JP4649022B2 - 光電変換素子および光電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は色素で増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子およびこれを用いた光電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽発電は、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、テルル化カドミウムやセレン化インジウム銅等の化合物太陽光電池が実用化もしくは主な研究開発の対象となっている。しかし、普及させる上で製造コスト、原材料確保、エネルギーペイバックタイムが長い等の問題点を克服する必要がある。
一方、大面積化や低価格化を指向した有機材料を用いた太陽電池もこれまでにも多く提案されているが、変換効率が低く、耐久性も悪いという問題があった。
こうした状況の中で、Nature（第353巻、第737〜740頁、1991年）および米国特許4927721号等に、色素によって増感された半導体微粒子を用いた光電変換素子および太陽電池、ならびにこれを作成するための材料および製造技術が開示された。提案された電池は、ルテニウム錯体によって分光増感された二酸化チタン多孔質薄膜を作用電極とする湿式太陽電池である。
この方式の第一の利点は二酸化チタン等の安価な酸化物半導体を高純度に精製することなく用いることができるため、安価な光電変換素子を提供できる点である。
第二の利点は用いられる色素の吸収がブロードなため、可視光線のほぼ全波長領域の光を電気に変換できることである。
しかし、取り出し電圧が十分に得られないという問題があった。これは、電極から電荷輸送材料へ、光の照射とは関係なく逆電流が流れることに起因しており、この逆電流を十分に防止する手段はなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光の照射の有無に関わらず流れる逆電流を防止することにより、光電変換効率を高めた光電変換素子を提供することにある。
本発明の他の目的は、このような光電変換素子をフレキシブルな基板を用いて提供することにある。
本発明のさらなる目的は、光電変換効率が高められたフレキシブルな光電池を提供することにある。
【０００４】
本発明によれば、下記構成の光電変換素子および光電池が提供されて、本発明の上記目的が達成される。
〔１〕
導電層、色素により増感した半導体を含む感光層、電荷輸送層、および対極を有する光電変換素子において、感光層と導電層との間に、該感光層を構成する半導体より、その伝導帯下端電位がより卑なる半導体からなる層を有することを特徴とする光電変換素子。
〔２〕
感光層を構成する半導体が酸化チタンであり、かつ伝導帯下端電位がより卑なる半導体が酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブまたは酸化亜鉛であることを特徴とする〔１〕に記載の光電変換素子。
〔３〕
感光層を構成する半導体が、酸化亜鉛、酸化錫および酸化タングステンから選択される少なくとも１種であり、かつ伝導帯下端電位がより卑なる半導体が、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、酸化亜鉛または酸化チタンであることを特徴とする〔１〕に記載の光電変換素子。
〔４〕
電荷輸送層が溶融塩電解質またはホール輸送材料を含有することを特徴とする〔１〕〜〔３〕のいずれか一項に記載の光電変換素子。
〔５〕
前記溶融塩電解質が、下記式（Y-a）で表される溶融塩電解質であることを特徴とする〔４〕に記載の光電変換素子。
【化１】

