[發明專利]色素增感型太陽能電池用色素、半導體電極及色素增感型太陽能電池

無效

• 申請號: 200980139499.1
• 申請日: 2009-08-05
• 公開（公告）號: CN102171885A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 高田昌和;住岡孝一;香西孝章
• 申請（專利權）人: 三菱制紙株式會社
• 主分類號: H01M14/00
• 分類號: H01M14/00;C07D209/20;C07D209/88;C07D409/14;C07D417/06;C07D417/14;C09B23/00;H01L31/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 龐立志;高旭軼

技術領域

本發明涉及色素增感型太陽能電池用色素、半導體電極及色素增感型太陽能電池。

背景技術

大量化石燃料的使用引起的二氧化碳濃度增加所致的地球溫室化、以及伴隨人口增加的能量需求的增大已被認識為與人類存亡相關的問題。因此，近年來用心研究無限且不產生有害物質的太陽光的利用。作為該綠色能源即太陽光的利用，目前實用化的是住宅用的單晶硅、多晶硅、非晶硅及碲化鎘或硒化銦銅等無機系太陽能電池。

然而，上述無機系太陽能電池也有缺點。例如對于硅系而言，要求非常高的純度，自然提純工序復雜且加工量大、制造成本高。此外還有輕量化等的要求，特別是在用戶回收成本長的方面不利，在普及上存在問題。

另另一方面面，也大量提出了使用有機材料的太陽能電池。作為有機太陽能電池，包括使p型有機半導體與功函小的金屬接合的Schottky型光電轉換元件、p型有機半導體與n型無機半導體、或使p型有機半導體與受電子性有機化合物接合的異質結型光電轉換元件等，所利用的有機半導體為葉綠素、二萘嵌苯等合成色素或顏料、聚乙炔等導電性高分子材料、或它們的復合材料等。將它們通過真空蒸鍍法、流延法或浸漬法等薄膜化而構成電池材料。有機材料雖具有低成本、容易大面積化等優點，但光電轉換效率低，多為1%以下，而且還存在耐久性差的問題。

鑒于上述狀況，瑞士的Gr?tzel博士等報道了顯示良好特性的太陽能電池（例如，參照非專利文獻1）。該文獻中，公開了制作電池所需的材料及制造技術。該太陽能電池被稱為色素增感型太陽能電池或Gr?tzel型太陽能電池，是以經釕（Ru）絡合物分光增感的氧化鈦多孔薄膜為工作電極的濕式太陽能電池。該方式的優點是氧化鈦等廉價的半導體不必提純至高純度，因而與前述無機系太陽能電池相比可降低制造成本，而且由于可利用的光寬泛地包括可見光區域，故可將可見光區域的能量強度高的太陽光有效地轉換為電。

然而，由于使用存在資源性制約的貴金屬Ru，故在色素增感型太陽能電池實用化時，Ru絡合物的穩定供給可能產生問題。此外，由于該資源性制約，Ru絡合物本身就昂貴，大量制造時還可能產生成本方面的問題。為了解決這類問題，以將Ru絡合物的至少一部分改變為更廉價的有機色素為目的，提出了各種方案。作為其實例，公開了各種份菁色素、菁色素、9－苯基呫噸系色素、香豆素系色素等，它們在光電轉換效率上要比Ru絡合物差得多。此外，還在對半導體的吸附穩定性上存在問題，大都缺乏實用性（例如，參照專利文獻1～4）。

最近，作為色素增感型太陽能電池用色素，公開了具有匹敵于Ru絡合物的光電轉換效率的有機色素（例如，參照專利文獻5、6及11）。該有機色素是分類為份菁色素的化合物。份菁色素具有用共軛雙鍵連結具有供電子性取代基的單元（以下，稱為“供電子單元”）與具有受電子性取代基的單元（以下，稱為“受電子單元”）的結構。將份菁色素作為色素增感型太陽能電池用色素使用時，通常在受電子單元上導入促進與半導體的吸附性的酸性基團。但是，對于專利文獻5、6及11中記載的有機色素而言，從實用性見地來看，該吸附性并不充分。因此，在色素增感型太陽能電池經時保存時，大都具有色素再溶解于電解液中的問題。

公開了通過改良對半導體的吸附穩定性，而解決該再溶解的問題，提高經時穩定性（耐久性）的嘗試（例如，參照專利文獻7～10、12）。

專利文獻7中，通過在供電子單元部分結合兩分子份菁色素、形成色素二聚體，而改良吸附穩定性。但是，色素二聚體在有機溶劑中的溶解性非常低、難以提純色素，此外，光電轉換效率也不充分。

專利文獻8中，提出了在受電子單元的特定位置具有兩個促進吸附性的酸性基團的份菁色素，但具有兩個酸性基團的受電子單元的合成煩雜、難以大量制造。

專利文獻9中，提出了在供電子單元與受電子單元兩者上各具有一個促進吸附性的酸性基團的份菁色素。但是，由于供電子性取代基的附近共存酸性基團，故從光激發的份菁色素向半導體注入電子的效率降低，光電轉換效率不充分。

專利文獻10中，提出了對1個供電子單元結合兩個受電子單元的份菁色素。但是，由于分子的對稱性低、從光激發的份菁色素向半導體注入電子的效率降低，故存在光電轉換效率不太高的缺點。

專利文獻12中，通過在受電子單元的部分結合兩分子份菁色素、形成色素二聚體來改良吸附穩定性。該色素二聚體雖然對半導體的吸附穩定性和光電轉換效率兩者均良好，但色素中間體的合成非常煩雜，難以大量制造色素。

所以，從制造更實用的太陽能電池的觀點出發，對于光電轉換效率、耐久性及制造的簡便性要求進一步改良。