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JP6641667B2 - Coating liquid, structure for solar cell, solar cell, and method for manufacturing structure for solar cell - Google Patents
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Coating liquid, structure for solar cell, solar cell, and method for manufacturing structure for solar cell Download PDF

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Description

本発明は、多孔質半導体電極を形成するための塗工液、太陽電池用構造体、太陽電池、及び太陽電池用構造体の製造方法に関する。   The present invention relates to a coating liquid for forming a porous semiconductor electrode, a structure for a solar cell, a solar cell, and a method for manufacturing a structure for a solar cell.

生産エネルギーが相対的に低く、低コスト化を図る上で有利な太陽電池として、色素増感太陽電池がある。色素増感太陽電池は、ガラスなどからなる透明基板上に、導電性透明薄膜、多孔質半導体電極、光増感化合物(増感色素等)、酸化還元対を有する電解質含有体(電解液等)、対極を順に積層させた構造をしている。増感色素を保持する半導体電極を多孔質化させることによって比表面積を数百倍から千倍に拡大し、保持される増感色素の量を大幅に増やしたことにより、大きな光電流を得られるようにした点が特徴である(例えば、非特許文献1、2参照)。   Dye-sensitized solar cells are examples of solar cells that have relatively low production energy and are advantageous in reducing costs. Dye-sensitized solar cells consist of a transparent substrate made of glass or the like, a conductive transparent thin film, a porous semiconductor electrode, a photosensitizing compound (sensitizing dye, etc.), and an electrolyte containing an oxidation-reduction pair (electrolyte solution, etc.). , And a counter electrode are sequentially stacked. By making the semiconductor electrode holding the sensitizing dye porous, the specific surface area is increased several hundred times to 1,000 times, and a large amount of the sensitizing dye is retained, so that a large photocurrent can be obtained. This is a feature (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).

一般的に、色素増感太陽電池用多孔質半導体電極は、半導体ナノ結晶粒子とバインダーを含む分散液を、粘性を調整した塗工液に処方し、これをスクリーン印刷等の方法により基板に塗布した後、加熱焼成によってバインダーを除去し、多孔質化することによって得られる。半導体ナノ結晶粒子としては酸化チタンが用いられる場合が多い。   Generally, a porous semiconductor electrode for a dye-sensitized solar cell is prepared by formulating a dispersion liquid containing semiconductor nanocrystal particles and a binder into a coating liquid having adjusted viscosity, and applying this to a substrate by a method such as screen printing. After that, the binder is removed by heating and baking to obtain a porous body. Titanium oxide is often used as semiconductor nanocrystal particles.

色素増感太陽電池の発電原理は、1)半導体電極表面に固定された光増感化合物が太陽光等の外部光を吸収して励起状態となる、2)これが半導体電極に対して電子を放出する、3)放出された電子が半導体電極を拡散移動し、導電性透明基板に到着する、4)導電性基板から外部回路を経由して対極に移動する、5)対極において電解液中の酸化還元対を還元する、6)この還元体が電解液中を移動して色素に到着し、電子放出した光増感化合物を還元して基底状態に戻す、というサイクルに基づく。本サイクルを繰り返すことにより、光が照射されている間、持続的に発電がなされる。   The principle of power generation of a dye-sensitized solar cell is as follows: 1) The photosensitizing compound fixed on the surface of the semiconductor electrode absorbs external light such as sunlight to be in an excited state. 2) This emits electrons to the semiconductor electrode. 3) The emitted electrons diffuse and move through the semiconductor electrode and arrive at the conductive transparent substrate. 4) Move from the conductive substrate to the counter electrode via an external circuit. 5) Oxidation in the electrolyte at the counter electrode. This is based on a cycle in which the reduced pair is reduced, and 6) the reduced form moves in the electrolytic solution and reaches the dye, and the photosensitized compound which has emitted electrons is reduced and returned to the ground state. By repeating this cycle, power is continuously generated while the light is irradiated.

このような発電原理に鑑みたとき、半導体電極中に形成される多孔質構造は、適切な表面積と適切な細孔径を同時に有する必要がある。すなわち、発電サイクルの起点である太陽光吸収を増やすためには増感色素量が多いほど有利であるため、色素固定面である半導体電極表面の面積が多い方が望ましい。一方、電解液中の酸化還元対が色素を基底状態に戻し、発電サイクルを完結させるためには、電解液が多孔質構造中の細孔に十分に充填され、電解液と色素が接触している必要がある。細孔が狭すぎると電解液が充分に浸透できず、細孔内に充填されないため、毛細管現象による液浸透深さが半導体電極を構成する一次粒子径と同程度になるような直径を有する細孔を構築する必要がある。とりわけ、電解液の粘度が高く、細孔に対して浸透しにくい場合に、この課題は顕著となる。   In view of such a power generation principle, the porous structure formed in the semiconductor electrode needs to have an appropriate surface area and an appropriate pore size at the same time. That is, in order to increase sunlight absorption, which is the starting point of the power generation cycle, the larger the amount of the sensitizing dye is, the more advantageous it is. Therefore, it is preferable that the area of the semiconductor electrode surface which is the dye fixing surface is large. On the other hand, in order for the redox couple in the electrolyte to return the dye to the ground state and complete the power generation cycle, the electrolyte is sufficiently filled in the pores in the porous structure, and the electrolyte and the dye come into contact with each other. Need to be. If the pores are too narrow, the electrolyte cannot penetrate sufficiently and the pores are not filled. Therefore, the pores having a diameter such that the liquid penetration depth due to the capillary phenomenon is substantially the same as the primary particle diameter constituting the semiconductor electrode. Holes need to be built. In particular, this problem becomes remarkable when the viscosity of the electrolyte is high and it is difficult to penetrate into the pores.

半導体電極中の細孔構造は、一義的には半導体ナノ結晶粒子を含む塗工液が基板に塗布された後、加熱によってバインダーが消失し、残ったナノ結晶粒子が膜を形成する際、粒子間に隙間が生じることで形成される。この場合、粒子サイズが大きいほど、形成される細孔径も大きくなるが、これに伴って単位体積あたりの表面積は減少する。従って、単に粒子同士の隙間によって細孔を形成するのでは、適切な表面積と適切な細孔径を同時に有することが困難である。   The pore structure in the semiconductor electrode is primarily due to the fact that after a coating liquid containing semiconductor nanocrystal particles is applied to the substrate, the binder disappears due to heating and the remaining nanocrystal particles form a film. It is formed by creating a gap between them. In this case, the larger the particle size, the larger the pore size formed, but the surface area per unit volume decreases accordingly. Therefore, it is difficult to have an appropriate surface area and an appropriate pore size at the same time simply by forming pores by gaps between particles.

上記課題を解決する提案もなされている。通常の加熱焼成と同程度以下の加熱によって燃焼、消滅し、かつ、消滅時に、粒子同士の接触によって形成される隙間よりも大きな径を有する細孔を与える粒子状材料(以下、加熱消滅性材料と称する)を塗工液の添加剤として加える試みが従来よりなされている。例えば、特許文献1〜4がある。例えば、特許文献1では、平均粒径100nmから1,000nmのポリスチレン粒子、もしくは平均粒径50nmのカーボンナノチューブを加熱消滅性材料として酸化チタンペーストに添加するこというものである。このことにより、焼成後の酸化チタン電極膜に形成される細孔サイズ、空孔度を制御している。特許文献4では、オキシプロピレンユニットもしくはオキシテトラメチレンユニットの少なくとも1種類を有し、かつ重合性不飽和基を2以上有する架橋剤と、重合性不飽和基を有する単量体とを反応させて得たアクリル系樹脂を加熱消滅性材料として用いる。これにより200nmから1,000nm程度の細孔を形成させている。   There have been proposals to solve the above problems. A particulate material (hereinafter, referred to as a heat-dissipating material) that burns and disappears by heating at the same level as or less than ordinary heating and sintering, and at the time of disappearance gives pores having a diameter larger than a gap formed by contact between particles. ) As an additive of a coating solution. For example, there are Patent Documents 1 to 4. For example, in Patent Literature 1, polystyrene particles having an average particle diameter of 100 nm to 1,000 nm or carbon nanotubes having an average particle diameter of 50 nm are added to a titanium oxide paste as a heat-dissipating material. This controls the pore size and porosity formed in the titanium oxide electrode film after firing. In Patent Literature 4, a crosslinking agent having at least one kind of an oxypropylene unit or an oxytetramethylene unit and having two or more polymerizable unsaturated groups is reacted with a monomer having a polymerizable unsaturated group. The obtained acrylic resin is used as a heat extinguishing material. As a result, pores of about 200 to 1,000 nm are formed.

