JP5153215B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換効率に優れた光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device excellent in photoelectric conversion efficiency.
従来、光電変換装置の一種である色素増感型太陽電池は、その製造に際して真空装置を必要としないことから、低コストで低環境負荷型の太陽電池であると考えられ、活発に研究開発が行われている。 Conventionally, a dye-sensitized solar cell, which is a type of photoelectric conversion device, does not require a vacuum device for its production, so it is considered to be a low-cost, low-environmental load-type solar cell, and is actively researched and developed. Has been done.
図4に示すように、通常の色素増感型太陽電池を示す光電変換装置31は、導電性ガラスなどの透明導電層27と、透明導電層27上に形成された、多孔質の酸化チタンなどの酸化物半導体22と、酸化物半導体22の表面に付着した色素などの光励起体23と、酸化物半導体22と間隔をあけて対向するように配置された導電性基板21と、透明導電層27と導電性基板21との間に注入された電解質24(例えば、ヨウ素レドックス(I-/I3 -レドックス対)。と、から形成されている。そして、光電変換装置31は、酸化物半導体22に吸着した光励起体23が光を吸収し、光吸収により生成された電子は酸化物半導体22へ移動し、外部の負荷回路を経由して、透明導電層27の対極層である導電性基板21よりイオンとして電解質を移動し、色素に戻ることにより、電気エネルギーを取り出すことができるというものである。
As shown in FIG. 4, a
上述した通常の色素増感型太陽電池31は、酸化物半導体22が形成された透明導電層27と、導電性基板21と、を有するとともに、透明導電層27から酸化物半導体22へ光が照射される構成(以下、順入射型)をとっている。
The normal dye-sensitized
また、光電変換装置51としては、図5に示すように、透明導電層47と、酸化物半導体42が形成された導電性基板41と、を有するとともに、透明導電層47から酸化物半導体42へ光が照射される構成(以下、逆入射型)のものが検討されている(例えば、特許文献1参照)。逆入射型の光電変換装置51は、光が、酸化物半導体42が形成されていない透明導電層47から入射されているため、酸化物半導体42が形成される基板には透明性が要求されないことから、基板として、例えば、金属基板などの低抵抗のものを用いることができる。そのため、基板の大面積化、ひいては光電変換装置の大面積化が可能となり、光の受光面を大きく維持することができる。
しかしながら、逆入射型の光電変換装置1の場合、光が酸化物半導体12の光励起体13に到達するまでに、電解質14を通過する必要がある。電解質14には、ヨウ素など、短波長の光を吸収するものが含まれているため、光励起体13には光の短波長成分(約400nm)が到達しにくい傾向があった。
However, in the case of the back-thinned
したがって、本発明は上記従来の技術における課題に鑑みて完成されたものであり、その目的は長波長感度を増大させ、さらに、光電変換効率をも高めることのできる優れた光電変換装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been completed in view of the above-described problems in the prior art, and an object thereof is to provide an excellent photoelectric conversion device capable of increasing long wavelength sensitivity and further improving photoelectric conversion efficiency. There is.
本発明の光電変換装置は、導電性基板と、前記導電性基板上に形成された酸化物半導体と、前記酸化物半導体の表面に付着した、カルボキシル基を含有する光励起体と、前記酸化物半導体と間隔をあけて対向するように配置された透明導電層と、酸化物半導体と前記透明導電層との間に設けられた、HCl,HNO 3 およびH 2 SO 4 からなる群から選ばれる1種以上の無機酸を含むpHが2.4〜6の電解質と、を具備する。
The photoelectric conversion device of the present invention includes a conductive substrate, an oxide semiconductor formed on the conductive substrate, a photoexciter containing a carboxyl group attached to a surface of the oxide semiconductor, and the oxide semiconductor. And a transparent conductive layer disposed so as to face each other with a gap, and one kind selected from the group consisting of HCl, HNO 3 and H 2 SO 4 provided between the oxide semiconductor and the transparent conductive layer And an electrolyte having a pH of 2.4 to 6 containing the above inorganic acid .
前記電解質のpHは3〜5.5であることが好ましい。 The pH of the electrolyte is preferably 3 to 5.5.
前記電解質は、ヨウ化物を含むことが好ましい。 The electrolyte preferably contains iodide.
前記ヨウ化物は、前記ヨウ化物は、アルカリ金属ヨウ化物、アルカリ土類金属ヨウ化物、アルキルアンモニウムヨウ化物およびイミダゾリウムヨウ化物からなる群から選ばれる1種以上であることが好ましい。 The iodide is preferably at least one selected from the group consisting of alkali metal iodides, alkaline earth metal iodides, alkylammonium iodides, and imidazolium iodides.
前記透明導電層は、その表面に凹凸を有することが好ましい。 The transparent conductive layer preferably has irregularities on the surface.
前記透光性基板と前記透明導電層との間に、透光性の非晶質半導体層をさらに含むことが好ましい。 It is preferable that a translucent amorphous semiconductor layer is further included between the translucent substrate and the transparent conductive layer.
本発明の光電変換装置においては、導電性基板と、前記導電性基板上に形成された酸化物半導体と、前記酸化物半導体の表面に付着した光励起体と、前記酸化物半導体と間隔をあけて対向するように配置された透明導電層と、酸化物半導体と前記透明導電層との間に設けられ、pHが2.4〜6の電解質と、を具備していることにより、以下に示す効果が見られる。 In the photoelectric conversion device of the present invention, a conductive substrate, an oxide semiconductor formed on the conductive substrate, a photoexciter attached to the surface of the oxide semiconductor, and the oxide semiconductor are spaced apart from each other. By providing the transparent conductive layer disposed so as to face each other, the oxide semiconductor and the electrolyte having a pH of 2.4 to 6 provided between the oxide semiconductor and the transparent conductive layer, the following effects Is seen.
従来は、電解質を酸性にすると変換効率が低下すると考えられていたが、電解質のpHを2.4〜6の範囲内とすることにより、電子輸送層である酸化物半導体のフラットバンド電位を正側にシフトさせて、光励起体から電子を注入しやすくし、電流値を増大させることができる。また、光励起体が、酸化物半導体との吸着基であるカルボキシル基等を有する場合には、電解質の酸性度により、カルボキシレート基(COO−)がプロトン化されカルボキシル基(COOH)になる。これにより、配位子への電子供与性が低下し、LUMOのエネルギーレベルが下がり、吸収ピークは長波長側にシフトする。そのため、長波長感度が増大し、光励起体から電子を注入しやすくするために電流値を増大させることができる。 Conventionally, it has been thought that conversion efficiency decreases when the electrolyte is made acidic, but by setting the pH of the electrolyte within the range of 2.4 to 6, the flat band potential of the oxide semiconductor that is the electron transport layer is positive. By shifting to the side, electrons can be easily injected from the photoexciter, and the current value can be increased. When the photoexciter has a carboxyl group or the like that is an adsorbing group with the oxide semiconductor, the carboxylate group (COO − ) is protonated to become a carboxyl group (COOH) due to the acidity of the electrolyte. Thereby, the electron donating property to a ligand falls, the energy level of LUMO falls, and an absorption peak shifts to the long wavelength side. Therefore, the long wavelength sensitivity is increased, and the current value can be increased to facilitate injection of electrons from the photoexciter.
本発明の光電変換装置において好ましくは、電解質のpHを3〜5.5に調整することにより、そのpHの範囲内においてとくに変換効率が向上するため十分な高効率化が可能となる。 In the photoelectric conversion device of the present invention, preferably, by adjusting the pH of the electrolyte to 3 to 5.5, the conversion efficiency is particularly improved within the pH range, so that a sufficiently high efficiency can be achieved.
