JP2002356400A - 酸化亜鉛の針状構造体の製造方法及びそれを用いた電池、光電変換装置 - Google Patents

酸化亜鉛の針状構造体の製造方法及びそれを用いた電池、光電変換装置

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JP2002356400A JP2002073731A JP2002073731A JP2002356400A JP 2002356400 A JP2002356400 A JP 2002356400A JP 2002073731 A JP2002073731 A JP 2002073731A JP 2002073731 A JP2002073731 A JP 2002073731A JP 2002356400 A JP2002356400 A JP 2002356400A
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馨 小中原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化亜鉛針状構造体を導電性基板上から安易
且つ低コストで生成する。 【解決手段】 電解液５５中に基板（作用極）５３を保
持する工程、及び電着により基板上に酸化亜鉛を形成す
る工程を含み、且つ電解液５５には亜鉛イオンと少なく
とも１種類以上の添加剤が含まれている。電子受容型の
電荷輸送層と、電子供与型の電荷輸送層と、これらの電
荷輸送層間に存在する光吸収層とを少なくとも有する光
電変換装置であって、電子受容型の電荷輸送層は酸化亜
鉛の針状構造体を含み、酸化亜鉛の針状構造体は、亜鉛
イオンと少なくとも１種類以上の添加剤が存在する電解
液中で導電性基板上に電着により形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化亜鉛の針状構
造体の製造方法及びそれを用いた電池、光電変換装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】多種多様の用途を持っている物質として
従来から注目されているＺｎＯは、古くは顔料、塗料、
印刷インキ、化粧品、医薬品、歯科材料等として使用さ
れてきた。近年では、半導性、光半導性、圧電性、発光
性や界面的性質を利用して電子写真用感光剤、半導体レ
ーザー、ＵＶカット材料、光触媒、センサー、表面弾性
波フィルター、カメラ露出計、光電変換装置等幅広い分
野に使用されている。
【０００３】一般的に酸化亜鉛膜を製造する手段として
は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、電着法等様
々な方法で現在作製可能である。
【０００４】例えば、大面積の導電性基板上に膜状の酸
化亜鉛を均一に製造できる方法を、特開平8-217443号公
報や特開平8-260175号公報に達成したとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開平8-217443号公報や特開平8-260175号公報に記載
の電着法による酸化亜鉛の生成法に関しては、針状では
無く、膜状にしか形成できていない。
【０００６】そこで、本発明の目的は、基板上に針状構
造体を形成する製造方法、及び針状構造体を提供するこ
とを目的とする。更に、斯かる針状構造体を利用した光
電変換装置等の装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に針状
の酸化亜鉛を成長させる酸化亜鉛針状体の製造方法であ
って、少なくとも亜鉛イオンが存在する電解液中に基板
を保持する工程、及び該基板上に酸化亜鉛を電着する工
程を含み、且つ該電解液には少なくとも１種類以上の添
加剤が含まれていることを特徴とする。
【０００８】また、本発明の酸化亜鉛針状体の製造方法
は、少なくとも亜鉛イオンが存在する電解液中で酸化亜
鉛を電着することにより、導電性基板上から針状の酸化
亜鉛を成長させる、酸化亜鉛針状体の製造方法であっ
て、前記電解液の電解質は、亜鉛含有の塩に加えて１種
類以上の添加剤を混入している酸化亜鉛針状体の製造方
法である。
【０００９】本発明の光電変換装置は、電子受容型の電
荷輸送層と、電子供与型の電荷輸送層と、これらの電荷
輸送層間に存在する光吸収層とを少なくとも有する光電
変換装置であって、前記電子受容型の電荷輸送層は酸化
亜鉛針状体を含み、該酸化亜鉛針状体は、少なくとも亜
鉛イオンと１種類以上の添加剤が存在する電解液中で導
電性基板上に電着により形成する光電変換装置である。
【００１０】本発明において、前記添加剤は、アルコー
ル等の有機溶媒であることが好ましい。また、前記添加
剤は、ハロゲン化物の塩であることが好ましい。さら
に、前記添加剤は、モノマー若しくはその重合体である
ことが好ましい。有機溶媒の濃度は、電解溶媒との体積
比が１０％以下であることが好ましい。
【００１１】また、電子受容型の電荷輸送層と、電子供
与型の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存在する
光吸収層とを少なくとも有する光電変換装置の製造方法
であって、前記電子受容型の電荷輸送層は、少なくとも
亜鉛イオンと１種類以上の添加剤が存在する電解液中で
導電性基板上に電位を印加し酸化亜鉛針状体を電着する
工程を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法
を提供する。
【００１２】この時、前記添加剤は、アルコール、ハロ
ゲン化物の塩、モノマー若しくはその重合体あるいは界
面活性剤であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態：製造方法）以
下、図５を用いて本発明における酸化亜鉛の針状構造体
の製造方法について説明する。
【００１４】電解電着法（以下、「電着」と略記す
る。）を用いて製造する方法としては、３電極あるいは
２電極を使用することができるが、同図では３電極によ
り電着を行う場合を示している。図中５１は参照極（例
えば、Ａｇ／ＡｇＣｌ）、５２は対極、５３は作用極
（または、サンプル極）である。５５は電解液であり、
斯かる電解液には電解溶媒（例えば、水である。）、亜
鉛イオン、及び添加剤が含まれている。
【００１５】図５に示す装置において、電解液に所望の
電位を加えると前記作用極上に酸化亜鉛針状体が成長す
る。酸化亜鉛針状体には、針状構造の部材が一つの場
合、あるいは当該部材が複数集合し膜状になっている場
合を含む。
【００１６】本発明の特徴事項である添加剤としては、
有機溶媒、ハロゲン化物、モノマーやその重合体、ある
いは界面活性剤である。斯かる添加剤を電解液に混入さ
せることで、アスペクト比に非常に高い酸化亜鉛針状体
が得られる。ここでいうアスペクト比とは、針状構造体
の横切断面が円形状又は円形状に近い場合は、その円形
の直径に対する長さの比率をいう。また、針状結晶の横
切断面が六角形等の角形の場合は切断面の重心を通る最
小長さに対する長さの比率をいうものとする。なお、針
状構造体が円錐や角錐形状の場合には、上記横切断面と
は断面積の最も大きい針状構造体の底面を示すものとす
る。
【００１７】なお、添加剤を電解液に加えることにより
針状構造体のアスペクト比が高くなるのは、酸化亜鉛の
ａ，ｂ面（基板に対して水平方向）の成長を添加剤が制
御しているか、若しくはｃ面（基板に対して垂直方向）
の成長をより促進させていることによると考えられる。
【００１８】（添加剤として有機溶媒を用いる場合）本
発明の酸化亜鉛針状構造体の製造方法において、添加剤
として有機溶媒を用いることによりアスペクト比の大き
い針状構造体を形成することができる。なお、アスペク
ト比が大きいとは、添加剤を入れない場合に比べて大き
いという意味である。
【００１９】有機溶媒とは、溶質を溶かすために用いる
液体、若しくは比較的融点の低い固体の有機化合物のこ
とであり、大きく分けると２種類存在する。
【００２０】１つは脂肪族溶媒であり、例えばヘキサ
ン、シクロヘキサン、四塩化炭素、メタノール、エタノ
ール、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳ
Ｏ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、クロロホルム、
ジクロロメタン、ジエチルエーテル、１，２−ジメトキ
シエタン（ＤＭＥ）、酢酸エチル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホ
ルムアミド（ＤＭＦ）、アセトン、アセトニトリル等が
