JP2005339885A - Oxide film structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属酸化物からなる多孔質膜を有する酸化膜構造体およびその製法、ならびにこの酸化膜構造体を用いた色素増感太陽電池に関するものであり、特に多孔質膜の立体形状の制御に関するものである。 The present invention relates to an oxide film structure having a porous film made of a metal oxide, a method for producing the same, and a dye-sensitized solar cell using the oxide film structure, and in particular, control of the three-dimensional shape of the porous film. It is about.
従来、多孔質膜を形成する方法としては、基板上に、金属酸化物微粒子を分散した分散液、金属アルコキシド溶液、金属塩溶液等を、スピンコート法、ブレード法、スプレー法等により塗布し、その後、焼成するゾルゲル法が用いられていた。 Conventionally, as a method for forming a porous film, a dispersion liquid in which metal oxide fine particles are dispersed, a metal alkoxide solution, a metal salt solution, and the like are applied on a substrate by a spin coating method, a blade method, a spray method, etc. Thereafter, a sol-gel method of firing was used.
しかしながら、このような方法では、得られた多孔質膜の形状が一様になるため、その立体形状を規則的に制御することが困難であった。せいぜい、金属酸化物微粒子の粒径を変化させたり、高分子微粒子を分散液や溶液に添加しておき、焼成時に高分子微粒子を熱分解により消散させたりして、細孔を形成する等の制御を行える程度であった。 However, in such a method, since the shape of the obtained porous film becomes uniform, it is difficult to regularly control the three-dimensional shape. At most, the particle size of the metal oxide fine particles is changed, or the fine polymer particles are added to the dispersion or solution, and the fine polymer particles are dissipated by thermal decomposition during firing to form pores, etc. It was just enough to control.
また、これ以外の多孔質膜の製法としては、陽極酸化を利用するものが提案されている(例えば、特許文献1,2,3参照。)。陽極酸化とは、被加工物を陽極として、酸性溶液中において電圧を印加(陽極酸化)することにより、被加工物中にナノスケールの細孔を形成する製法である。
しかしながら、陽極酸化を利用した上記発明にあっては、多孔質膜自体の立体形状を規則的に制御することが困難であるという問題があった。 However, the above-described invention using anodic oxidation has a problem that it is difficult to regularly control the three-dimensional shape of the porous membrane itself.
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、多孔質膜の立体形状を規則的に制御することを目的とする。
また、このような多孔質膜を有する酸化膜構造体、およびその製法を提供することを目的とする。
さらに、この酸化膜構造体を用いた光電変換効率が高い色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
An object of this invention is to control regularly the three-dimensional shape of a porous membrane in view of the problem of the said prior art.
Moreover, it aims at providing the oxide film structure which has such a porous film, and its manufacturing method.
Furthermore, it aims at providing the dye-sensitized solar cell with high photoelectric conversion efficiency using this oxide film structure.
かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、基板上に、金属酸化物からなる多孔質膜が設けられた酸化膜構造体であって、前記多孔質膜には凹部が形成され、この凹部が、多数の小球状の空間が列状に連続して形成された形状であることを特徴とする酸化膜構造体である。
To solve this problem,
The invention according to
請求項2にかかる発明は、凹部の深さが1〜3μmであり、この凹部を構成する小球状の空間の直径が0.1〜1μmであることを特徴とする請求項1記載の酸化膜構造体である。
The invention according to
請求項3にかかる発明は、請求項1または2記載の酸化膜構造体の基板が、透明導電膜が形成されているガラス板であることを特徴とする酸化膜構造体である。
The invention according to
請求項4にかかる発明は、請求項3に記載の酸化膜構造体の多孔質膜に光増感色素を担持し、これを作用極として使用したことを特徴とする色素増感太陽電池である。
The invention according to
請求項5にかかる発明は、
磁性粒子と金属酸化物微粒子からなるゾルを作製する工程と、
このゾルを基板上に塗布して成膜する工程と、
成膜したゾルに磁界を印加しながら、乾燥させる工程と、
乾燥したゾルを加熱、焼成することにより、多孔質膜を形成する工程と、
この多孔質膜の中に含まれる磁性粒子を除去する工程とを有することを特徴とする酸化膜構造体の製法。
The invention according to claim 5 is:
Producing a sol composed of magnetic particles and metal oxide fine particles;
Applying the sol on a substrate to form a film;
A step of drying while applying a magnetic field to the formed sol;
A step of forming a porous film by heating and baking the dried sol;
And a step of removing magnetic particles contained in the porous film.
請求項6にかかる発明は、基板が、透明導電膜が形成されているガラス板であり、この基板の透明導電膜上に、ゾルを塗布して成膜する工程を有することを特徴とする請求項5記載の酸化膜構造体の製法である。 The invention according to claim 6 is characterized in that the substrate is a glass plate on which a transparent conductive film is formed, and has a step of forming a film by applying a sol on the transparent conductive film of the substrate. Item 6. A method for producing an oxide film structure according to Item 5.
本発明の酸化膜構造体によれば、多孔質膜の立体形状を規則的に制御することができる。
また、本発明の酸化膜構造体の製法によれば、立体形状が規則的に制御された酸化膜構造体を製造することができる。
さらに、本発明の色素増感太陽電池によれば、多孔質膜の実質的な表面積を増大させることが可能であり、光電変換効率が高い色素増感太陽電池を得る可能性がある。
According to the oxide film structure of the present invention, the three-dimensional shape of the porous film can be regularly controlled.
Moreover, according to the manufacturing method of the oxide film structure of the present invention, an oxide film structure whose three-dimensional shape is regularly controlled can be manufactured.
Furthermore, according to the dye-sensitized solar cell of the present invention, the substantial surface area of the porous film can be increased, and a dye-sensitized solar cell with high photoelectric conversion efficiency may be obtained.
本発明の酸化膜構造体の一実施形態を、図1に基づいて説明する。図1において、符号10は本発明の酸化膜構造体の一例を示す。
An embodiment of the oxide film structure of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the code |
この例の酸化膜構造体10は、図1に示すように、基板1と、この基板1の一方の表面に設けられた金属酸化物からなる多孔質膜2と、この多孔質膜2に形成された、多数の小球状の空間が列状に連続して形成された凹部3,3,…とから構成されている。
上記基板1は、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)等の耐熱性が良好な透明導電膜1aと、普通ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス等からなるガラス板1bとからなるものである。なお、ガラス板1bの代わりに、金属またはセラミックス等からなる板を用いてもよい。
As shown in FIG. 1, an
The
上記多孔質膜2は、基板1の透明導電膜1a上に形成された、厚みが1〜3μmの膜であって、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ等の半導性を示す金属酸化物、または、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化鉛等の金属酸化物の微粒子からなっている。また、この多孔質膜2は多孔質であって、その内部に微細な連続気泡や独立気泡が存在するものであり、多数の金属酸化物の微粒子が空隙を介して焼成されて結合したものである。
The
上記凹部3,3,…は、多孔質膜2の中において、膜厚方向に沿って形成されているものである。この凹部3,3,…を構成する連続した空間の形状は球状であることが好ましいが、これに限定されることなく、楕円球状であってもよい。また、凹部3,3,…の深さは、1〜3μmであり、連続した各空間の直径は0.1〜1μmである。
The
なお、凹部3,3,…は、図1に示すように、直線状のものだけではなく、その途中において折れ曲がっているもの、傾斜しているものであってもよい。また、この凹部3,3,…の空隙柱密度は1μm3当たり5〜10本であり、この密度は酸化膜構造体10において、一様であっても、一様でなくてもよい。
As shown in FIG. 1, the
このような酸化膜構造体10にあっては、多孔質膜2に多数の凹部3,3,…が形成されているので、形状が一様な膜に比べて実質的な表面積が大きくなり、反応に関与する表面積が増大する。
In such an
本発明の酸化膜構造体10の製法の一例を、図2に基づいて説明する。
