色素敏化太阳能电池制造技术

一种色素敏化太阳能电池（10），其中包括保持有光敏色素的半导体层（3）、电解质层（5）以及一对的电极，其特征在于，光敏色素包括：具有作为与半导体层（3）的固定基团的羧基或膦酰基的色素A；以及，具有作为与半导体层（3）的固定基团的含氮芳香族杂环式化合物的色素B。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】色素敏化太阳能电池
本专利技术涉及一种色素敏化太阳能电池，特别是涉及使用了多种增敏色素的高效率的色素敏化太阳能电池。本申请主张基于2011年7月29日在日本提出的“特愿2011-166664号”申请的优先权，特将其内容援引于此。
技术介绍
作为化石燃料的替代能源，利用阳光的太阳能电池受到了人们的关注，有各种研究得到了开展。太阳能电池是将光能转换成电能的光电转换装置之一，由于是以阳光作为能源，所以对地球环境的影响极小，有待于更进一步的普及。作为太阳能电池的原理、材料，针对各种情况展开了研究。其中，现在最普及的是利用了半导体的pn结的太阳能电池，并且以硅作为半导体材料的太阳能电池在大量市售之中。这些太阳能电池大致分为：使用了单晶硅或多晶硅的结晶硅系太阳能电池；使用了非晶硅（无定形硅）的非晶硅系太阳能电池。在结晶硅系太阳能电池和非晶硅系太阳能电池中，不论哪一种硅系太阳能电池都需要制造高纯度半导体材料的工序、形成pn结的工序，因而存在制造工序数增多的问题；以及，由于需要在真空下的制造工序，因而存在设备成本和能量成本增高的问题。因此，为了能够以更低的成本来获得太阳能电池，一直以来对使用有机材料替代硅系材料的太阳能电池进行了长期研究，但它们大多数光电转换效率低，尚未达到实用化阶段。但是，在1991年提出了一种应用光诱导电子移动的色素敏化太阳能电池（光电转换装置）（专利文献1）。该色素敏化太阳能电池，具有高光电转换效率并无需大规模的制造装置，通过使用廉价的材料就能够简易地生产效率良好地进行制造，因此，在作为新一代太阳能电池上寄予了期待。色素敏化太阳能电池，主要是通过由玻璃等透明基板、FTO（氟掺杂氧化锡（IV）SnO2）等透明导电层组成的透明电极（负极）、保持增敏色素的半导体层、电解质层、对电极（正极）、对向基板、以及密封材料等所构成。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特许第2664194号公报专利文献2：日本特许第4380779号公报非专利文献非专利文献1：柴山直之等，电化学会第74次大会（2007），PS06，“增敏色素β-二酮酸酯三联吡啶钌络合物的氟置换对电池性能产生的影响（増感色素β－ジケトナートターピリジンRu錯体のフッ素置換が電池性能に及ぼす影響）”
技术实现思路
专利技术要解决的课题以往，为了使色素敏化太阳能电池实现高光电转换效率，一直被认为以使用纯度高的单一种的色素为佳。这是因为考虑有如下情况：当将多种色素掺杂于一个半导体层上时，引起色素相互之间的电子授受或电子与空穴的复合、或者从受激发的色素转让给半导体层的电子被不同种类的色素所捕获，从而由受激发的增敏色素到达透明电极的电子减少，由所吸收的光子获得电流的比率、即量子收率显著降低。作为单独使用的色素，通常使用了作为联吡啶络合物之一的二（四丁基铵）顺式-双（异硫氰基）双（2,2'-联吡啶-4,4'-二羧酸）钌（II）络合物（通称N719），其作为增敏色素的性能的优良的。除此之外，通常还使用了作为联吡啶络合物之一的顺式-双（异硫氰基）双（2,2'-联吡啶-4,4'-二羧酸）钌（II）（通称：N3）、作为三联吡啶络合物之一的三（四丁基铵）三（异硫氰基）（2,2':6',2''-三联吡啶-4,4',4''-三羧酸）钌（II）络合物（通称：黑染料（ブラックダイ：Blackdye））。特别是在使用N3、黑染料（Blackdye）时，还经常使用共吸附剂。共吸附剂是用于防止色素分子在半导体层上进行缔合（会合）而添加的分子，作为有代表性的共吸附剂，可以举出鹅脱氧胆酸、牛磺脱氧胆酸盐以及1-癸基磷酸（1－デクリルホスホン酸）等。作为这些分子结构的特征，可以举出：作为容易吸附于构成半导体层的氧化钛上的官能团，具有羧基、膦酰基等；以及，通过σ键来形成以便介于色素分子之间而防止色素分子间的干涉等。另外，也报告有通过混合光敏色素来使用的例子。但是，在该报告中是将羧基或膦酰基作为固定基团来使用（专利文献2）。通常为了有效地运行太阳能电池，首先，重要的是提高光吸收率以能够最大限度地利用入射到太阳能电池的光；接下来，重要的是提高将吸收的光能转换成电能的转换效率。在色素敏化太阳能电池中，光吸收是由光敏色素来承担的，因此期望能够通过选择对入射光具有最适合的光吸收特性的色素作为增敏色素来提高光吸收率。由于阳光中包含从红外光至紫外光的连续的各种波长的光，因此，在用作太阳能电池时，为了实现高光吸收率，希望选择的色素能够彻底吸收包括长波长区域在内尽量大范围的波长区域的光、特别是波长为300～1000nm的光。但是，光敏色素内的电子状态，由量子力学性质而定，只能取决于其物质特有的能量状态。