ある。
【００２１】また、もう１つは芳香族溶媒であり、ベン
ゼン、トルエン、ニトロベンゼン、ナフタレン、クロロ
ベンゼン、アニソール、ピリジン、ジフェニルエーテル
などがあり、扱いの容易性の面では前者の方が好まし
い。
【００２２】また、誘電率の違いにより極性溶媒と、非
極性溶媒にも分けることができ、さらには、プロトン性
溶媒と非プロトン性溶媒という分類もできる。これらは
混入する電解溶媒により、適宜選択するのが好ましい。
例えば、水を電解溶媒とした時には、極性溶媒のアルコ
ールが混合されやすく適している。アルコールとは、も
ちろん鎖式または脂環式の炭化水素の水素原子を水酸基
ＯＨで置換したヒドロキシ化合物のことであり、その中
で低級アルコールとは炭素数が５以下のものを指し、高
級アルコールとは炭素数が６以上のものである。
【００２３】電解溶媒として水を用い、そして添加剤と
して低級アルコールを添加した電解溶媒を用いる場合に
は、水単独の電解溶媒の場合に比べ高アスペクト比の針
状構造体を得ることができる。これは、電解溶媒の粘性
等の性質が変わることによると考えられる。特に添加剤
としては、エタノールが好ましい。
【００２４】また、添加剤として高級アルコールを使用
した時には、低級アルコールと同じく粘性が変ると共に
界面活性剤としての働きが作用する。従って高アスペク
ト比の針状構造体が得られることになる。高級アルコー
ルとしては、特にヘキサノールが好ましい。もちろん、
複数種類のアルコールを添加剤として用いても良い。
【００２５】また、これらの有機溶媒の混合物質、若し
くは有機溶媒を含む混合物質を入れても良いし、勿論有
機溶媒１種類を混入して製造することもできる。
【００２６】有機溶媒の濃度は、体積比が３％以上２０
％以下、好ましくは５％以上１０％以下である。ここ
で、体積比とは（有機溶媒／（有機溶媒＋電解溶媒））
である。
【００２７】（添加剤としてハロゲン化物を用いる場
合）電解液に混入する添加剤としてハロゲン化物の塩を
用いることにより、アスペクト比の大きい構造体を形成
することができる。
【００２８】このとき、使用するハロゲン化物の塩は、
電解溶媒に溶解できるものである。つまり、溶液中でＣ
ｌ-，Ｂｒ-，Ｉ-イオンを発生させるものである。
【００２９】例えば、電解溶媒に水系のものを使用した
時に、極性の高いＫやＮａと直接ハロゲンのイオンが結
合した化合物が好ましく、その中でも特にＫＣｌ及びＮ
ａＣｌを混入することが好ましい。このハロゲンイオン
の作用によって、酸化亜鉛結晶の膜状化を抑制する効果
があり、高アスペクト比を持つ酸化亜鉛針状体が生成で
きる。また、電解溶媒にアセトニトリル等を使用したと
きには、極性の低いテトラブチルアンモニウム過塩化物
（ＴＢＡＰ）等を使用することが好ましい。
【００３０】また、ハロゲン化物の塩の濃度としては、
特に制限されるものではないが、Ｚｎイオンの濃度と大
きく変わらない程度である０．００１ｍｏｌ／Ｌ（モル
／リットル）から１．０ｍｏｌ／Ｌが好ましい。
【００３１】また、これらのハロゲン化物の塩の混合物
質、若しくはハロゲン化物の塩を含む混合物質を入れて
も良いし、勿論ハロゲン化物の塩１種類を混入して製造
することもできる。
【００３２】（添加剤としてモノマー若しくはその重合
体を用いる場合）本発明の酸化亜鉛針状体の製造方法に
おいて、電解液に混入する添加剤としてモノマー若しく
はその重合体を用いることにより、アスペクト比の大き
いウィスカーを形成することができる。モノマーとは、
勿論重合反応によって重合体を合成する場合の原料とな
る物質のことを指す。また、ここで言う重合体は二量体
から数百万程度の重合体を指すものとする。さらに、電
解溶媒に溶解可能なものに限定する。例えば、扱い易さ
より水系の電解溶媒を使用が主であるが、その時には水
溶性高分子を使用することが好ましい。ここで、水溶性
高分子とは水に溶ける高分子のことであり、天然高分子
としては蛋白質や、多糖であるデンプン等があげられ、
合成高分子としてはポリビニルアルコール、ポリエチレ
ングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルア
ミド、ポリビニルピロリドン等があげられる。
【００３３】特に、１価の不飽和炭化水素基であるビニ
ル基（ＣＨ2＝ＣＨ−）を持つモノマー、若しくはその
重合体が好ましく、さらに電解溶媒として水系のものを
使用した時には、ポリビニルアルコール、若しくはポリ
エチレングリコール等が好ましい。この時、重合体の重
合度若しくは平均分子量は特に制限されるものではない
が、合成の容易さによりポリビニルアルコールなら重合
度が約５００から２０００が好ましく、ポリエチレング
リコールなら平均分子量が約２００から２００００が好
ましい。なお、高分子とりわけビニル基を持つモノマー
や重合体を使用すると基板とそこに成長する基板との密
着性が高くなる。
【００３４】これら高分子を入れることにより、電解溶
媒の粘性が変化し、基板との密着性及び成長レートが変
化する為、高アスペクト比を持つ酸化亜鉛針状結晶が生
成する。
【００３５】また、モノマー若しくはその重合体の濃度
としては、特に制限されるものではないが、０．０１ｇ
／Ｌ（グラム／リットル）から１００ｇ／Ｌで適宜対応
することが好ましい。
【００３６】また、これらのモノマー若しくはその重合
体の混合物質、若しくはモノマー若しくはその重合体を
含む混合物質を入れても良いし、勿論モノマー若しくは
その重合体の塩１種類を混入して製造することもでき
る。
【００３７】（添加剤として界面活性剤を用いる場合）
本発明における酸化亜鉛針状結晶の製造方法において、
電解液に添加する添加剤として界面活性剤を用いること
ができる。この界面活性剤を添加することにより酸化亜
鉛針状結晶の径が細く、アスペクト比が大きい針状結晶
を得ることが出来る。
【００３８】ここで、界面活性剤とは大きく分類すると
非イオン、カチオン、アニオン、カチオンとアニオンを
併せ持つ両性に分類でき、これらの界面活性剤を少なく
とも亜鉛イオンが含有される電解液に添加し電着を行な
えば、酸化亜鉛針状結晶の径の細化や高アスペクト化の
効果が現れる。これらの中でも、カチオン界面活性剤が
好ましい傾向が見られる。このカチオン界面活性剤とし
てスルホン酸基や燐酸基等を親水基として用いるもので
あるが、その中でも、扱いの容易さや合成しやすさ等を
考慮し、アンモニウム基を親水基としているものが好ま
しい。その中でも、アンモニウム基が第４級アンモニウ
ムである塩を用いることにより更に高アスペクトのもの
が成長する。第四級アンモニウム塩は、下記の一般式で
表されるものが望ましい。
【００３９】
【化２】 （式中、Ｒ１は炭素数が１３以下である長鎖状アルキル
基であり、Ｒ２はメチル基又はエチル基であり、Ｘ-は
アニオンである）。詳しい機構については分かっていな
いが、長鎖状アルキル基の炭素数が１４以上になると、
溶液への溶解度が減少するなどの問題点が発生する為、
１３以下が好ましい。更に、極性を向上させる為、Ｒ２
がメチル基若しくはエチル基であることが好ましい。
又、界面活性剤の疎水基の機能を損なわない程度の炭素
数として、８以上が好ましい。
【００４０】又、第４級アンモニウム塩に含有されるア
ニオンＸ-に当たるＸとして、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＳＣ
Ｎ、ヒドロキシメチル基（−ＯＳＯ3ＣＨ3）等が溶解度
を考慮した時に好ましい。
【００４１】又、界面活性剤の添加量については、少な
くとも亜鉛イオンが含有される電解液中の電解質の種類
によって酸化亜鉛針状結晶の作製条件が変化するが、界
面活性剤の添加量の範囲は１ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）以上０．
１（ｍｏｌ／Ｌ）以下の範囲が好ましい。
【００４２】又、１種の界面活性剤を添加するだけな
く、２種以上の界面活性剤を添加しても良い。又、添加
量の範囲としては、どの界面活性剤においても１ｍ（ｍ
ｏｌ／Ｌ）以上０．１（ｍｏｌ／Ｌ）以下の範囲が好ま
しい。
【００４３】（基板）針状構造体を形成する基板として
は、導電性を有する基板である。例えば、導電性ガラス
基板（例えば、フッ素をドープした酸化錫（Ｆ：ＳｎＯ
2）膜）や、金属基板や、絶縁性の部材上に導電性を有
する膜を形成した基板などを用いることができる。
【００４４】導電性を有するものであれば、プラスッチ
クなどのフレキシブル基板を用いてもよい。また、電着
により針状構造体が形成可能な基板であれば特に限定さ
れるものではない。
【００４５】（電解溶媒）本発明の酸化亜鉛針状構造体
の製造方法において、電解溶媒とは、気体若しくは固体