本発明の光電変換装置において好ましくは、前記透明導電層の表面に凹凸を有することにより、入射した光の閉じ込め作用が得られるため、光を十分に光励起体内に照射させることができ、十分な高効率化が可能となる。
Preferably, in the photoelectric conversion device of the present invention, since the surface of the transparent conductive layer has irregularities, a confinement function of incident light can be obtained. Efficiency can be improved.
本発明の光電変換装置において好ましくは、前記透光性基板と前記透明導電層との間に、透光性の非晶質半導体層をさらに含むことにより、酸化物半導体が光の長波長成分を吸収し、透光性の非晶質半導体層が光の短波長成分を吸収するため、互いに相補的な光の吸収が可能となる。また、この場合、前記非晶質半導体層と酸化物半導体とが直列接続されているために必要となる電流のマッチングをも可能とすることができる。 Preferably, in the photoelectric conversion device of the present invention, the oxide semiconductor further includes a long wavelength component of light by further including a translucent amorphous semiconductor layer between the translucent substrate and the transparent conductive layer. Since the absorbing and translucent amorphous semiconductor layer absorbs the short wavelength component of light, complementary light can be absorbed. In this case, it is also possible to match currents required because the amorphous semiconductor layer and the oxide semiconductor are connected in series.
以下、本発明に係る実施の形態について図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの図面に記載の光電変換装置に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the photoelectric conversion devices described in these drawings.
本発明の光電変換装置の断面図を図1および図2に示す。なお、図中の矢印は光電変換装置に入射する光を示す。 1 and 2 are cross-sectional views of the photoelectric conversion device of the present invention. In addition, the arrow in a figure shows the light which injects into a photoelectric conversion apparatus.
図1における本発明の光電変換装置1は、導電性基板11と、導電性基板11上に形成された酸化物半導体12と、酸化物半導体12の表面に付着した光励起体13と、酸化物半導体12と間隔をあけて対向するように配置された透明導電層17と、電解質14と、を具備する構成である。そして、電解質14のpHは2.4〜6の範囲内である。そして、透明導電層17側から、本発明の光電変換装置1内に光が入射され、電解質14内を通過した光が、光励起体13から吸収されて酸化物半導体12に伝達する構成(以下、逆導電型)をとる。
1 includes a
また、図2における本発明の光電変換装置1は、導電性基板11の主面に、ボトムセルとして、電解質14を含む色素増感型光電変換体3と、過電圧を下げる触媒層15と、トップセルとして非晶質半導体層16を含み、さらに光透過性を有する薄膜光電変換体2と、が順次積層されている構成である。なお、薄膜光電変換体2は、非晶質半導体層16と透明導電層17と透光性被覆体18とから構成される。また、色素増感型光電変換体3は、導電性基板11と酸化物半導体12と光励起体13と電解質14とから構成される。図1の場合と同様に、電解質14のpHは2.4〜6の範囲内である。
Further, the
ここで、色素増感型光電変換体3は好ましくは、薄膜光電変換体2より長波長側にピーク感度を有したうえで、薄膜光電変換体2を透過した光を吸収するはたらきを示す。
Here, the dye-sensitized
色素増感型光電変換体3は、例えば、導電性基板11上に形成された多孔質の酸化物半導体12、多孔質の酸化物半導体12の孔を埋めるように形成した浸透性の電解質14から成るとともに、酸化物半導体12と電解質14との界面に光励起体13を配した構成である。
The dye-sensitized
図2における本発明の光電変換装置1は、薄膜光電変換体2の第1の出力の電流と、色素増感型光電変換体3の第2の出力の電流とが同じになるように(電流マッチングさせるように)、両光電変換体の性能を合わせるのがよい。この場合、薄膜光電変換体2と色素増感型光電変換体3との界面から外部に出力を取り出す必要がなく、集積化などの電極配線構造が簡易化される。両光電変換体の出力の電流を合わせるには、それぞれの膜厚や感度などを調整すればよい。
The
以下、本発明の光電変換装置を構成毎に説明する。 Hereinafter, the photoelectric conversion device of the present invention will be described for each configuration.
<導電性基板>
導電性基板11は、チタン,ステンレス,アルミニウム,銀,銅,ニッケルなどの金属シート、カーボン,金属微粒子,金属などから成る微細線を含浸させた樹脂シート、導電性樹脂、ITO,SnO2:F(フッ素ドープSnO2),ZnO:Al(AlドープZnO)等からなる酸化物導電膜、などが挙げられる。とくに抵抗が低いため、優れていることから導電性基板11としては金属シートが好ましい。
<Conductive substrate>
The
銀やアルミニウム等の光反射性を有する金属から導電性基板11が構成される場合、導電性基板11は、優れた光反射性を付与されるため、透過光を反射させて光を再利用させることができる。
When the
また、導電性基板11が、透光性のもの(SnO2:F(FドープSnO2)膜付き青板ガラス等)の場合であっても、導電性基板11の裏面に光反射性のアルミニウムや銀等から成るシートや膜等を形成して、光反射性を付与しても構わない。
Further, even when the
導電性基板11の厚みは0.01mm〜5mmが好ましく、0.02mm〜3.0mmがより好ましい。
The thickness of the
また、導電性基板11は、絶縁基板11aと導電膜11bから構成されてもよい。
The
絶縁基板11aとしては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート),PEN(ポリエチレンナフタレート),ポリイミド,ポリカーボネート等の樹脂材料、または青板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス,セラミックス等の無機材料、または導電性樹脂材料,有機無機ハイブリッド材料等が挙げられる。
As the insulating
導電膜11bとしては、例えば、チタン層/ITO層/チタン層等の積層構造、密着層付きのTi層/Ag層/Ti層等の積層構造、銀膜等が挙げられる。導電膜11bは、真空蒸着法,イオンプレーティング法,スパッタリング法,電解析出法等で形成される。
Examples of the
導電膜11bの厚みは0.001μm〜10μmが好ましく、0.05μm〜2.0μmがより好ましい。
The thickness of the
<酸化物半導体>
本発明における酸化物半導体12は、導電性基板11上に形成されたものである。
<Oxide semiconductor>
The
酸化物半導体12としては、二酸化チタン等からなる多孔質のn型酸化物半導体等が好適に使用される。
As the
酸化物半導体(例えば、電子輸送体)12は、通常、二酸化チタン等(n型金属酸化物半導体)から成るものが用いられ、好適には粒状体または線状体(針状体,チューブ状体,柱状体等)の複数が集合して成るものがよい。このとき、平均粒径または平均線径は5〜500nmであることが好ましく、10〜200nmであることがより好ましい。平均粒径または平均線径が5nm未満とするだけの材料の微細化は困難な傾向があり、また、500nmをこえると、接合面積が小さくなり光電流が著しく小さくなる傾向がある。 The oxide semiconductor (for example, electron transporter) 12 is usually made of titanium dioxide or the like (n-type metal oxide semiconductor), and preferably a granular body or a linear body (acicular body, tubular body). , Columnar bodies, etc.) are preferred. At this time, it is preferable that an average particle diameter or an average wire diameter is 5-500 nm, and it is more preferable that it is 10-200 nm. There is a tendency that miniaturization of the material with an average particle diameter or an average wire diameter of less than 5 nm tends to be difficult, and when the average particle diameter exceeds 500 nm, the junction area becomes small and the photocurrent tends to become extremely small.