（一般式（Y-a）中、Qｙ ₁ は窒素原子と共に５又は６員環の芳香族カチオンを形成しうる原子団を表す。
一般式（Y-a）中のRｙ ₁ は、それぞれ独立に、置換又は無置換のアルキル基、または置換又は無置換のアルケニル基を表す。
一般式（Y-a）中のQｙ ₁ 及びRｙ ₁ は置換基を有していてもよく、置換基としては、ハロゲン原子、シアノ基、アルコキシ基、アリーロキシ基、アルキルチオ基、アルコキシカルボニル基、炭酸エステル基、アシル基、スルホニル基、アシルオキシ基、スルホニルオキシ基、ホスホニル基、アミド基、カルバモイル基、アルキル基、アリール基、複素環基、アルケニル基、シリル基、又はシリルオキシ基である。）
〔６〕
導電層または対極が基板を有し、該基板が高分子フイルム、金属箔、金属板、表面に金属層を設けた高分子フイルム、または表面に金属層を設けたガラス板であることを特徴とする〔１〕〜〔５〕のいずれか一項に記載の光電変換素子。
〔７〕
〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載された光電変換素子を用いることを特徴とする光電池。
【０００５】
【発明の実施の形態】
〔１〕光電変換素子
本発明の光電変換素子は、好ましくは図１に示される概略断面図のように、導電層10、下塗り層60、感光層20、電荷輸送層30、対極導電層40の順に積層し、感光層20を色素22によって増感された半導体微粒子21と当該半導体微粒子21の間の空隙に浸透した電荷輸送材料23とから構成する（すなわち、色素によって増感された半導体微粒子層の空隙に電荷輸送材料を浸透させて構成する）。電荷輸送材料23は、電荷輸送層30に用いる材料と同じ成分からなる。また光電変換素子に強度を付与するため、導電層10および／または対極導電層40の下地として、基板50を設けてもよい。以下本発明では、導電層10および任意で設ける基板50からなる層を「導電性支持体」、対極導電層40および任意で設ける基板50からなる層を「対極」と呼ぶ。なお、図1中の導電層10、対極導電層40、基板50は、それぞれ透明導電層10a、透明対極導電層40a、透明基板50aであっても良い。この光電変換素子を外部負荷に接続して電気的仕事をさせる目的（発電）で作られたものが光電池であり、光学的情報のセンシングを目的に作られたものが光センサーである。光電池のうち、電荷輸送材料23が主としてイオン輸送材料からなる場合を特に光電気化学電池と呼び、また、太陽光による発電を主目的とする場合を太陽電池と呼ぶ。
【０００６】
図１に示す本発明の光電変換素子において、半導体微粒子がｎ型である場合、色素22により増感された半導体微粒子21を含む感光層20に入射した光は色素22等を励起し、励起された色素22等中の高エネルギーの電子が半導体微粒子21の伝導帯に渡され、さらに拡散により導電層10に到達する。このとき色素22等の分子は酸化体となっている。光電池においては、導電層10中の電子が外部回路で仕事をしながら対極導電層40および電荷輸送層30を経て色素22等の酸化体に戻り、色素22が再生する。感光層20は負極（光アノード）として働き、対極40は正極として働く。それぞれの層の境界（例えば導電層10と感光層20との境界、感光層20と電荷輸送層30との境界、電荷輸送層30と対極導電層40との境界等）では、各層の構成成分同士が相互に拡散混合していてもよい。以下各層について詳細に説明する。
【０００７】
（Ａ）下塗り層
本発明は、下塗り層に、すなわち、感光層（半導体微粒子層）と電極（導電層）との間に位置する層に、色素増感半導体の伝導帯下端電位より卑なる伝導帯下端電位を持つ半導体を用いることにより、電極から電荷輸送材料への電子移動がより電位を掛けないと起こらなくなるため、光照射時の逆電流が少なく、見かけの順方向の電子移動が多くなり、高い光電変換効率を得られるようにしたものである。
本発明に言う半導体の伝導帯下端電位とは、実際に光電変換素子に用いる半導体微粒子におけるそれであり、この電位は大きな結晶における値と異なる場合がある。感光層に用いる半導体微粒子と下塗り層に用いる半導体とでは、同じ組成であっても伝導帯下端電位が異なる場合がある。作り方によっても異なるが、一般的には下塗り層の半導体の方が、感光層の半導体微粒子より伝導帯下端電位が高い傾向にある。特に、下塗り層をスプレーパイロリシス法や、焼結により形成し、結晶性を上げると、その傾向が顕著である。スプレーパイロリシスは例えば、(株)メイク製のＳＰＤ薄膜形成装置のような装置で作製することができる。
色増感半導体微粒子層を構成する半導体が酸化チタンの場合、下塗り層に使用する半導体としては、好ましくは、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブもしくは酸化亜鉛であり、より好ましくは、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブである。色増感半導体微粒子層を構成する半導体が酸化亜鉛、酸化錫および／または酸化タングステンの場合、下塗り層に使用する半導体は、好ましくは、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、酸化亜鉛もしくは酸化チタンであり、より好ましくは、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、酸化亜鉛である。
【０００８】
下塗り層は、例えばElectrochim. Acta 40, 643-652(1995)に記載されているスプレーパイロリシス法の他、スパッタ法等により塗設することができる。下塗り層の好ましい膜厚は5〜1000nm以下であり、10〜500nmがさらに好ましい。
【０００９】
この下塗り層の半導体の効果は、電荷輸送材料の種類によってその効果の大きさが異なる。すなわち、電荷輸送材料が従来の湿式電解質（いわゆる電解液）の場合に比べ、溶融塩型電解質の方が効果が大きく、さらにホール輸送材料、特に１価の銅を含むＰ型半導体の場合その効果が顕著である。これは、前述した電極から電荷輸送材料への逆電子移動が多いものほど効果が大きいためと考えられる。
また、この効果は、支持体がフレキシビリティーを持つものである場合、効果が顕著であり、例えば、導電層および／または対極に使用する支持体が、200μｍ以下の厚みの導電性高分子フイルム、60μｍ以下の厚みの金属の場合、効果が顕著である。これは、支持体の変形に基づき、感光半導体微粒子層でミクロな破壊が起こった場合、そのことにより電極と電荷輸送材料とが接する機会が増えることに対応しているものと思われる。さらに、本発明の下塗り層の効果は、電極の導電性物質が、酸化物半導体（ドープしたものを含む）より、金属である場合の方が効果が顕著であった。
【００１０】
（Ｂ）導電性支持体
導電性支持体は、（１）導電層の単層、または（２）導電層および基板の２層からなる。（１）の場合は、導電層として強度や密封性が十分に保たれるような材料が使用され、例えば、金属材料（白金、金、銀、銅、亜鉛、チタン、アルミニウム等またはこれらを含む合金）を用いることができる。（２）の場合、感光層側に導電剤を含む導電層を有する基板を使用することができる。好ましい導電剤としては金属（例えば白金、金、銀、銅、亜鉛、チタン、アルミニウム、インジウム等またはこれらを含む合金）、炭素、または導電性金属酸化物（インジウム−スズ複合酸化物、酸化スズにフッ素またはアンチモンをドープしたもの等）が挙げられる。導電層の厚さは0.02〜10μm程度が好ましい。
【００１１】
導電性支持体は表面抵抗が低い程よい。好ましい表面抵抗の範囲は50Ω／□以下であり、さらに好ましくは20Ω／□以下である。
【００１２】
導電性支持体側から光を照射する場合には、導電性支持体は実質的に透明であるのが好ましい。実質的に透明であるとは、可視〜近赤外領域（400〜1200nm）の光の一部または全域において透過率が10％以上であることを意味し、50％以上であるのが好ましく、80％以上がより好ましい。特に、感光層が感度を有する波長域の透過率が高いことが好ましい。
【００１３】
透明導電性支持体としては、ガラスまたはプラスチック等の透明基板の表面に導電性金属酸化物からなる透明導電層を塗布または蒸着等により形成したものが好ましい。透明導電層として好ましいものは、フッ素もしくはアンチモンをドーピングした二酸化スズあるいはインジウム−スズ酸化物（ITO）である。透明基板には低コストと強度の点で有利なソーダガラス、アルカリ溶出の影響のない無アルカリガラスなどのガラス基板のほか、透明ポリマーフィルムを用いることができる。透明ポリマーフィルムの材料としては、トリアセチルセルロース（TAC）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、シンジオタクチックポリステレン（SPS）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリカーボネート（PC）、ポリアリレート（PAr）、ポリスルフォン（PSF）、ポリエステルスルフォン（PES）、ポリイミド（PI）、ポリエーテルイミド（PEI）、環状ポリオレフィン、ブロム化フェノキシ等がある。十分な透明性を確保するために、導電性金属酸化物の塗布量はガラスまたはプラスチックの支持体１m²当たり0.01〜100ｇとするのが好ましい。
【００１４】
透明導電性支持体の抵抗を下げる目的で金属リードを用いるのが好ましい。金属リードの材質は白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、等の金属が好ましい。金属リードは透明基板に蒸着、スパッタリング等で設置し、その上に導電性の酸化スズまたはITO膜からなる透明導電層を設けるのが好ましい。金属リード設置による入射光量の低下は、好ましくは１０％以内、より好ましくは１〜５％とする。
【００１５】
（Ｃ）感光層
感光層において、半導体は感光体として作用し、光を吸収して電荷分離を行い、電子と正孔を生ずる。色素増感された半導体では、光吸収およびこれによる電子および正孔の発生は主として色素において起こり、半導体微粒子はこの電子（または正孔）を受け取り、伝達する役割を担う。本発明で用いる半導体は、光励起下で伝導体電子がキャリアーとなり、アノード電流を与えるｎ型半導体であることが好ましい。
【００１６】
（１）半導体
半導体としては、シリコン、ゲルマニウムのような単体半導体、III-Ｖ系化合物半導体、金属のカルコゲナイド（例えば酸化物、硫化物、セレン化物、またはそれらの複合物等）、またはペロブスカイト構造を有する化合物（例えばチタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム等）等を使用することができる。
【００１７】
好ましい金属のカルコゲナイドとして、チタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、またはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモンまたはビスマスの硫化物、カドミウムまたは鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム等のリン化物、ガリウム−ヒ素または銅−インジウムのセレン化物、銅−インジウムの硫化物等が挙げられる。さらには、ＭxＯyＳzまたはＭ₁xＭ₂yＯz (Ｍ、Ｍ₁およびＭ₂はそれぞれ金属元素、Ｏは酸素、x、y、zは価数が中性になる組み合わせの数)の様な複合物も好ましく用いることができる。
【００１８】
感光層に用いる半導体の好ましい具体例は、Si、TiO₂、SnO₂、Fe₂O₃、WO₃、ZnO、Nb₂O₅、CdS、ZnS、PbS、Bi₂S₃、CdSe、CdTe、SrTiO₃、GaP、InP、GaAs、CuInS₂、CuInSe₂等であり、より好ましくはTiO₂、ZnO、SnO₂、Fe₂O₃、WO₃、Nb₂O₅、CdS、PbS、CdSe、SrTiO₃、InP、GaAs、CuInS₂またはCuInSe₂であり、特に好ましくはTiO₂またはNb₂O₅であり、最も好ましくはTiO₂である。TiO₂はアナターゼ型結晶を70％以上含むTiO₂が好ましく、特に好ましくは100％アナターゼ型結晶のTiO₂である。また、これらの半導体中の電子電導性を上げる目的で金属をドープすることも有効である。ドープする金属としては２価、３価の金属が好ましい。半導体から電荷輸送層へ逆電流が流れるのを防止する目的で、半導体に１価の金属をドープすることも有効である。
【００１９】
感光層に用いる半導体は、製造コスト、原材料確保、エネルギーペイバックタイム等の観点からは多結晶が好ましく、半導体微粒子からなる多孔質膜が特に好ましい。また、一部アモルファス部分を含んでいてもよい。
【００２０】
半導体微粒子の粒径は一般にnm〜μmのオーダーであるが、投影面積を円に換算したときの直径から求めた一次粒子の平均粒径は５〜200nmであるのが好ましく、８〜100nmがより好ましい。また分散液中の半導体微粒子（二次粒子）の平均粒径は0.01〜30μｍが好ましい。粒径分布の異なる２種類以上の微粒子を混合してもよく、この場合小さい粒子の平均サイズは25nm以下であるのが好ましく、より好ましくは10nm以下である。入射光を散乱させて光捕獲率を向上させる目的で、粒径の大きな、例えば100nm以上、300nm程度の半導体粒子を混合することも好ましい。
【００２１】
半導体微粒子の種類も異なる２種以上の混合であってもよい。２種以上の半導体微粒子を混合して使用する場合、１種はTiO₂、ZnO、Nb₂O₅もしくはSrTiO₃であることが好ましい。またもう１種としてはSnO₂、Fe₂O₃、WO₃であることが好ましい。さらに好ましい組み合わせとしては、ZnOとSnO₂、ZnOとWO₃またはZnO、SnO₂とWO₃などの組み合わせを挙げることができる。２種以上の半導体微粒子を混合して用いる場合、それぞれの粒径が異なっていても良い。特に上記１種目で挙げた半導体微粒子の粒径が大きく、２種目以降で挙げた半導体微粒子が小さい組み合わせが好ましい。好ましくは大きい粒径の粒子が100nm以上で、小さい粒径の粒子が15nm以下の組み合わせである。
【００２２】
半導体微粒子の作製法としては、作花済夫の「ゾル−ゲル法の科学」アグネ承風社（1998年）、技術情報協会の「ゾル−ゲル法による薄膜コーティング技術」（1995年）等に記載のゾル−ゲル法、杉本忠夫の「新合成法ゲル−ゾル法による単分散粒子の合成とサイズ形態制御」、まてりあ，第35巻，第９号，1012〜1018頁（1996年）に記載のゲル−ゾル法が好ましい。またDegussa社が開発した塩化物を酸水素塩中で高温加水分解により酸化物を作製する方法も好ましい。
【００２３】
半導体微粒子が酸化チタンの場合、上記ゾル-ゲル法、塩化物の酸水素塩中での高温加水分解法はいずれも好ましいが、さらに清野学の「酸化チタン 物性と応用技術」技報堂出版（1997年）に記載の硫酸法および塩素法を用いることもできる。さらにゾル−ゲル法として、Barbeらのジャーナル・オブ・アメリカン・セラミック・ソサエティー，第80巻，第12号，3157〜3171頁（1997年）に記載の方法や、Burnsideらのケミストリー・オブ・マテリアルズ，第10巻，第９号，2419〜2425頁に記載の方法も好ましい。
【００２４】
（２）半導体微粒子層
半導体微粒子を導電性支持体上に塗布するには、半導体微粒子の分散液またはコロイド溶液を導電性支持体上に塗布する方法の他に、前述のゾル−ゲル法等を使用することもできる。光電変換素子の量産化、半導体微粒子液の物性、導電性支持体の融通性等を考慮した場合、湿式の製膜方法が比較的有利である。湿式の製膜方法としては、塗布法、印刷法、電解析出法および電着法が代表的である。また、金属を酸化する方法、金属溶液から配位子交換等で液相にて析出させる方法(LPD法)、スパッタ等で蒸着する方法、CVD法、あるいは加温した基板上に熱分解する金属酸化物プレカーサーを吹き付けて金属酸化物を形成するSPD法を利用することもできる。
【００２５】
半導体微粒子の分散液を作製する方法としては、前述のゾル−ゲル法の他に、乳鉢ですり潰す方法、ミルを使って粉砕しながら分散する方法、あるいは半導体を合成する際に溶媒中で微粒子として析出させそのまま使用する方法等が挙げられる。
【００２６】
分散媒としては、水または各種の有機溶媒（例えばメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、シトロネロール、ターピネオール、ジクロロメタン、アセトン、アセトニトリル、酢酸エチル等）が挙げられる。分散の際、必要に応じて例えばポリエチレングリコール、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのようなポリマー、界面活性剤、酸、またはキレート剤等を分散助剤として用いてもよい。ポリエチレングリコールの分子量を変えることで、分散液の粘度が調節可能となり、さらに剥がれにくい半導体層を形成したり、半導体層の空隙率をコントロールできるので、ポリエチレングリコールを添加することは好ましい。
【００２７】
塗布方法としては、アプリケーション系としてローラ法、ディップ法等、メータリング系としてエアーナイフ法、ブレード法等、またアプリケーションとメータリングを同一部分にできるものとして、特公昭58-4589号に開示されているワイヤーバー法、米国特許2681294号、同2761419号、同2761791号等に記載のスライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法等が好ましい。また汎用機としてスピン法やスプレー法も好ましい。湿式印刷方法としては、凸版、オフセットおよびグラビアの３大印刷法をはじめ、凹版、ゴム版、スクリーン印刷等が好ましい。これらの中から、液粘度やウェット厚さに応じて、好ましい製膜方法を選択する。
【００２８】
半導体微粒子の層は単層に限らず、粒径の違った半導体微粒子の分散液を多層塗布したり、種類が異なる半導体微粒子（あるいは異なるバインダー、添加剤）を含有する塗布層を多層塗布したりすることもできる。一度の塗布で膜厚が不足の場合にも多層塗布は有効である。
【００２９】
一般に半導体微粒子層の厚さ（感光層の厚さと同じ）が厚くなるほど単位投影面積当たりの担持色素量が増えるため、光の捕獲率が高くなるが、生成した電子の拡散距離が増すため電荷再結合によるロスも大きくなる。したがって、半導体微粒子層の好ましい厚さは0.1〜100μmである。光電池に用いる場合、半導体微粒子層の厚さは１〜30μmが好ましく、２〜25μmがより好ましい。半導体微粒子の支持体１ｍ²当たり塗布量は0.5〜100ｇが好ましく、３〜50ｇがより好ましい。
【００３０】
半導体微粒子を導電性支持体上に塗布した後で半導体微粒子同士を電子的に接触させるとともに、塗膜強度の向上や支持体との密着性を向上させるために、加熱処理するのが好ましい。好ましい加熱温度の範囲は40℃〜700℃であり、より好ましくは100℃〜600℃ある。また加熱時間は10分〜10時間程度である。ポリマーフィルムのように融点や軟化点の低い支持体を用いる場合、高温処理は支持体の劣化を招くため、好ましくない。またコストの観点からもできる限り低温（例えば50℃〜350℃）であるのが好ましい。低温化は、５nm以下の小さい半導体微粒子や鉱酸、金属酸化物プレカーサーの存在下での加熱処理等により可能となり、また、紫外線、赤外線、マイクロ波等の照射や電界、超音波を印加することにより行うこともできる。同時に不要な有機物等を除去する目的で、上記の照射や印加のほか加熱、減圧、酸素プラズマ処理、純水洗浄、溶剤洗浄、ガス洗浄等を適宜組み合わせて併用することが好ましい。
【００３１】
加熱処理後、半導体微粒子の表面積を増大させたり、半導体微粒子近傍の純度を高め、色素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水溶液を用いた化学メッキ処理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ってもよい。
また、半導体微粒子から電荷輸送層へ逆電流が流れるのを防止する目的で、粒子表面に色素以外の電子電導性の低い有機物を吸着させることも有効である。吸着させる有機物としては疎水性基を持つ物が好ましい。
【００３２】
半導体微粒子層は、多くの色素を吸着することができるように大きい表面積を有することが好ましい。半導体微粒子の層を支持体上に塗布した状態での表面積は、投影面積に対して10倍以上であるのが好ましく、さらに100倍以上であるのが好ましい。この上限は特に制限はないが、通常1000倍程度である。
【００３３】
（３）色素
感光層に用いる増感色素は、可視域や近赤外域に吸収を有し、半導体を増感しうる化合物なら任意に用いることができるが、有機金属錯体色素、メチン色素、ポルフィリン系色素またはフタロシアニン系色素が好ましい。また、光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ変換効率を上げるため、二種類以上の色素を併用または混合することができる。この場合、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように、併用または混合する色素とその割合を選ぶことができる。
【００３４】
こうした色素は半導体微粒子の表面に対して吸着能力の有る適当な結合基（interlocking group）を有しているのが好ましい。好ましい結合基としては、COOH基、OH基、SO₃H基、-P(O)(OH)₂基または-OP(O)(OH)₂基のような酸性基、あるいはオキシム、ジオキシム、ヒドロキシキノリン、サリチレートまたはα-ケトエノレートのようなπ伝導性を有するキレート化基が挙げられる。なかでもCOOH基、-P(O)(OH)₂基または-OP(O)(OH)₂基が特に好ましい。これらの基はアルカリ金属等と塩を形成していてもよく、また分子内塩を形成していてもよい。またポリメチン色素の場合、メチン鎖がスクアリリウム環やクロコニウム環を形成する場合のように酸性基を含有するなら、この部分を結合基としてもよい。
【００３５】
以下、感光層に用いる好ましい増感色素を具体的に説明する。
（ａ）有機金属錯体色素
色素が金属錯体色素である場合、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素またはルテニウム錯体色素が好ましく、ルテニウム錯体色素が特に好ましい。ルテニウム錯体色素としては、例えば米国特許4927721号、同4684537号、同5084365号、同5350644号、同5463057号、同5525440号、特開平7-249790号、特表平10-504512号、国際公開WO98/50393号、特開2000-26487号等に記載の錯体色素が挙げられる。
【００３６】
さらに本発明で用いるルテニウム錯体色素は下記一般式（Ｉ）：
(A１)pRu(B-a)(B-b)(B-c) ・・・一般式（Ｉ）
により表されるのが好ましい。一般式（Ｉ）中、A１は、１座または２座の配位子を表し、Cl、SCN、H₂O、Br、I、CN、NCO、SeCN、β−ジケトン類、シュウ酸およびジチオカルバミン酸の誘導体からなる群から選ばれた配位子が好ましい。pは０〜３の整数である。B-a、B-bおよびB-cはそれぞれ独立に下記式B-1〜B-10：
【００３７】
【化１】