が液体中に溶解している前記液体のことを指す。なお、
複数種類の液体が電解溶液を構成する場合は、多量に存
在する方を電解溶媒とみなす。
【００４６】電解溶媒としては、水や有機溶媒全般を使
用することができるが、常温で液体のものが好ましく、
さらに扱いの容易さの面からは水であることが好まし
い。
【００４７】（亜鉛イオン）電解液中に亜鉛を含む塩を
混ぜることにより、亜鉛イオンを得ることができる。
【００４８】亜鉛を含む塩として使用できる化合物とし
ては、例えば硝酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、炭酸亜
鉛、酢酸亜鉛等をあげることができる。この時、これら
の塩の混合物質を入れてもよいし、勿論１種のみでも用
いることができる。
【００４９】酸化亜鉛針状体を作製する条件としては、
亜鉛イオンの濃度が、低濃度であることが好ましく、
０．０００５（ｍｏｌ／Ｌ）以上０．０５（ｍｏｌ／
Ｌ）以下、さらに好ましくは０．００１（ｍｏｌ／Ｌ）
以上０．０１（ｍｏｌ／Ｌ）以下の範囲がより好まし
い。
【００５０】（電着）本発明の酸化亜鉛針状体を電解電
着法を用いて製造する方法としては、３電極及び２電極
を使用して、各種の電解溶液に電極基板を浸して電位若
しくは電流を印加することにより針状結晶を作製するこ
とができる。例えば、電解電着を３電極で行うときの装
置を図５に示す。参照極５１、対極５２、作用極５３を
ビーカー５４中の電解液５５に浸して電位を印加するこ
とにより、作用極５３である導電性基板上に酸化亜鉛の
針状構造体が成長する。この時、参照極５１としてＡｇ
／ＡｇＣｌを使用した時に電解電位の範囲が−０．８Ｖ
から−２．０Ｖの範囲であることが好ましく、より好適
には−０．９Ｖから−１．５Ｖである。
【００５１】また、電解液の温度は、電解溶媒の沸点近
くまで上昇した方が配向性の良い膜が得ることができ
る。例えば、電解溶媒として水を用いる場合には、電解
液の温度を７０度以上９５度以下、好ましくは８５℃以
上９０度以下の範囲で電着工程を行うことが好ましい。
温度は、マントルヒーター５６等を使用し変化させるこ
とができる。
【００５２】なお、針状構造体の成長初期の温度を第１
の温度（７０度以上９５度以下）として、その後、第１
の温度よりも低い温度（第２の温度）で成長を続けるこ
ともできる。成長初期段階とは、例えば０．５μｍの長
さの針状構造体が成長するまでである。
【００５３】さらに、電着時間、光照射及び光照射量、
酸素などの活性気体濃度、炭水化物であるデキストリン
等の反応促進剤及びその濃度、電解液の対流条件等を変
えることにより、種々の形態の針状結晶を作製すること
ができる。
【００５４】（針状構造体）針状構造体とは、針状構造
の結晶を含むものである。また、針状構造体とは、所謂
ウィスカーであり、欠陥の無い針状単結晶もしくは螺旋
転移などを含んだ針状結晶から構成される。具体的なア
スペクト比等に関しては後述する。
【００５５】（第２の実施形態：針状構造体）本発明に
係る針状構造体とは、酸化亜鉛の針状結晶を含み構成さ
れる。
【００５６】針状結晶とは所謂ウィスカーであり、欠陥
の無い針状単結晶もしくは螺旋転移などを含む。もちろ
ん、部分的に多結晶や非晶質の部分が含まれていてもよ
い。
【００５７】さらに、図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に
示したように針状結晶はテトラポッド状を含む１点より
多数の針状結晶が成長したもの（同図（ａ））や、樹枝
状に形成されたもの（同図（ｂ））や、折れ線状に成長
したもの（同図（ｃ））も含む。
【００５８】また、針状結晶は円柱及び円錐、円錐で先
端が平坦なもの、円柱で先端が尖っているものや先端が
平坦なものなどすべて含む。さらに、三角錐、四角錐、
六角錐、それ以外の多角錐状やその多角錐の先端が平坦
なもの、また三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角
柱状、あるいは先端が尖った三角柱、四角柱、六角柱、
それ以外の多角柱状やその先端が平坦なものなども含ま
れ、さらに、これらの折れ線状構造も含まれる。
【００５９】また、生成された針状結晶のアスペクト比
は、５以上、好ましくは１０以上、より好ましくは１０
０以上である。また、針状結晶の横切断面の重心を通る
最小長さも５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以
下、さらに好ましくは５０ｎｍ以下が好ましい。なお、
電池（例えば燃料電池）の電極に用いる場合や電子放出
装置の電子源として用いる場合には、上記アスペクト比
は高い方がよい。
【００６０】さらに、結晶性を高めるために針状結晶を
ｃ軸配向させることが好ましい。なお、ｃ軸配向とは、
基板に対して垂直方向ということである。
【００６１】このような電着を用いて針状結晶を作製す
るときは、針状結晶が図３（ａ）の様にガラス基板１４
と平行に重なってしまう状態より、基板より直線状に成
長させた図４（ａ）及び（ｂ）や、樹枝状に成長させた
図３（ｂ）に見られる様に針状結晶の末端部が透明電極
１５若しくは金属電極４１に接合させた状態で、ガラス
基板１４と垂直方向に形成されている方が好ましい。図
３において、１４はガラス基板、１５は透明電極層、１
７は針状構造体である。図４において、４１は金属基板
である。
【００６２】また、針状結晶の軸方向と基板の主面との
なす角が６０°以上９０°以下であることが好ましく、
更に好ましくは８０°以上９０°以下である。また、針
状結晶の形態は、直線状が好ましい。
【００６３】（第３の実施形態：光電変換装置）上記実
施形態に示した針状構造体を用いた光電変換装置につい
て説明する。光電変換装置としては、Graetzel型の色素
増感太陽電池に関して示す。
【００６４】Graetzelらは色素と半導体電極をさらに改
善してシリコン太陽電池並みの性能が得られたことを報
告している（J. Am. Chem. Soc. 115(1993)6382、米国
特許第5350644号）。ここでは色素にルテニウム系色素
を用い、半導体電極としてはアナターゼ型の多孔質酸化
チタン（ＴｉＯ2）を用いている。
【００６５】図６はGraetzel型の色素増感半導体電極を
用いた光化学電池（以下、Graetzel型セルという）の概
略構成を示す模式的な断面図である。
【００６６】図６中、６４，６７はガラス基板であり、
６５はガラス基板６４の表面に形成した透明電極（アノ
ード）であり、６１はアナターゼ型多孔質酸化チタン層
であり、これは酸化チタン微粒子同士が接合したポーラ
ス状の接合体からできている。また、６２はその酸化チ
タン微粒子表面に接合させた色素であり光吸収層として
作用する。６３は電解液、６６はガラス基板６７の表面
に形成した透明電極（カソード）である。
【００６７】次に、Graetzel型セルの製造方法について
図６を用いて説明する。
【００６８】まず透明電極６５が付いたガラス基板６４
にアナターゼ型ＴｉＯ2微粒子６１の膜を作製する。作
製方法には各種があるが、一般的には２０ｎｍ程度の微
粒子径を有するアナターゼ型ＴｉＯ2微粒子を分散させ
たペーストを電極上に塗布し、３５０から５００℃で焼
成して厚み約１０μｍのアナターゼ型ＴｉＯ2微粒子膜
を作製する。この際、微粒子同士程よく接合して、空孔
度が５０％程度でラスネスファクター（実質的な表面積
／見かけ上の表面積）が１０００程度の構造の膜が得ら
れる。
【００６９】次にこの微粒子付き電極に色素を吸着させ
る。色素には各種の物質が検討されているが、一般的に
はＲｕ錯体などが利用される。この色素を溶かした溶液
に電極を浸して乾燥させると、ＴｉＯ2微粒子の表面に
光吸収層６２が結合される。この溶媒には色素をよく溶
解し、かつ色素の電極への吸着を阻害せず、仮に電極表
面に残留していても電気化学的に不活性なエタノールや
アセトニトリルなどが用いられる。
【００７０】次に対極としてやはり透明電極６６が付い
たガラス基板６７を用意し、表面に白金やグラファイト
などの超薄膜を形成する。この薄膜はレドックスにおけ
る電荷やり取りの際の触媒として作用する。
【００７１】そして、電解液６３を上記２つの電極間に
保持して重ねるとGraetzel型セルができあがる。電解液
の溶媒としては電気化学的に不活性で、かつ電解質を充
分な量溶解できるアセトニトリルや炭酸エチレンなどが
用いられる。また、電解質については安定なイオンのレ
ドックス対であるＩ-／Ｉ3 -やＢｒ-／Ｂｒ3 -などが用い
られる。例えば、Ｉ-／Ｉ3 -対をつくるときにはヨウ素
のアンモニウム塩とヨウ素を混合する。
【００７２】その後、耐久性を持たせるため接着剤など