因此，处于基态（HOMO）的电子与处于激发态（LUMO）的电子之间的能量差、即在将电子从基态激发至激发态时所需的能量（带隙能）也作为该物质的特征值而确定，与此对应地，增敏色素能够吸收的光也被限定为特定波长区域的光。另外，还需要色素的带隙能不变得过小以便受激发的电子能够向半导体层的导带移动（非专利文献1）。例如，被用作光敏色素的黑染料（Blackdye），已知具有以900nm附近作为长波长末端的大范围的吸收波长区域；但是，全部摩尔吸光系数小并且特别是在短波长一侧存在吸光度不足的区域。N719尽管在短波长一侧具有与黑染料（Blackdye）同等以上的摩尔吸光系数，但吸收波长区域的长波长一侧末端是在730nm附近，无法有效利用长波长的光。如此地，在目前阶段，尚不存在能够彻底吸收300～1000nm波长的阳光的色素，因此，在使用了单一种色素的色素敏化太阳能电池中，难以有效地吸收全部阳光中所含的各种波长的光。其结果是尚不能说光吸收率是充分的。若通过单一种色素无法实现充分的光吸收，则考虑通过混合吸收波长特性相互不同的多种色素来作为光敏色素使用。但是，如前面所述，当混合多种色素而使用于一个半导体层上时，实际上基本都是光电转换效率降低的情况。其原因在于，如前面所述，通过色素间的电子移动等，由所吸收的光子获得的电流的比率、即量子收率显著降低。本专利技术就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种提高光吸收率和光电转换效率的色素敏化太阳能电池。解决课题的方法本专利技术提供一种色素敏化太阳能电池，其包括保持有光敏色素的半导体层、电解质层以及一对的电极，其特征在于，前述光敏色素包含：具有作为与前述半导体层的固定基团的羧基或膦酰基的色素A；以及，具有作为与前述半导体层的固定基团的含氮芳香族杂环式化合物的色素B。前述含氮芳香族杂环式化合物，可以含有吡啶基、哒嗪基、嘧啶基、1,3,5-三嗪基、咪唑基、吡唑基、噻唑基、噻二唑基、三唑基、1,8-二氮杂萘基、嘌呤基中的至少一者。前述色素B的固定基团，可以兼作受电子基团。前述色素A，可以是多吡啶基络合物（ポリピリジル錯体）。此时，多吡啶基络合物所用的金属，可以是钌或锇。前述色素A，可以是酞菁络合物。此时，酞菁络合物的中心金属，可以是锌、铁、锡、铜中的任一者。前述色素A，可以含有卟啉。前述色素A，可以是具有作为固定基团的羧基的有机色素。此时，羧基可以是氰基丙烯酸酯。在前述色素A和前述色素B中的至少一者中，供电子基团与受电子基团之间既可以直接进行连接也可以通过连接基团进行连接。此时，连接基团可以是N-烷基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种色素敏化太阳能电池，其包括保持有光敏色素的半导体层、电解质层、以及一对的电极，其特征在于，所述光敏色素，包含：具有作为与所述半导体层的固定基团的羧基或膦酰基的色素A；以及具有作为与所述半导体层的固定基团的含氮芳香族杂环式化合物的色素B。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.29 JP 2011-1666641.一种色素敏化太阳能电池，其包括保持有光敏色素的半导体层、电解质层、以及一对的电极，其特征在于，所述光敏色素，包含：具有羧基或膦酰基的色素A；以及具有含氮芳香族杂环式化合物的色素B，并且，所述羧基或所述膦酰基是所述色素A与所述半导体层的布朗斯特酸基位点进行结合的固定基团，并且，所述含氮芳香族杂环式化合物是所述色素B与所述半导体层的路易斯酸基位点进行结合的固定基团。2.如权利要求1所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于，所述含氮芳香族杂环式化合物含有吡啶基、哒嗪基、嘧啶基、1,3,5-三嗪基、咪唑基、吡唑基、噻唑基、噻二唑基、三唑基、1,8-二氮杂萘基、嘌呤基中的至少一者。3.如权利要求1所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于，所述色素B的固定基团兼作受电子基团。4.如权利要求1～3中任一项所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于，所述色素A是多吡啶基络合物。5.如权利要求4所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于，所述多吡啶基络合物所用的金属是钌或者锇。6.如权利要求1～3中任一项所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于，所述色素A是酞菁络合物。7.如权利要求6所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于，所述酞菁络合物的中心金属是锌、铁、锡、铜中的任一者。8.如权利要求1～3中任一项所述的色素敏化太阳能电池，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴山直之，阿部正宏，
申请(专利权)人：凸版印刷株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP