JP2008163396A - Electrolytic deposition apparatus, electrolytic deposition method and photoelectric transducer - Google Patents

Electrolytic deposition apparatus, electrolytic deposition method and photoelectric transducer Download PDF

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秀則 篠原
Atsushi Kadota
敦志 門田
Norihiko Shigeta
徳彦 繁田
Masahiro Shinkai
正博 新海
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric transducer capable of obtaing an excellent photoelectric transformation efficiency, and to provide an electrolytic deposition apparatus and an electrolytic deposition method by which the photoelectric transducer can be manufactured. <P>SOLUTION: The electrolytic deposition apparatus 1 is provided with a gas storage part 10, an electrolytic bath 11, a microbubble generating part 13, a pump 14, a gas supply line 15 and electrolyte circulation line 16. A first substrate 20 and a second substrate 21 are oppositely arranged in the electrolytic bath 11 and are impregnated with the electrolyte 12. After microbubbles are generated in the electrolyte 12 by the microbubble generating part 13, voltage is applied between the first substrate 20 and the second substrate 21 to carry out the electrolytic deposition. By controlling floating speed of the microbubbles to 8 cm/sec particularly, the gas floating on the electrolyte and discharged to air is remarkably reduced to effectively increase the gas concentration dissolved in the electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、物質を電気化学的に析出する電解析出装置および電解析出方法、ならびに、これらを用いて作製される光電変換素子に関する。   The present invention relates to an electrolytic deposition apparatus and an electrolytic deposition method for electrochemically depositing a substance, and a photoelectric conversion element produced using these.

従来、太陽電池等の光電変換素子では、一対の電極間に光増感作用を有する色素等を担持させるために、酸化物半導体膜等の多孔質の薄膜が設けられている。このような光電変換素子の薄膜形成プロセスにおいては、電極上に酸化物半導体を焼き付けて膜形成を行う焼結法等が用いられてきたが、近年では、電解析出(電析、電解鍍金、電解メッキ、電解めっき、電気鍍金、電気メッキ、電気めっき)法が注目を集めている。この電解析出法は、電解液中に含浸させた一対の電極間に電圧を印加することにより、物質を析出させて製膜を行う方法である。   Conventionally, in a photoelectric conversion element such as a solar cell, a porous thin film such as an oxide semiconductor film is provided to support a dye having a photosensitizing action between a pair of electrodes. In such a thin film formation process of a photoelectric conversion element, a sintering method or the like in which an oxide semiconductor is baked on an electrode to form a film has been used. However, in recent years, electrolytic deposition (electrodeposition, electrolytic plating, Electroplating, electrolytic plating, electroplating, electroplating, and electroplating methods are attracting attention. This electrolytic deposition method is a method of forming a film by depositing a substance by applying a voltage between a pair of electrodes impregnated in an electrolytic solution.

一般に、上記のような電解析出法においては、電解析出反応を促進させることを目的として、電解液中に、ある種の気体を気泡として対流させ、電解液の攪拌を行うバブリング技術が多く利用されている。   In general, in the electrolytic deposition method as described above, for the purpose of promoting the electrolytic deposition reaction, there are many bubbling techniques in which a certain gas is convected as bubbles in the electrolytic solution and the electrolytic solution is stirred. It's being used.

一方で、このような電解析出におけるバブリングは、気体を電解析出反応の材料として供給する目的においても使用することができる。例えば、亜鉛塩を含む電解液中に、酸素(O2)を電解析出材料としてバブリングして、電解析出を行うことにより、酸化亜鉛(ZnO)膜を製膜する技術が開示されている(例えば、非特許文献1)。 On the other hand, such bubbling in electrolytic deposition can also be used for the purpose of supplying gas as a material for electrolytic deposition reaction. For example, a technique for forming a zinc oxide (ZnO) film by bubbling oxygen (O 2 ) as an electrolytic deposition material in an electrolytic solution containing a zinc salt and performing electrolytic deposition is disclosed. (For example, Non-Patent Document 1).