でセルの封止をすることが好ましい。
【００７３】続いて、Graetzel型セルの動作原理につい
て説明する。このGraetzel型セルに図６の左側から光を
入射させる。すると、入射光により光吸収層６２を構成
する色素中の電子が励起され、酸化チタンの伝導帯に移
動する。電子を失って酸化状態にある色素は迅速に電解
液６３のヨウ素イオンから電子を受け取って還元され元
の状態に戻る。酸化チタン層６１に注入された電子は、
酸化チタン微粒子の間をホッピング伝導などの機構によ
り移動しアノード６５に到達する。また、色素に電子を
供給して酸化状態（Ｉ3 -）になったヨウ素イオンはカソ
ード６６から電子を受け取って還元され、元の状態（Ｉ
-）に戻る。
【００７４】上記動作原理から推測できるように、色素
で生成した電子とホールが効率良く分離、移動するため
には、色素の励起状態の電子のエネルギー準位はＴｉＯ
2の伝導帯より高い必要があり、色素のホールのエネル
ギー準位はレドックス準位より低い必要性がある。
【００７５】この様なGraetzel型セルがシリコン太陽電
池にとって代わるためには今まで以上に高いエネルギー
変換効率や、さらに高い短絡電流、開放電圧、形状因
子、耐久性が必要になってくる。
【００７６】前述したGraetzel型セルを始めとする色素
増感型セルでは、色素１層の光吸収率が十分ではないた
めに、表面積を大きくして実質的な光吸収量を大きくし
ている。本発明は色素増感に限らず、光吸収率が十分で
はないために表面積を大きくする構成の光電変換装置一
般に広く利用可能である。この表面を大きくする方法に
は上記Graetzel型セルの様に微粒子を分散、接合させる
方法が簡単ではあるが、電子の移動が十分効率的ではな
い問題がある。例えば上記Graetzel型セルにおいて酸化
チタン半導体層６１を有するアノード透明電極６５側か
ら光入射を行った場合と、カソード透明電極６６側から
光入射を行った場合を比較すると、前者の方が光電変換
効率が良い場合が多い。これは単なる色素による光吸収
量の差だけではなく、光吸収により励起された電子が酸
化チタン半導体層６１を移動してアノード透明電極６５
に到達する確率が、透明電極から光励起位置が離れるに
従って低下していくことを示唆している。即ち、結晶粒
界が多いGraetzel型セルでは十分効率的な電子移動が達
成されていないことを示唆している。また、上記したよ
うな方法で作製された半導体膜をGraetzel型セルとして
使用した場合、基板との密着性や結晶粒界に問題があ
る。
【００７７】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の光電変換装
置の構成例を示す図である。図１において、１０は電極
付き基板、１１は吸収層修飾半導体結晶層、１２は電荷
輸送層、１３は電極付き基板である。電極付き基板１０
は例えば透明電極層１５が設けられたガラス基板１４か
らなり、吸収層修飾半導体結晶層１１は、針状構造体を
含む層である半導体針状結晶層１７とその表面上に形成
された光吸収層１６とからなる。半導体針状結晶層１７
は一方の電荷輸送層となり、この電荷輸送層と電荷輸送
層１２との間に光吸収層１６が設けられることになる。
【００７８】本発明に係わる針状結晶層と上述のＴｉＯ
2微粒子結晶層を比較すると、針状結晶層の方が光励起
により生成した電子もしくはホールが集電極へ移動する
までに粒界により散乱される確率が少なくなる。特に図
１（ｂ）に示した様に全ての針状結晶の一端が電極に接
合された状態で構成されている場合には、電子もしくは
ホールの移動において、Graetzel型セルと比較すると、
粒界の影響はほとんど解消される。
【００７９】本発明にかかる光電変換装置では、針状酸
化亜鉛結晶はｎ型ワイドギャップ半導体であるため、色
素の様な光吸収層１６を挟んでｐ型のワイドギャップ半
導体やレドックス対を含んだ電解液、高分子導電体など
の電子供与型の電荷輸送層１２が必要である。
【００８０】光の照射面はどの面に透明電極を用いるか
によって決まる。
【００８１】図２（ａ）に示した構成はGraetzel型セル
と同様に半導体結晶層側に透明電極を用いた例である。
図２（ｂ）に示した構成はそれとは逆の構成であり、光
吸収層までの照射光の吸収や反射が少なければどちらの
構成でも良い。また、図２（ｃ）に示した様に、どちら
の面からの光照射でも利用可能にできる構成もある。こ
れらの構成は半導体針状結晶の作製方法、及び組み合わ
せる電荷輸送層の製法や組成に依存する。例えばＰｔ膜
上への電着による針状結晶の作製の場合には、針状結晶
面からは光照射はできなくなる。針状結晶粉の焼成の様
な低温プロセスで針状結晶面を作製する場合には透明電
極層を劣化させずに作製できるので、どちらの面でも光
照射面にできる。
【００８２】（光吸収層について）本発明の光電変換装
置の光吸収層としては、各種の半導体や色素が利用可能
である。半導体としてはｉ型の光吸収係数が大きなアモ
ルファス半導体や直接遷移型半導体が好ましい。色素と
しては金属錯体色素および／もしくはポリメチン色素、
ペリレン色素、ローズベンガル、エオシンＹ、マーキュ
ロクロム、サンタリン（Santalin）色素、シアニン（Cy
anin）色素などの有機色素や天然色素が好ましい。該色
素は半導体微粒子の表面に対する適当な結合基を有して
いることが好ましい。好ましい結合基としては、COOH
基、シアノ基、PO3H2 基、または、オキシム、ジオキシ
ム、ヒドロキシキノリン、サリチレートおよび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。この中でもCOOH基、PO3H 2 基が特に好ましい。
本発明に使用する色素が金属錯体色素の場合、ルテニウ
ム錯体色素｛Ru(dcbpy)2(SCN)2、（dcbpy=2,2-bipyridi
ne-4,4'-dicarboxylic acid）等｝が利用できるが、酸
化・還元体が安定であることが重要である。また、光吸
収層の励起された電子の電位、即ち光励起した色素の電
位（色素のLUMO電位）や半導体中の伝導帯電位が、電子
受容型電荷輸送層の電子受容電位（ｎ型半導体の伝導帯
電位など）より高く、かつ光吸収層で光励起により生成
したホール電位が、電子供与型電荷移動層の電子供与電
位（ｐ型半導体の価電子帯電位、レドックス対のポテン
シャル電位など）より低いことが必要である。光吸収層
近傍における励起された電子？ホールの再結合確率を低
くすることも、光電変換効率を増大させる上で重要とな
る。
【００８３】（電荷移動層（針状酸化亜鉛結晶との対
極）について）ｎ型の針状結晶を用いた場合、光吸収層
を挟んでホール輸送層（即ちＰ型の電荷輸送層）を作製
することが求められる。このホール輸送層には湿式太陽
電池同様レドックス系が利用可能である。レドックスを
用いる場合でも単純な溶液系のみでなく、カーボンパウ
ダーを保持材にしたり、電解質をゲル化する方法があ
る。また、溶融塩やイオン伝導性ポリマーを用いる方法
もある。さらに電子（ホール）を輸送する方法として電
界重合有機ポリマーやＣｕＩ、ＣｕＳＣＮ、ＮｉＯなど
のｐ型半導体を用いることもできる。
【００８４】上記輸送層は針状結晶間に入り込ませるた
め、作製には液体や高分子などに利用できる浸透法や、
固体の輸送層に利用できる電着、ＣＶＤ法などが適して
いる。
【００８５】（電極について）電荷輸送層、半導体針状
結晶層に隣接するように電極が設けられる。電極はこれ
らの層の外側の前面に設けてもよいし一部に設けてもよ
い。電荷輸送層が固体でない場合、電荷輸送層を保持す
るという観点から前面に電極を設けたほうがよい。電荷
輸送層に隣接する電極の表面には、例えばレドックス対
の還元を効率よく行わせる為にＰｔ、Ｃなどの触媒を設
けておくことが好ましい。
【００８６】光入射側の電極としては、インジウム−ス
ズ複合酸化物、酸化スズにフッ素をドープしたもの等か
らなる透明電極が好適に用いられる。光入射側の電極に
接する層（電荷輸送層或いは半導体針状結晶層）の抵抗
が十分低い場合には、光入射側の電極として部分的な電
極、例えばフィンガー電極などを設けることも可能であ
る。
【００８７】光入射側とはならない電極は、Ｃｕ，Ａ
ｇ，Ａｌ等からなる金属電極が好適に用いられる。
【００８８】（基板について）基板の材質、厚さは、光
起電力装置に要求される耐久性に応じて適宜設計するこ
とができる。光入射側の基板は透光性である限り、ガラ
ス基板、プラスチック基板などが好適に用いられる。光
入射側とはならない基板としては、金属基板、セラミッ
ク基板などを適宜用いることができる。光入射側の基板
の表面には、ＳｉＯ2などからなる反射防止膜を設ける