【００３８】
（上記式中、Rａは、水素原子または置換基を表す。置換基としては、たとえば、ハロゲン原子、炭素数１〜12の置換または無置換のアルキル基、炭素原子数７〜12の置換または無置換のアラルキル基、炭素数６〜12の置換または無置換のアリール基、あるいは前述の酸性基（これらの酸性基は塩を形成していてもよい）やキレート化基が挙げられ、アルキル基およびアラルキル基のアルキル部分は直鎖状でも分岐状でもよく、またアリール基およびアラルキル基のアリール部分は単環でも多環（縮合環、環集合）でもよい。）
で表される化合物から選ばれた有機配位子を表す。B-a、B-bおよびB-cは同一でも異なっていてもよく、またこれらの内のいずれか１つまたは２つのみが存在するだけでもよい。
【００３９】
有機金属錯体色素の好ましい具体例を以下に示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４０】
【化２】

【００４１】
【化３】

【００４２】
【化４】

【００４３】
（ｂ）メチン色素
本発明に使用する色素の好ましいメチン色素は、シアニン色素、メロシアニン色素、スクワリリウム色素などのポリメチン色素である。本発明で好ましく用いられるポリメチン色素の例は、特開平１１−３５８３６号、特開平１１−６７２８５号、特開平１１−８６９１６号、特開平１１−９７７２５号、特開平１１−１５８３９５号、特開平１１−１６３３７８号、特開平１１−２１４７３０号、特開平１１−２１４７３１号、特開平１１−２３８９０５号、特開２０００−２６４８７号、欧州特許８９２４１１号、同９１１８４１号および同９９１０９２号の各明細書に記載の色素である。好ましいメチン色素の具体例を下に示す。
【００４４】
【化５】

【００４５】
（４）半導体微粒子への色素の吸着
半導体微粒子に色素を吸着させるには、色素の溶液中に良く乾燥した半導体微粒子層を有する導電性支持体を浸漬するか、色素の溶液を半導体微粒子層に塗布する方法を用いることができる。前者の場合、浸漬法、ディップ法、ローラ法、エアーナイフ法等が使用可能である。浸漬法の場合、色素の吸着は室温で行ってもよいし、特開平7-249790号に記載されているように加熱還流して行ってもよい。また後者の塗布方法としては、ワイヤーバー法、スライドホッパー法、エクストルージョン法、カーテン法、スピン法、スプレー法等がある。
色素を溶解する溶媒として好ましいのは、例えば、アルコール類（メタノール、エタノール、t-ブタノール、ベンジルアルコール等）、ニトリル類（アセトニトリル、プロピオニトリル、3-メトキシプロピオニトリル等）、ニトロメタン、ハロゲン化炭化水素（ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、クロロベンゼン等）、エーテル類（ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等）、ジメチルスルホキシド、アミド類（N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセタミド等）、N-メチルピロリドン、1,3-ジメチルイミダゾリジノン、3-メチルオキサゾリジノン、エステル類（酢酸エチル、酢酸ブチル等）、炭酸エステル類（炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等）、ケトン類（アセトン、2-ブタノン、シクロヘキサノン等）、炭化水素（へキサン、石油エーテル、ベンゼン、トルエン等）やこれらの混合溶媒が挙げられる。
【００４６】
色素の全吸着量は、多孔質半導体電極基板の単位表面積（１ｍ²）当たり0.01〜100mmolが好ましい。また色素の半導体微粒子に対する吸着量は、半導体微粒子１g当たり0.01〜１mmolの範囲であるのが好ましい。このような色素の吸着量とすることにより半導体における増感効果が十分に得られる。これに対し、色素が少なすぎると増感効果が不十分となり、また色素が多すぎると半導体に付着していない色素が浮遊し、増感効果を低減させる原因となる。色素の吸着量を増大させるためには、吸着前に加熱処理を行うのが好ましい。加熱処理後、半導体微粒子表面に水が吸着するのを避けるため、常温に戻さずに、半導体電極基板の温度が60〜150℃の間で素早く色素の吸着操作を行うのが好ましい。また、色素間の凝集などの相互作用を低減する目的で、無色の化合物を色素に添加し、半導体微粒子に共吸着させてもよい。この目的で有効な化合物は界面活性な性質、構造をもった化合物であり、例えば、カルボキシル基を有するステロイド化合物（例えばケノデオキシコール酸）や下記の例のようなスルホン酸塩類が挙げられる。
【００４７】
【化６】

【００４８】
未吸着の色素は、吸着後速やかに洗浄により除去するのが好ましい。湿式洗浄槽を使い、アセトニトリル等の極性溶剤、アルコール系溶剤のような有機溶媒で洗浄を行うのが好ましい。色素を吸着した後にアミン類や４級塩を用いて半導体微粒子の表面を処理してもよい。好ましいアミン類としてはピリジン、4-t-ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられ、好ましい４級塩としてはテトロブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらが液体の場合はそのまま用いてもよいし、有機溶媒に溶解して用いてもよい。
【００４９】
（Ｄ）電荷輸送層
電荷輸送層は、色素の酸化体に電子を補充する機能を有する電荷輸送材料を含有する層である。本発明で用いることのできる代表的な電荷輸送材料の例としては、（ｉ）イオン輸送材料として、酸化還元対のイオンが溶解した溶液（電解液）、酸化還元対の溶液をポリマーマトリクスのゲルに含浸したいわゆるゲル電解質、酸化還元対イオンを含有する溶融塩電解質、さらには固体電解質が挙げられる。また、イオンがかかわる電荷輸送材料のほかに、（ii）固体中のキャリアー移動がかかわる電荷輸送材料として、電子輸送材料や正孔（ホール）輸送材料を用いることもできる。これらの電荷輸送材料は、併用することができる。
【００５０】
（１）溶融塩電解質
溶融塩電解質は、光電変換効率と耐久性の両立という観点から特に好ましい。溶融塩電解質とは、室温において液状であるか、または低融点の電解質であり、例えばWO95/18456号、特開平8-259543号、電気化学，第65巻，11号，923頁（1997年）等に記載されているピリジニウム塩、イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩等の既知の電解質を挙げることができる。１００℃以下、特に室温付近において液状となる溶融塩が好ましい。
【００５１】
好ましく用いることのできる溶融塩としては、下記一般式（Y-a）、（Y-b）及び（Y-c）で表されるものが挙げられる。
【００５２】
【化７】