一方、色素増感太陽電池用多孔質半導体電極においては、四塩化チタン処理と呼ばれる処理がしばしばなされている(例えば、非特許文献3参照)。これは半導体ナノ結晶としての酸化チタン粒子を含む塗工液を基板に塗布し、加熱焼成によって多孔質化した後、四塩化チタン水溶液に浸漬し、多孔膜表面に四塩化チタン分子を吸着させ、その後乾燥、焼成させるというものである。本処理により、酸化チタン粒子同士の電気的接続が向上すると共に、酸化チタン多孔膜と導電性透明基板の間に逆電子移動防止層が形成され、かつ酸化チタン多孔膜と導電性透明基板の間の機械的強度が増大することから、色素増感太陽電池の発電性能が向上すると考えられている。   On the other hand, a process called titanium tetrachloride treatment is often performed on a porous semiconductor electrode for a dye-sensitized solar cell (for example, see Non-Patent Document 3). This is to apply a coating solution containing titanium oxide particles as semiconductor nanocrystals to a substrate, make it porous by heating and baking, then immerse it in an aqueous solution of titanium tetrachloride, and adsorb titanium tetrachloride molecules on the surface of the porous film, After that, it is dried and fired. By this treatment, the electrical connection between the titanium oxide particles is improved, a reverse electron transfer prevention layer is formed between the titanium oxide porous film and the conductive transparent substrate, and between the titanium oxide porous film and the conductive transparent substrate. It is thought that the power generation performance of the dye-sensitized solar cell is improved because the mechanical strength of the dye increases.

しかし、四塩化チタン処理に用いる四塩化チタン水溶液は強酸性であり、かつ加熱焼成時に塩酸を発生することから、本処理を工業的に実施するには耐酸性設備を導入する必要があり、製造コストの増大を招く。また、これらの処理を付加することで製造時間が余分に必要となり、生産性を下げるため、このことも製造コストを増大させる結果となる。   However, the aqueous solution of titanium tetrachloride used for titanium tetrachloride treatment is strongly acidic and generates hydrochloric acid during heating and firing, so it is necessary to introduce acid-resistant equipment to industrially perform this treatment. This leads to an increase in cost. In addition, the addition of these processes requires extra manufacturing time, and lowers productivity, which also results in an increase in manufacturing cost.

そこで、酸化チタン前駆体を酸化チタン電極形成用塗工液に添加することにより、四塩化チタン処理を行うことなく、処理時同等の性能向上をもたらす試みが、従来よりなされている(例えば、特許文献5〜6参照)。例えば特許文献5では、塗工液に有機チタンキレート錯体を添加することにより、塗工液を塗布し、乾燥、焼成するのみによって、色素増感太陽電池の光電流ならびに開放端電圧を増大させている。また、特許文献6では、塗工液にペルオキソ改質酸化チタン粒子を添加することにより、四塩化チタン処理することなく良好な導電パスを形成している。   Therefore, attempts have been made to add a titanium oxide precursor to a coating solution for forming a titanium oxide electrode to achieve the same performance improvement at the time of titanium tetrachloride treatment without performing the treatment (for example, see Patent Literature 5-6). For example, in Patent Document 5, by adding an organic titanium chelate complex to a coating solution, the coating solution is applied, dried, and fired to increase the photocurrent and open-end voltage of the dye-sensitized solar cell. I have. Further, in Patent Document 6, by adding peroxo-modified titanium oxide particles to a coating liquid, a favorable conductive path is formed without performing titanium tetrachloride treatment.

本発明は、高粘度電解液が半導体電極に充分に充填されることを可能にし、なおかつ、その際に発生する、半導体電極と導電性透明基板の間の機械的強度の低下を、特段の付加的処理を行うことなく抑制することができ、発電性能に優れる多孔質半導体電極を形成するための塗工液を提供することを目的とする。   The present invention makes it possible to sufficiently fill a semiconductor electrode with a high-viscosity electrolyte solution, and furthermore, to reduce the mechanical strength between the semiconductor electrode and the conductive transparent substrate which occurs at that time. It is an object of the present invention to provide a coating liquid for forming a porous semiconductor electrode which can be suppressed without performing a chemical treatment and has excellent power generation performance.

本目的を達成するため、本発明者らが鋭意検討した結果、半導体電極を構成するための構造材料として、酸化チタンナノ結晶粒子に加え、酸化チタンナノアモルファス粒子を含有し、更に特定の加熱消滅性粒子を含有する塗工液を用いることにより、上記の課題が解決されることを見出した。
すなわち、本発明は、多孔質半導体電極を形成するための、半導体構造材料、バインダー樹脂、加熱消滅性粒子、及び分散用溶媒を含む塗工液であって、前記半導体構造材料は酸化チタンナノ結晶粒子と酸化チタンナノアモルファス粒子とからなり、前記加熱消滅性粒子が、重量平均分子量(Mw)が30,000以上45,000以下、ガラス転移温度(Tg)が80℃以上95℃以下のポリメチルメタクリレートであることを特徴とする塗工液である。
In order to achieve this object, the present inventors have conducted intensive studies, and as a structural material for forming a semiconductor electrode, in addition to titanium oxide nanocrystal particles, contain titanium oxide nanoamorphous particles, and furthermore, specific heat annihilation particles It has been found that the above problems can be solved by using a coating liquid containing.
That is, the present invention provides a coating liquid containing a semiconductor structural material, a binder resin, heat-dissipating particles, and a dispersion solvent for forming a porous semiconductor electrode, wherein the semiconductor structural material is titanium oxide nanocrystal particles. And titanium oxide nano-amorphous particles, wherein the heat-destructible particles are polymethyl methacrylate having a weight average molecular weight (Mw) of 30,000 or more and 45,000 or less and a glass transition temperature (Tg) of 80 ° C. or more and 95 ° C. or less. It is a coating liquid characterized by the following.

本発明の塗工液を用いることにより、高粘度電解液が半導体電極に充分に充填されることを可能にし、なおかつ、その際に発生する、半導体電極と導電性透明基板の間の機械的強度の低下を、特段の付加的処理を行うことなく抑制することができ、発電性能に優れる多孔質半導体電極を形成することができる。   By using the coating liquid of the present invention, it is possible to sufficiently fill the semiconductor electrode with the high-viscosity electrolytic solution, and at the same time, the mechanical strength between the semiconductor electrode and the conductive transparent substrate is generated. Can be suppressed without performing any additional processing, and a porous semiconductor electrode having excellent power generation performance can be formed.

図1は、実施例1および比較例1によって得られる酸化チタン電極のFTO基板に対する密着性を、剥離強度測定装置を用いて測定した事例である。FIG. 1 shows an example in which the adhesion of the titanium oxide electrode obtained in Example 1 and Comparative Example 1 to an FTO substrate was measured using a peel strength measuring device.

以下に本発明を詳細に記載する。
高粘度電解液、もしくは固体電解質の採用を念頭に置いた場合、半導体電極中にバインダーの消失のみによって形成される細孔径は、これらの電解質を充填させる上で不十分であることから、高粘度電解液等が半導体電極に充分に充填されることを可能とするために、加熱消滅性材料を添加する。これによって得られる多孔質構造は、加熱消滅性材料を添加していない場合に比べて疎となるため、酸化チタン多孔膜と導電性透明基板の間の機械的強度が低下するという問題が起こる。従って四塩化チタン処理のように機械的強度を増大させる処理を付加する必要があるが、四塩化チタン処理には上述のような工業的問題が存在する。
本発明はこれらの問題点を解消せしめるものとして考案されたものである。
本発明の塗工液は、高粘度電解液等が半導体電極に充分に充填されることを可能とするために、加熱消滅性材料を含有する。これによって得られる多孔質構造は、加熱消滅性材料を添加していない場合に比べて疎となる。しかし、本発明の塗工液においては、酸化チタンナノ結晶粒子と導電性透明基板の間に配置された酸化チタンナノアモルファス粒子が結着作用をもたらす。このことによりこれら二者の間の機械的強度は、四塩化チタン処理のような特段の付加的処理を行わなくとも向上し、かかる付加的処理に要する時間、エネルギー、処理装置を削減することができる。また、酸化チタンナノ結晶粒子同士の間に配置されたナノアモルファス粒子は焼成後、酸化チタン結晶に転化することで、半導体ナノ結晶粒子同士の電気的接続を向上させることができる。これらの効果が相まって、高粘度電解液に好適な半導体電極を簡便かつ低エネルギープロセスで得ることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
When a high-viscosity electrolytic solution or a solid electrolyte is used in mind, the pore size formed only by the disappearance of the binder in the semiconductor electrode is insufficient to fill these electrolytes. In order to allow the electrolyte or the like to be sufficiently filled in the semiconductor electrode, a heat-dissipating material is added. The resulting porous structure is less sparse as compared to the case where no heat-dissipating material is added, so that a problem occurs in that the mechanical strength between the titanium oxide porous film and the conductive transparent substrate is reduced. Therefore, it is necessary to add a treatment for increasing the mechanical strength like the titanium tetrachloride treatment, but the titanium tetrachloride treatment has the above-mentioned industrial problems.
The present invention has been devised to solve these problems.
The coating liquid of the present invention contains a heat-extinguishing material in order to enable a high-viscosity electrolyte or the like to be sufficiently filled in a semiconductor electrode. The resulting porous structure is less sparse than when no heat extinguishing material is added. However, in the coating liquid of the present invention, the titanium oxide nano-amorphous particles disposed between the titanium oxide nano-crystal particles and the conductive transparent substrate provide a binding action. This increases the mechanical strength between the two without the need for a special additional treatment, such as titanium tetrachloride treatment, and reduces the time, energy, and processing equipment required for such additional treatment. it can. In addition, the electric connection between the semiconductor nanocrystal particles can be improved by converting the nanoamorphous particles arranged between the titanium oxide nanocrystal particles into titanium oxide crystals after firing. Together with these effects, a semiconductor electrode suitable for a high-viscosity electrolytic solution can be obtained simply and with a low energy process.