ことが好ましい。
【００８９】なお、前述した電極に基板としての機能を
兼ねさせることにより、電極とは別部材の基板を設けな
い様にしても良い。
【００９０】（封止について）図示してはないが、本発
明の光電変換装置は少なくとも基板以外の部分を封止す
ることが、耐候性を高める観点から好ましい。封止材と
しては接着剤や樹脂を用いることができる。なお、光入
射側を封止する場合、封止材は透光性であることが好ま
しい。
【００９１】本発明にかかる光電変換装置の製造方法に
おける主たる特徴は、アスペクト比の大きい酸化亜鉛体
を電着を用いて作製し、電子受容型の電荷輸送層とする
ことである。
【００９２】（その他の装置）上記実施形態において説
明した酸化亜鉛の針状構造体を用いて、燃料電池やリチ
ウムイオン電池などの電池用の電極、あるいは、センサ
ー、電子源、レーザーなどに用いることができる。
【００９３】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに説明す
る。
【００９４】（実施例１）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【００９５】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意し、この基板を作用極として、０．０
１ｍｏｌ／Ｌ（モル／リットル）硝酸亜鉛を水：エタノ
ール＝９：１溶媒に溶解した電解液に浸し、この電解液
を８５度まで加熱した。そして、−１．２Ｖの電位を５
０００秒間印加を行った。電解後、基板表面には針状酸
化亜鉛結晶１７が電極から図４（ｂ）に示した様に成長
していた。この針状酸化亜鉛結晶の径は約２００ｎｍで
あり、長さは約３μｍであった。
【００９６】また、比較例としてエタノールを除いた電
解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【００９７】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が１５であるの
に対して、添加剤を加えない場合には９であった。な
お、アスペクト比はＳＥＭ写真の観察により導出した。
【００９８】なお、電着による製造方法ではなく、ＣＶ
ＤやＰＶＤ等の成膜装置を用いる方法では、大面積化し
た時の均一性に問題があるが、本発明では、電着装置と
基板を大型のものを使用すれば均一性の問題は小さい。
また、本実施例では、基板上からの成長ができる。
【００９９】また、ＣＶＤやＰＶＤ等では、高温での熱
処理や混入するガスの種類、圧力、基板の加熱等が重要
な要素であり、且つそれに伴う大規模製造装置が必要と
なる為、量産時のコスト面が問題であるが、図５に示す
ような電着装置では斯かるコストを抑制することができ
る。
【０１００】（実施例２）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１０１】白金電極を用意しこの基板を作用極とし
て、０．０１ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛を水：アセトニトリル
＝９：１溶媒に溶解した電解液に浸し、この電解液を８
５度まで加熱した。そして、−１．０Ｖの電位を５００
０秒間印加を行った。電解後、基板表面には針状酸化亜
鉛結晶１７が電極から図４（ａ）に示した様に成長して
いた。この針状酸化亜鉛結晶の径は約３００ｎｍであ
り、長さは約４μｍであった。
【０１０２】また、比較例としてアセトニトリルを除い
た電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【０１０３】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が１３であるの
に対して、添加剤を加えない場合には、９であった。
【０１０４】（実施例３）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１０５】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛を水：ｎ−ヘキサノール＝９９：１
溶媒に溶解した電解液に浸し、この電解液を８５度まで
加熱した。そして、−１．３Ｖの電位を５０００秒間印
加を行った。電解後、基板表面には針状酸化亜鉛結晶１
７が電極から図４（ｂ）に示した様に成長していた。こ
の針状酸化亜鉛結晶の径は約５００ｎｍであり、長さは
約５μｍであった。
【０１０６】また、比較例としてｎ−ヘキサノールを除
いた電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【０１０７】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。
【０１０８】（実施例４）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１０９】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．０１ｍｏｌ／Ｌ塩化カリウム
を混入した電解水溶液に浸し、この電解液を８５度まで
加熱した。そして、−１．２Ｖの電位を５０００秒間印
加を行った。電解後、基板表面には針状酸化亜鉛結晶１
７が電極から図４（ｂ）に示した様に成長していた。こ
の針状酸化亜鉛結晶の径は約４００ｎｍであり、長さは
約４．５μｍであった。
【０１１０】また、比較例として塩化カリウムを除いた
電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【０１１１】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。
【０１１２】（実施例５）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１１３】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．０１ｍｏｌ／Ｌ塩化ナトリウ
ムを混入した電解水溶液に浸し、この電解液を８５度ま
で加熱した。そして、−１．２Ｖの電位を１００００秒
間印加を行った。電解後、基板表面には針状酸化亜鉛結
晶１７が電極から図４（ｂ）に示した様に成長してい
た。この針状酸化亜鉛結晶の径は約４５０ｎｍであり、
長さは約６μｍであった。
【０１１４】また、比較例として塩化ナトリウムを除い
た電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【０１１５】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が１３であるの
に対して、添加剤を加えない場合には９であった。
【０１１６】（実施例６）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１１７】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．００５ｍｏｌ／Ｌの塩化亜鉛
と０．００５ｍｏｌ／Ｌ塩化カリウムを混入した電解水
溶液に浸し、この電解液を８５度まで加熱した。そし
て、−１．２Ｖの電位を５０００秒間印加を行った。電
解後、基板表面には針状酸化亜鉛結晶１７が電極から図
４（ｂ）に示した様に成長していた。この針状酸化亜鉛
結晶の径は約２００ｎｍであり、長さは約３．５μｍで
あった。
【０１１８】また、比較例として塩化カリウムを除いた
電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【０１１９】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が１８であるの
に対して、添加剤を加えない場合には９であった。
【０１２０】（実施例７）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１２１】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．０１ｍｏｌ／Ｌ塩化ナトリウ
ムを混入した電解水溶液に浸し、５分間Ｏ2でバブリン
グを行い、電解液を８５度まで加熱した。そして、−
１．２Ｖの電位を５０００秒間印加を行った。電解後、
基板表面には針状酸化亜鉛結晶１７が電極から図４
（ｂ）に示した様に成長していた。この針状酸化亜鉛結
晶の径は約２５０ｎｍであり、長さは約３μｍであっ
た。
【０１２２】また、比較例として塩化ナトリウムを除い
た電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させた。