【００５３】
一般式（Y-a）中、Qｙ₁は窒素原子と共に５又は６員環の芳香族カチオンを形成しうる原子団を表す。Qｙ₁は炭素原子、水素原子、窒素原子、酸素原子及び硫黄原子からなる群から選ばれる１種以上の原子により構成されることが好ましい。
Qｙ₁により形成される５員環は、オキサゾール環、チアゾール環、イミダゾール環、ピラゾール環、イソオキサゾール環、チアジアゾール環、オキサジアゾール環、トリアゾール環、インドール環またはピロール環であるのが好ましく、オキサゾール環、チアゾール環又はイミダゾール環であるのがより好ましく、オキサゾール環又はイミダゾール環であるのが特に好ましい。
Qｙ₁により形成される６員環は、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、ピラジン環又はトリアジン環であるのが好ましく、ピリジン環であるのがより好ましい。
【００５４】
一般式（Y-b）中、Aｙ₁は窒素原子又はリン原子を表す。
【００５５】
一般式（Y-a）、（Y-b）及び（Y-c）中のRｙ₁〜Rｙ₆は、それぞれ独立に、置換又は無置換のアルキル基（好ましくは炭素数１〜24であり、直鎖状、分岐状あるいは環状であってもよく、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2-エチルヘキシル基、t-オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、2-ヘキシルデシル基、オクタデシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチル基等）、または置換又は無置換のアルケニル基（好ましくは炭素数２〜24、直鎖状、分岐状あるいは例えばビニル基、アリル基等）を表し、より好ましくは炭素数２〜18のアルキル基又は炭素数２〜18のアルケニル基であり、特に好ましくは炭素原子数２〜６のアルキル基である。
【００５６】
また、一般式（Y-b）中のRｙ₁〜Rｙ₄のうち２つ以上が互いに連結してAｙ₁を含む非芳香族環を形成してもよく、一般式（Y-c）中のRｙ₁〜Rｙ₆のうち２つ以上が互いに連結して環構造を形成してもよい。
【００５７】
一般式（Y-a）、（Y-b）及び（Y-c）中のQｙ₁及びRｙ₁〜Rｙ₆は置換基を有していてもよく、好ましい置換基の例としては、ハロゲン原子（F、Cl、Br、I等）、シアノ基、アルコキシ基（メトキシ基、エトキシ基、メトキシエトキシ基、メトキシエトキシエトキシ基等）、アリーロキシ基（フェノキシ基等）、アルキルチオ基（メチルチオ基、エチルチオ基等）、アルコキシカルボニル基（エトキシカルボニル基等）、炭酸エステル基（エトキシカルボニルオキシ基等）、アシル基（アセチル基、プロピオニル基、ベンゾイル基等）、スルホニル基（メタンスルホニル基、ベンゼンスルホニル基等）、アシルオキシ基（アセトキシ基、ベンゾイルオキシ基等）、スルホニルオキシ基（メタンスルホニルオキシ基、トルエンスルホニルオキシ基等）、ホスホニル基（ジエチルホスホニル基等）、アミド基（アセチルアミノ基、ベンゾイルアミノ基等）、カルバモイル基（N,N-ジメチルカルバモイル基等）、アルキル基（メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロプロピル基、ブチル基、2-カルボキシエチル基、ベンジル基等）、アリール基（フェニル基、トルイル基等）、複素環基（ピリジル基、イミダゾリル基、フラニル基等）、アルケニル基（ビニル基、1-プロペニル基等）、シリル基、シリルオキシ基等が挙げられる。
【００５８】
一般式（Y-a）、（Y-b）又は（Y-c）により表される化合物は、Qｙ₁又はRｙ₁〜Rｙ₆を介して多量体を形成してもよい。
【００５９】
これらの溶融塩は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよく、また、ヨウ素アニオンを他のアニオンで置き換えた溶融塩と併用することもできる。ヨウ素アニオンと置き換えるアニオンとしては、ハロゲン化物イオン（Cl^-、Br^-等）、SCN^-、BF₄ ^-、PF₆ ^-、ClO₄ ^-、(CF₃SO₂)₂N^-、(CF₃CF₂SO₂)₂N^-、CH₃SO₃ ^-、CF₃SO₃ ^-、CF₃COO^-、Ph₄B^-、(CF₃SO₂)₃C^-等が好ましい例として挙げられ、SCN^-、CF₃SO₃ ^-、CF₃COO^-、(CF₃SO₂)₂N^-又はBF₄ ^-であるのがより好ましい。また、LiIなど他のヨウ素塩やCF₃COOLi、CF₃COONa、LiSCN、NaSCNなどのアルカリ金属塩を添加することもできる。アルカリ金属塩の添加量は、０.０２〜２質量％程度であるのが好ましく、０.１〜１質量％がさらに好ましい。
【００６０】
本発明で好ましく用いられる溶融塩の具体例を以下に挙げるが、これらに限定されるわけではない。
【００６１】
【化８】