酸化物半導体12としては、酸化チタン(TiO2)が最適であり、他の材料としては、チタン(Ti),亜鉛(Zn),スズ(Sn),ニオブ(Nb),インジウム(In),イットリウム(Y),ランタン(La),ジルコニウム(Zr),タンタル(Ta),ハフニウム(Hf),ストロンチウム(Sr),バリウム(Ba),カルシウム(Ca),バナジウム(V),タングステン(W)等の金属元素の少なくとも1種以上の金属酸化物半導体がよく、また窒素(N),炭素(C),弗素(F),硫黄(S),塩素(Cl),リン(P)等の非金属元素の1種以上を含有してもよい。酸化チタン等はいずれも電子エネルギーバンドギャップが可視光のエネルギーより大きい2〜5eVの範囲にあり、好ましい。また、酸化物半導体12は、電子エネルギー準位においてその伝導帯が色素の伝導帯よりも低いn型半導体がよい。
As the
酸化物半導体12の空孔率は、20〜80%であることが好ましく、40〜60%であることがより好ましい。酸化物半導体12がこのような空孔率を有することにより、光作用極の表面積を1000倍以上に高めることができ、光吸収と発電と電子伝導を効率よく行なうことができる。
The porosity of the
酸化物半導体12の厚みは0.1〜50μmが好ましく、1〜20μmがより好ましい。厚みが0.1μm未満では、光電変換作用が著しく小さくなって実用に適さず、また、厚みが50μmをこえると、光の透過が困難となる。
The thickness of the
酸化物半導体12が二酸化チタンから成る場合、その製造方法は以下のようになる。
When the
まず、TiO2のアナターゼ粉末にアセチルアセトンを添加した後、脱イオン水とともに混練し、界面活性剤で安定化させた二酸化チタンのペーストを作製する。次に、作製したペーストをドクターブレード法で導電性基板11の導電膜11b上に一定の速度で塗布し、大気中において300℃〜600℃、好適には400℃〜500℃で、10分〜60分、好適には20分〜40分処理することにより、多孔質の酸化物半導体12を形成する。
First, acetylacetone is added to TiO 2 anatase powder, and then kneaded with deionized water to prepare a titanium dioxide paste stabilized with a surfactant. Next, the prepared paste is applied at a constant speed onto the
<光励起体>
本発明において光励起体13は、酸化物半導体12の表面に付着されたものであり、カルボキシル基を含有している。
<Photoexciter>
光励起体13としては、入射光に対する光電流効率(Incident Photon to Current Efficiency;IPCE)、いわゆる感度が、図1および図2における電解質14の吸収波長や、図2における非晶質半導体層16の吸収波長よりも長波長側へ伸びている特性を有しているものが好ましい。とくに、電解質14などにより吸収されることが少ないため、吸収ピークが約700nmより長波長側にピーク感度を有するものがとくに有効である。
As the
そのような光励起体13として、ビス型スクアリリウムシアニン色素がIPCEのピーク波長が800nm近くにあり有効である。他に、波長700nm以上に高い感度(IPCE)をもつアズレニウム塩化合物,スクワリン酸誘導体,トリアリルピラゾリン,ヒドラゾン誘導体,ビフェニルジアミン誘導体,トリ−p−トリルアミン(TPTA),トリスアゾ顔料,τ型無金属フタロシアニン,チタニルフタロシアニン,スクアリリウムシアニン,ブラックダイ,クマリン,βジケトナート,Re錯体,Os錯体,Ni錯体,Pd錯体,Pt錯体,フタロシアニン誘導体、ポルフィリン誘導体等の光励起体13が好ましい。
As such a
上記光励起体13のなかでも、後述するpHが2.4〜6の電解質14とともに使用されることで、光の吸収ピークが、大きく長波長側にシフトされ、光の長波長成分を十分に吸収できるという効果が得られることから、ブラックダイが光励起体として好適に使用される。
Among the
多孔質の酸化物半導体12に光励起体13を吸着させる方法としては、酸化物半導体12を形成した導電性基板11を、光励起体13を溶解した溶液に浸漬する方法が挙げられる。この場合、溶液及び雰囲気の温度は特に限定されるものではなく、例えば、大気圧下、室温であってもよい。また、浸漬時間は光励起体13、溶媒の種類、溶液の濃度等により適宜調整することができる。これにより、光励起体13を多孔質の酸化物半導体12に吸着させることができる。
Examples of the method for adsorbing the
光励起体13を溶解させるために用いる溶媒は、エタノール等のアルコール類,アセトン等のケトン類,ジエチルエーテル等のエーテル類,アセトニトリル等の窒素化合物等を1種または2種以上混合したものが挙げられる。この場合、溶液中の光励起体13の濃度は5×10−5〜2×10−3mol/l(l:リットル(1000cm3))程度が好ましい。
Examples of the solvent used for dissolving the
<透明導電層>
本発明における透明導電層17は、酸化物半導体12と間隔をあけて対向するように配置され、導電性基板11の対極の電極として使用されたものである。透明導電層17と酸化物半導体12との間隔は、光電変換装置中において、後述する電解質14が十分に作用する量の設けられるように設定される。
<Transparent conductive layer>
The transparent
透明導電層17としては、低温成長のスパッタリング法や低温スプレー熱分解法で形成したスズドープ酸化インジウム層(ITO層)や不純物ドープの酸化インジウム層(In2O3層)等がよい。他には、溶液成長法で形成した不純物ドープの酸化亜鉛層(ZnO層)等がよく、また、ITO層、In2O3層、ZnO層を積層して用いてもよい。
The transparent
また、熱CVD法で形成したフッ素ドープの二酸化スズ層(SnO2:F層)等を用いてもよい。他には、不純物ドープの酸化インジウム層(In2O3層)等が使える。 Furthermore, tin dioxide layer forming the fluorine doped by thermal CVD: may be used (SnO 2 F layer) or the like. In addition, an impurity-doped indium oxide layer (In 2 O 3 layer) or the like can be used.
他の成膜法として、真空蒸着法,イオンプレーティング法,ディップコート法,ゾル・ゲル法等がある。 Other film forming methods include vacuum deposition, ion plating, dip coating, and sol / gel.
透光性導電層17は、表面に凹凸を有することが好ましい。凹凸は、入射光の波長オーダーの大きさであることが好ましく、それにより、十分な光の閉じ込め効果が得られる。
The translucent
また、透明導電層17として、真空蒸着法やスパッタリング法等で形成したAu,Pd,Al等から成る、光が透過可能な薄い金属層でもよい。
The transparent
<電解質>
本発明における電解質14は、酸化物半導体12と透明導電層17との間に設けられ、pHが2.4〜6のものをいう。pHが6をこえると、光の吸収ピークが短波長側にシフトし、長波長感度が減少するため、高効率化が困難となる。pHが2.4未満では、光励起体13の色素骨格が壊れてしまう傾向がある。電解質14は特に、pHが3〜5.5であることが好ましく、pHがこの範囲内であることにより、長波長感度を十分に増加させたうえで、光電変換装置の高効率化が可能となる。なお、本発明において、電解質14のpHは、JIS Z 8802に規定されたガラス電極法を適用するpHメーター(例えば、株式会社佐藤計量器製作所製のハンディ型pH計:SK−620PHなど)を用いて25℃で測定されたpH値をいう。また、pHメーターでは、電極間の電位差を測定することによりpH値を算出しているため、測定したpH値は電位で表すことができる。例えば、pHが6は39mVに、また、pHが3〜5は88〜187mVに換算することができる。
<Electrolyte>
The
従来の色素増感型太陽電池に使用されていた電解質は、電解質を酸性にすることで変換効率が低下すると考えられていたため、ほぼ中性のものが用いられていたが、本発明では、電解質14のpHを2.4〜6と弱酸性の範囲内に制御することにより、電解質が中性のものよりも大きく変換効率を向上させたものである。 The electrolyte used in the conventional dye-sensitized solar cell was considered to be reduced in conversion efficiency by making the electrolyte acidic, so that an almost neutral one was used. By controlling the pH of 14 within the range of 2.4 to 6 and weak acidity, the conversion efficiency is improved more than that of the neutral electrolyte.