本発明においては、半導体構造材料としての酸化チタンナノ結晶粒子(1)と酸化チタンナノアモルファス粒子(2)、および加熱消滅性粒子(3)、バインダー樹脂(4)、分散用溶媒(5)を含む塗工液(6)を作製する。   In the present invention, a coating containing titanium oxide nanocrystal particles (1) and titanium oxide nanoamorphous particles (2) as semiconductor structural materials, heat-destructible particles (3), a binder resin (4), and a dispersion solvent (5). A working liquid (6) is prepared.

(1)酸化チタンナノ結晶粒子
本発明に使用する酸化チタンナノ結晶粒子は特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。
酸化チタンナノ結晶粒子の平均一次粒径は1nm以上500nm以下が好ましく、20nm以上135nm以下がより好ましい。1次粒子径が1nm以上であることにより、加熱消滅性粒子を添加しても半導体多孔質膜が過剰に緻密化して多孔質膜中に形成される細孔径が小さくなるということがないため、電解質の浸透もしくは充填が制約されるという問題が生じることがない。一方、1次粒子径が500nm以下であることにより、半導体多孔質膜内に含まれる表面積が低下することがなく、吸着色素量を十分に確保することができる。
酸化チタンナノ結晶粒子の含有量は、塗工液中において5〜50質量%とするのが好ましく、10〜30質量%がより好ましい。
(1) Titanium oxide nanocrystal particles The titanium oxide nanocrystal particles used in the present invention are not particularly limited, and known titanium oxide nanocrystal particles can be used.
The average primary particle size of the titanium oxide nanocrystal particles is preferably from 1 nm to 500 nm, more preferably from 20 nm to 135 nm. When the primary particle diameter is 1 nm or more, the semiconductor porous film is not excessively densified even when the heat-destructible particles are added, and the pore diameter formed in the porous film is not reduced. There is no problem that the penetration or filling of the electrolyte is restricted. On the other hand, when the primary particle diameter is 500 nm or less, the surface area contained in the semiconductor porous film does not decrease, and the amount of the adsorbed dye can be sufficiently secured.
The content of the titanium oxide nanocrystal particles in the coating liquid is preferably 5 to 50% by mass, and more preferably 10 to 30% by mass.

酸化チタンナノ結晶粒子は、必要に応じ、数十ナノメートル〜数百ナノメートルまで凝集をほぐされることが望ましい。凝集をほぐす方法は、凝集力を上回る衝撃力を与えうるものであれば特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。また、凝集は液相中、気相中のいずれかによってほぐされることができる。
気相中で凝集をほぐす方法としては、ジェットミル、ハンマーミル、ローラーミル、ピンミル、振動ミル等、凝集粒子に機械的衝撃力を与える方式、もしくは凝集粒子とミル壁面のずり応力によって解砕させる方式を選択することができる。
液相中で凝集をほぐす方法としては、ビーズミル等、セラミックビーズとの衝突、もしくはビーズとミル壁面のずり応力による解砕方式を選択することができる。また、セラミックビーズを試用しない方式を選択することも可能であり、それには分散液を高圧ポンプで加圧して加速させ、分散液同士もしくは分散液と衝突部材を衝突させることによって衝撃力を与える方法、分散液を高圧ポンプで加圧して加速させ、流路を高速で通過させる際に壁面との間に発生するずり応力によって衝撃力を与える方法、分散液を容器壁面もしくは底面との間隔を一定に保った撹拌羽によって撹拌し、容器壁面もしくは底面とのずり応力によって衝撃力を与える方法、分散液に超音波を照射し、キャビテーション現象に基づく衝撃力を与える方法等がある。
It is desirable that the titanium oxide nanocrystal particles be deagglomerated from several tens to several hundreds of nanometers as necessary. The method of loosening the aggregation is not particularly limited as long as it can give an impact force exceeding the aggregation force, and a known method can be used. Agglomeration can be loosened either in the liquid phase or in the gas phase.
As a method of loosening agglomeration in the gas phase, a method of applying a mechanical impact force to agglomerated particles, such as a jet mill, a hammer mill, a roller mill, a pin mill, a vibration mill, or a method of disintegrating by a shear stress between the agglomerated particles and the mill wall The method can be selected.
As a method of loosening the aggregation in the liquid phase, a collision method using ceramic beads, such as a bead mill, or a crushing method using shear stress between the beads and the mill wall surface can be selected. It is also possible to select a method in which ceramic beads are not used, by applying a high-pressure pump to accelerate the dispersion liquid, accelerating the dispersion liquid, or applying an impact force by causing the dispersion liquid to collide with the collision member. A method in which the dispersion liquid is pressurized and accelerated by a high-pressure pump to give an impact force due to shear stress generated between the dispersion liquid and the wall surface when passing through the flow path at a high speed. A method of applying an impact force by shearing stress with the vessel wall or bottom surface, or a method of irradiating a dispersion liquid with ultrasonic waves to apply an impact force based on a cavitation phenomenon.

(2)酸化チタンナノアモルファス粒子
本発明に使用する酸化チタンナノアモルファス粒子は特に限定されるものではなく、公知のものを使用することができる。
酸化チタンナノアモルファス粒子の円相当径は、酸化チタンナノ結晶粒子(1)の平均一次粒径の20%以下であることが好ましい。20%以下であることにより、酸化チタンナノアモルファス粒子の径が、酸化チタンナノ結晶粒子の細密充填によって形成される幾何径を超える確率が高くなることがない、即ち、酸化チタンナノ結晶粒子同士間、もしくは酸化チタンナノ結晶粒子と導電性基板の間に配置されないナノアモルファス粒子が一定以上の割合で発生するおそれがない。20%以下とすることにより、十分な割合の酸化チタンナノアモルファス粒子を望ましい位置に配置することができる。
(2) Titanium oxide nano-amorphous particles The titanium oxide nano-amorphous particles used in the present invention are not particularly limited, and known ones can be used.
The equivalent circle diameter of the titanium oxide nanoamorphous particles is preferably 20% or less of the average primary particle diameter of the titanium oxide nanocrystal particles (1). When the content is 20% or less, the probability that the diameter of the titanium oxide nano-amorphous particles exceeds the geometric diameter formed by the close packing of the titanium oxide nano-crystal particles does not increase, that is, between titanium oxide nano-crystal particles or oxidation. There is no possibility that nano-amorphous particles not arranged between the titanium nano-crystal particles and the conductive substrate are generated at a certain ratio or more. By setting the content to 20% or less, a sufficient ratio of titanium oxide nanoamorphous particles can be arranged at a desired position.

また、前記背景技術で述べた有機チタンキレートやペルオキソ改質酸化チタン粒子のような酸化チタン前駆体を添加した場合は、これら前駆体の酸化チタンへの転化が不完全であると、未添加時よりもかえって導電性を低下させるという問題があった。しかし、酸化チタンナノアモルファス粒子はそれ自体が導電性を持っており、仮に半導体ナノ結晶への転化が不完全であったとしても、導電性を妨げる存在とはならない。これは製造工程における焼成温度、時間の制約が低減することを意味しており、必ずしも厳密な温度・時間管理をしなくても一定以上の発電性能を得ることができる。従って、本発明によって色素増感太陽電池の製造歩留を向上させることができる。   Further, when a titanium oxide precursor such as the organic titanium chelate or peroxo-modified titanium oxide particles described in the background art is added, if the conversion of these precursors to titanium oxide is incomplete, it is not added. On the contrary, there is a problem that the conductivity is lowered. However, the titanium oxide nanoamorphous particles themselves have conductivity, and even if the conversion to semiconductor nanocrystals is incomplete, they do not prevent the conductivity. This means that restrictions on the firing temperature and time in the manufacturing process are reduced, and a power generation performance above a certain level can be obtained without necessarily performing strict temperature and time management. Therefore, the production yield of the dye-sensitized solar cell can be improved by the present invention.