【００６２】
【化９】

【００６３】
【化１０】

【００６４】
【化１１】

【００６５】
【化１２】

【００６６】
【化１３】

【００６７】
上記溶融塩電解質は常温で溶融状態であるものが好ましく、溶媒を用いない方が好ましい。後述する溶媒を添加しても構わないが、溶融塩の含有量は電解質組成物全体に対して50質量％以上であるのが好ましく、90質量％以上であるのが特に好ましい。また、塩のうち、50質量％以上がヨウ素塩であることが好ましい。
【００６８】
上記電解質組成物にはヨウ素を添加するのが好ましく、この場合、ヨウ素の含有量は、電解質組成物全体に対して0.1〜20質量％であるのが好ましく、0.5〜５質量％であるのがより好ましい。
【００６９】
（２）電解液
電荷輸送層に電解液を使用する場合、電解液は電解質、溶媒、および添加物から構成されることが好ましい。本発明の電解質はＩ₂とヨウ化物の組み合わせ（ヨウ化物としてはＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、ＣｓＩ、ＣａＩ₂などの金属ヨウ化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムヨーダイド、ピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなど４級アンモニウム化合物のヨウ素塩など）、Ｂｒ₂と臭化物の組み合わせ（臭化物としてはＬｉＢｒ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＣｓＢｒ、ＣａＢｒ₂などの金属臭化物、あるいはテトラアルキルアンモニウムブロマイド、ピリジニウムブロマイドなど４級アンモニウム化合物の臭素塩など）のほか、フェロシアン酸塩−フェリシアン酸塩やフェロセン−フェリシニウムイオンなどの金属錯体、ポリ硫化ナトリウム、アルキルチオール−アルキルジスルフィドなどのイオウ化合物、ビオロゲン色素、ヒドロキノン−キノンなどを用いることができる。この中でもI₂とＬｉＩやピリジニウムヨーダイド、イミダゾリウムヨーダイドなど４級アンモニウム化合物のヨウ素塩を組み合わせた電解質が好ましい。上述した電解質は混合して用いてもよい。
【００７０】
好ましい電解質濃度は0.1〜10Ｍであり、さらに好ましくは0.2〜４Ｍである。また、電解液にヨウ素を添加する場合の好ましいヨウ素の添加濃度は0.01〜0.5Ｍである。
【００７１】
電解質に使用する溶媒は、粘度が低くイオン易動度を向上したり、もしくは誘電率が高く有効キャリアー濃度を向上したりして、優れたイオン伝導性を発現できる化合物であることが望ましい。このような溶媒としては、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などの鎖状エーテル類、メタノール、エタノール、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、これらを混合して用いることもできる。
【００７２】
また、本発明では、J. Am. Ceram. Soc .,80 (12)3157-3171(1997)に記載されているようなtert-ブチルピリジンや、２−ピコリン、２，６−ルチジン等の塩基性化合物を前述の溶融塩電解質や電解液に添加することが好ましい。塩基性化合物を添加する場合の好ましい濃度範囲は0.05〜2Ｍである。
【００７３】
（３）ゲル電解質
本発明では、電解質はポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、ポリマーの架橋反応等の手法により、前述の溶融塩電解質や電解液をゲル化（固体化）させて使用することもできる。ポリマー添加によりゲル化させる場合は、“Polymer Electrolyte Reviews-１および２”(J.R.MacCallumとC.A. Vincentの共編、ELSEVIER APPLIED SCIENCE)に記載された化合物を使用することができるが、特にポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンを好ましく使用することができる。オイルゲル化剤添加によりゲル化させる場合はJ. Chem Soc. Japan, Ind. Chem.Sec., 46,779(1943), J. Am. Chem. Soc., 111,5542(1989), J. Chem. Soc., Chem. Com mun., 1993, 390, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 35,1949(1996), Chem. Lett., 1996, 885, J. Chm. Soc., Chem. Commun., 1997,545に記載されている化合物を使用することができるが、好ましい化合物は分子構造中にアミド構造を有する化合物である。電解液をゲル化した例は特開平１１−１８５８６３号に、溶融塩電解質をゲル化した例は特開２０００−５８１４０号に記載されており、本発明にも適用できる。
【００７４】
また、ポリマーの架橋反応により電解質をゲル化させる場合、架橋可能な反応性基を含有するポリマーおよび架橋剤を併用することが望ましい。この場合、好ましい架橋可能な反応性基は、アミノ基、含窒素複素環（例えば、ピリジン環、イミダゾール環、チアゾール環、オキサゾール環、トリアゾール環、モルホリン環、ピペリジン環、ピペラジン環など）であり、好ましい架橋剤は、窒素原子に対して求電子反応可能な２官能以上の試薬（例えば、ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アラルキル、スルホン酸エステル、酸無水物、酸クロライド、イソシアネート、α、β−不飽和スルホニル基、α、β−不飽和カルボニル基、α、β−不飽和ニトリル基など）であり、特開２０００−１７０７６号、同２０００−８６７２４号に記載されている架橋技術も適用できる。
【００７５】
（４）正孔輸送材料
本発明では、溶融塩などのイオン伝導性電解質の替わりに、有機または無機あるいはこの両者を組み合わせた固体の正孔輸送材料を使用することができる。
（ａ）有機正孔輸送材料
本発明に適用可能な有機正孔輸送材料としては、J.Hagen et al.,Synthetic Metal 89(1997)215-220、Nature,Vol.395, 8 Oct. 1998,p583-585およびWO97/10617、特開昭59−194393号公報、特開平5−234681号公報、米国特許第4，923，774号、特開平4−308688号公報、米国特許第4，764，625号、特開平3−269084号公報、特開平4−129271号公報、特開平4−175395号公報、特開平4−264189号公報、特開平4−290851号公報、特開平4−364153号公報、特開平5−25473号公報、特開平5−239455号公報、特開平5−320634号公報、特開平6−1972号公報、特開平7-138562号、特開平7-252474号、特開平11-144773等に示される芳香族アミン類や、特開平11-149821、特開平11-148067、特開平11-176489等に記載のトリフェニレン誘導体類を好ましく用いることができる。また、Adv. Mater. 1997,9,N0.7,p557、Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34, No.3,p303-307、JACS,Vol120, N0.4,1998,p664-672等に記載されているオリゴチオフェン化合物、K. Murakoshi et al.,;Chem. Lett. 1997, p471に記載のポリピロール、“Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers Vol.1,2,3,4” （NALWA著、WILEY出版）に記載されているポリアセチレンおよびその誘導体、ポリ(p-フェニレン) およびその誘導体、ポリ( p-フェニレンビニレン) およびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリトルイジンおよびその誘導体等の導電性高分子を好ましく使用することができる。
【００７６】
正孔（ホール）輸送材料にはNature,Vol.395, 8 Oct. 1998,p583-585に記載されているようにドーパントレベルをコントロールするためにトリス（４-ブロモフェニル）アミニウムヘキサクロロアンチモネートのようなカチオンラジカルを含有する化合物を添加したり、酸化物半導体表面のポテンシャル制御（空間電荷層の補償）を行うためにLi[(CF₃SO₂)₂N]のような塩を添加しても構わない。
【００７７】
（ｂ）無機正孔輸送材料
無機正孔輸送材料としては、ｐ型無機化合物半導体を用いることができる。この目的のｐ型無機化合物半導体は、バンドギャップが2eV以上であることが好ましく、さらに2.5eV以上であることが好ましい。また、ｐ型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルは色素の正孔を還元できる条件から、色素吸着電極のイオン化ポテンシャルより小さいことが必要である。使用する色素によってｐ型無機化合物半導体のイオン化ポテンシャルの好ましい範囲は異なってくるが、一般に4.5eV以上5.5eV以下であることが好ましく、さらに4.7〜5.3eVであることが好ましい。好ましいｐ型無機化合物半導体は一価の銅を含む化合物半導体であり、一価の銅を含む化合物半導体の例としては、CuI、CuSCN、CuInSe₂、Cu(In,Ga)Se₂、CuGaSe₂、Cu₂O、CuS、CuGaS₂、CuInS₂、CuAlSe₂などが挙げられる。この中でもCuIおよび CuSCNが好ましく、CuIが最も好ましい。このほかのｐ型無機化合物半導体として、GaP、NiO、CoO、FeO、Bi₂O₃、MoO₂、Cr₂O₃等を用いることができる。
【００７８】
（５）電荷輸送層の形成
電荷輸送層の形成方法に関しては２通りの方法が考えられる。１つは感光層の上に先に対極を貼り合わせておき、その間隙に液状の電荷輸送層を挟み込む方法である。もう１つは感光層上に直接、電荷輸送層を付与する方法で、対極はその後付与することになる。
【００７９】
前者の場合、電荷輸送層の挟み込み方法として、浸漬等による毛管現象を利用する常圧プロセス、または常圧より低い圧力にして間隙の気相を液相に置換する真空プロセスを利用できる。
【００８０】
後者の場合、湿式の電荷輸送層においては未乾燥のまま対極を付与し、エッジ部の液漏洩防止措置を施すことになる。またゲル電解質の場合には湿式で塗布して重合等の方法により固体化する方法があり、その場合には乾燥、固定化した後に対極を付与することもできる。電解液のほか湿式有機正孔輸送材料やゲル電解質を付与する方法としては、前述の半導体微粒子層や色素の付与と同様の方法を利用できる。
【００８１】
固体電解質や固体の正孔（ホール）輸送材料の場合には、真空蒸着法やＣＶＤ法等のドライ成膜処理で電荷輸送層を形成し、その後対極を付与することもできる。有機正孔輸送材料は、真空蒸着法，キャスト法，塗布法，スピンコート法、浸漬法、電解重合法、光電解重合法等の手法により電極内部に導入することができる。無機固体化合物の場合も、キャスト法，塗布法，スピンコート法、浸漬法、電解析出法、無電解メッキ法等の手法により電極内部に導入することができる。
【００８２】
（Ｅ）対極
対極は、前記の導電性支持体と同様に、導電性材料からなる対極導電層の単層構造でもよいし、対極導電層と支持基板から構成されていてもよい。対極導電層に用いる導電材としては、金属（例えば白金、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等）、炭素、または導電性金属酸化物（インジウム−スズ複合酸化物、フッ素ドープ酸化スズ、等）が挙げられる。この中でも白金、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウムを対極層として好ましく使用することができる。対極の好ましい支持基板の例は、ガラスまたはプラスチックであり、これに上記の導電剤を塗布または蒸着して用いる。対極導電層の厚さは特に制限されないが、３ｎｍ〜10μｍが好ましい。対極層の表面抵抗は低い程よい。好ましい表面抵抗の範囲としては50Ω／□以下であり、さらに好ましくは20Ω／□以下である。
【００８３】
導電性支持体と対極のいずれか一方または両方から光を照射してよいので、感光層に光が到達するためには、導電性支持体と対極の少なくとも一方が実質的に透明であれば良い。発電効率の向上の観点からは、導電性支持体を透明にして、光を導電性支持体側から入射させるのが好ましい。この場合対極は光を反射する性質を有するのが好ましい。このような対極としては、金属または導電性の酸化物を蒸着したガラスまたはプラスチック、あるいは金属薄膜を使用できる。
【００８４】
対極は、電荷輸送層上に直接導電材を塗布、メッキまたは蒸着（PVD、CVD）するか、導電層を有する基板の導電層側を貼り付ければよい。また、導電性支持体の場合と同様に、特に対極が透明の場合には、対極の抵抗を下げる目的で金属リードを用いるのが好ましい。なお、好ましい金属リードの材質および設置方法、金属リード設置による入射光量の低下等は導電性支持体の場合と同じである。
【００８５】
（Ｆ）その他の層
電極として作用する導電性支持体と対極の一方または両方の外側表面、導電層と基板の間または基板の中間に、保護層、反射防止層等の機能性層を設けても良い。これらの機能性層の形成には、その材質に応じて塗布法、蒸着法、貼り付け法等を用いることができる。
【００８６】
（Ｇ）光電変換素子の内部構造の具体例
上述のように、光電変換素子の内部構造は目的に合わせ様々な形態が可能である。大きく２つに分ければ、両面から光の入射が可能な構造と、片面からのみ可能な構造が可能である。図２〜図９に本発明に好ましく適用できる光電変換素子の内部構造を例示する。
【００８７】
図２は、透明導電層10aと透明対極導電層40aとの間に、感光層20と、電荷輸送層30とを介在させたものであり、両面から光が入射する構造となっている。
図３は、透明基板50a上に一部金属リード11を設け、さらに透明導電層10aを設け、下塗り層60、感光層20、電荷輸送層30および対極導電層40をこの順で設け、さらに支持基板50を配置したものであり、導電層側から光が入射する構造となっている。
図４は、支持基板50上に導電層10を有し、下塗り層60を介して感光層20を設け、さらに電荷輸送層30と透明対極導電層40aとを設け、一部に金属リード11を設けた透明基板50aを、金属リード11側を内側にして配置したものであり、対極側から光が入射する構造である。
図５は、透明基板50a上に一部金属リード11を設け、さらに透明導電層10aおよび40aを設け、この一対の透明導電層の間に下塗り層60と感光層20と電荷輸送層30とを介在させたものであり、両面から光が入射する構造である。
【００８８】
図６は、透明基板50a上に透明導電層10a、下塗り層60、感光層20、電荷輸送層30および対極導電層40を設け、この上に支持基板50を配置したものであり導電層側から光が入射する構造である。
図７は、支持基板50上に導電層10を有し、下塗り層60を介して感光層20を設け、さらに電荷輸送層30および透明対極導電層40aを設け、この上に透明基板50aを配置したものであり、対極側から光が入射する構造である。
図８は、透明基板50a上に透明導電層10aを有し、下塗り層60を介して感光層20を設け、さらに電荷輸送層30および透明対極導電層40aを設け、この上に透明基板50aを配置したものであり、両面から光が入射する構造となっている。
図９は、支持基板50上に導電層10を設け、下塗り層60を介して感光層20を設け、さらに固体の電荷輸送層30を設け、この上に一部対極導電層40または金属リード11を有するものであり、対極側から光が入射する構造となっている。
【００８９】
〔２〕光電池
本発明の光電池は、上記光電変換素子に外部負荷で仕事をさせるようにしたものである。
光電池のうち、電荷輸送材料が主としてイオン輸送材料からなる場合を、特に光電気化学電池と呼び、また、太陽光による発電を主目的とする場合を太陽電池と呼ぶ。光電池は構成物の劣化や内容物の揮散を防止するために、側面をポリマーや接着剤等で密封するのが好ましい。導電性支持体および対極にリードを介して接続される外部回路自体は公知のもので良い。本発明の光電変換素子を太陽電池に適用する場合、そのセル内部の構造は基本的に上述した光電変換素子の構造と同じである。また、本発明の色素増感型太陽電池は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様のモジュール構造をとりうる。太陽電池モジュールは、一般的には金属、セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造をとるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込む構造とすることも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ、ポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造、アモルファスシリコン太陽電池などで用いられる基板一体型モジュール構造等が知られており、本発明の色素増感型太陽電池も使用目的や使用場所および環境により、適宜これらのモジュール構造を選択できる。具体的には、特願平11-8457号明細書に記載の構造や態様とすることが好ましい。
【００９０】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
実施例１〜２、比較例１〜３
（１）半導体分散液の調製
（１−１）二酸化チタン分散物(分散物Ａ)
チタンテトライソプロポキサイド１４２．１ｇと、トリエタノールアミン１４９．２ｇとを、ドライボックス中で室温にて混合し、２時間静置した。混合液をドライボックスより取り出し、蒸留水を加えて全容１０００ｍｌとなるように希釈し、母液とした。
母液１００ｍｌと、蒸留水に酢酸２．８５ｍｌを添加して１００ｍｌとしたものを混合した。密封容器にて１００℃で２４時間加熱し、白色のゲル状物とした後、温度を１４０℃に上昇させ、さらに７２時間加熱した。室温に冷却した後、上澄みを除去し、淡い赤褐色の沈殿物を得た。水を含んだ沈殿物の重量は３３ｇであった。
得られた沈殿物に、分子量５０万のポリエチレングリコール１．０ｇを加え、混練機で２０分間混練し、質量濃度１２％の二酸化チタン分散物を得、分散液Ａとした。
分散液Ａに含まれる二酸化チタン粒子の平均粒径は約１６nmであった。
（１−２）酸化亜鉛分散物
和光純薬工業(株)製の酸化亜鉛粉末16gに蒸留水80mlを加え、さらに分子量２万のポリエチレングリコール2.0ｇを加え、混練機で２０分間混練し、質量濃度１６％の二酸化チタン分散物を得、分散液Ｂとした。
【００９１】
（２）色素を吸着したＴｉＯ₂電極の作製
（２−１）電極Ａ
フッ素をドープした酸化スズをコーティングした導電性ガラス（日本板硝子製；面積抵抗10Ω/□、25mm×100mm）の導電面側の一部（端から３mm）にイミドフイルムを貼ってマスキングし、導電性ガラスから棒までの間隔が２００μｍになるように工夫したステンレス棒を用いて上記の二酸化チタン分散液Ａを塗布した。塗布後、粘着テープを剥離し、室温で３０分間風乾した。次に、このガラスを電気炉（ヤマト科学製マッフル炉ＦＰ−３２型）に入れ、空気中、４５０℃にて３０分間焼成した。
ガラスを取り出し、露点−４０℃の乾燥した環境で電極表面が１２０℃になるまで冷却した後、色素Ａの（脱水）エタノール／ｔ−ブタノール／アセトニトリル溶液（1：1：2、色素濃度：３×１０^-4モル／リットル）に４０℃で３時間浸漬し吸着させた。色素吸着済み電極を（脱水）アセトニトリルで洗浄、自然乾燥し、電極Ａを得た。このようにして得られた感光層（色素が吸着した二酸化チタン層）の塗布量は約７．０ｇ/ｍ²であった。
色素Ａ
【００９２】
【化１４】