電解質14としては、最もよいキャリア移動を示すことから電解液が、また、液漏れ等を防止できることからゲル化剤を添加したゲル電解質が好ましい。
As the
pHが2.4〜6の酸性度の電解質中に含まれるものとしては、ヨウ化物、酸(無機酸)が好適に用いられる。これらは、電解質中に含まれることにより、酸性度を調整させる酸性度調整材として使用される。
Iodides and acids (inorganic acids) are preferably used as those contained in the electrolyte having an acidity of pH 2.4 to 6. These are used as an acidity adjusting material for adjusting the acidity by being contained in the electrolyte.
ヨウ化物としては、Li,Na,K等のアルカリ金属のヨウ化物、Mg,Ca等のアルカリ土類金属のヨウ化物およびアルキルアンモニウム塩やイミダゾリウム塩のヨウ化物とI2との組み合わせでpHを調整することが可能である。これらのなかでもLiI,イミダゾリウム塩のヨウ化物とI2の組み合わせが、開放電圧の改善が可能であるという点で好ましい。上記の電解質14は2種類以上を混合して用いてもよい。
Iodides include alkali metal iodides such as Li, Na, and K, alkaline earth metal iodides such as Mg and Ca, and alkylammonium and imidazolium salt iodides in combination with I 2 to adjust the pH. It is possible to adjust. Among these, the combination of LiI, an imidazolium salt iodide and I 2 is preferable in that the open circuit voltage can be improved. Two or more kinds of the
ヨウ化物の他に、レドックス反応を起こさせるものとして臭化物やコバルト錯体なども使用することが可能であるが、本発明では、そのレドックス準位(酸化還元準位)が酸化チタンや光励起体と適合しており、高い電圧(Voc)が期待されることから、ヨウ化物が好ましい。 In addition to iodide, bromide and cobalt complexes can be used to cause a redox reaction. In the present invention, the redox level (redox level) is compatible with titanium oxide and photoexciters. Iodide is preferred because a high voltage (Voc) is expected.
酸として用いる無機酸は、HCl,HNO3またはH2SO4のうち少なくとも1種か
ら成る。
Inorganic acid used as the acid, HCl, Ru consists of at least one kind of HNO 3 or H 2 SO 4.
電解質14に用いられる溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート化合物;3−メチル−2−オキサゾリジノンなどの複素環化合物;ジオキサン、ジエチルエーテルなどのエーテル化合物;エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなどのエーテル類;メタノール、エタノールなどのアルコール類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール類;アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物;ジメチルスルフォキシド、スルフォランなど非プロトン極性物質、水などが挙げられる。なかでも、カーボネート化合物やニトリル化合物が好ましい。これらの溶媒は単独又は2種類以上を混合して用いることができる。
Solvents used for the
また、上記溶媒等の代わりに、不揮発性であり常温において塩である常温溶融塩(イオン性液体)を用いることができる。例えば、溶融塩としては、イミダゾリウム塩,第4級アンモニウム塩,イソオキサゾリジニウム塩,イソチアゾリジニウム塩,ピラゾリジウム塩,ピロリジニウム塩,ピリジニウム塩等のヨウ化物を用いることができる。 In addition, a room temperature molten salt (ionic liquid) that is non-volatile and is a salt at room temperature can be used instead of the solvent or the like. For example, as the molten salt, an iodide such as an imidazolium salt, a quaternary ammonium salt, an isoxazolidinium salt, an isothiazolidinium salt, a pyrazolidium salt, a pyrrolidinium salt, or a pyridinium salt can be used.
上述の溶融塩のヨウ化物としては、例えば、1,1−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1,メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールアイオダイド、1−エチル−3−イソプロピルイミダゾリウムアイオダイド、1−n−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムアイオダイド、ピロリジニウムアイオダイド等を挙げることができる。 Examples of the molten salt iodide include 1,1-dimethylimidazolium iodide, 1, methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-pentylimidazolium iodide, 1-methyl- 3-isopentylimidazolium iodide, 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazole iodide, 1-ethyl- Examples thereof include 3-isopropylimidazolium iodide, 1-n-hexyl-3-methylimidazolium iodide, and pyrrolidinium iodide.
ゲル状の電解質14は、大別して化学ゲルと物理ゲルに分けられる。化学ゲルは、架橋反応等により化学結合でゲルを形成するものであり、物理ゲルは、物理的な相互作用により室温付近でゲル化するものである。なお、酸化物半導体12に十分に浸透させるために、常温で低粘度である化学ゲルからなる電解質14が好ましい。
The
化学ゲルからなる電解質を構成するゲル化剤としては、一般的に報告されているゲル化剤を使用することができる。例えば、二つ以上の含窒素複素環を有する化合物と、これとオニウム塩を形成可能なハロゲン含有基を二つ以上含む化合物とを用いることができる。 As a gelling agent constituting an electrolyte composed of a chemical gel, generally reported gelling agents can be used. For example, a compound having two or more nitrogen-containing heterocycles and a compound containing two or more halogen-containing groups capable of forming an onium salt can be used.
上述の二つ以上の含窒素複素環を有する化合物としては、例えば、ポリビニルイミダゾール、ポリ(4−ビニルピリジン)、ポリベンズイミダゾール、ビピリジル、ターピリジル、ポリビニルピロール、1,4−ジ(4−ピリジル)ブタン、2−(4−ピリジル)エチルエーテル等を挙げることができる。 Examples of the compound having two or more nitrogen-containing heterocycles described above include polyvinylimidazole, poly (4-vinylpyridine), polybenzimidazole, bipyridyl, terpyridyl, polyvinylpyrrole, 1,4-di (4-pyridyl). Examples include butane and 2- (4-pyridyl) ethyl ether.
また、上述のハロゲン含有基を二つ以上含む化合物としては、例えば、ジブロモメタン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、ジブロモブタン、ジブロモペンタン、ジブロモヘキサン、ジブロモヘプタン、ジブロモオクタン、ジブロモノナン、ジブロモデカン、ジブロモウンデカン、ジブロモドデカン、ジブロモトリデカン、ジクロロメタン、ジクロロエタン、ジクロロプロパン、ジクロロブタン、ジクロロペンタン、ジクロロヘキサン、ジクロロヘプタン、ジクロロオクタン、ジクロロノナン、ジクロロデカン、ジクロロウンデカン、ジクロロドデカン、ジクロロトリデカン、ジヨードメタン、ジヨードエタン、ジヨードプロパン、ジヨードブタン、ジヨードペンタン、ジヨードヘキサン、ジヨードヘプタン、ジヨードオクタン、ジヨードノナン、ジヨードデカン、ジヨードウンデカン、ジヨードドデカン、ジヨードトリデカン、1,2,4,5−テトラキスブロモメチルベンゼン、エピクロロヒドリンオリゴマー、エピブロモヒドリンオリゴマー、ヘキサブロモシクロドデカン、トリス(3,3−ジブロモ−2−ブロモプロピル)イソシアヌル酸、1,2,3−トリブロモプロパン、ジヨードパーフルオロエタン、ジヨードパーフルオロプロパン、ジヨードパーフルオロヘキサン、ポリエピクロルヒドリン、ポリエピクロルヒドリンとポリエチレンエーテルとの共重合体、ポリエピブロモヒドリン及びポリ塩化ビニルなどの多官能ハロゲン化物が挙げられる。こうしたハロゲン化物は、単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。 Examples of the compound containing two or more halogen-containing groups include dibromomethane, dibromoethane, dibromopropane, dibromobutane, dibromopentane, dibromohexane, dibromoheptane, dibromooctane, dibromononane, dibromodecane, and dibromoundecane. , Dibromododecane, dibromotridecane, dichloromethane, dichloroethane, dichloropropane, dichlorobutane, dichloropentane, dichlorohexane, dichloroheptane, dichlorooctane, dichlorononane, dichlorodecane, dichloroundecane, dichlorododecane, dichlorotridecane, diiodomethane, diiodoethane, Diiodopropane, diiodobutane, diiodopentane, diiodohexane, diiodoheptane, diiodooctane, diiodo Nan, diiododecane, diiodoundecane, diiodododecane, diiodotridecane, 1,2,4,5-tetrakisbromomethylbenzene, epichlorohydrin oligomer, epibromohydrin oligomer, hexabromocyclododecane, tris (3 , 3-dibromo-2-bromopropyl) isocyanuric acid, 1,2,3-tribromopropane, diiodoperfluoroethane, diiodoperfluoropropane, diiodoperfluorohexane, polyepichlorohydrin, polyepichlorohydrin and polyethylene ether And polyfunctional halides such as polyepibromohydrin and polyvinyl chloride. These halides can be used alone or in combination of two or more.
ゲル状の電解質は、電解質の溶液にゲル化剤が混入した低粘度の前駆体(液相体)を多孔質酸化物半導体に含有させ、加熱、紫外線照射、電子線照射、自然放置等の手段で二次元、三次元の架橋反応を起こさせることによってゲル化できる。 Gel electrolytes contain a low-viscosity precursor (liquid phase) in which a gelling agent is mixed in an electrolyte solution in a porous oxide semiconductor, and are used for heating, ultraviolet irradiation, electron beam irradiation, natural standing, etc. It can be gelled by causing a two-dimensional or three-dimensional crosslinking reaction.
上記ゲル化における重合方法としては、光重合、熱重合、自然放置などが挙げられ、用いる構成材料により適宜選択することができる。色素増感太陽電池の多孔質酸化物半導体としては、紫外線領域の光で触媒反応を起こす酸化チタンを用いる場合が多い。このような場合に光重合を行うと、多孔質酸化物半導体に吸着させた色素が分解するなどの問題が考えられるため、熱重合もしくは自然放置により重合を行うのが好ましい。 Examples of the polymerization method in the gelation include photopolymerization, thermal polymerization, and natural standing, and can be appropriately selected depending on the constituent material used. As the porous oxide semiconductor of the dye-sensitized solar cell, titanium oxide that causes a catalytic reaction with light in the ultraviolet region is often used. When photopolymerization is performed in such a case, problems such as decomposition of the dye adsorbed on the porous oxide semiconductor can be considered. Therefore, the polymerization is preferably performed by thermal polymerization or natural standing.
上記熱重合による電解質の前駆体のゲル化の際には、光電変換装置1(電池ユニット)を加熱することが好ましい。加熱処理の温度は、50〜200℃の範囲内にすることが好ましい。これは、次のような理由によるものである。即ち、加熱処理の温度が50℃未満の場合には、ゲルの重合度が低下して、ゲル状とするのが困難になるおそれがある。一方、200℃を超える高温で熱処理を行った場合、色素の分解が起こりやすくなる。より好ましくは、加熱処理の温度は70〜150℃である。 In the gelation of the electrolyte precursor by the thermal polymerization, it is preferable to heat the photoelectric conversion device 1 (battery unit). It is preferable that the temperature of heat processing shall be in the range of 50-200 degreeC. This is due to the following reason. That is, when the temperature of the heat treatment is less than 50 ° C., the degree of polymerization of the gel is lowered, and it may be difficult to form a gel. On the other hand, when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 200 ° C., the dye is likely to be decomposed. More preferably, the temperature of heat processing is 70-150 degreeC.
<触媒層>
触媒層15は、過電圧を下げ、電解質14と薄膜光電変換体2とのオーミック接合を確保するための層である。なお、過電圧とは、光電変換装置1を動作させるために最初に印加する大きな電圧のことをいう。
<Catalyst layer>
The
例えば、図2においては、電解質14と非晶質半導体層16との電荷の授受を容易にするというはたらきを示す。
For example, FIG. 2 shows a function of facilitating transfer of charges between the
触媒層15としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、コートした錯体の熱分解法等で形成したPt,Pd、またはスピンコート法等で成膜したポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT;ポリスチレンスルホナートなどをドーピングしてもよい)、電着法で成膜したポリビニルカルバゾール等の有機半導体材料、あるいはカーボン等が用いられる。また、これらを積層したものを用いることもできる。
Examples of the
<透光性被覆体>
透光性被覆体18の材料としては、フッ素樹脂,シリコーンポリエステル樹脂,高耐候性ポリエステル樹脂,ポリ塩化ビニル樹脂等がよく、または金属屋根等に塗布して形成される、アクリル,ウレタン,シリコーン,シランカップリング剤,あるいはこれらの混合物等の樹脂が耐候性に優れ、とくに好ましい。他の材料として、PET(ポリエチレンテレフタレート),PEN(ポリエチレンナフタレート),ポリイミド,ポリカーボネート等の樹脂シートや白板ガラス,ソーダガラス,硼珪酸ガラス,セラミックス等の無機質シート、有機無機ハイブリッドシート等がよい。
<Translucent covering>
As a material for the
透光性被覆体18の厚みは0.1μm〜6mm、好ましくは1μm〜4mmである。また、防眩性,遮熱性,耐熱性,低汚染性,抗菌性,防かび性,意匠性,高加工性,耐疵付き・耐摩耗性,滑雪性,帯電防止性,遠赤外線放射性,耐酸性,耐食性,環境対応性等を透光性被覆体18に付与することにより、信頼性や商品性をより高めることができる。
The thickness of the
また、図2の構成の場合、透光性被覆体18として、充分な機械的強度を有する厚みがあり、支持体として使用できれば、予め薄膜光電変換体2を形成しておいても構わない。この場合、透光性被覆体18の厚みは0.05mm〜2mmが好ましく、0.1mm〜1mmがより好ましい。
In the case of the configuration of FIG. 2, the thin film
また、透光性被覆体18の光入射側の表面は平坦なものでよいが、入射光の波長オーダーの凹凸を有する表面であることがよく、その場合光閉じ込め効果がある。
Further, the surface on the light incident side of the
<下地層>
下地層は図示していないが、図1および図2の構成では、導電性基板11と酸化物半導体12との間に、下地層としての酸化物半導体の薄い(厚み0.05μm〜2μm)緻密層を挿入することができ、これにより、逆電流の発生を抑制が可能となる。
<Underlayer>
Although the base layer is not shown, in the structure of FIGS. 1 and 2, the oxide semiconductor as a base layer is thin (thickness 0.05 μm to 2 μm) and dense between the
<非晶質半導体層>
本発明の光電変換装置は、酸化物半導体12と透明導電層17との間に、非晶質半導体層16を含むことができる(図2参照)。非晶質半導体層16は、酸化物半導体12よりも光照射側に位置しており、光の短波長成分(約300〜700nm)を吸収する。酸化物半導体12が光の長波長成分を吸収することから、非晶質半導体層16と酸化物半導体12とが設けられていることにより、互いに相補的な光の吸収が可能となる。
<Amorphous semiconductor layer>
The photoelectric conversion device of the present invention can include an
本発明の光電変換装置が非晶質半導体層16を含む場合、非晶質半導体層16と酸化物半導体12とは直列接続されているために、互いの電流値が適合している必要がある。そのためには、非晶質半導体層16で発生する電流と同等の電流を酸化物半導体12から発生させなければならない。光の入射側に位置する非晶質半導体層16と同等の電流を酸化物半導体12から発生させるためには、非晶質半導体16で吸収されず透過される光の長波長成分を、酸化物半導体12における電流の発生に用いる必要がある。本発明では、光電解質のpHを2.4〜6とすることで、その高い変換効率により、非晶質半導体層12と同等の電流を酸化物半導体16から発生させることが可能である。
When the photoelectric conversion device of the present invention includes the
なお、非晶質半導体層16としては、非晶質シリコン系の薄膜pin接合層でもよく、CIGS(CuInGaSe)などの化合物半導体系の薄膜接合層でもよい。また、これらの接合層は、pin接合型、pn接合型、ショットキー接合型、ヘテロ接合型などの内部電界を生じるものがよい。
The
非晶質半導体層16は、入射した光を非晶質半導体層16の下側に位置する酸化物半導体12まで到達させるために、透光性を有するものである。
The
