子の注入量、および、光励起体から、正孔輸送体としての電解質への正孔の注入量を、水系の電解液を使用した場合と同程度、またはそれよりも増大させて、光電変換装置の光電変換特性を向上することができる。 The non-aqueous electrolyte contained in the electrolyte layer 7 is constituted by dissolving the electrolyte in a solvent that does not substantially contain water. As described above, alcohol is preferable as the solvent that constitutes the nonaqueous electrolytic solution and does not substantially contain water. The non-aqueous electrolyte containing alcohol as a solvent has no fear of corroding the photoexciter unlike the aqueous electrolyte, and the amount of electrons injected from the photoexciter into the electron transporter layer, and from the photoexciter, It is possible to improve the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device by increasing the amount of holes injected into the electrolyte as the hole transporter to the same level as or more than when the aqueous electrolyte is used.
アルコールとしては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール等の低級アルコール類や、1,2−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、1,5−ペンタンジオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、3−メルカプト−1,2−プロパンジオール等の多価アルコール類の1種または2種以上が挙げられ、特に、光励起体を腐食しない効果を考慮すると、低級アルコール類、中でもエタノールが好ましい。 Examples of the alcohol include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, t-butanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 1-hexanol, Lower alcohols such as 2-hexanol, 3-hexanol, heptanol, octanol, 1,2-butanediol, 1,3-propanediol, 1,5-pentanediol, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene Examples include one or more polyhydric alcohols such as glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, and 3-mercapto-1,2-propanediol. Considering the effect that does not corrode Okoshitai, lower alcohols, among which ethanol is preferred.
電解質としては、電解液中で、可溶性ポリ硫化物種を形成する硫化物としての、Na 2 S、Li 2 S、K 2 S、および(NH 4 ) 2 Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の硫化物が用いられる。前記硫化物は、電解液中で、硫化物/ポリ硫化物反応〔S2−/Sx 2−(x=2〜5)〕をし、その際に生じる酸化還元対によって、正孔を輸送する働きをし、硫化物無機半導体から注入された正孔を、対向電極まで、速やかに、効率よく輸送させることができる。また、前記硫化物は、硫化物無機半導体との間での正孔の授受が容易であるため、硫化物無機半導体から、電解質としての硫化物への、正孔の注入量を、増大させることもできる。そのため、光電変換装置の光電変換特性を向上することができる。 The electrolyte is at least one selected from the group consisting of Na 2 S, Li 2 S, K 2 S, and (NH 4 ) 2 S as a sulfide that forms a soluble polysulfide species in the electrolytic solution. Are used. The sulfide undergoes a sulfide / polysulfide reaction [S 2− / S x 2− (x = 2 to 5)] in the electrolytic solution, and transports holes by a redox pair generated at that time. Thus, holes injected from the sulfide inorganic semiconductor can be quickly and efficiently transported to the counter electrode. In addition, since the sulfide easily exchanges holes with the sulfide inorganic semiconductor, the amount of holes injected from the sulfide inorganic semiconductor into the sulfide as an electrolyte is increased. You can also. Therefore, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device can be improved .
電解液に硫黄(S)を添加すると、硫黄イオン(S2-)の存在下で、式(1):
yS+S2- → Sy+1 2- (1)
(y=1〜4)
の反応によって、多くのポリ硫化物種が生成されるため、先の、硫化物/ポリ硫化物反応に基づく正孔の輸送効率を向上させることができる。そのため、光電変換装置の光電変換特性を、さらに向上することができる。また、電解液に、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)等の還元剤を添加すると、前記還元剤が、光励起によって生じた光励起体中の正孔と速やかに反応するため、前記光励起体を形成する硫化物無機半導体の光溶解を抑制して、光電変換装置の信頼性を高めることができる。
When sulfur (S) is added to the electrolyte, in the presence of sulfur ions (S 2− ), the formula (1):
yS + S 2- → S y + 1 2- (1)
(Y = 1-4)
Since many polysulfide species are generated by this reaction, the hole transport efficiency based on the above sulfide / polysulfide reaction can be improved. Therefore, the photoelectric conversion characteristics of the photoelectric conversion device can be further improved. Further, when a reducing agent such as sodium sulfite (Na 2 SO 3 ) is added to the electrolytic solution, the reducing agent reacts quickly with the holes in the photoexciter generated by photoexcitation, thereby forming the photoexciter. The light dissolution of the sulfide inorganic semiconductor can be suppressed, and the reliability of the photoelectric conversion device can be improved.
電解液をゲル化すると、光電変換装置の信頼性を向上することができる。電解液をゲル化するためには、例えば、前記電解液に、ホストポリマーや、その前駆体と、必要に応じて、ホストポリマーの架橋剤や前駆体の重合開始剤等とを加えた混合物を調製し、この混合物を、対向電極層6と電子輸送体層4との間の空間に充てんする前後の、任意の段階で、加熱したり、紫外線、電離放射線(電子線)等を照射したりする。 When the electrolytic solution is gelled, the reliability of the photoelectric conversion device can be improved. In order to gel the electrolytic solution, for example, a mixture obtained by adding a host polymer or a precursor thereof and, if necessary, a cross-linking agent of the host polymer or a polymerization initiator of the precursor to the electrolytic solution is used. The mixture is prepared and heated at any stage before and after filling the space between the counter electrode layer 6 and the electron transport layer 4 or irradiated with ultraviolet rays, ionizing radiation (electron beam) or the like. To do.