【００９３】
（２−２）電極Ｂ
フッ素をドープした酸化スズをコーティングした導電性ガラス（日本板硝子製；面積抵抗10Ω/□、25mm×100mm）の導電面側の一部（端から３mm）をステンレス板でマスキングし、４００℃に加熱したホットプレート上に置き、Ｔｉ(Ｏｉ−Ｃ₃Ｈ₇)₄ 5.68gをアセチルアセトン4.11mlおよび脱水エタノール80mlに溶解したスプレー溶液を噴霧し、下塗り層を作製した。下塗り層の厚みは約50nmであった。室温まで徐冷した後、ステンレスマスキングした部分と同じ部分にイミドフイルムを貼ってマスキングし、導電性ガラスから棒までの間隔が２００μｍになるように工夫したステンレス棒を用いて上記の二酸化チタン分散液Ａを塗布した。塗布後、粘着テープを剥離し、室温で３０分間風乾した。次に、このガラスを電気炉（ヤマト科学製マッフル炉ＦＰ−３２型）に入れ、空気中４５０℃にて３０分間焼成した。
電極Ａと同様にして色素を吸着し、電極Ｂを作製した。
【００９４】
（２−３）電極Ｃ
電極Ｂ作製時のスプレー溶液を、Ｎｂ(ＯＣ₂Ｈ₅)₅ 6.36gをアセチルアセトン4.11mlおよび脱水エタノール80mlに溶解したスプレー溶液に変更した以外、同様にして電極Ｃを作製した。下塗り層の厚みは約50nmになるよう噴霧回数を調整した。
（２−４）電極Ｄ
二酸化チタン分散液Ａの替わりに、酸化亜鉛分散液Ｂを用いた以外、電極Ａと同様にして、電極Ｄを作製した。酸化亜鉛の塗布量は、約６．５ｇ/ｍ²であった。
（２−５）電極Ｅ
二酸化チタン分散液Ａの替わりに、酸化亜鉛分散液Ｂを用いた以外電極Ｂと同様にして、電極Ｄを作製した。酸化亜鉛の塗布量は、約６．５ｇ/ｍ²であった。
【００９５】
（３）電荷輸送層の形成
色素増感した電極Ａ〜Ｅを２６mm×１８mmの大きさに切断加工し、中心部１４mm×１４mmを残して下塗り層及び半導体層を除去した。これらの電極それぞれと、同サイズの白金蒸着ガラス（対極、白金層の膜厚＝１μm、ガラス膜厚＝１．１μm、電荷輸送剤を注入する穴２個付き）とを、図１０の配置となるようにして、三井・デュポンポリケミカル(株)製のアイオノマー（ハイミラン1702）を延伸したフレーム型スペーサー（厚さ１０μm）を挟んで、１２５±５℃にて３０秒間加熱、圧着した。
７０℃に加温した、溶融塩電解液（化合物Ｄ−１：化合物Ｄ−２：沃素：トリフルオロ酢酸リチウム：トリフルオロ酢酸ナトリウム＝３５：１５：１：１：１（質量比））を同様に７０℃に加温した上記素子の対極に設けた穴より注液した。注液後、７０℃にて1時間保温し、常温減圧下１６時間経時させた。
【００９６】
経時後、穴部分を前記スペーサーと同じ部材及びガラスを用い、熱圧着により封止した。さらに、受光部であるＴｉＯ₂透明電極基板の面を残して全体をエポキシ樹脂接着剤でシールした。
【００９７】
【化１５】