ここで、図8に、バブリングによって気体材料を供給して電解析出を行う従来の電解析出装置の模式図を示す。この装置は、電解浴101に気体を供給する気体貯蔵部100および気体供給ライン104と、電解液102を循環させるためのポンプ103および電解液循環ライン105と、電解液102に含浸された、一対の電極としての第1基板200および第2基板201と、電解浴101の底面に設けられ、気体供給ライン104から供給された気体を電解液102に導入するチャンバー300とにより構成されている。チャンバー300には、オリフィス孔300aが設けられており、これによって気体は気泡となり、電解液102中にバブリングされる。このような構成により、バブリングされた気泡は電解液102中のイオンと反応して、第1基板200上に電解析出物を形成する。
Sophie Peulon and Daniel Lincot,Adv.Mat.,8,166-170(1996)
Here, FIG. 8 shows a schematic diagram of a conventional electrolytic deposition apparatus that performs electrolytic deposition by supplying a gaseous material by bubbling. This apparatus includes a gas storage unit 100 and a gas supply line 104 that supply gas to the electrolytic bath 101, a pump 103 and an electrolytic solution circulation line 105 for circulating the electrolytic solution 102, and a pair of impregnated electrolytic solutions 102. The first substrate 200 and the second substrate 201 serving as the electrodes, and a chamber 300 which is provided on the bottom surface of the electrolytic bath 101 and introduces the gas supplied from the gas supply line 104 into the electrolytic solution 102. The chamber 300 is provided with an orifice hole 300 a, whereby the gas becomes bubbles and is bubbled into the electrolytic solution 102. With such a configuration, the bubbled bubbles react with ions in the electrolytic solution 102 to form electrolytic deposits on the first substrate 200.
Sophie Peulon and Daniel Lincot, Adv. Mat., 8, 166-170 (1996)

ところが、上記のようなオリフィス構造を用いたバブリングでは、供給された気泡のうち、電解液中に溶け込んで電解析出反応に利用される前に、電解浴上に浮上してしまうものが多く、電解液中に溶存する気体の濃度が低くなる。従って、このような電解析出により光電変換素子の薄膜を形成した場合には、電解析出時の溶存酸素濃度が低く、濃度分布にばらつきがあるため、析出される膜の結晶性が不均一となり、光電変換効率が低下するという問題があった。   However, in the bubbling using the orifice structure as described above, many of the supplied bubbles float on the electrolytic bath before being dissolved in the electrolytic solution and used for the electrolytic deposition reaction. The concentration of the gas dissolved in the electrolytic solution is lowered. Therefore, when a thin film of a photoelectric conversion element is formed by such electrolytic deposition, the dissolved oxygen concentration at the time of electrolytic deposition is low and the concentration distribution varies, so the crystallinity of the deposited film is non-uniform. Thus, there is a problem that the photoelectric conversion efficiency is lowered.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、良好な光電変換効率を実現可能な光電変換素子、ならびに、このような光電変換素子を作製することのできる電解析出装置および電解析出方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object thereof is a photoelectric conversion element capable of realizing good photoelectric conversion efficiency, and an electrolytic deposition apparatus capable of producing such a photoelectric conversion element and It is to provide an electrolytic deposition method.

本発明に係る電解析出装置は、電解液を含む電解浴と、前記電解液に浸漬された一対の導電性基板に電圧を印加する手段と、電解液中に、電解析出の材料となる気体を含む微小気泡を発生させる微小気泡発生手段とを備えたものである。   The electrolytic deposition apparatus according to the present invention is an electrolytic bath containing an electrolytic solution, means for applying a voltage to a pair of conductive substrates immersed in the electrolytic solution, and a material for electrolytic deposition in the electrolytic solution. And a microbubble generating means for generating microbubbles containing gas.

本発明に係る電解析出方法は、電解析出の材料となる気体を含む微小気泡を有する電解液中に浸漬された一対の導電性基板間に電圧を印加する工程とを含むものである。   The electrolytic deposition method according to the present invention includes a step of applying a voltage between a pair of conductive substrates immersed in an electrolytic solution having microbubbles containing a gas as a material for electrolytic deposition.

本発明に係る電解析出用溶液は、酸素を微小気泡として含むものである。   The electrolytic deposition solution according to the present invention contains oxygen as microbubbles.

本発明に係る光電変換素子は、色素を担持する酸化物半導体膜を表面に有する第1電極と、第1電極に対向して設けられた第2電極と、第1電極と第2電極との間に設けられた電解質層とを備えており、酸化物半導体膜が、上記の電解析出装置を用いて形成されたものである。   The photoelectric conversion element according to the present invention includes a first electrode having an oxide semiconductor film carrying a dye on its surface, a second electrode provided to face the first electrode, and a first electrode and a second electrode. The oxide semiconductor film is formed using the above electrolytic deposition apparatus.

本発明に係る電解析出装置および電解析出方法では、微小気泡発生手段によって微小気泡を電解液中にバブリングしたのち、一対の導電性基板間に所定の電圧が印加されると、電解液中のイオンと微小気泡として供給された気体を含む材料どうしの電解析出反応により、導電性基板上に物質が析出される。電解析出の材料となる気体を微小気泡として供給することにより、気体が電解液中に長時間滞留する。これにより、電解浴上に浮上して大気中に放出される気体量が低減し、電解液中に溶存する気体濃度が高まる。   In the electrolytic deposition apparatus and the electrolytic deposition method according to the present invention, when a predetermined voltage is applied between a pair of conductive substrates after bubbling microbubbles into the electrolytic solution by the microbubble generating means, A substance is deposited on the conductive substrate by the electrolytic deposition reaction between the materials containing the ions and the gas supplied as microbubbles. By supplying the gas as the material for electrolytic deposition as microbubbles, the gas stays in the electrolytic solution for a long time. This reduces the amount of gas that floats on the electrolytic bath and is released into the atmosphere, and increases the concentration of gas dissolved in the electrolytic solution.

また、本発明に係る電解析出装置では、微小気泡の浮上速度が、大気圧、20℃の条件下において、8cm/秒であれば、大気中に放出される気体量が大幅に低減し、電解液中の溶存する気体濃度が効果的に高まる。   Further, in the electrolytic deposition apparatus according to the present invention, if the ascending speed of the microbubbles is 8 cm / second under the conditions of atmospheric pressure and 20 ° C., the amount of gas released into the atmosphere is greatly reduced, The dissolved gas concentration in the electrolytic solution is effectively increased.

さらに、本発明に係る電解析出装置では、微小気泡が酸素(O2)を含み、電解液が亜鉛イオン(Zn2+)を含むものであれば、均一な結晶性を有する酸化亜鉛(ZnO)膜が析出される。 Furthermore, in the electrolytic deposition apparatus according to the present invention, as long as the microbubbles contain oxygen (O 2 ) and the electrolyte contains zinc ions (Zn 2+ ), zinc oxide (ZnO) having uniform crystallinity. ) A film is deposited.

また、本発明に係る電解析出装置では、微小気泡発生手段に気体を供給する気体供給手段と、微小気泡発生手段に電解液を供給する電解液供給手段とを更に備え、微小気泡発生手段が、気体供給手段により供給された気体と、電解液供給手段により供給された電解液とを高速旋回させることにより、噴流と共に微小気泡を発生させるものであれば、噴流によって、電解液の攪拌性が高まり、電解析出反応が促進する。   The electrolytic deposition apparatus according to the present invention further comprises a gas supply means for supplying a gas to the microbubble generating means, and an electrolyte supply means for supplying an electrolyte to the microbubble generating means, the microbubble generating means being If the gas supplied by the gas supply means and the electrolyte supplied by the electrolyte supply means are swirled at a high speed to generate microbubbles together with the jet, the jet makes it possible to stir the electrolyte. Increases and promotes the electrolytic deposition reaction.

本発明に係る電解析出用溶液では、酸素を微小気泡として含んでいることにより、酸素が溶液中に長時間滞留し、酸素濃度が高まる。   In the electrolytic deposition solution according to the present invention, since oxygen is contained as microbubbles, oxygen stays in the solution for a long time, and the oxygen concentration increases.

本発明に係る光電変換素子では、電極間に設けられる酸化物半導体膜を、本発明に係る電解析出装置によって形成することにより、電解析出時において、電解液中の溶存酸素濃度が効果的に高まる。これにより、酸化物半導体膜の結晶性が均一化する。   In the photoelectric conversion element according to the present invention, the oxide semiconductor film provided between the electrodes is formed by the electrolytic deposition apparatus according to the present invention, so that the dissolved oxygen concentration in the electrolytic solution is effective at the time of electrolytic deposition. To increase. Accordingly, the crystallinity of the oxide semiconductor film is made uniform.

本発明に係る電解析出装置および電解析出方法によれば、電解液を含む電解浴と、電解液に浸漬された一対の導電性基板に電圧を印加する手段と、微小気泡を発生させる微小気泡発生手段とを備えるようにしたので、電解浴上に浮上して大気中に放出される気体量が低減し、電解液中に溶存する気体濃度が高まるため、気体の利用効率および製膜速度を向上させることができる。従って、良好な光電変換効率を有する光電変換素子を作製することができる。   According to the electrolytic deposition apparatus and the electrolytic deposition method according to the present invention, an electrolytic bath containing an electrolytic solution, a means for applying a voltage to a pair of conductive substrates immersed in the electrolytic solution, and a microbubble generating microbubbles Since the bubble generating means is provided, the amount of gas that floats on the electrolytic bath and is released into the atmosphere is reduced, and the concentration of gas dissolved in the electrolyte is increased. Can be improved. Therefore, a photoelectric conversion element having good photoelectric conversion efficiency can be manufactured.

また、微小気泡発生手段より発生する微小気泡の浮上速度が、大気圧、20℃の条件下において、8cm/秒以下となるようにすれば、大気中に放出される気体量が大幅に低減し、電解液中の溶存する気体濃度が効果的に高まるため、気体の利用効率および製膜速度を効果的に向上させることができる。   In addition, if the ascending speed of the microbubbles generated from the microbubble generating means is 8 cm / second or less under the conditions of atmospheric pressure and 20 ° C., the amount of gas released into the atmosphere is greatly reduced. Since the dissolved gas concentration in the electrolytic solution is effectively increased, the gas utilization efficiency and the film forming speed can be effectively improved.