(3)加熱消滅性粒子
本発明に使用する加熱消滅性粒子は、塗工膜の通常焼成雰囲気である空気中、500℃程度の焼成において燃焼、消滅するものであり、重量平均分子量(Mw)が30,000以上45,000以下、ガラス転移温度(Tg)が80℃以上95℃以下のポリメチルメタクリレートである。
発電効率を十分なものとするためには半導体電極内の細孔の連結性も不可欠であり、そのためには加熱消滅性粒子のMw、Tgが上記の範囲内であることが重要である。Mw及びTgが本範囲内にあるポリメチルメタクリレートを使用することにより、500℃程度の焼成における昇温過程で、加熱消滅性粒子は軟化し変形した後、燃焼し消滅する。これによって形成される細孔は、このような変形を伴わなかった場合に比べて連結性が向上しており、高粘度電解液を半導体多孔質電極の内部まで注入、浸透させる上でより望ましい構造となっている。
加熱消滅性粒子の粒径は10nm以上2,000nm未満が好ましく、50nm以上1,000nm未満がより好ましい。加熱消滅性粒子は半導体多孔質電極膜中に形成される細孔を、電解液が充分浸透できるだけの大きさまで拡大することを目的として添加するものであるので、狙いの細孔サイズに合わせることが望ましい。加熱消滅性粒子の粒径が10nm以上であることにより、粒子の消滅によって形成される孔が10nm以上となり、加熱消滅性粒子を加えなかった場合に形成される孔径よりも大きくすることができる。一方、加熱消滅性粒子の粒径が2,000nm未満であることにより、目的に対して過剰に大きな孔が形成されることがなく、増感色素の配置を減らすことがなく、発電性能を低下させることがない。
(3) Heat-extinguishing particles The heat-extinguishing particles used in the present invention burn and extinguish when fired at about 500 ° C. in air, which is a normal firing atmosphere for a coating film, and have a weight average molecular weight (Mw). Is a polymethyl methacrylate having a glass transition temperature (Tg) of from 80 ° C to 95 ° C.
In order to ensure sufficient power generation efficiency, the connectivity of the pores in the semiconductor electrode is also indispensable. For that purpose, it is important that the Mw and Tg of the heat annihilation particles are within the above ranges. By using polymethyl methacrylate having Mw and Tg within this range, the heat-dissipating particles are softened and deformed, burn, and disappear in the course of temperature rise in baking at about 500 ° C. The pores formed thereby have improved connectivity compared to the case without such deformation, and a more desirable structure for injecting and penetrating the high-viscosity electrolyte solution into the inside of the semiconductor porous electrode. It has become.
The particle size of the heat annihilating particles is preferably from 10 nm to less than 2,000 nm, more preferably from 50 nm to less than 1,000 nm. Heat-extinguishing particles are added for the purpose of expanding the pores formed in the semiconductor porous electrode film to a size that allows the electrolyte to sufficiently penetrate, so that the size can be adjusted to the target pore size. desirable. When the particle size of the heat annihilation particles is 10 nm or more, the pores formed by the annihilation of the particles become 10 nm or more, which can be larger than the pore diameter formed when the heat annihilation particles are not added. On the other hand, when the particle size of the heat annihilating particles is less than 2,000 nm, excessively large pores are not formed for the purpose, the arrangement of the sensitizing dye is not reduced, and the power generation performance is reduced. I will not let you.

(4)バインダー樹脂
バインダー樹脂は、液の塗工性を調製するために添加されるものであって、増粘効果が得られ、溶媒に溶解し、塗工膜の通常焼成雰囲気である空気中、500℃程度の焼成において燃焼、消滅するものであれば特に限定されるものではない。
例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、エチルセルロース等が挙げられる。
(4) Binder resin The binder resin is added to adjust the coating property of the liquid, and has a thickening effect, is dissolved in a solvent, and is dissolved in air, which is a normal firing atmosphere for a coating film. There is no particular limitation as long as it burns and disappears during firing at about 500 ° C.
For example, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, ethyl cellulose and the like can be mentioned.

(5)分散用溶媒
分散用溶媒は、塗工液中に含まれる構成成分(1)〜(4)を適切に分散させ、なおかつ分散状態を維持させうるものであれば、特に限定されるものではない。
例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、α−テルピネオール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、あるいはメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸エチル、酢酸エチル、あるいは酢酸n−ブチル等のエステル系溶媒、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、あるいはジオキサン等のエーテル系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、あるいはN−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、ブロモホルム、ヨウ化メチル、ジクロロエタン、トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、フルオロベンゼン、ブロモベンゼン、ヨードベンゼン、あるいは1−クロロナフタレン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−オクタン、1,5−ヘキサジエン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキサジエン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、あるいはクメン等の炭化水素系溶媒を挙げることができる。これらは単独、あるいは2種以上の混合溶媒として用いることができる。
(5) Dispersion solvent The dispersion solvent is not particularly limited as long as the components (1) to (4) contained in the coating liquid can be appropriately dispersed and the dispersion state can be maintained. is not.
For example, water, alcohol solvents such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol and α-terpineol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone or methyl isobutyl ketone, and ester solvents such as ethyl formate, ethyl acetate and n-butyl acetate. , Diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxolan, or dioxane, etc .; ether solvents, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, or amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, dichloromethane, chloroform , Bromoform, methyl iodide, dichloroethane, trichloroethane, trichloroethylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, fluorobenzene, bromobenzene, iodobenzene, Or a halogenated hydrocarbon solvent such as 1-chloronaphthalene, n-pentane, n-hexane, n-octane, 1,5-hexadiene, cyclohexane, methylcyclohexane, cyclohexadiene, benzene, toluene, o-xylene, m And hydrocarbon solvents such as -xylene, p-xylene, ethylbenzene and cumene. These can be used alone or as a mixed solvent of two or more.

前記(1)〜(5)の他、本発明の目的の範囲内において、他の成分も必要に応じて混合することができる。このような成分としては、例えば、酸化チタンナノ結晶粒子や加熱消滅性樹脂の分散性を安定させるための分散剤、より具体的には塩酸、硝酸、酢酸等の酸、ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル等の界面活性剤、アセチルアセトン、2−アミノエタノール、エチレンジアミン等のキレート化剤等がある。   In addition to the above (1) to (5), other components can be mixed as necessary within the scope of the object of the present invention. Such components include, for example, a dispersant for stabilizing the dispersibility of the titanium oxide nanocrystal particles and the heat-destructible resin, more specifically, an acid such as hydrochloric acid, nitric acid, and acetic acid, and polyoxyethylene (10) octyl. Surfactants such as phenyl ether; chelating agents such as acetylacetone, 2-aminoethanol, and ethylenediamine;

(6)塗工液
塗工液は、前記(1)〜(4)の成分と前記(5)の分散溶媒とを均一に混合することによって得られる。
また、混合の際には酸化チタンナノ結晶粒子、酸化チタンナノアモルファス粒子、加熱消滅性樹脂、バインダーは、それぞれあらかじめ溶媒中に分散させた分散液或いは溶媒溶液として用意しておき、これらを混合することが好ましい。その場合の溶媒としては前記の分散溶媒から好ましいものを選ぶことができる。また、酸化チタンナノアモルファス粒子については、その前駆体としての例えばチタンテトライソプロポキシド等のチタン酸エステルを水系中で酸などと反応させて調製し、その後水をエタノール等の溶媒と置換して分散液を調製することが好ましい。
これらの分散液或いは溶媒溶液を混合するに際しては、塗工液を基準として、
(1)酸化チタンナノ結晶粒子5〜50質量%、好ましくは10〜30質量%、
(2)酸化チタンナノアモルフォス粒子0.25〜2.5質量%、好ましくは0.5〜1.5質量%、
(3)加熱消滅性粒子1〜25質量%、好ましくは2〜15質量%、
(4)バインダー樹脂1〜25質量%、好ましくは2〜15質量%、
(5)分散用溶媒、残部
の割合となるように混合することが好ましい。
特に酸化チタン結晶粒子とナノアモルフォス粒子とは、質量比で100:1〜100:20とすることが好ましい。ナノアモルファス粒子の添加目的は酸化チタン結晶粒子と導電性透明基板との間に機械的強度を付与させることであるが、質量比で100:1以上とすることにより、企図する機能を十分果たすことができる。一方、質量比で100:20以下とすることにより、アモルファス粒子の低導電性によってもたらされる発電能力の低下が限定され、機械的強度の付与と発電性能の維持を両立することができる。
混合方法は、均一混合効果が得られるものであれば特に限定されるものではない。
具体的には、撹拌羽根式ミキサー、三本ロールミル、スターラー、ボールミル、ペイントコンディショナー、サンドミル、アトライター、ディスパーザー、ジェットミル、あるいは超音波分散等が挙げられる。
また、混合時に、加熱、冷却、加圧又は減圧を行ってもよい。
(6) Coating liquid The coating liquid is obtained by uniformly mixing the components (1) to (4) and the dispersion solvent of (5).
In addition, at the time of mixing, titanium oxide nanocrystal particles, titanium oxide nanoamorphous particles, a heat-destructible resin, and a binder are each prepared in advance as a dispersion or a solvent solution dispersed in a solvent, and these may be mixed. preferable. In this case, a preferable solvent can be selected from the above-mentioned dispersion solvents. In addition, titanium oxide nano-amorphous particles are prepared by reacting a titanate ester such as titanium tetraisopropoxide as a precursor thereof with an acid in an aqueous system, and then dispersing by replacing water with a solvent such as ethanol. It is preferred to prepare a liquid.
When mixing these dispersions or solvent solutions, based on the coating liquid,
(1) 5 to 50% by mass, preferably 10 to 30% by mass of titanium oxide nanocrystal particles,
(2) titanium oxide nano-amorphous particles 0.25 to 2.5% by mass, preferably 0.5 to 1.5% by mass,
(3) heat-extinguishing particles 1 to 25% by mass, preferably 2 to 15% by mass,
(4) 1 to 25% by mass, preferably 2 to 15% by mass of a binder resin,
(5) It is preferable to mix so that the ratio of the solvent for dispersion and the balance may be the same.
In particular, the mass ratio of the titanium oxide crystal particles to the nano-amorphous particles is preferably 100: 1 to 100: 20. The purpose of the addition of the nano-amorphous particles is to provide mechanical strength between the titanium oxide crystal particles and the conductive transparent substrate, but to achieve the intended function sufficiently by setting the mass ratio to 100: 1 or more. Can be. On the other hand, by setting the mass ratio to 100: 20 or less, a decrease in the power generation capability caused by the low conductivity of the amorphous particles is limited, and it is possible to simultaneously provide the mechanical strength and maintain the power generation performance.
The mixing method is not particularly limited as long as a uniform mixing effect can be obtained.
Specific examples include a stirring blade type mixer, a three-roll mill, a stirrer, a ball mill, a paint conditioner, a sand mill, an attritor, a disperser, a jet mill, and an ultrasonic dispersion.
Further, at the time of mixing, heating, cooling, pressurizing or depressurizing may be performed.