非晶質半導体層16としては、プラズマCVD法によって連続堆積したpin接合の水素化アモルファスシリコン系半導体層がよい。触媒層15側にp型半導体層を設けたpin接合とするが、逆接合であるnip接合でも構わない。
The
ここで、非晶質半導体層16を構成するi型半導体層が非晶質である場合、p型半導体層およびn型半導体層の少なくとも一方が、微結晶を有するもの、または水素化アモルファスシリコン合金系の層でも構わない。例えば、光入射側のp型半導体層は、水素化アモルファスシリコンカーバイドから成るものが、透光性を高めることができ、光の損失が少ないため、より好ましい。
Here, when the i-type semiconductor layer constituting the
非晶質半導体層16を形成する他の堆積法としては、触媒CVD法等でもよい。プラズマCVD法と触媒CVD法を組み合わせると、水素含有量を増加させることができ、非晶質半導体層16の光劣化が抑制できて信頼性が高まる。
Another deposition method for forming the
また、非晶質半導体層16は、化学気相成長法によりそれぞれの製膜条件で連続堆積できるので好適である。より詳しく説明すると、例えば、p型a−Si:H(Hドープアモルファスシリコン)層であり、成膜する場合、原料ガスとしてSiH4ガス,H2ガス,B2H6ガス(H2で500ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ最適化する。また、p型a−Si:H層の厚みは50Å〜200Åの範囲がよく、より好適には80Å〜120Åがよい。50Åより薄いと、内部電界が形成できず、200Åより厚いと、光損失が増える。
In addition, the
また、例えば、真性非晶質非晶質半導体層がi型a−Si:H層であり、成膜する場合、原料ガスとしてSiH4ガス,H2ガスを用い、これらのガスの流量を最適化する。i型a−Si:H層の厚みは500Å〜5000Å(0.05μm〜0.5μm)の範囲がよく、より好適には1500Å〜2500Å(0.15μm〜0.25μm)がよい。500Åより薄いと、充分な光電流が得られず、5000Åより厚いと、後側の色素増感型光電変換体3に光を透過させることができない。
Further, for example, the intrinsic amorphous amorphous semiconductor layer is an i-type a-Si: H layer, and when forming a film, SiH 4 gas and H 2 gas are used as source gases, and the flow rates of these gases are optimized. Turn into. The thickness of the i-type a-Si: H layer is preferably in the range of 500 to 5000 mm (0.05 μm to 0.5 μm), more preferably 1500 to 2500 mm (0.15 μm to 0.25 μm). If the thickness is less than 500 mm, sufficient photocurrent cannot be obtained. If the thickness is more than 5000 mm, light cannot be transmitted to the dye-sensitized
また、例えば、n型a−Si:H層を成膜する場合、原料ガスとして(H2で1000ppmに希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ最適化する。n型a−Si:H層の厚みは50Å〜200Åの範囲がよく、より好適には80Å〜120Åがよい。50Åより薄いと、内部電界が形成できず、200Åより厚いと、光損失が増える。 Further, for example, when forming an n-type a-Si: H layer, a raw material gas (diluted to 1000 ppm with H 2 ) is used, and the flow rates of these gases are optimized. The thickness of the n-type a-Si: H layer is preferably in the range of 50 to 200 mm, more preferably 80 to 120 mm. If it is thinner than 50 mm, an internal electric field cannot be formed, and if it is thicker than 200 mm, light loss increases.
シリコン系半導体層16を形成する際の導電性基板11の温度は、何れの層の場合にも150℃〜300℃の範囲がよく、より好適には180℃〜240℃がよい。150℃より低くても、また300℃よりも高くても、好適な光半導体は得られない。
The temperature of the
以下に、作製条件等のそれぞれ異なる光電変換装置の作製法および特性値について記載する。 Hereinafter, manufacturing methods and characteristic values of photoelectric conversion devices having different manufacturing conditions and the like will be described.
(実施例1)
導電性基板として、厚みが0.3mmのチタンシート(サイズ2cm×2cm)に、電子輸送体である多孔質の二酸化チタンを形成した。前記多孔質の二酸化チタンの製造方法を以下に示す。
Example 1
As a conductive substrate, porous titanium dioxide as an electron transporter was formed on a titanium sheet having a thickness of 0.3 mm (
まず、TiO2のアナターゼ粉末にアセチルアセトンを添加した後、それらを脱イオン水とともに混練し、界面活性剤により安定化させることで酸化チタンのペーストを作製した。そして、作製したペーストをドクターブレード法により、透明導電膜が形成されているチタン層の面上に、一定の速度で塗布し、大気中において450℃で30分間焼成することにより前記多孔質の二酸化チタンを製造した。 First, acetylacetone was added to a TiO 2 anatase powder, and then kneaded with deionized water and stabilized with a surfactant to prepare a titanium oxide paste. The prepared paste is applied by a doctor blade method onto the surface of the titanium layer on which the transparent conductive film is formed at a constant rate and baked in the atmosphere at 450 ° C. for 30 minutes to thereby form the porous dioxide. Titanium was produced.
色素としてブラックダイ(ソラロニクス社製)を用い、また、色素を溶解させるための溶媒としてアセトニトリルとt−ブタノール(容積比で1:1)とを用い、二酸化チタン層を形成したチタンシートを、色素を溶解させた溶液に浸漬させて、色素を二酸化チタン層に担持させた。浸漬した時間は24時間、そのときの導電性基板の温度は24℃であった。 Using a black dye (manufactured by Solaronics) as a dye, and using acetonitrile and t-butanol (1: 1 by volume) as a solvent for dissolving the dye, a titanium sheet having a titanium dioxide layer formed thereon The pigment was supported on the titanium dioxide layer. The immersion time was 24 hours, and the temperature of the conductive substrate at that time was 24 ° C.
次に、ITO膜付きのPETフィルムにスパッタ装置で白金を被膜することで得られたシートと前記色素担持の二酸化チタン付きチタンシートを対面させて、この間に下記電解質を添加して軽く貼り合わせて、光電変換装置を作製し、特性評価に使用した。 Next, the sheet obtained by coating platinum on a PET film with an ITO film by a sputtering apparatus and the titanium sheet with titanium dioxide supporting the dye are faced together, and the following electrolyte is added between them and lightly bonded together. A photoelectric conversion device was prepared and used for characteristic evaluation.
ここで電解質として、液体電解質であるI2(0.05mol/l)とLiI(1.0mol/l)とHCl(0.06mol/l)とを、溶媒アセトニトリルと混合して、pH測定器によるpH値が4.0(138mV)になるように調整した。 Here, I 2 (0.05 mol / l), LiI (1.0 mol / l), and HCl (0.06 mol / l), which are liquid electrolytes, are mixed with a solvent acetonitrile as an electrolyte, and measured by a pH measuring device. The pH value was adjusted to 4.0 (138 mV).
(比較例)
電解質中に、0.1mol/lのLiIが含まれ、HClは含まれておらず、さらに、pH測定器によるpH値が6.4(19mV)である以外は、実施例1と同様にして、比較例の光電変換装置を作製した。
(Comparative example)
In the same manner as in Example 1 except that 0.1 mol / l LiI is contained in the electrolyte, HCl is not contained, and the pH value measured by the pH meter is 6.4 (19 mV). A photoelectric conversion device of a comparative example was produced.
(実施例2)
電解質中に、HClは含まれておらず、pH測定器によるpH値が5.0(88mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例2の光電変換装置を作製した。
(Example 2)
A photoelectric conversion device of Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except that the electrolyte did not contain HCl and the pH value measured by the pH meter was 5.0 (88 mV).
(実施例3)
電解質中に、HClに替えて0.13mol/lのHNO3が含まれており、pH測定器によるpH値が3.1(182mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例3の光電変換装置を作製した。
(Example 3)
Example 3 was the same as Example 1 except that 0.13 mol / l HNO 3 was contained in the electrolyte instead of HCl, and the pH value measured by the pH meter was 3.1 (182 mV). A photoelectric conversion device was manufactured.
(実施例4)
電解質中に0.2mol/lのHClが含まれており、pH測定器によるpH値が1.6(256mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例4の光電変換装置を作製した。
Example 4
The photoelectric conversion device of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that 0.2 mol / l HCl was contained in the electrolyte and the pH value measured by the pH meter was 1.6 (256 mV). did.
(実施例5)
電解質中に、0.1mol/lのLiIが含まれ、さらに、HClに替えてピリジン系添加剤(0.2mol/l)が含まれており、pH測定器によるpH値が5.6(59mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例5の光電変換装置を作製した。
(Example 5)
The electrolyte contains 0.1 mol / l of LiI, and further contains a pyridine-based additive (0.2 mol / l) instead of HCl. The pH value measured by the pH meter is 5.6 (59 mV). The photoelectric conversion device of Example 5 was produced in the same manner as in Example 1 except that.
(実施例6)
電解質中に、0.1mol/lのLiIが含まれ、さらに、HClに替えてピリジン系添加剤(0.3mol/l)が含まれており、pH測定器によるpH値が6.0(39mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例6の光電変換装置を作製した。
(Example 6)
The electrolyte contains 0.1 mol / l LiI, and further contains a pyridine-based additive (0.3 mol / l) instead of HCl, and the pH value measured by the pH meter is 6.0 (39 mV). The photoelectric conversion device of Example 6 was produced in the same manner as in Example 1 except that.
(実施例7)
電解質中に、0.05mol/lのLiIが含まれ、さらに、HClに替えてピリジン系添加剤(0.5mol/l)が含まれており、pH測定器によるpH値が6.9(−5mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例7の光電変換装置を作製した。
(Example 7)
The electrolyte contains 0.05 mol / l of LiI, and further contains a pyridine-based additive (0.5 mol / l) instead of HCl. The pH value measured by the pH meter is 6.9 (− A photoelectric conversion device of Example 7 was produced in the same manner as Example 1 except that the voltage was 5 mV).
(実施例8)
電解質中に0.03mol/lのHClが含まれており、pH測定器によるpH値がpH=4.6(108mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例8の光電変換装置を作製した。
(Example 8)
The photoelectric conversion device of Example 8 is the same as Example 1 except that 0.03 mol / l HCl is contained in the electrolyte and the pH value measured by the pH meter is pH = 4.6 (108 mV). Was made.
(実施例9)
電解質中に、HClに替えて0.07mol/lのHNO3が含まれており、pH測定器によるpH値が3.6(157mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例3の光電変換装置を作製した。
Example 9
Example 3 was the same as Example 1 except that 0.07 mol / l of HNO 3 was contained in the electrolyte instead of HCl, and the pH value measured by the pH meter was 3.6 (157 mV). A photoelectric conversion device was manufactured.
(実施例10)
電解質中に、HClに替えて0.2mol/lのCH3COOHが含まれており、pH測定器によるpH値が2.4(216mV)である以外は、実施例1と同様にして実施例3の光電変換装置を作製した。
(Example 10)
Example 1 was carried out in the same manner as Example 1 except that 0.2 mol / l CH 3 COOH was contained in the electrolyte instead of HCl, and the pH value measured by the pH meter was 2.4 (216 mV). 3 photoelectric conversion devices were produced.
以上のようにして得られた実施例1〜10および比較例1の色素増感型太陽電池を、25℃、AM1.5下、100mW/cm2の条件下にて、それぞれの光電変換効率を測定した。なお、pH測定としては、JIS Z 8802 に規定されたガラス電極法を適用している株式会社佐藤計量器製作所製のハンディ型pH計 SK−620PH を用いた。 The photoelectric conversion efficiencies of the dye-sensitized solar cells of Examples 1 to 10 and Comparative Example 1 obtained as described above under the conditions of 25 mC, AM1.5, and 100 mW / cm 2 were obtained. It was measured. In addition, as pH measurement, the handy type pH meter SK-620PH manufactured by Sato Keiki Seisakusyo Co., Ltd., to which the glass electrode method defined in JIS Z 8802 was applied was used.
測定されたそれぞれの光電変換効率に対して、比較例の光電変換効率を基準(100)とし、実施例1〜10の光電変換効率をそれぞれ指数表示した(光電変換効率指数)。実施例1は130、実施例2は120、実施例3は115、実施例4は93、実施例5は110、実施例6は105、実施例7は90、実施例8は125、実施例9は127、実施例10は105となった。 For each measured photoelectric conversion efficiency, the photoelectric conversion efficiency of Comparative Examples was used as a reference (100), and the photoelectric conversion efficiencies of Examples 1 to 10 were displayed as indices (photoelectric conversion efficiency index). Example 1 is 130, Example 2 is 120, Example 3 is 115, Example 4 is 93, Example 5 is 110, Example 6 is 105, Example 7 is 90, Example 8 is 125, Example 9 was 127, and Example 10 was 105.
横軸にpHを、また、縦軸に上述の指数をとり、プロットしたデータを図3に示す。 The plotted data is shown in FIG. 3 with pH on the horizontal axis and the above-mentioned index on the vertical axis.
図3の結果より、とくにpH値が3および5.5において変曲点を有しており、3〜5.5の範囲内において光電変換効率指数が大きく向上していることがわかる。 From the results of FIG. 3, it can be seen that the inflection points are present particularly at pH values of 3 and 5.5, and that the photoelectric conversion efficiency index is greatly improved within the range of 3 to 5.5.
次に、非晶質半導体層を含む光電変換装置(積層型光電変換装置)についての作製法および特性値について記載する。 Next, a manufacturing method and characteristic values of a photoelectric conversion device (a stacked photoelectric conversion device) including an amorphous semiconductor layer will be described.
(実施例11)
透明導電層(SnO2:F膜(FTO膜)、シート抵抗10Ω/□)付きガラス基板(サイズ1cm×2cm)上に、まずプラズマCVD装置を用いて、第2導電型シリコン系半導体層としてのp型a−Si:H層、真性非晶質シリコン系半導体層としてのi型a−Si:H層、第1導電型シリコン系半導体層としてのn型a−Si:H層を、順次連続して真空中で堆積させ、薄膜光電変換体を作製した。
(Example 11)
On a glass substrate (
このとき、p型a−Si:H層を形成するための原料ガスとして、SiH4ガス,B2H6ガス(H2で希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ2.7sccm,9sccmとし、100Å(0.010μm)の厚みで堆積させた。 At this time, SiH 4 gas and B 2 H 6 gas (diluted with H 2 ) were used as source gases for forming the p-type a-Si: H layer, and the flow rates of these gases were 2.7 sccm, respectively. , 9 sccm, and deposited with a thickness of 100 mm (0.010 μm).