【０１２３】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が１２であるの
に対して、添加剤を加えない場合には９であった。
【０１２４】（実施例８）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１２５】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．２ｇ／Ｌポリビニルアルコー
ル（重合度：１４００）を混入した電解水溶液に浸し、
この電解液を８５度まで加熱した。そして、−１．２Ｖ
の電位を５０００秒間印加を行った。電解後、基板表面
には針状酸化亜鉛結晶１７が電極から図４（ｂ）に示し
た様に成長していた。この針状酸化亜鉛結晶の径は約２
００ｎｍであり、長さは約３.５μｍであった。
【０１２６】また、比較例としてポリビニルアルコール
を除いた電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させ
た。
【０１２７】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が１８であるの
に対して、添加剤を加えない場合には９であった。
【０１２８】（実施例９）本実施例は、電着により導電
性基板から針状酸化亜鉛結晶を作製した例について図４
を用いて説明する。
【０１２９】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．２ｇ／Ｌポリエチレングリコ
ール（平均分子量：４０００）を混入した電解水溶液に
浸し、この電解液を８５度まで加熱した。そして、−
１．２Ｖの電位を１００００秒間印加を行った。電解
後、基板表面には針状酸化亜鉛結晶１７が電極から図４
（ｂ）に示した様に成長していた。この針状酸化亜鉛結
晶の径は約３００ｎｍであり、長さは約６μｍであっ
た。
【０１３０】また、比較例としてポリエチレングリコー
ルを除いた電解液を作製し、同様に酸化亜鉛を成長させ
た。
【０１３１】その測定結果、本発明の酸化亜鉛針状体の
方が、比較例と比べ、径が小さくなり長さが大きくな
り、それに伴うアスペクト比が大きくなった。具体的に
は、添加剤を加えた場合のアスペクト比が２０であるの
に対して、添加剤を加えない場合には９であった。
【０１３２】（実施例１０）本発明の実施例は、電解電
着法によって針状酸化亜鉛電極を作成し、光電変換装置
として使用した場合について、図１（ａ）、図１（ｂ）
を用いて説明する。
【０１３３】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛を水：エタノール＝９：１溶媒に溶
解した電解液に浸し、この電解液を９０度まで加熱し
た。そして、−１．２Ｖの電位を２００００秒間印加を
行った。
【０１３４】電解後、導電性ガラス基板表面には半導体
針状結晶１７であるところの針状酸化亜鉛結晶が、図１
（ｂ）に示すように、導電性ガラス基板に対して垂直方
向に成長していた。針状酸化亜鉛結晶の径は、２００か
ら３００ｎｍとなり、長さは１０μｍから１２μｍであ
った。
【０１３５】また、光吸収層１６として色素を用いた。
具体的には、Graetzelらが報告しているRu錯体であるRu
((dcbpy)(COOH)2)2(SCN)2を用いた。色素を蒸留エタノ
ールに溶解し、この中に針状酸化亜鉛結晶を形成した導
電性ガラス基板を２４時間浸して、色素を針状酸化亜鉛
結晶に吸着させた後に、８０℃程度の温度下で乾燥させ
た。
【０１３６】また、電荷移動層１２としてはＩ-／Ｉ3 -
のレドックス対を用いた。溶質はテトラプロピルアンモ
ニウムヨウ化物（tetrapropylammonium iodide ）
（０．４６ｍｏｌ／Ｌ）とヨウ素（０．０６ｍｏｌ／
Ｌ）とを用い、溶媒はエチレンカルボナート（ethylene
carbonate）（８０ｖｏｌ％）とアセトニトリル（acet
onitrile）（２０ｖｏｌ％）の混合液を用いた。この混
合液を、針状酸化亜鉛結晶を形成した導電性ガラス基板
に滴下してから、電極付き基板１３を貼り合わせてセル
を作成した。電極付き基板１３には、導電性ガラス基板
上に白金を１０ｎｍ厚にスパッタ成膜したものを用い
た。
【０１３７】また、比較例として粒径１００ｎｍを主成
分としたＺｎＯ粉末を熱処理したものを用いてＺｎＯ粒
状結晶を形成して、他の製造工程は、上記と同様にして
セルを作成した。そして紫外線カットフィルターを取り
付けた５００Ｗのキセノンランプ光を電極付き基板１３
側から照射した。そしてこの時生じた光電変換反応によ
る光電流の値を測定した。
【０１３８】測定の結果、本実施例のセルの方が比較例
と比べ、短絡電流値、開放電圧値ともに７％程度向上し
た。これは針状結晶を用いたことによって電子受容型電
荷移動層の内部抵抗が減少したことに起因すると考えら
れる。
【０１３９】（実施例１１）本発明の実施例は、電解電
着法によって針状酸化亜鉛電極を作成し、光電変換装置
として使用した場合について、図１（ａ），図１（ｂ）
を用いて説明する。
【０１４０】導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ2、１
０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、０．０１
ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．０１ｍｏｌ／Ｌ塩化カリウム
を混入した電解水溶液に浸し、この電解液を９０度まで
加熱した。そして、−１．２Ｖの電位を２００００秒間
印加を行った。
【０１４１】電解後、導電性ガラス基板表面には半導体
針状結晶１７であるところの針状酸化亜鉛結晶が、図１
（ｂ）に示すように、導電性ガラス基板に対して垂直方
向に成長していた。針状酸化亜鉛結晶の径は、１５０ｎ
ｍから２５０ｎｍとなり、長さは８μｍから１０μｍで
あった。
【０１４２】また、光吸収層１６として色素を用いた。
具体的には、市販のエオシンＹ（和光純薬工業株式会社
製）を用いた。色素を蒸留エタノールに溶解し、この中
に針状酸化亜鉛結晶を形成した導電性ガラス基板を２４
時間浸して、色素を針状酸化亜鉛結晶に吸着させた後
に、８０℃程度の温度下で乾燥させた。
【０１４３】そして、電極付き基板１３として、導電性
ガラス（ＦドープＳｎＯ2、１０Ω／□）上にグラファ
イトを約１０ｎｍ厚に形成したものを用い、電荷移動層
１２にはｐ型半導体であるＣｕＩを使用した。
【０１４４】ＣｕＩは、無水のアセトニトリルに溶解
し、色素を担持した針状酸化亜鉛結晶の膜界面に析出さ
せた。こうして、固体状の電荷移動層１２に配置される
電極付き基板１３と重ね合せて、光電変換装置を作成し
た。
【０１４５】また、比較例として粒径１００ｎｍを主成
分としたＺｎＯ粉末を熱処理したものを用いてＺｎＯ粒
状結晶を形成して、他の製造工程は、上記と同様にして
セルを作成した。そして紫外線カットフィルターを取り
付けた５００Ｗのキセノンランプ光を電極付き基板１０
側から照射した。そしてこの時生じた光電変換反応によ
る光電流の値を測定した。
【０１４６】測定の結果、本実施例のセルの方が比較例
と比べ、短絡電流値、開放電圧値ともに５％程度向上し
た。これは針状結晶を用いたことによって電子受容型電
荷移動層の内部抵抗が減少したことに起因すると考えら
れる。
【０１４７】（実施例１２）本発明の実施例は、電解電
着法によって針状酸化亜鉛電極を作成し、光電変換装置
として使用した場合について、図１（ａ），図１（ｂ）
を用いて説明する。導電性ガラス基板（ＦドープＳｎＯ
2、１０Ω／□）を用意しこの基板を作用極として、
０．０１ｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛と０．２ｇ／Ｌポリビニル
アルコール（重合度：１４００）を混入した電解水溶液
に浸し、この電解液を９０度まで加熱した。そして、−
１．２Ｖの電位を２００００秒間印加を行った。
【０１４８】電解後、導電性ガラス基板表面には半導体
針状結晶１７であるところの針状酸化亜鉛結晶が、図１
（ｂ）に示すように、導電性ガラス基板に対して垂直方
向に成長していた。針状酸化亜鉛結晶の径は、２００か
ら２５０ｎｍとなり、長さは１０μｍから１２μｍであ
った。
【０１４９】また、光吸収層１６として色素を用いた。
具体的には、市販のマーキュロクロム（アルドリッチ
製）を用いた。色素を蒸留エタノールに溶解し、この中
に針状酸化亜鉛結晶を形成した導電性ガラス基板を２４
時間浸して、色素を針状酸化亜鉛結晶に吸着させた後