本発明の太陽電池用構造体は、透明な電子集電電極が配置された基材(導電性透明基板)上に本発明の塗工液由来の半導体電極を有する。
基材の種類は、可視光に透明な材質からなり、一定の機械的強度を有する材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、ガラス、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などが用いられる。
電子集電電極としては、可視光に対して透明な導電性物質であれば特に限定されるものではなく、通常の光電変換素子、あるいは液晶パネル等に用いられる公知のものを使用できる。
例えば、インジウム・スズ酸化物(以下、ITOと称す)、フッ素ドープ酸化スズ(以下、FTOと称す)、アンチモンドープ酸化スズ(以下、ATOと称す)等が挙げられ、これらが単独あるいは複数積層されていてもよい。
電子集電電極の厚さは5nm〜100μmが好ましく、50nm〜10μmが更に好ましい。
また、電子集電電極と基材が一体となっている公知のものを用いることもでき、例えば、FTOコートガラス、ITOコートガラス、酸化亜鉛:アルミニウムコートガラス、FTOコート透明プラスチック膜、ITOコート透明プラスチック膜等が挙げられる。
The structure for a solar cell of the present invention has a semiconductor electrode derived from the coating liquid of the present invention on a substrate (conductive transparent substrate) on which a transparent electron collecting electrode is disposed.
The type of substrate is not particularly limited as long as it is made of a material transparent to visible light and has a certain mechanical strength. For example, glass, a transparent plastic plate, a transparent plastic film, an inorganic transparent crystal Are used.
The electron collecting electrode is not particularly limited as long as it is a conductive substance that is transparent to visible light, and a known material used for a usual photoelectric conversion element or a liquid crystal panel can be used.
For example, indium-tin oxide (hereinafter, referred to as ITO), fluorine-doped tin oxide (hereinafter, referred to as FTO), antimony-doped tin oxide (hereinafter, referred to as ATO), and the like can be mentioned. May be.
The thickness of the electron collecting electrode is preferably from 5 nm to 100 μm, more preferably from 50 nm to 10 μm.
In addition, a known material in which the electron collecting electrode and the base material are integrated can be used. For example, FTO coated glass, ITO coated glass, zinc oxide: aluminum coated glass, FTO coated transparent plastic film, ITO coated transparent film Plastic films and the like.

本発明の太陽電池用構造体は、導電性透明基板上に、本発明の塗工液を塗布し、焼成することで多孔質半導体電極を形成することにより製造することができる。
塗工液の塗布方法に特に制限はなく、公知の方法に従って行なうことができる。
例えば、印刷法、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法、グラビアコート法等を用いることができる。印刷方法としては、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等、様々な方法を用いることができる。
焼成方法は特に制限はなく、マッフル炉など公知の方法を使うことができる。
焼成温度の範囲に特に制限はないが、温度を上げ過ぎると電子集電電極の抵抗が高くなったり、基材が溶融したりするため、30〜700℃が好ましく、100〜600℃がより好ましい。また、焼成時間にも特に制限はないが、10分〜10時間が好ましい。
焼成後、半導体ナノ結晶粒子の表面積の増大や、光増感化合物から半導体微粒子への電子注入効率を高める目的で、例えば四塩化チタンの水溶液や有機溶剤との混合溶液を用いた化学メッキや三塩化チタン水溶液を用いた電気化学的メッキ処理を行なってもよい。
The solar cell structure of the present invention can be manufactured by forming a porous semiconductor electrode by applying the coating liquid of the present invention on a conductive transparent substrate and baking the coating liquid.
The method for applying the coating liquid is not particularly limited, and the coating can be performed according to a known method.
For example, a printing method, a dipping method, a spray method, a wire bar method, a spin coating method, a roller coating method, a blade coating method, a gravure coating method, or the like can be used. As a printing method, various methods such as letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing and the like can be used.
The firing method is not particularly limited, and a known method such as a muffle furnace can be used.
There is no particular limitation on the range of the firing temperature, but if the temperature is too high, the resistance of the electron collecting electrode increases, or the base material is melted, so that the temperature is preferably 30 to 700 ° C, more preferably 100 to 600 ° C. . The firing time is not particularly limited, but is preferably 10 minutes to 10 hours.
After firing, for example, chemical plating using an aqueous solution of titanium tetrachloride or a mixed solution with an organic solvent may be used to increase the surface area of the semiconductor nanocrystal particles and increase the efficiency of electron injection from the photosensitizing compound to the semiconductor fine particles. Electrochemical plating using an aqueous solution of titanium chloride may be performed.

本発明の太陽電池用構造体の製造方法は、高粘度電解液が半導体電極に充分に充填されることを可能にし、なおかつ、その際に発生する、半導体電極と導電性透明基板の間の機械的強度の低下を、特段の付加的処理を行うことなく抑制することができるので、発電性能に優れ、高粘度電解液に好適な半導体電極を簡便かつ低エネルギープロセスで得ることができる。   The method for manufacturing a structure for a solar cell according to the present invention enables a high-viscosity electrolytic solution to be sufficiently filled in a semiconductor electrode, and furthermore, a machine generated between the semiconductor electrode and the conductive transparent substrate. Since a decrease in the mechanical strength can be suppressed without performing any special additional treatment, a semiconductor electrode having excellent power generation performance and suitable for a high-viscosity electrolytic solution can be obtained simply and with a low energy process.

本発明の太陽電池は、前記太陽電池用構造体、光増感化合物及び固体電解質を含有する。
前記光増感化合物、固体電解質としては、特に制限されるものではなく公知のものを用いることができる。
The solar cell of the present invention contains the solar cell structure, a photosensitizing compound, and a solid electrolyte.
The photosensitizing compound and solid electrolyte are not particularly limited, and known compounds can be used.

本発明の優れた効果を以下の代表例で説明する。なお、本説明は発明の効果を具体的に説明するためのものであって、発明内容を限定するものではない。   The excellent effects of the present invention will be described with the following representative examples. Note that the present description is for specifically explaining the effects of the invention, and does not limit the content of the invention.