先ず、磁性粒子4aと金属酸化物微粒子からなるゾルを作製する。このゾルは、乾燥、焼成の後に、多孔質膜2となるものである。ゾルを構成する金属酸化物微粒子の材料としては、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ等の半導性を示す金属酸化物、または、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化鉛等の金属酸化物であって、粒径が10〜20nmの微粒子が用いられている。
An example of the manufacturing method of the
First, a sol composed of
磁性粒子4aは、多孔質膜2に、多数の小球状の空間が列状に連続した凹部3を形成するためのものである。この磁性粒子4aの材料としては、コバルト、ニッケルなどの磁性を示すものであって、粒径が10〜20nmの微粒子が用いられる。
The
金属酸化物、磁性粒子4aの他に、増粘剤を加えてもよい。この増粘剤は、ゾルと基板1との密着性を向上させるとともに、ゾルの膜形成を容易にするためのものである。この増粘剤の材料としては、エチレングリコール、セルロース誘導体、多糖類等の粘着性を示すものが用いられている。
A thickener may be added in addition to the metal oxide and
上記した金属酸化物、磁性粒子4a、増粘剤をイオン交換水などの水、アルコール等の分散媒中において分散し、さらに超音波処理を施す。この超音波の周波数は、10〜30kHz、出力は400〜800W、処理時間は30〜90分、処理温度は0〜10℃である。このような操作により、均一なゾルを作製する。
The above-described metal oxide,
一方、FTO、ATO等の耐熱性が良好な透明導電膜1aと、普通ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス等からなるガラス板1bとからなる基板1を用意し、この基板1の透明導電膜1a上に、作製されたゾルを、スピンコート法、ブレード法、スプレー法等により塗布し、成膜する。この時、ゾル中に存在する磁性粒子4aは、図2(a)に示すように、不規則に分散している。
On the other hand, a
続いて、基板1上に成膜されたゾルに、磁石5,5を用いて磁界を印加するとともに、このゾルを乾燥させる。磁界の強度は200〜400kA/mである。
磁界を印加すると、不規則に分散していた磁性粒子4aは凝集を始め、直径が0.1〜1μmの磁性凝集体4bを形成する。その後、図2(b)に示すように、この磁性凝集体4bは、磁界の方向に沿って連続的に整列する。また、乾燥を行うことにより、この規則的な磁性凝集体4bの配列は、崩れることなくそのまま保存される。
Subsequently, a magnetic field is applied to the sol formed on the
When a magnetic field is applied, the irregularly dispersed
なお、図2(b)に示した例では、磁界を基板1の垂直方向に印加しているため、磁性凝集体4bはこの方向に沿って整列しているが、本発明はこれに限らず、磁性凝集体4bの整列方向が基板1の表面に対して傾斜するように、磁界を印加してもよい。
In the example shown in FIG. 2B, since the magnetic field is applied in the vertical direction of the
次に、基板1上の、磁性凝集体4bが整列したゾルを、空気中、加熱炉内において、加熱、焼成する。焼成温度は350〜550℃であり、焼成時間は3〜13時間である。この焼成により、図2(c)に示すように、ゾル中の金属酸化物微粒子が焼結されて結合した多孔質膜2が形成される。
Next, the sol on which the
多孔質膜2の内部には、整列した磁性凝集体4bが存在する。そこで、この多孔質膜2を有する酸化膜構造体10を、塩酸水溶液等の磁性凝集体4bを溶解する酸水溶液に浸漬し、この磁性凝集体4bを溶解して除去する。塩酸水溶液の濃度は10〜30重量%である。この操作により、多孔質膜2の内部に、多数の小球状の空間が列状に連続した凹部3,3,…が形成されることになる。以上の製法により、立体形状が規則的に制御された酸化膜構造体10が得られる。
Inside the
従って、本発明の製法のように、磁性粒子4aと磁石5,5とを用いることにより、多孔質膜2の立体形状を規則的に、かつ、簡便に制御することができる。また、用いる磁性粒子の粒径を、予め決められた値に揃えることにより、凹部3,3,…を構成する小球状の空間の直径を制御することもできる。
Therefore, the three-dimensional shape of the
本発明の色素増感太陽電池の一例を、図3に基づいて説明する。
本発明の色素増感太陽電池は、上述した酸化膜構造体10のうち、基板1として透明導電膜1aを有するガラス板1bを用いた酸化膜構造体10を、その作用極として用いたものであり、また、多孔質膜2に光増感色素を担持したものである。
An example of the dye-sensitized solar cell of the present invention will be described with reference to FIG.
The dye-sensitized solar cell of the present invention uses the
この例の色素増感太陽電池は、図3に示すように、作用極21、対極22、電解質層23からなっている。
作用極21は、普通ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス等からなる厚みが0.5〜3mmのガラス板24と、このガラス板24の一方の表面に形成されたFTO、ATO等からなる厚みが50〜500nmの透明導電膜25と、この透明導電膜25上に設けられた厚みが0.1〜20μmの酸化物半導体多孔質膜26と、この酸化物半導体多孔質膜26に担持された光増感色素とから構成されている。
The dye-sensitized solar cell of this example includes a working
The working
上記酸化物半導体多孔質膜26は、酸化チタン、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ等の半導性を示す金属酸化物微粒子が結合されてなるものであり、その内部には、無数の微細な空孔が形成されており、さらには、多数の小球状の空間が列状に連続した凹部3,3,…が形成されている。そして、この酸化物半導体多孔質膜26の中に上記した光増感色素が担持されている。
The oxide semiconductor
上記光増感色素としては、ビピリジン構造、ターピリジン構造などの配位子を含むルテニウム錯体、ポルフィリン、フタロシアニンなどの金属錯体、エオシン、ローダミン、メラシアニンなどの有機色素が用いられ、これらの色素の水溶液またはアルコール溶液を、酸化物半導体多孔質膜26の中に含浸し、乾燥することにより担持される。
As the photosensitizing dye, a ruthenium complex containing a ligand such as a bipyridine structure or a terpyridine structure, a metal complex such as porphyrin or phthalocyanine, or an organic dye such as eosin, rhodamine or melocyanine is used. It is supported by impregnating the alcohol solution into the oxide semiconductor
上記対極22には、金属板などの導電性基板、ガラスなどの非導電性基板に白金、金、炭素などの導電膜を蒸着、スパッタ等により形成したもの、非導電性基板上に塩化白金酸溶液を塗布、加熱して白金膜を形成したものが用いられる。
The
上記電解質層23には、ヨウ素/ヨウ素イオンなどのレドックス対を含む非水溶液からなる電解液、ヨウ化銅、チオシアン銅などの無機p型半導体からなる固体の電荷移送体などが用いられる。固体電荷移送体を用いた場合には、電解液の漏出、揮発の問題がない。
さらに、作用極21と対極22とは、その間に電解質層23を挟んだ状態で、その周囲が樹脂等で封じられることにより、色素増感太陽電池となっている。
For the electrolyte layer 23, an electrolytic solution made of a non-aqueous solution containing a redox pair such as iodine / iodine ions, a solid charge transfer body made of an inorganic p-type semiconductor such as copper iodide, thiocyanic copper, or the like is used. When a solid charge transfer body is used, there is no problem of electrolyte leakage and volatilization.
Furthermore, the working
このような構造の色素増感太陽電池にあっては、発電に寄与する半導体膜構造体21の実質的な表面積が増大し、その空孔の表面に付着している光増感色素の量も増大し、光電変換効率の高いものとなる。
In the dye-sensitized solar cell having such a structure, the substantial surface area of the
[具体例]
以下、具体例を示す。
先ず、ゾルの作製を行った。酸化チタン微粒子(粒径5〜30nm)と増粘剤であるエチレングリコールとをイオン交換水で混合し、スラリーを作製した。このスラリーに、磁性粒子4aであるニッケル粒子を体積分率で10%となるように混合した。
[Concrete example]
Specific examples are shown below.
