光吸收材料和光電轉換元件的製作方法

2023-12-03 07:47:36

專利名稱：光吸收材料和光電轉換元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及適用於太陽能電池等光電轉換元件的光吸收材料以及具備該光吸收材料的光電轉換元件。
背景技術：
太陽能電池等光電轉換元件作為綠色能源而非常受期待，pn接合型矽系太陽能電池已經實用化。但是，為了製造矽系太陽能電池需要高純度的原材料，另外，在製造矽系太陽能電池時需要1000°c左右的高溫工藝、真空工藝。因此，光電轉換元件製造成本的降低是很大的課題。在這種狀況下，近年來，集中關注由固液界面產生的電位梯度而發生電荷分離的溼式太陽能電池。對於溼式太陽能電池，高純度的原材料的必要性、高能工藝的必要性低於矽系太陽能電池。尤其是近年，廣泛進行與具備擔載有吸收光的增感色素的半導體電極的、所謂的色素增感太陽能電池相關的研究。對於色素增感太陽能電池，增感色素吸收較半導體電極的帶隙為長波長的可見光，由此生成的光激發電子被注入到半導體電極中，從而提高光電轉換效率。以往的色素增感太陽能電池中，僅單層擔載於半導體電極表面的增感色素向半導體電極注入電子。對此，如特許第2664194號公報所述，GrMtzel等提出了通過使用多孔的氧化鈦電極作為半導體電極，使增感色素擔載於該氧化鈦電極上，從而顯著增大增感色素與氧化鈦電極間的界面面積。多孔的氧化鈦電極通過溶膠 凝膠法來製造。該氧化鈦電極的孔隙率約為50%左右，具有實際表面積非常大的納米多孔性結構。例如，如果該氧化鈦電極的厚度為8μπι，則氧化鈦電極的粗糙度係數(實際表面積與投影面積的比例)達到約 720。該氧化鈦電極的增感色素擔載量以幾何學計算時達到1.2Xl(Tm0l/Cm2，實際上在最大吸收波長可吸收入射光的約98%。這個也被稱為GrMtzel電池的新型色素增感太陽能電池的重要特徵是通過上述氧化鈦電極的多孔化從而飛躍性地增大了增感色素的擔載量，而且開發出太陽光的吸收效率高且電子注入半導體的速度很快的增感色素。GrMtzel等開發出雙(聯吡啶)Ru(n)配合物作為用於色素增感太陽能電池的增感色素。該RU配合物具有順式_)(2雙0，2』_聯吡啶-4，4』_ 二羧酸)Ru(II)的結構。X 是C1-、CN-、SCN-。對於這些增感色素，進行了與螢光吸收、可見光吸收、電化學行為以及光氧化還原行為相關的系統性研究。在這些增感色素中，順式_( 二異氰酸酯)_雙0，2』_聯吡啶-4，4』 - 二羧酸)Ru (II)顯示出作為用於色素增感太陽能電池的增感色素具有格外優異的性能。該增感色素的可見光吸收是基於從金屬向配位體的電荷移動遷移。通過增感色素中的配位體羧基與氧化鈦電極表面的Ti離子直接配位，從而在增感色素和氧化鈦電極之間產生緊密的電子的接觸。通過該電子的接觸，從而電子從增感色素向氧化鈦導帶的注入
3以1皮秒以下的極快速度發生、增感色素對注入到該氧化鈦導帶中的電子的再捕獲以微秒級的速度發生。該速度差是產生光激發電子移動的方向性、以極高效率產生電荷分離的原因。這樣，這就是與通過pn接合面的電位梯度而產生電荷分離的pn接合型太陽能電池的區別，是GrMtzel電池的本質特徵。在色素增感型的光電轉換元件中，使用Ru配合物、部花青等作為增感色素(參照專利文獻1)。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 特許第408(^88號公報

發明內容
但是，色素增感型的光電轉換元件的性能不及以往的矽太陽能電池，是不充分的。 作為其原因，可舉出因光照射而分離的電荷的複合。即，可舉出氧化鈦電極中的光激發電子與增感色素反應、或該光激發電子與應當還原增感色素的電荷輸送層中的空穴反應，因而電荷無法被取出到外部。對於上述Ru配合物、部花青色素，在其化學結構內存在起到給出電子的功能的供體部位、起到接受電子的作用的受體部位，雖然通過使用這些色素抑制了電荷的複合，但是不充分。本發明鑑於上述問題而完成，目的在於提供通過應用於光電轉換元件而能發揮高光電轉換效率的光吸收材料以及具備該光吸收材料的光電轉換元件。本發明的光吸收材料具有下述式(1)表示的結構。X-Y ... (1)X表示光吸收部位，Y表示在氧化狀態或還原狀態中的至少一種狀態下為自由基且能重複氧化還原的自由基部位。在本發明中，所述式⑴中的Y可以是X的電子供體。在本發明中，所述式(1)中的Y可以是硝基氧自由基。在本發明中，所述式(1)中的Y可以是X的電子受體。在本發明中，所述式⑴中的Y可包含聯吡啶錙基、具有取代基的聯吡啶錫基、加爾萬氧基自由基和具有取代基的加爾萬氧基自由基中的任一種。在本發明中，所述式(1)中的X可具有下述通式(A) (C)中任一通式表示的結構。
權利要求
1.一種光吸收材料，其具有下述式(1)表示的結構， X-Y …(1)X表示光吸收部位，Y表示在氧化狀態或還原狀態中的至少一種狀態下為自由基且能重複氧化還原的自由基部位。
2.如權利要求1所述的光吸收材料，其中，所述式(1)中的Y是X的電子供體。
3.如權利要求2所述的光吸收材料，其中，所述式(1)中的Y是硝基氧自由基。
4.如權利要求1所述的光吸收材料，其中，所述式(1)中的Y是X的電子受體。
5.如權利要求4所述的光吸收材料，其中，所述式(1)中的Y包含聯吡啶錫基、具有取代基的聯吡啶鐠基、加爾萬氧基自由基以及具有取代基的加爾萬氧基自由基中的任一種。
6.如權利要求4所述的光吸收材料，其中，所述式(1)中的X具有下述通式(A) (C) 中任一通式表示的結構，P
7. 一種光電轉換元件，其具備權利要求1所述的光吸收材料、電子輸送層、和空穴輸送層。
全文摘要
本發明提供通過應用於光電轉換元件而能發揮高光電轉換效率的光吸收材料。本發明的光吸收材料具有下述式(1)表示的結構。X-Y …(1)X表示光吸收部位，Y表示在氧化狀態和還原狀態中的至少一種狀態下為自由基且能重複氧化還原的自由基部位。
文檔編號C09B47/00GK102439092SQ20108002214
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月21日 優先權日2009年5月22日
發明者關口隆史, 加藤文昭, 小柳津研一, 山木健之, 神戶伸吾(已逝), 西出宏之, 鈴鹿理生 申請人:學校法人早稻田大學, 松下電工株式會社