[发明专利]色素增感型太阳能电池用色素、半导体电极及色素增感型太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及色素增感型太阳能电池用色素、半导体电极及色素增感型太阳能电池。

背景技术

大量化石燃料的使用引起的二氧化碳浓度增加所致的地球温室化、以及伴随人口增加的能量需求的增大已被认识为与人类存亡相关的问题。因此，近年来用心研究无限且不产生有害物质的太阳光的利用。作为该绿色能源即太阳光的利用，目前实用化的是住宅用的单晶硅、多晶硅、非晶硅及碲化镉或硒化铟铜等无机系太阳能电池。

然而，上述无机系太阳能电池也有缺点。例如对于硅系而言，要求非常高的纯度，自然提纯工序复杂且加工量大、制造成本高。此外还有轻量化等的要求，特别是在用户回收成本长的方面不利，在普及上存在问题。

另另一方面面，也大量提出了使用有机材料的太阳能电池。作为有机太阳能电池，包括使p型有机半导体与功函小的金属接合的Schottky型光电转换元件、p型有机半导体与n型无机半导体、或使p型有机半导体与受电子性有机化合物接合的异质结型光电转换元件等，所利用的有机半导体为叶绿素、二萘嵌苯等合成色素或颜料、聚乙炔等导电性高分子材料、或它们的复合材料等。将它们通过真空蒸镀法、流延法或浸渍法等薄膜化而构成电池材料。有机材料虽具有低成本、容易大面积化等优点，但光电转换效率低，多为1%以下，而且还存在耐久性差的问题。

鉴于上述状况，瑞士的Gr?tzel博士等报道了显示良好特性的太阳能电池（例如，参照非专利文献1）。该文献中，公开了制作电池所需的材料及制造技术。该太阳能电池被称为色素增感型太阳能电池或Gr?tzel型太阳能电池，是以经钌（Ru）络合物分光增感的氧化钛多孔薄膜为工作电极的湿式太阳能电池。该方式的优点是氧化钛等廉价的半导体不必提纯至高纯度，因而与前述无机系太阳能电池相比可降低制造成本，而且由于可利用的光宽泛地包括可见光区域，故可将可见光区域的能量强度高的太阳光有效地转换为电。

然而，由于使用存在资源性制约的贵金属Ru，故在色素增感型太阳能电池实用化时，Ru络合物的稳定供给可能产生问题。此外，由于该资源性制约，Ru络合物本身就昂贵，大量制造时还可能产生成本方面的问题。为了解决这类问题，以将Ru络合物的至少一部分改变为更廉价的有机色素为目的，提出了各种方案。作为其实例，公开了各种份菁色素、菁色素、9－苯基呫吨系色素、香豆素系色素等，它们在光电转换效率上要比Ru络合物差得多。此外，还在对半导体的吸附稳定性上存在问题，大都缺乏实用性（例如，参照专利文献1～4）。

最近，作为色素增感型太阳能电池用色素，公开了具有匹敌于Ru络合物的光电转换效率的有机色素（例如，参照专利文献5、6及11）。该有机色素是分类为份菁色素的化合物。份菁色素具有用共轭双键连结具有供电子性取代基的单元（以下，称为“供电子单元”）与具有受电子性取代基的单元（以下，称为“受电子单元”）的结构。将份菁色素作为色素增感型太阳能电池用色素使用时，通常在受电子单元上导入促进与半导体的吸附性的酸性基团。但是，对于专利文献5、6及11中记载的有机色素而言，从实用性见地来看，该吸附性并不充分。因此，在色素增感型太阳能电池经时保存时，大都具有色素再溶解于电解液中的问题。

公开了通过改良对半导体的吸附稳定性，而解决该再溶解的问题，提高经时稳定性（耐久性）的尝试（例如，参照专利文献7～10、12）。

专利文献7中，通过在供电子单元部分结合两分子份菁色素、形成色素二聚体，而改良吸附稳定性。但是，色素二聚体在有机溶剂中的溶解性非常低、难以提纯色素，此外，光电转换效率也不充分。

专利文献8中，提出了在受电子单元的特定位置具有两个促进吸附性的酸性基团的份菁色素，但具有两个酸性基团的受电子单元的合成烦杂、难以大量制造。

专利文献9中，提出了在供电子单元与受电子单元两者上各具有一个促进吸附性的酸性基团的份菁色素。但是，由于供电子性取代基的附近共存酸性基团，故从光激发的份菁色素向半导体注入电子的效率降低，光电转换效率不充分。

专利文献10中，提出了对1个供电子单元结合两个受电子单元的份菁色素。但是，由于分子的对称性低、从光激发的份菁色素向半导体注入电子的效率降低，故存在光电转换效率不太高的缺点。

专利文献12中，通过在受电子单元的部分结合两分子份菁色素、形成色素二聚体来改良吸附稳定性。该色素二聚体虽然对半导体的吸附稳定性和光电转换效率两者均良好，但色素中间体的合成非常烦杂，难以大量制造色素。

所以，从制造更实用的太阳能电池的观点出发，对于光电转换效率、耐久性及制造的简便性要求进一步改良。