【００９８】
（４）光電変換効率の測定
５００Ｗのキセノンランプ（ウシオ製）の光を分光フィルター（Ｏｒｉｅｌ社製ＡＭ1.5Ｄ）を通すことにより模擬太陽光を発生させた。この光の強度は100mW/cm²であった。
模擬太陽光を照射し、前述の光電池の導電性ガラスと対極層間に発生した電気を電流電圧測定装置（ケースレーSMU2400型）にて測定した。開放電圧(Voc)を表１に記載した。さらに、光電変換素子を遮光した状態で同様にして測定した、逆電流が1mA/cm²流れる際の荷電圧(VD1)を表１に記載した。また、表１にあるかっこ内の数字は、ＵＰＳ測定から求めたイオン化ポテンシャルおよび分光吸収から求めたバンドギャップより算出した。ただし、下塗り半導体層上の感光層半導体の値は、下塗り半導体が無い場合に求めたものと同じであるとしている。
【００９９】
【表１】

【０１００】
表１に示される結果から以下のことが明らかである。
下塗り層を設けない比較例１の場合および酸化チタン半導体微粒子層の伝導帯下端電位が4.5eV、下塗り層の酸化チタン半導体のそれも4.5eVと同じである比較例２場合、開放電圧、逆電流荷電圧いずれも小さい。
一方、酸化チタン半導体微粒子層の伝導帯下端電位が4.5eV、下塗り層の酸化ニオブ半導体のそれが4.２eVである実施例１の場合、開放電圧(Voc)、逆電流が1mA/cm²流れる際の荷電圧(VD1)ともに大きく逆電流が抑制されている。
感光層の半導体が酸化亜鉛の場合も、実施例２は、比較例３に対し同様に有利である。
【０１０１】
実施例３〜４、比較例４〜６
各々実施例１〜２、比較例１〜３のガラス電極の替わりに、透明導電ＰＥＴフイルム(東洋メタライジング(株)製、メタクリスタＴ−Ｒ６０、６０Ω□、約１００μｍ厚み)を使用し、また対極としては同フイルムにＰｔを蒸着したものを用いて、これら実施例、比較例と同様の試験を行ったところ、同様の傾向が得られた。また、電極Ｂ、ＣおよびＥは、電極ＡおよびＤに比較し、完成素子を曲げたときの性能劣化が小さかった。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明の光電変換素子は、光の照射とは関係ない逆電流が防止されており、光電変換効率が高い。また、フレキシブルな基板を用いた場合、変形に対する堅牢性を有する。
フレキシブルな基板を用いた本発明の光電変換素子を適用した光電池は光電変換効率が高く、変形に対する堅牢に優れるので、曲面形状部へ設置する太陽電池やペーパー状光電池などに好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図２】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図３】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図４】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図５】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図６】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図７】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図８】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図９】本発明の好ましい光電変換素子の構造を示す概略部分断面図である。
【図１０】実施例で作製した光電変換素子の概略平面図である。
【符号の説明】
１ 色素吸着二酸化チタン電極
２ 対極（白金蒸着ガラス）
３ 半導体層が存在する受光部分
１０ 導電層
１０ａ 透明導電層
１１ 金属リード
２０ 感光層
２１ 半導体微粒子
２２ 色素
２３ 電荷輸送材料
３０ 電荷輸送層
４０ 対極導電層
４０ａ 透明対極導電層
５０ 基板
５０ａ 透明基板
６０ 下塗り層

Claims (7)

1. 導電層、色素により増感した半導体を含む感光層、電荷輸送層、および対極を有する光電変換素子において、感光層と導電層との間に、該感光層を構成する半導体より、その伝導帯下端電位がより卑なる半導体からなる層を有することを特徴とする光電変換素子。
2. 感光層を構成する半導体が酸化チタンであり、かつ伝導帯下端電位がより卑なる半導体が酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブまたは酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
3. 感光層を構成する半導体が、酸化亜鉛、酸化錫および酸化タングステンから選択される少なくとも１種であり、かつ伝導帯下端電位がより卑なる半導体が、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、酸化ニオブ、酸化亜鉛または酸化チタンであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
4. 電荷輸送層が溶融塩電解質またはホール輸送材料を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
5. 前記溶融塩電解質が、下記式（Y-a）で表される溶融塩電解質であることを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
   

   

   （一般式（Y-a）中、Qｙ ₁ は窒素原子と共に５又は６員環の芳香族カチオンを形成しうる原子団を表す。
   一般式（Y-a）中のRｙ ₁ は、それぞれ独立に、置換又は無置換のアルキル基、または置換又は無置換のアルケニル基を表す。
   一般式（Y-a）中のQｙ ₁ 及びRｙ ₁ は置換基を有していてもよく、置換基としては、ハロゲン原子、シアノ基、アルコキシ基、アリーロキシ基、アルキルチオ基、アルコキシカルボニル基、炭酸エステル基、アシル基、スルホニル基、アシルオキシ基、スルホニルオキシ基、ホスホニル基、アミド基、カルバモイル基、アルキル基、アリール基、複素環基、アルケニル基、シリル基、又はシリルオキシ基である。）
6. 導電層または対極が基板を有し、該基板が高分子フイルム、金属箔、金属板、表面に金属層を設けた高分子フイルム、または表面に金属層を設けたガラス板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光電変換素子。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載された光電変換素子を用いることを特徴とする光電池。

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