に、８０℃程度の温度下で乾燥させた。
【０１５０】また、電荷移動層１２としてはＩ-／Ｉ3 -
のレドックス対を用いた。溶質は０．０５ｍｏｌ／Ｌ
Ｉ2（ヨウ素）と０．１ｍｏｌ／Ｌ Ｌｉｌ（よう化リチ
ウム）と０．６ｍｏｌ／Ｌ ＤＭＰＩ（Ｉｍ）（１，２
−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムアイオダイ
ド）と０．５ｍｏｌ／Ｌ ＴＢＰ（4-tert-ブチルピリジ
ン）とを用いた。溶媒はＭＡＮ（ＭｅＯＡＮ）（メトキ
シアセトニトリル）を用いた。この混合液を、針状酸化
亜鉛結晶を形成した導電性ガラス基板に滴下してから、
電極付き基板１３を貼り合わせてセルを作成した。電極
付き基板１３には、導電性ガラス基板上に白金を１０ｎ
ｍ厚にスパッタ成膜したものを用いた。
【０１５１】また、比較例として粒径１００ｎｍを主成
分としたＺｎＯ粉末を熱処理したものを用いてＺｎＯ粒
状結晶を形成して、他の製造工程は、上記と同様にして
セルを作成した。そして紫外線カットフィルターを取り
付けた５００Ｗのキセノンランプ光を電極付き基板１０
側から照射した。そしてこの時生じた光電変換反応によ
る光電流の値を測定した。
【０１５２】測定の結果、本実施例のセルの方が比較例
と比べ、短絡電流値、開放電圧値ともに１０％程度向上
した。これは針状結晶を用いたことによって電子受容型
電荷移動層の内部抵抗が減少したことに起因すると考え
られる。
【０１５３】（実施例１３）本実施例は、界面活性剤と
して第４級アンモニウム塩を添加した硝酸亜鉛水溶液中
で電着により酸化亜鉛針状結晶を作製した例について説
明する。まず、２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛水溶液に添加剤
として４ｍｍｏｌ／Ｌｎ−ドデシルトリメチルアンモニ
ウムクロライドを添加し、電解液を８５℃まで加熱し
た。次に作用極として導電性ガラス基板（ＦドープＳｎ
Ｏ2、１０Ω／□）を用意して前記電解液に浸し、−
１．２Ｖの電位を２００００秒間印加した。その後、管
状電気炉中に設置し酸素を１．６７×１０-3Ｌ／ｓ流し
ながら５００℃で熱処理を１時間行なった。
【０１５４】又、比較例として２ｍｍｏｌ／Ｌの硝酸亜
鉛水溶液を用いて−１．２Ｖの印加で２００００秒間電
着を行なった。
【０１５５】その結果、本発明の酸化亜鉛針状結晶の方
が、径が小さくなり長さが大きくなり、それに伴うアス
ペクト比が２０％程度大きくなった。これは、添加剤で
ある界面活性剤の作用により基板に対して垂直な方向に
優先的な成長をしたことが原因と考える。
【０１５６】(実施例１４)本実施例は、界面活性剤とし
て第４級アンモニウム塩を添加した硝酸亜鉛水溶液中で
電着により酸化亜鉛針状結晶を作製した例について説明
する。
【０１５７】実施例１と同様に２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛
水溶液に添加剤として４ｍｍｏｌ／Ｌｎ−テトラデシル
トリメチルアンモニウムクロライドを添加し、８５℃ま
で加熱した。次に作用極として導電性ガラス基板（Ｆド
ープＳｎＯ2、１０Ω／□）を用意して前記電解液に浸
し、−１．２Ｖの印加で２００００秒間電着を行なっ
た。その後、管状電気炉中に設置し酸素を１．６７×１
０-3Ｌ／ｓ流しながら５００℃で熱処理を１時間行なっ
た。又、比較例として２ｍｍｏｌ／Ｌの硝酸亜鉛水溶液
を用いて−１．２Ｖの印加で２００００秒間電着を行な
った。
【０１５８】前記界面活性剤を添加した結果、径は３％
程度減少し、アスペクト比は５％程度増加していた。
【０１５９】(実施例１５)本実施例は、界面活性剤とし
て第１〜３級アミン塩のカチオン界面活性剤を添加した
硝酸亜鉛水溶液中で電解電着により酸化亜鉛針状結晶を
作製した例について説明する。
【０１６０】実施例１と同様に２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛
水溶液に添加剤として、モノオクチルアンモニウムクロ
ライド（第１級アミン塩）、オクチルメチルアンモニウ
ムクロライド（第２級アミン塩）、オクチルジメチルア
ンモニウムクロライド（第３級アミン塩）をそれぞれ添
加し、電解液を８５℃まで加熱した。（以下にそれぞれ
第１級アミン塩、第２級アミン塩、第３級アミン塩と書
く。）又、前記アミン塩のそれぞれの添加量は全て２ｍ
ｍｏｌ／Ｌであった。次に作用極として導電性ガラス基
板（ＦドープＳｎＯ2、１０Ω／□）を用意して前記硝
酸亜鉛水溶液に浸し、−１．２Ｖの印加で２００００秒
間電着を行なった。その後、管状電気炉中に設置し酸素
を１．６７×１０-3Ｌ／ｓ流しながら５００℃で熱処理
を１時間行なった。又、比較例として２ｍｍｏｌ／Ｌの
硝酸亜鉛水溶液を用いて−１．２Ｖの印加で２００００
秒間電着を行なった。
【０１６１】この結果、第１級アミン塩、第２級アミン
塩、第３級アミン塩をそれぞれ添加した硝酸亜鉛水溶液
で作製した酸化亜鉛針状結晶は全て径の細化や高アスペ
クト化の効果はみられた。第１級アミン塩、第２級アミ
ン塩、第３級アミン塩の添加剤で作製した酸化亜鉛針状
結晶は径がそれぞれ８％、７％、５％程度減少し、アス
ペクト比が全て約１０％程度増加していた。
【０１６２】（実施例１６）本実施例は、界面活性剤と
して非イオン界面活性剤を添加した硝酸亜鉛水溶液中で
電着により酸化亜鉛針状結晶を作製した例について説明
する。
【０１６３】アセトニトリルを電解溶媒にした２ｍｍｏ
ｌ／Ｌ硝酸亜鉛溶液に添加剤として４ｍｍｏｌ／Ｌトリ
トンｘ−１００を添加し、前記電解液を７０℃まで加熱
した。次に作用極として導電性ガラス基板（ＦドープＳ
ｎＯ2、１０Ω／□）を用意して前記硝酸亜鉛水溶液に
浸し、−１．２Ｖの印加で２００００秒間電着を行なっ
た。その後、管状電気炉中に設置し酸素を１．６７×１
０-3Ｌ／ｓ流しながら５００℃で熱処理を１時間行なっ
た。又、比較例として添加剤無しのアセトニトリルを電
解溶媒にした２ｍｍｏｌ／Ｌの硝酸亜鉛溶液を用いて−
１．２Ｖの印加で２００００秒間電着を行なった。
【０１６４】この結果、径は３％程度減少し、アスペク
ト比は６％程度増加していた。
【０１６５】（実施例１７）本実施例は、界面活性剤と
してアニオン界面活性剤を添加した硝酸亜鉛水溶液中で
電着により酸化亜鉛針状結晶を作製した例について説明
する。
【０１６６】実施例１と同様に２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛
水溶液に添加剤として４ｍｍｏｌ／Ｌｎ−ドデシルベン
ゼンスルホン酸ナトリウムを添加し、前記電解液を８５
℃まで加熱した。次に作用極として導電性ガラス基板
（ＦドープＳｎＯ2、１０Ω／□）を用意して前記硝酸
亜鉛水溶液に浸し、−１．２Ｖの印加で２００００秒間
電着を行なった。その後、管状電気炉中に設置し酸素を
１．６７×１０-3Ｌ／ｓ流しながら５００℃で熱処理を
１時間行なった。又、比較例として添加剤無しの２ｍｍ
ｏｌ／Ｌの硝酸亜鉛水溶液を用いて−１．２Ｖの印加で
２００００秒間電着を行なった。
【０１６７】この結果、径は３％程度し、アスペクト比
は４％程度増加していた。
【０１６８】（実施例１８）本実施例は、界面活性剤と
して両性界面活性剤を添加した硝酸亜鉛水溶液中で電着
により酸化亜鉛針状結晶を作製した例について説明す
る。
【０１６９】実施例１と同様に２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛
水溶液に添加剤として４ｍｍｏｌ／Ｌラウリルジメチル
アミノ酢酸ベタインを添加し、前記電解液を８５℃まで
加熱した。次に作用極として導電性ガラス基板（Ｆドー
プＳｎＯ2、１０Ω／□）を用意して前記硝酸亜鉛水溶
液に浸し、−１．２Ｖの印加で２００００秒間電着を行
なった。その後、管状電気炉中に設置し酸素を１．６７
×１０-3Ｌ／ｓ流しながら５００℃で熱処理を１時間行
なった。又、比較例として２ｍｍｏｌ／Ｌの硝酸亜鉛水
溶液を用いて−１．２Ｖの印加で２００００秒間電着を
行なった。
【０１７０】この結果、本発明の酸化亜鉛針状結晶の方
が、径は４％程度減少し、アスペクト比は５％程度増加
していた。
【０１７１】（実施例１９）実施例１３で作製した酸化
亜鉛針状結晶をｎ型電荷輸送層として形成した光電変換
装置を作製した例について説明する。
【０１７２】例えば、実施例１で４ｍｍｏｌ／Ｌのドデ
シルトリメチルアンモニウムクロライドを添加した２ｍ
ｍｏｌ／Ｌの硝酸亜鉛水溶液中で作製した酸化亜鉛針状
結晶を採用して、これを光電変換装置のｎ型電荷輸送層
に用いた。次に色素は市販のエオシンＹを用いた。色素
を蒸留エタノールに溶解し、この中に前記酸化亜鉛針状