[実施例1]
酸化チタン凝集体(前記酸化チタンナノ結晶粒子(1)、平均一次粒子径21nm)をエタノールに投入することにより、酸化チタン10質量部とエタノール90質量部からなる溶液を調製した。これをマグネチックスターラーによって16時間攪拌することにより、予め酸化チタン凝集体をよく濡らしておいた。
このようにして調製した溶液に対し、超音波ホモジナイザー(BRANSON社製 Sonifier SLPe 40)を用い、周波数40kHzの超音波を30分間照射することによって、キャビテーションに由来する衝撃力を与え、酸化チタン凝集体を分散させた酸化チタンナノ結晶分散液を得た。
得られた分散液の体積基準粒度分布を、レーザー回折式粒度分布計((株)堀場製作所製 LA−950)により測定したところ、体積平均メジアン径(D50)は120nmであった。
[Example 1]
A solution composed of 10 parts by mass of titanium oxide and 90 parts by mass of ethanol was prepared by adding the titanium oxide aggregate (the titanium oxide nanocrystal particles (1), the average primary particle diameter of 21 nm) to ethanol. This was stirred with a magnetic stirrer for 16 hours, so that the titanium oxide aggregate was well wetted in advance.
The solution prepared in this manner is irradiated with an ultrasonic wave having a frequency of 40 kHz for 30 minutes by using an ultrasonic homogenizer (Sonifier SLPe 40 manufactured by BRANSON) to give an impact force derived from cavitation, thereby obtaining a titanium oxide aggregate. Was dispersed to obtain a titanium oxide nanocrystal dispersion.
When the volume-based particle size distribution of the obtained dispersion was measured by a laser diffraction particle size distribution analyzer (LA-950, manufactured by Horiba, Ltd.), the volume average median diameter (D50) was 120 nm.

また、チタンテトライソプロポキシド15.9質量部、酢酸3.3質量部、水80.8質量部からなる溶液を攪拌混合し、これに濃度65%硝酸を元の溶液の1.5質量%加え、攪拌混合後、80℃で4時間保持した。このようにして調製した溶液に対し、超音波ホモジナイザーを用い、周波数40kHzの超音波を10分間照射し、その後、遠心分離器(日立工機製 himac CP−NX)で処理し、上澄み水を捨て、捨てた水と同量のエタノールを添加することにより、ナノアモルファス酸化チタン((前記酸化チタンナノアモルファス粒子(2))を含むエタノール分散液(酸化チタンナノアモルファス分散液)を得た。本分散液を定温型温風乾燥機(ヤマト科学 DS400)で120℃、30分間乾燥させ、乾燥前後の質量を比較したところ、本分散液にはナノアモルファス酸化チタンが4.5質量%含まれていた。
得られた分散液を透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子製 JEM−2100)で観察し、倍率20万倍における視野内の粒子を画像処理ソフトウェア(Media Cybernetics社製 Image Pro Plus)により解析したところ、酸化チタンナノアモルファス粒子の平均の円相当径は3.5nmであった。
Also, a solution consisting of 15.9 parts by mass of titanium tetraisopropoxide, 3.3 parts by mass of acetic acid and 80.8 parts by mass of water was stirred and mixed, and a mixture of 65% nitric acid and 1.5% by mass of the original solution was added thereto. In addition, after stirring and mixing, the mixture was kept at 80 ° C. for 4 hours. The solution thus prepared was irradiated with an ultrasonic wave having a frequency of 40 kHz for 10 minutes using an ultrasonic homogenizer, and then treated with a centrifugal separator (Himac CP-NX manufactured by Hitachi Koki), and the supernatant water was discarded. An ethanol dispersion (titanium oxide nanoamorphous dispersion) containing nanoamorphous titanium oxide ((the titanium oxide nanoamorphous particles (2)) was obtained by adding the same amount of ethanol as the discarded water. After drying at 120 ° C. for 30 minutes using a hot air dryer (Yamato Kagaku DS400) and comparing the masses before and after drying, the dispersion contained 4.5% by mass of nanoamorphous titanium oxide.
The obtained dispersion was observed with a transmission electron microscope (TEM, JEM-2100 manufactured by JEOL Ltd.), and particles in the visual field at a magnification of 200,000 were analyzed by image processing software (Image Pro Plus manufactured by Media Cybernetics). The average equivalent circle diameter of the titanium oxide nanoamorphous particles was 3.5 nm.

一方、平均一次粒子径が60nmのポリメチルメタクリレートA微粒子からなる凝集体(前記加熱消滅性粒子(3))を準備した。本ポリメチルメタクリレートA微粒子のゲル浸透クロマトグラフィー(東ソー(株)製 HLC−8220)によって求めた重量平均分子量(Mw)は31,500であり、また示差走査熱量分析計(セイコーインスツメンツ(株)製 DSC6200)によって求めたガラス転移温度(Tg)は85℃であった。
このポリメチルメタクリレートA微粒子をエタノールに投入することにより、ポリメチルメタクリレートA微粒子20質量部とエタノール80質量部からなる溶液を調製した。これをマグネチックスターラーによって2時間攪拌することにより、予めポリメチルメタクリレートA凝集体をよく濡らしておいた。
このようにして調製した溶液に対し、前記超音波ホモジナイザーを用い、周波数40kHzの超音波を5分間照射することによって、キャビテーションに由来する衝撃力を与え、ポリメチルメタクリレートA凝集体を分散させたポリメチルメタクリレートA分散液を得た。
On the other hand, an aggregate composed of polymethyl methacrylate A fine particles having an average primary particle diameter of 60 nm (the heat-destructible particles (3)) was prepared. The weight average molecular weight (Mw) of the polymethyl methacrylate A fine particles determined by gel permeation chromatography (HLC-8220 manufactured by Tosoh Corporation) was 31,500, and a differential scanning calorimeter (Seiko Instruments Inc.) The glass transition temperature (Tg) determined by DSC6200) was 85 ° C.
The polymethyl methacrylate A fine particles were charged into ethanol to prepare a solution comprising 20 parts by mass of polymethyl methacrylate A fine particles and 80 parts by mass of ethanol. This was stirred with a magnetic stirrer for 2 hours, so that the polymethyl methacrylate A aggregate was well wetted in advance.
The solution prepared in this manner is irradiated with ultrasonic waves having a frequency of 40 kHz for 5 minutes using the ultrasonic homogenizer to give an impact force derived from cavitation, and the polymethyl methacrylate A aggregate is dispersed therein. A methyl methacrylate A dispersion was obtained.

上記の通り準備した酸化チタンナノ結晶分散液、酸化チタンナノアモルファス分散液、ポリメチルメタクリレートA分散液を、マグネチックスターラーで攪拌しながら混合した。このとき、混合後の酸化チタンナノ結晶と酸化チタンナノアモルファスが、質量比で95:5になるように混合した。その後、バインターとしてエチルセルロース(関東化学(株)製、トルエン:エタノール=80:20溶媒中5%溶液の25℃における粘度=45cP)、溶媒としてα−テルピネオール(関東化学(株)製)を、添加し、マグネチックスターラーで1時間攪拌した後、ロータリーエバポレーターでエタノールを除去し、スクリーン印刷用に好適な粘度を有する塗工液(前記塗工液(6))を得た。
塗工液は、塗工後エタノール溶媒を除去した後において酸化チタンが15質量%、ポリメチルメタクリレートAが5質量%、バインダーが7質量%となるよう、それぞれの添加量を調整した。
The titanium oxide nanocrystal dispersion, titanium oxide nanoamorphous dispersion, and polymethyl methacrylate A dispersion prepared as described above were mixed while being stirred with a magnetic stirrer. At this time, the titanium oxide nanocrystals and the titanium oxide nanoamorphous after mixing were mixed at a mass ratio of 95: 5. Thereafter, ethyl cellulose (manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd., toluene: ethanol = viscosity of a 5% solution in a 80:20 solvent at 25 ° C. = 45 cP) as a binder and α-terpineol (manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd.) as a solvent were added. Then, after stirring with a magnetic stirrer for 1 hour, ethanol was removed with a rotary evaporator to obtain a coating liquid having a viscosity suitable for screen printing (the coating liquid (6)).
The amount of each of the coating liquids was adjusted so that the amount of titanium oxide was 15% by mass, the amount of polymethyl methacrylate A was 5% by mass, and the amount of the binder was 7% by mass after removing the ethanol solvent after the application.

この塗工液を、FTO(F−doped Tin Oxide)が表面に製膜されたガラス基板にスクリーン印刷によって塗布した後、空気中500℃で60分間焼成し、多孔質の半導体電極を形成した。
得られた酸化チタン半導体電極のFTO膜に対する密着性を、剥離強度測定装置(ダイプラ・ウィンテス社製 SAICAS)により測定した。測定にはボラゾン製切刃(刃幅1.0mm)を用いた。FTO膜上に形成された酸化チタン膜に対し、水平速度2.0um/sec、垂直速度0.1um/secで斜め方向に切削を行い、FTO/酸化チタン界面到達後はガラス基板に対して水平方向のみに切刃を運動させることで、剥離時に切刃に加わる力を計測し、剥離強度を算出した。
また、上記方法によって形成した酸化チタン半導体電極を、ルテニウム錯体として0.5mMに調整したN719色素(シス−ビス(イソチオシアナート)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)−ビス−テトラ−n−ブチルアンモニウム、Solaronix社製)(前記光増感化合物)のアセトニトリル/t−ブタノール(体積比1:1)混合溶液中に室温で2日間、暗所にて静置し、半導体電極表面に光増感化合物を吸着させた。
This coating solution was applied by screen printing to a glass substrate having FTO (F-doped Tin Oxide) formed on its surface, and then baked at 500 ° C. for 60 minutes in air to form a porous semiconductor electrode.
The adhesion of the obtained titanium oxide semiconductor electrode to the FTO film was measured by a peel strength measuring device (SAICAS manufactured by Daipla Wintes). A borazon cutting blade (blade width 1.0 mm) was used for the measurement. The titanium oxide film formed on the FTO film is cut obliquely at a horizontal speed of 2.0 μm / sec and a vertical speed of 0.1 μm / sec. By moving the cutting blade only in the direction, the force applied to the cutting blade during peeling was measured, and the peel strength was calculated.
Further, the titanium oxide semiconductor electrode formed by the above method was adjusted to 0.5 mM as a ruthenium complex with an N719 dye (cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate). A) Ruthenium (II) -bis-tetra-n-butylammonium (manufactured by Solaronix) (the above-mentioned photosensitizing compound) in a mixed solution of acetonitrile / t-butanol (1: 1 by volume) at room temperature for 2 days in a dark place. To allow the photosensitizing compound to be adsorbed on the surface of the semiconductor electrode.

光増感化合物を担持した半導体電極上に、自社合成品の下記化合物(1)を溶解したクロロベンゼン(固形分10%)溶液に1−エチル−3−メチルイミダゾリニウムジシアナミド(シグマアルドリッチ社製、27mM)、4−t−ブチルピリジン(アクロス社製、55mM)を加えて得た溶液を、滴下して自然乾燥した。更に、自社合成品の下記化合物(2)を溶解したクロロベンゼン(固形分2%)溶液に、1−エチル−3−メチルイミダゾリニウムジシアナミド(シグマアルドリッチ社製、5mM)を加えて得た溶液をスピンコートして製膜し、固体電解質含有体を形成した。この上に金を100nm真空蒸着して対極を形成し、太陽電池を作製した。
作製した太陽電池のIV測定を行い、変換効率を算出した。IV測定は疑似太陽光照射下(AM1.5、100mW/cm2、25℃)において行った。
A 1-ethyl-3-methylimidazolinium dicyanamide (Sigma-Aldrich Co., Ltd.) was prepared by dissolving the following compound (1) of a proprietary compound in a chlorobenzene (10% solid content) solution on a semiconductor electrode supporting a photosensitizing compound. , 27 mM) and a solution obtained by adding 4-t-butylpyridine (55 mM, manufactured by Across Corporation) were added dropwise and air-dried. Furthermore, a solution obtained by adding 1-ethyl-3-methylimidazolinium dicyanamide (Sigma Aldrich, 5 mM) to a chlorobenzene (2% solid content) solution in which the following compound (2) of the in-house synthesized product is dissolved. Was formed by spin coating to form a solid electrolyte-containing material. 100 nm of gold was vacuum-deposited on this to form a counter electrode, and a solar cell was produced.
IV measurement of the manufactured solar cell was performed, and the conversion efficiency was calculated. IV measurement was performed under simulated sunlight irradiation (AM 1.5, 100 mW / cm 2 , 25 ° C.).

[比較例1]
塗工液において酸化チタンナノアモルファス粒子(2)を添加しなかった以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。
[Comparative Example 1]
A coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1, except that the titanium oxide nanoamorphous particles (2) were not added to the coating liquid. Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated.

[実施例2]
酸化チタンナノ結晶粒子(1)として、平均一次粒子径133nmを有する酸化チタンナノ結晶粒子を用いた以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。
[Example 2]
A coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1 except that titanium oxide nanocrystal particles having an average primary particle diameter of 133 nm were used as the titanium oxide nanocrystal particles (1). Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated.

[実施例3]
酸化チタンナノ結晶粒子(1)として、平均一次粒子径18nmを有する酸化チタンナノ結晶粒子を用い、本酸化チタンナノ結晶粒子10質量部とエタノール90質量部からなる溶液を調製後、ペイントシェーカーで48時間処理することにより酸化チタンナノ結晶分散液を得た以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。
[Example 3]
As a titanium oxide nanocrystal particle (1), a titanium oxide nanocrystal particle having an average primary particle diameter of 18 nm is used. A solution composed of 10 parts by mass of the present titanium oxide nanocrystal particle and 90 parts by mass of ethanol is prepared, and then treated with a paint shaker for 48 hours. A coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1, except that a titanium oxide nanocrystal dispersion was thereby obtained. Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated.

[実施例4]
酸化チタンナノ結晶粒子(1)として、平均一次粒子径140nmを有する酸化チタンナノ結晶粒子を用いた以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。
[Example 4]
A coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1 except that titanium oxide nanocrystal particles having an average primary particle diameter of 140 nm were used as the titanium oxide nanocrystal particles (1). Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated.

[実施例5]
チタンテトライソプロポキシド、酢酸、水からなる溶液を攪拌混合し、これに硝酸を加え、攪拌混合後、80℃で8時間保持し、酸化チタンナノアモルファス粒子を得た以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。このとき、TEM像から求められる平均の円相当径は4.4nmであった。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。
[Example 5]
As in Example 1, except that a solution consisting of titanium tetraisopropoxide, acetic acid, and water was stirred and mixed, nitric acid was added thereto, and the mixture was stirred and mixed, and kept at 80 ° C. for 8 hours to obtain titanium oxide nanoamorphous particles. To prepare a coating solution. At this time, the average circle equivalent diameter determined from the TEM image was 4.4 nm. Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated.

[比較例2]
チタンテトライソプロポキシド、酢酸、水からなる溶液を攪拌混合し、これに硝酸を加え、攪拌混合後、80℃で4時間保持した後、さらに水を加え、オートクレーブ中で250℃、12時間保持し、水熱合成処理し、アナターゼ酸化チタン粒子を得た以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。このとき、TEM像から求められる平均の円相当径は12.5nmであった。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。
[Comparative Example 2]
A solution composed of titanium tetraisopropoxide, acetic acid, and water is stirred and mixed, nitric acid is added to the solution, and after stirring and mixing, the mixture is kept at 80 ° C. for 4 hours, and then water is further added, and the mixture is kept in an autoclave at 250 ° C. for 12 hours Then, a coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1, except that hydrothermal synthesis was performed to obtain anatase titanium oxide particles. At this time, the average circle equivalent diameter determined from the TEM image was 12.5 nm. Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated.

[比較例3]
加熱消滅性粒子としてポリメチルメタクリレートB微粒子を使用した以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。なお、ポリメチルメタクリレートB微粒子のゲル浸透クロマトグラフィー(東ソー(株)製 HLC−8220)によって求めた重量平均分子量(Mw)は27,000、示差走査熱量分析計(セイコーインスツメンツ(株)製 DSC6200)によって求めたガラス転移温度(Tg)は75℃であった。
[Comparative Example 3]
A coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1, except that polymethyl methacrylate B fine particles were used as the heat annihilating particles. Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated. The weight average molecular weight (Mw) of polymethyl methacrylate B fine particles determined by gel permeation chromatography (HLC-8220 manufactured by Tosoh Corporation) was 27,000, and a differential scanning calorimeter (manufactured by Seiko Instruments Inc.) The glass transition temperature (Tg) determined by DSC 6200) was 75 ° C.

[比較例4]
加熱消滅性粒子としてポリメチルメタクリレートC微粒子を使用した以外は、実施例1と同様にして塗工液を作製した。また、本塗工液を用いて、実施例1と同様に半導体電極及び太陽電池を作製して剥離強度、変換効率を算出した。なお、ポリメチルメタクリレートC微粒子の前記ゲル浸透クロマトグラフィーによって求めた重量平均分子量(Mw)は48,400、また前記示差走査熱量分析計によって求めたガラス転移温度(Tg)は99℃であった。
[Comparative Example 4]
A coating liquid was prepared in the same manner as in Example 1 except that polymethyl methacrylate C fine particles were used as the heat annihilating particles. Further, using this coating liquid, a semiconductor electrode and a solar cell were produced in the same manner as in Example 1, and the peel strength and the conversion efficiency were calculated. The weight average molecular weight (Mw) of the polymethyl methacrylate C fine particles determined by the gel permeation chromatography was 48,400, and the glass transition temperature (Tg) determined by the differential scanning calorimeter was 99 ° C.

実施例1および比較例1によって得られる酸化チタン電極のFTO基板に対する機械的強度として、密着性を評価した。図1に、密着性として、剥離強度測定装置を用いて測定した剥離強度の結果を示す。本結果より、酸化チタンナノアモルファス粒子を添加した実施例1において、酸化チタンナノアモルファス粒子を添加していない比較例1よりも密着性が向上していることがわかる。
また、下記表1に、実施例1から5および比較例1から2によって得られる酸化チタン電極のFTO基板に対する密着性として、剥離強度測定装置を用いて測定した剥離強度の結果を示す。これらの結果より、酸化チタンナノアモルファス粒子を添加した実施例1から5は、酸化チタンナノアモルファス粒子を添加していない比較例1、もしくは酸化チタンナノアモルファス粒子を水熱合成処理によってアナターゼ結晶に転化した比較例2よりも密着性が向上していることがわかる。
The adhesion was evaluated as the mechanical strength of the titanium oxide electrode obtained in Example 1 and Comparative Example 1 with respect to the FTO substrate. FIG. 1 shows the results of the peel strength measured by using a peel strength measuring device as the adhesion. From this result, it can be seen that in Example 1 in which the titanium oxide nanoamorphous particles were added, the adhesion was improved as compared with Comparative Example 1 in which the titanium oxide nanoamorphous particles were not added.
Table 1 below shows the results of the peel strength measured using a peel strength measuring device as the adhesion of the titanium oxide electrodes obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 to the FTO substrate. From these results, Examples 1 to 5 in which the titanium oxide nanoamorphous particles were added were Comparative Examples 1 in which the titanium oxide nanoamorphous particles were not added, or Comparative Examples in which the titanium oxide nanoamorphous particles were converted into anatase crystals by hydrothermal synthesis. It can be seen that the adhesion is improved as compared with 2.

下記表1に、実施例1から5および比較例1から2によって得られた塗工液を用い、太陽電池を作製した場合の変換効率を示す。実施例1から5によって得られた太陽電池は、酸化チタン電極とFTO電極の間の密着性が十分であり、かつ固体電解質を充填する上で最適な細孔が半導体電極膜中に均一に形成されていることから、良好な変換効率が得られている。とりわけ、用いた酸化チタンの平均一次粒径が20nmから135nmの範囲内にあり、かつ酸化チタンナノアモルファス粒子の円相当径が酸化チタンナノ結晶粒子の平均一次粒径の20%以下である実施例1および2では、高い変換効率が得られている。一方、比較例1から2では、固体電解質を充填させるための細孔は形成されているものの、酸化チタン電極とFTO電極の間の密着性が不十分であるため、電解質充填時に酸化チタン電極の剥離が起こる。従って、実施例1から5に比べ、低い変換効率しか得ることができない。比較例1から2によって得られる酸化チタン電極では、従来用いられている四塩化チタン処理を欠かすことができず、単に塗工液を乾燥、焼成するのみでは、固体電解質に好適な半導体電極を得ることができない。
Table 1 below shows conversion efficiencies when solar cells were produced using the coating liquids obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. The solar cells obtained in Examples 1 to 5 have sufficient adhesion between the titanium oxide electrode and the FTO electrode, and optimal pores for filling the solid electrolyte are uniformly formed in the semiconductor electrode film. As a result, good conversion efficiency is obtained. In particular, Examples 1 and 2 in which the average primary particle size of the titanium oxide used was in the range of 20 nm to 135 nm, and the equivalent circle diameter of the titanium oxide nanoamorphous particles was 20% or less of the average primary particle size of the titanium oxide nanocrystal particles. In No. 2, high conversion efficiency was obtained. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, although pores for filling the solid electrolyte were formed, the adhesion between the titanium oxide electrode and the FTO electrode was insufficient. Peeling occurs. Therefore, only lower conversion efficiency can be obtained as compared with the first to fifth embodiments. In the titanium oxide electrodes obtained in Comparative Examples 1 and 2, the titanium tetrachloride treatment conventionally used is indispensable, and a semiconductor electrode suitable for a solid electrolyte can be obtained only by drying and baking the coating liquid. Can not do.

また、下記表2に、実施例1および比較例3から4によって得られた塗工液を用い、酸化チタン電極を作製した場合のFTO基板に対する剥離強度、太陽電池を作製した場合の変換効率を示す。実施例1では加熱消滅性粒子としてポリメチルメタクリレートAを使用しているのに対し、比較例3、4ではそれぞれポリメチルメタクリレートB、Cを使用している。これはポリメリルメタクリレートAの重量平均分子量及びガラス転移温度が適切な範囲に存在することによって得られた効果である。すなわち、ポリメチルメタクリレートBはガラス転移温度が低すぎるため、加熱消滅性粒子が過度に軟化している。一方、ポリメチルメタクリレートCはガラス転移温度が高すぎるため、消滅によって得られる細孔の連結性が不十分である。従って、比較例3、4いずれの場合も高粘度電解液を半導体多孔質電極の内部まで注入、浸透させる上でより望ましい構造とはなっていない。   In addition, Table 2 below shows the peel strength to the FTO substrate when a titanium oxide electrode was produced and the conversion efficiency when a solar cell was produced using the coating liquids obtained in Example 1 and Comparative Examples 3 and 4. Show. In Example 1, polymethyl methacrylate A was used as the heat annihilating particles, whereas in Comparative Examples 3 and 4, polymethyl methacrylates B and C were used, respectively. This is an effect obtained when the weight average molecular weight and glass transition temperature of polymeryl methacrylate A are in appropriate ranges. That is, since polymethyl methacrylate B has an excessively low glass transition temperature, the heat-extinguishing particles are excessively softened. On the other hand, polymethyl methacrylate C has an excessively high glass transition temperature, so that the connectivity of pores obtained by disappearance is insufficient. Therefore, neither of Comparative Examples 3 and 4 has a more desirable structure for injecting and penetrating the high-viscosity electrolyte solution into the inside of the semiconductor porous electrode.

以上より、本発明によって、高粘度電解液を半導体電極に充分充填しうるだけの細孔が形成されており、なおかつ、充填時に必要とされる半導体電極と導電性透明基板の間の密着性を、特段の付加的処理を行うことなく与えることができ、発電性能に優れた太陽電池用構造体を提供することができた。 As described above, according to the present invention, pores are formed so as to sufficiently fill a semiconductor electrode with a high-viscosity electrolytic solution, and the adhesion between the semiconductor electrode and the conductive transparent substrate required at the time of filling is improved. Thus, it was possible to provide a solar cell structure excellent in power generation performance because it could be provided without performing any additional processing.

特許第4887664号公報Japanese Patent No. 4887664 特開2010−118158号公報JP 2010-118158 A 特開2011−181281号公報JP 2011-181281 A 特開2012−072234号公報JP 2012-072234 A 特許第4808560号公報Japanese Patent No. 4808560 特開2012−28302号公報JP 2012-28302 A

Nature, 353 (1991) 737Nature, 353 (1991) 737. J.Am.Chem.Soc., 115 (1993) 6382J. Am. Chem. Soc. , 115 (1993) 6382. J.Phys.Chem.B.110 (2006) 19191J. Phys. Chem. B. 110 (2006) 19191

Claims (6)

多孔質半導体電極を形成するための、半導体構造材料、バインダー樹脂、加熱消滅性粒子、及び分散用溶媒を含む塗工液であって、前記半導体構造材料は酸化チタンナノ結晶粒子と酸化チタンナノアモルファス粒子とからなり、前記加熱消滅性粒子が、重量平均分子量(Mw)が30,000以上45,000以下、ガラス転移温度(Tg)が80℃以上95℃以下のポリメチルメタクリレートであることを特徴とする塗工液。   For forming a porous semiconductor electrode, a semiconductor structure material, a binder resin, a heat-extinguishing particles, and a coating solution containing a dispersion solvent, wherein the semiconductor structure material is titanium oxide nanocrystalline particles and titanium oxide nanoamorphous particles. Wherein the heat-extinguishing particles are polymethyl methacrylate having a weight average molecular weight (Mw) of 30,000 or more and 45,000 or less and a glass transition temperature (Tg) of 80 ° C. or more and 95 ° C. or less. Coating liquid. 前記酸化チタンナノ結晶粒子の平均一次粒径が20nm以上135nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の塗工液。   The coating liquid according to claim 1, wherein the average primary particle size of the titanium oxide nanocrystal particles is 20 nm or more and 135 nm or less. 前記酸化チタンナノアモルファス粒子の円相当径が酸化チタンナノ結晶粒子の平均一次粒径の20%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の塗工液。   The coating liquid according to claim 1, wherein a circle equivalent diameter of the titanium oxide nanoamorphous particles is 20% or less of an average primary particle diameter of the titanium oxide nanocrystal particles. 4. 導電性透明基板上に請求項1〜3いずれかに記載の塗工液由来の半導体電極を有することを特徴とする太陽電池用構造体。   A structure for a solar cell, comprising a semiconductor electrode derived from the coating liquid according to claim 1 on a conductive transparent substrate. 請求項4に記載の太陽電池用構造体、光増感化合物及び固体電解質を含有することを特徴とする太陽電池。   A solar cell comprising the solar cell structure according to claim 4, a photosensitizing compound, and a solid electrolyte. 導電性透明基板上に、請求項1〜3のいずれかに記載の塗工液を用いて多孔質半導体電極を形成することを特徴とする太陽電池用構造体の製造方法。   A method for producing a structure for a solar cell, comprising forming a porous semiconductor electrode on a conductive transparent substrate using the coating liquid according to claim 1.
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