そうすると、混合物が前駆体を含む場合は、前記前駆体が重合してホストポリマーが形成されることによって、電解液がゲル化される。また、混合物がホストポリマーを含む場合は、前記ホストポリマーが2次元ないし3次元架橋反応することによって、電解液がゲル化される。前駆体を重合させて形成したホストポリマーを、さらに2次元ないし3次元架橋反応させてもよい。ホストポリマーとしては、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド等の1種または2種以上が挙げられる。また、電解液に、物理的な相互作用によって、室温付近で電解液をゲル化させるゲル化剤を加えて、物理的にゲル化させても良い。 Then, when the mixture includes a precursor, the precursor is polymerized to form a host polymer, whereby the electrolytic solution is gelled. When the mixture contains a host polymer, the host polymer undergoes a two-dimensional or three-dimensional crosslinking reaction, whereby the electrolyte solution is gelled. The host polymer formed by polymerizing the precursor may be further subjected to a two-dimensional or three-dimensional crosslinking reaction. Examples of the host polymer include one or more of polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide and the like. Moreover, you may make it gelatinize physically by adding the gelatinizer which gelatinizes electrolyte solution near room temperature by physical interaction.
封止材8としては、非水系の電解液に対する耐食性を有すると共に、吸湿性や透水性が低く、しかも、基板2と対向基板5とを、より強固に接着できるものが好ましい。前記封止材8としては、熱可塑性、熱硬化性、紫外線硬化性等の、種々の接着剤が好ましく、前記接着剤を形成する樹脂としては、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂等の1種または2種以上、あるいは2種以上の複合物等が挙げられる。
The sealing
《電解液用溶媒の検討》
表1に示した各種溶媒に、電解質としてのNa2S・9H2Oと、還元剤としてのNa2SO3とを加えて、非水系の電解液を調製した。Na2S・9H2Oの濃度は3.6M(モル/L)、Na2SO3の濃度は0.3Mとした。また、比較のため、純水に、3.6MのNa2S・9H2Oと、0.6MのNa2SO3とを加えて、水系の電解液を調製した。
<< Examination of solvent for electrolyte >>
A nonaqueous electrolytic solution was prepared by adding Na 2 S · 9H 2 O as an electrolyte and Na 2 SO 3 as a reducing agent to the various solvents shown in Table 1. The concentration of Na 2 S · 9H 2 O was 3.6 M (mol / L), and the concentration of Na 2 SO 3 was 0.3 M. For comparison, an aqueous electrolyte was prepared by adding 3.6 M Na 2 S · 9H 2 O and 0.6 M Na 2 SO 3 to pure water.
前記各電解液に、市販のCIS〔CuInS2、純度99%、(株)高純度化学研究所製〕を加えて混合し、静置してCISを沈殿させて、上澄み液をろ過した後、誘導結合プラズマ発光(ICP)分析によって、上澄み液中に溶出したCuとInの濃度を測定した。なお、電解液への、CISの投入量は、非水系の電解液の場合、前記電解液約7mlに対して0.3gとし、水系の電解液では、前記電解液約12mlに対して1gとした。結果を表1に示す。なお、表中の「<5」は、ICP分析による検出限界以下であったことを示す。また、「(脱水)」は、脱水処理した市販の溶媒を使用したことを示し、それ以外は、市販の溶媒を脱水処理せずに使用したことを示す。
表より、非水系の電解液を使用すれば、水系の電解液に比べて、CuおよびInの溶出量を小さくすることができ、CISの腐食を防止できることが確認された。また、非水系の電解液を比較すると、多価アルコール類よりも低級アルコール類の方が、CuおよびInの溶出量を小さくすることができ、CISの腐食を、より確実に防止できることが確認された。 From the table, it was confirmed that if a non-aqueous electrolyte was used, the elution amount of Cu and In could be reduced and corrosion of CIS could be prevented as compared with the aqueous electrolyte. Further, comparing non-aqueous electrolytes, it was confirmed that lower alcohols can reduce the elution amount of Cu and In and can prevent CIS corrosion more reliably than polyhydric alcohols. It was.