First, a sol was prepared. Titanium oxide fine particles (particle size 5 to 30 nm) and ethylene glycol as a thickener were mixed with ion-exchanged water to prepare a slurry. To this slurry, nickel particles as
一方、厚みが1.8mmの耐熱ガラス板の一方の表面に、厚み1μmのATO膜を形成した基板1を用意し、この基板1のATO膜上に、作製したゾルを、ドクターブレード法により塗布し、成膜した。続いて、成膜されたゾルに、磁界を基板1の垂直方向に印加した。磁界の強度は320kA/mであった。また、磁界の印加とともに、このゾルを乾燥した。
On the other hand, a
乾燥後、ゾルを空気中、加熱炉において、加熱、焼成した。焼成温度は450℃であり、焼成時間は10時間であった。これにより、ニッケル粒子を含む多孔質膜2を得た。
続いて、この多孔質膜2を有する酸化膜構造体10を20体積%の塩酸水溶液に浸漬し、ニッケル粒子を溶解して除去した。この操作により、多数の小球状の空間が列状に連続した凹部3,3,…が形成されている多孔質膜2を得た。
After drying, the sol was heated and fired in air in a heating furnace. The firing temperature was 450 ° C. and the firing time was 10 hours. Thereby, the
Subsequently, the
この多孔質膜2の走査型電子顕微鏡写真を、図4に示す。この写真から、多孔質膜2の中に、凹部3,3,…が形成されていることが確認された。凹部3,3,…の深さは1〜3μmであり、この凹部を構成する小球状の空間の直径は0.1〜1μmであった。
A scanning electron micrograph of the
上述の製法により得られた酸化膜構造体10を用いて、色素増感太陽電池の作用極21を作製した。
酸化膜構造体10の酸化チタンからなる多孔質膜2に光増感色素を担持した。この光増感色素にはルテニウム錯体を用い、これの0.2重量%アルコール溶液を多孔質膜2に滴下し、乾燥した。これにより、酸化膜構造体10を用いた色素増感太陽電池の作用極21を得た。
A working
A photosensitizing dye was supported on the
本発明の酸化膜構造体10の製法は、色素増感太陽電池の作用極21の製法として有用であるほか、これ以外の燃料電池や2次電池等の電極膜の製法として使用できる。
The manufacturing method of the
1・・・基板、1a・・・透明導電膜、1b・・・ガラス板、2・・・多孔質膜、3・・・細孔、4a・・・磁性粒子、10・・・酸化膜構造体、21・・・作用極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記多孔質膜には凹部が形成され、この凹部が、多数の小球状の空間が列状に連続して形成された形状であることを特徴とする酸化膜構造体。 An oxide film structure in which a porous film made of a metal oxide is provided on a substrate,
A concave portion is formed in the porous film, and the concave portion has a shape in which a large number of small spherical spaces are continuously formed in a row.
このゾルを基板上に塗布して成膜する工程と、
成膜したゾルに磁界を印加しながら、乾燥させる工程と、
乾燥したゾルを加熱、焼成することにより、多孔質膜を形成する工程と、
この多孔質膜の中に含まれる磁性粒子を除去する工程とを有することを特徴とする酸化膜構造体の製法。 Producing a sol composed of magnetic particles and metal oxide fine particles;
Applying the sol on a substrate to form a film;
A step of drying while applying a magnetic field to the formed sol;
A step of forming a porous film by heating and baking the dried sol;
And a step of removing magnetic particles contained in the porous film.
6. The oxide film structure according to claim 5, wherein the substrate is a glass plate on which a transparent conductive film is formed, and has a step of forming a film by applying a sol on the transparent conductive film of the substrate. The manufacturing method.
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