また、i型a−Si:H層を形成するための原料ガスとして、SiH4ガス,H2ガスを用い、これらのガスの流量をそれぞれ5sccm,20sccmとし、1500Åの厚みで堆積させた。 Further, SiH 4 gas and H 2 gas were used as source gases for forming the i-type a-Si: H layer, and the flow rates of these gases were 5 sccm and 20 sccm, respectively, and were deposited with a thickness of 1500 Å.
さらに、n型a−Si:H層を形成するための原料ガスとして、SiH4ガス,H2ガス,PH3ガス(H2で希釈したもの)を用い、これらのガスの流量をそれぞれ2.7sccm,37sccm,2.8sccmとして、200Åの厚みで堆積させた。 Further, SiH 4 gas, H 2 gas, and PH 3 gas (diluted with H 2 ) are used as source gases for forming the n-type a-Si: H layer, and the flow rates of these gases are set to 2. 7 sccm, 37 sccm, and 2.8 sccm were deposited to a thickness of 200 mm.
なお、ガラス基板の温度は、p型a−Si:H層、i型a−Si:H層、n型a−Si:H層のいずれの形成の場合にも200℃とした。 Note that the temperature of the glass substrate was 200 ° C. in any of the formation of the p-type a-Si: H layer, the i-type a-Si: H layer, and the n-type a-Si: H layer.
次に、スパッタリング装置を用いて、n型a−Si:H層上に、触媒層としてのPt層を厚み0.01μmとなるよう堆積した。このとき、Pt層は薄いため高抵抗となっており、シート抵抗が測定できなかった。 Next, a Pt layer as a catalyst layer was deposited to a thickness of 0.01 μm on the n-type a-Si: H layer using a sputtering apparatus. At this time, since the Pt layer was thin, the resistance was high and the sheet resistance could not be measured.
次に、導電膜として、透明導電膜(SnO2:F(FTO膜)、シート抵抗10Ω/□)付きガラス基板(サイズ1cm×2cm)上に、多孔質の二酸化チタン層を形成した。
Next, as a conductive film, a porous titanium dioxide layer was formed on a glass substrate (
酸化物半導体(電子輸送体)である二酸化チタン層は以下のようにして形成した。 The titanium dioxide layer which is an oxide semiconductor (electron transporter) was formed as follows.
まず、TiO2のアナターゼ粉末にアセチルアセトンを添加した後、脱イオン水とともに混練し、界面活性剤で安定化させた二酸化チタンのペーストを作製した。次に、作製したペーストをドクターブレード法によって、透明導電膜上に、一定の速度で塗布し、大気中において450℃で20分焼成し、多孔質の二酸化チタン層を形成した。 First, acetylacetone was added to TiO 2 anatase powder, and then kneaded with deionized water to prepare a titanium dioxide paste stabilized with a surfactant. Next, the prepared paste was applied onto the transparent conductive film at a constant speed by a doctor blade method, and baked at 450 ° C. for 20 minutes in the air to form a porous titanium dioxide layer.
次に、色素としてブラックダイ(ソラロニクス社製)を用い、色素を溶解させるために用いる溶媒としてアセトニトリルとt−ブタノール(容積比で1:1)を用い、二酸化チタン層を形成した導電性基板を、色素を溶解した溶液に浸漬して、色素を二酸化チタン層に担持させた。浸漬した時間は24時間、そのときの導電性基板の温度は24℃であった。 Next, using a black die (manufactured by Solaronics) as a dye, acetonitrile and t-butanol (1: 1 by volume) as a solvent used for dissolving the dye, and a conductive substrate having a titanium dioxide layer formed thereon The dye was immersed in a solution in which the dye was dissolved, and the dye was supported on the titanium dioxide layer. The immersion time was 24 hours, and the temperature of the conductive substrate at that time was 24 ° C.
次に、触媒層を積層した薄膜光電変換体と、色素を担持させた多孔質の二酸化チタン層が形成された透明導電膜付ガラス基板とを、二酸化チタン層に下記の液体電解質を含有させて軽く貼り合わせることで、積層型光電変換装置を作製した。正孔輸送体(電解質)としては、実施例1の場合と同様にして、液体電解質であるI2とLiIとHClを含むアセトニトリル溶液を調整して、pH測定器によるpH値が4である電解質を用いた。 Next, a thin film photoelectric conversion body in which a catalyst layer is laminated and a glass substrate with a transparent conductive film on which a porous titanium dioxide layer carrying a dye is formed, and the titanium dioxide layer contains the following liquid electrolyte: By laminating lightly, a stacked photoelectric conversion device was manufactured. As the hole transporter (electrolyte), in the same manner as in Example 1, an acetonitrile solution containing liquid electrolytes I 2 , LiI, and HCl was prepared, and the pH value measured by the pH meter was 4. Was used.
得られた積層型光電変換装置は、AM1.5下、100mW/cm2で比較的高い短絡電流密度10.00mA/cm2、高い開放端電圧1.435Vを示した。 The obtained stacked photoelectric conversion device exhibited a relatively high short-circuit current density of 10.00 mA / cm 2 and a high open-circuit voltage of 1.435 V at 100 mW / cm 2 under AM 1.5.
以上のように、実施例11においては、本発明の積層型光電変換装置が容易に作製でき、しかも高い光電変換効率を実現することができた。また、積層型光電変換装置の電圧非印加時のリーク電流特性は良好であり、暗所にて−1.6V時の電流密度は0.075mA/cm2であった。 As described above, in Example 11, the stacked photoelectric conversion device of the present invention could be easily manufactured, and high photoelectric conversion efficiency could be realized. In addition, the leakage current characteristic of the stacked photoelectric conversion device when no voltage was applied was good, and the current density at −1.6 V in the dark was 0.075 mA / cm 2 .
1,31,51:光電変換装置
2:薄膜光電変換体(トップセル)
3:色素増感型光電変換体(ボトムセル)
11,21,41:導電性基板
12,22,42:酸化物半導体
13,23,43:光励起体
14,24,44:電解質
15,25,45:触媒層
16:非晶質半導体層
17,27,47:透明導電層
18,28,48:透光性被覆体
1, 31, 51: Photoelectric conversion device 2: Thin film photoelectric conversion body (top cell)
3: Dye-sensitized photoelectric converter (bottom cell)
11, 21, 41:
Claims (6)
前記導電性基板上に形成された酸化物半導体と、
前記酸化物半導体の表面に付着した、カルボキシル基を含有する光励起体と、
前記酸化物半導体と間隔をあけて対向するように配置された透明導電層と、
前記酸化物半導体と前記透明導電層との間に設けられた、HCl,HNO 3 およびH 2 SO 4 からなる群から選ばれる1種以上の無機酸を含むpHが2.4〜6の電解質と、
を具備する光電変換装置。 A conductive substrate;
An oxide semiconductor formed on the conductive substrate;
A photoexciter containing a carboxyl group attached to the surface of the oxide semiconductor;
A transparent conductive layer disposed to face the oxide semiconductor with a gap therebetween;
An electrolyte having a pH of 2.4 to 6 and comprising at least one inorganic acid selected from the group consisting of HCl, HNO 3 and H 2 SO 4 provided between the oxide semiconductor and the transparent conductive layer; ,
A photoelectric conversion device comprising:
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