《光電変換装置の作製》
〈実施例1、比較例1〉
片面にFTO(フッ素ドープ酸化錫;Fluorine-doped Tin Oxide)透明導電膜を形成したガラス基板の、前記FTO透明導電膜上に、電子輸送材料としてのTiO2の粉末(平均粒径20μm)と、前記TiO2の粉末100重量部に対して40重量部のポリエチレングリコールと、水と混合して調整したペーストを塗布し、乾燥させた後、焼成して、多孔質構造を有する電子輸送体層を形成した。次に、前記電子輸送体層の、多孔質の孔の内部表面を含む全表面に、液相法によって、CISの微小な粒子からなる光励起体を担持させた後、真空アニール処理した。
<< Production of photoelectric conversion device >>
<Example 1, Comparative Example 1>
On the FTO transparent conductive film of the glass substrate on which FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) transparent conductive film is formed on one side, TiO 2 powder (average particle size 20 μm) as an electron transport material, A paste prepared by mixing 40 parts by weight of polyethylene glycol and water with 100 parts by weight of the TiO 2 powder was applied, dried, and then fired to form an electron transporter layer having a porous structure. Formed. Next, a photoexciter composed of fine particles of CIS was supported on the entire surface of the electron transport layer including the inner surface of the porous pores by a liquid phase method, and then subjected to vacuum annealing.
対向基板および対向電極層としては、前記と同じ、片面にFTO透明導電膜を形成したガラス基板を用いた。そして、一対のガラス基板を、電子輸送体層と、対向電極としてのFTO透明導電膜とを、互いに非接触の状態で、向かい合わせに配置して、両者の隙間に、非水系の電解液(実施例1)または水系の電解液(比較例1)を含浸させた後、両ガラス基板の周囲を、エポキシ樹脂で封止して、光電変換装置を作製した。なお、非水系の電解液としては、エタノールに、3.6MのNa2S・9H2Oと、0.3MのNa2SO3とを加えたものを使用した。また、水系の電解液としては、純水に、3.6MのNa2S・9H2Oと、0.3MのNa2SO3とを加えたものを使用した。 As the counter substrate and the counter electrode layer, the same glass substrate as described above in which an FTO transparent conductive film was formed on one side was used. Then, a pair of glass substrates are arranged so that the electron transport layer and the FTO transparent conductive film as the counter electrode face each other in a non-contact state, and a non-aqueous electrolyte ( After impregnating Example 1) or an aqueous electrolyte solution (Comparative Example 1), the periphery of both glass substrates was sealed with an epoxy resin to produce a photoelectric conversion device. As the non-aqueous electrolyte, a solution obtained by adding 3.6 M Na 2 S · 9H 2 O and 0.3 M Na 2 SO 3 to ethanol was used. As the aqueous electrolyte, a solution obtained by adding 3.6 M Na 2 S · 9H 2 O and 0.3 M Na 2 SO 3 to pure water was used.
作製した光電変換装置の、光照射した状態(photo)、および光照射しない状態(dark)での、短絡電流密度JSC(mA/cm2)、開放電圧値VOC(V)、曲線因子FF(fill factor)、および電池特性を示すパラメータη(%)を求めた。結果を表2に示す。
表2より、水系の電解液を使用した比較例1の光電変換装置は、暗電流が発生しており、硫化物無機半導体が、硫化物を含む水系の電解液によって腐食されていることが判った。これに対し、非水系の電解液を使用した実施例1の光電変換装置は、暗電流が発生しておらず、しかも、光照射時には、比較例1と同等以上の特性を示すことが確認された。 From Table 2, it can be seen that the photoelectric conversion device of Comparative Example 1 using the aqueous electrolyte generates dark current, and the sulfide inorganic semiconductor is corroded by the aqueous electrolyte containing sulfide. It was. On the other hand, it was confirmed that the photoelectric conversion device of Example 1 using a non-aqueous electrolyte solution did not generate dark current and exhibited characteristics equivalent to or higher than those of Comparative Example 1 when irradiated with light. It was.
1 光電変換装置
4 電子輸送体層
6 対向電極
7 電解質の層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photoelectric converter 4 Electron transporter layer 6 Counter electrode 7 Electrolyte layer
Claims (4)
前記光励起体が担持された、前記光励起体での光電変換によって発生した電子を輸送するための電子輸送体層と、
前記電子輸送体層と非接触の状態で、対向させて配設された対向電極と、
前記対向電極と前記電子輸送体層との間に充てんされた、前記光励起体での光電変換によって発生した正孔を、前記対向電極に輸送するための、非水系の電解液を含む電解質の層と
を備える光電変換装置であって、前記電解液は、溶媒と電解質とからなり、前記電解質は、前記電解液中で可溶性ポリ硫化物種を形成する、Na 2 S、Li 2 S、K 2 S、および(NH 4 ) 2 Sからなる群より選ばれた少なくとも1種の硫化物であることを特徴とする光電変換装置。 A photo-exciter made of a sulfide inorganic semiconductor and generating electrons and holes by photoelectric conversion;
The excitation body is supported, and an electron transport layer for transporting electrons generated by photoelectric conversion in the light excitation member,
A counter electrode disposed to face the electron transporter layer in a non-contact state;
Wherein the counter electrode is filled between the electron transport layer, holes generated by photoelectric conversion in the light excitation body, wherein for transporting the counter electrode, a layer of electrolyte containing an electrolyte solution of the non-aqueous The electrolytic solution comprises a solvent and an electrolyte, and the electrolyte forms a soluble polysulfide species in the electrolytic solution, Na 2 S, Li 2 S, K 2 S And (NH 4 ) 2 S. At least one sulfide selected from the group consisting of (NH 4 ) 2 S.
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