結晶電極を２４時間浸して色素を電極に吸着させた後取
りだし、８０℃で乾燥させた。又、導電性ガラス（Ｆド
ープＳｎＯ2、１０Ω／□）上に白金を１０ｎｍ厚にス
パッタ成膜した対極を用い、レドックス対はＩ-／Ｉ3 -
を用いた。溶質はテトラプロピルアンモニウムヨウ化物
（tetrapropylammonium iodide ）（０．４６ｍｏｌ／
Ｌ）とヨウ素（０．０６ｍｏｌ／Ｌ）、溶媒はエチレン
カルボナート（ethylene carbonate）（８０ｖｏｌ％）
とacetonitrile（２０ｖｏｌ％）の混合液を用いた。こ
の混合液をｎ型の電荷輸送層側の電極上に滴下し、対極
で挟んでセルとした。又、比較例として、添加剤無しで
作製した酸化亜鉛針状結晶を用いて同様にセルを組み立
てた。
【０１７３】そして、紫外線カットフィルターを取り付
けた５００Ｗのキセノンランプ光を対極側から照射し、
この時生じた光電変換反応による光電流の値を測定し
た。その測定結果、本発明のセルの方が光電変換効率は
１０％程度増加していた。
【０１７４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板上に針状構造体を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光電変換装置を示す断面概略図で
ある。
【図２】本発明に係る光照射と透明電極、針状酸化亜鉛
結晶層の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る針状酸化亜鉛結晶の接合状態を示
す断面図である。
【図４】基板上からの針状酸化亜鉛結晶の成長を示す断
面図である。
【図５】電解電着の装置図である。
【図６】従来例のGraetzelセルを示す断面図である。
【図７】針状及び混合結晶を用いたセルを示す断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 電極付き基板 １１ 吸収層修飾半導体針状結晶層 １２ 電荷輸送層 １３ 電極付き基板 １４ ガラス基板 １５ 透明電極層 １６ 光吸収層 １７ 針状構造体 ４１ 金属基板 ５１ 参照極 ５２ 対極 ５３ サンプル（作用極） ５４ ビーカー ５５ 電解液 ５６ マントルヒーター ６１ アナターゼ型ＴｉＯ2微粒子 ６２ 光吸収層 ６３ 電解液 ６４，６７ ガラス基板 ６５ 透明電極層（アノード） ６６ 透明電極層（カソード）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田 透 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA04 BB07 CB05 5F051 AA14 FA03 5H032 AA06 AS06 AS16 EE02 EE03 EE04 EE13 EE20 HH01 HH02

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解液中に基板を保持する工程、及び電
    着により該基板上に酸化亜鉛を形成する工程を含み、且
    つ該電解液には亜鉛イオンと少なくとも１種類以上の添
    加剤が含まれていることを特徴とする酸化亜鉛針状構造
    体の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記添加剤は、有機溶媒、ハロゲン化
    物、モノマー、モノマーの重合体、あるいは界面活性剤
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛針状
    構造体の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記有機溶媒は、アルコール、低級アル
    コール、エタノール、高級アルコール、あるいはヘキサ
    ノールであることを特徴とする請求項２に記載の酸化亜
    鉛針状構造体の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記有機溶媒の濃度は、電解溶媒との体
    積比が１０％以下であることを特徴とする請求項２に記
    載の酸化亜鉛針状構造体の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記ハロゲン化物とは、ハロゲン化物の
    塩であり、一般式Ｋ−Ｒ（式中、ＲはＣｌ、Ｂｒまたは
    Ｉ）であることを特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛
    針状構造体の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記ハロゲン化物とは、前記ハロゲン化
    物の塩であり、一般式Ｎａ−Ｒ（式中、ＲはＣｌ、Ｂｒ
    またはＩ）であることを特徴とする請求項２に記載の酸
    化亜鉛針状構造体の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記ハロゲン化物の塩の濃度は、０．０
    ０１（ｍｏｌ／Ｌ）から１．０（ｍｏｌ／Ｌ）の範囲に
    あることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の酸化
    亜鉛針状構造体の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記重合体は、水溶性高分子であること
    を特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛針状構造体の製
    造方法。
  9. 【請求項９】 前記モノマー若しくはその重合体は、ビ
    ニル基を有することを特徴とする請求項２に記載の酸化
    亜鉛針状構造体の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記重合体は、ポリビニルアルコー
    ル、ポリエチレングリコールであることを特徴とする請
    求項９に記載の酸化亜鉛針状体の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記モノマー若しくはその重合体の濃
    度は、０．０１ｇ／Ｌ以上１００ｇ／Ｌ以下の範囲にあ
    ることを特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛針状構造
    体の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記界面活性剤は、カチオン界面活性
    剤であることを特徴とする請求項２に記載の酸化亜鉛針
    状構造体の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記カチオン界面活性剤は、第四級ア
    ンモニウム塩であることを特徴とする請求項１２に記載
    の酸化亜鉛針状構造体の製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記第四級アンモニウム塩は、下記の
    一般式で表されることを特徴とする請求項１３に記載の
    酸化亜鉛針状構造体の製造方法。 【化１】 （式中、Ｒ１は炭素数が１３以下である長鎖状アルキル
    基であり、Ｒ２はメチル基又はエチル基であり、Ｘ-は
    アニオンである）
  15. 【請求項１５】 前記界面活性剤の添加量が１ｍ（ｍｏ
    ｌ／Ｌ）以上０．１（ｍｏｌ／Ｌ）以下である請求項２
    に記載の酸化亜鉛針状構造体の製造方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１に記載の製造方法により製造
    された酸化亜鉛の針状構造体を電極に用いた電池。
  17. 【請求項１７】 電子受容型の電荷輸送層と、電子供与
    型の電荷輸送層と、これらの電荷輸送層間に存在する光
    吸収層とを少なくとも有する光電変換装置であって、 前記電子受容型の電荷輸送層は酸化亜鉛の針状構造体を
    含み、該酸化亜鉛の針状構造体は、亜鉛イオンと少なく
    とも１種類以上の添加剤が存在する電解液中で導電性基
    板上に電着により形成されていることを特徴とする光電
    変換装置。
  18. 【請求項１８】 前記添加剤は、有機溶媒、ハロゲン化
    物、モノマー、モノマーの重合体、あるいは界面活性剤
    を含む請求項１７に記載の光電変換装置。
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