本発明に係る電解析出用溶液によれば、酸素を微小気泡として含むようにしたので、電解浴中に含まれる酸素の濃度が高まり、酸素の利用効率および製膜速度の向上した電解析出を行うことができる。   According to the electrolytic deposition solution of the present invention, since oxygen is contained as microbubbles, the concentration of oxygen contained in the electrolytic bath is increased, and the electrolytic deposition with improved oxygen utilization efficiency and film forming speed is achieved. It can be performed.

本発明に係る光電変換素子によれば、色素を担持する酸化物半導体膜を表面に有する第1電極と、第1電極に対向して設けられた第2電極と、第1電極と第2電極との間に、酸化物半導体膜を介して設けられた電解質層とを備えるようにし、酸化物半導体膜を、本発明に係る電解析出装置を用いて形成したので、酸化物半導体膜の均一性を向上させることができる。従って、良好な光電変換効率を保持することができる。   According to the photoelectric conversion element of the present invention, the first electrode having an oxide semiconductor film carrying a dye on its surface, the second electrode provided to face the first electrode, the first electrode and the second electrode And an electrolyte layer provided via an oxide semiconductor film, and the oxide semiconductor film is formed using the electrolytic deposition apparatus according to the present invention. Can be improved. Therefore, good photoelectric conversion efficiency can be maintained.

以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に実施の形態という。)について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as an embodiment) will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る電解析出装置1の概略構成を表す模式図である。電解析出装置1は、電解析出反応を利用して物質の製膜を行う装置であり、特に、気体を電解析出反応の原料として供給(バブリング)する機構を有している。電解析出される物質としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)や酸化チタン(TiO2)等の酸化物半導体が好適である。この電解析出装置1は、例えば、色素増感型太陽電池等の光電変換素子の酸化膜形成プロセスにおいて好適に用いられる。なお、本発明における電解析出は、電気化学的な反応を利用して物質を析出する方法、例えば、電解めっきや電気めっき等をも広く含む概念である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electrolytic deposition apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The electrolytic deposition apparatus 1 is an apparatus for forming a film of a substance using an electrolytic deposition reaction, and particularly has a mechanism for supplying (bubbling) a gas as a raw material for the electrolytic deposition reaction. As the material to be electrolytically deposited, an oxide semiconductor such as zinc oxide (ZnO) or titanium oxide (TiO 2 ) is preferable. This electrolytic deposition apparatus 1 is preferably used in an oxide film forming process of a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell. The electrolytic deposition in the present invention is a concept that widely includes a method of depositing a substance by utilizing an electrochemical reaction, such as electrolytic plating and electroplating.

電解析出装置1は、気体貯蔵部10、電解浴11、微小気泡発生部13、ポンプ14、気体供給ライン15、および電解液循環ライン16を備えている。電解浴11内には、第1基板20と第2基板21とが対向配置され、これらが電解液12によって含浸されている。このような電解析出装置1において、電解析出は、微小気泡発生部13から電解浴11中に微小気泡を発生させたのち、第1基板20と第2基板21との間に電圧を印加することにより行われる。   The electrolytic deposition apparatus 1 includes a gas storage unit 10, an electrolytic bath 11, a microbubble generation unit 13, a pump 14, a gas supply line 15, and an electrolytic solution circulation line 16. In the electrolytic bath 11, the first substrate 20 and the second substrate 21 are arranged to face each other, and these are impregnated with the electrolytic solution 12. In such an electrolytic deposition apparatus 1, electrolytic deposition generates microbubbles in the electrolytic bath 11 from the microbubble generating unit 13, and then applies a voltage between the first substrate 20 and the second substrate 21. Is done.

気体貯蔵部10は、気体供給ライン15に接続され、気体供給ライン15は、後述の微小気泡発生部13に接続されている。気体貯蔵部10は、例えば、ボンベ等の高圧ガス容器や、気体の送圧を制御するレギュレータ等を有しており、電解析出の原料となる気体、例えば、酸素(O2)等が貯蔵されるものである。気体供給ライン15は、気体貯蔵部10に貯蔵される気体を微小気泡発生部13に圧送する手段である。 The gas storage unit 10 is connected to a gas supply line 15, and the gas supply line 15 is connected to a microbubble generating unit 13 described later. The gas storage unit 10 has, for example, a high-pressure gas container such as a cylinder, a regulator for controlling the gas pressure, and the like, and stores a gas that is a raw material for electrolytic deposition, such as oxygen (O 2 ). It is what is done. The gas supply line 15 is means for pressure-feeding the gas stored in the gas storage unit 10 to the microbubble generation unit 13.

電解浴11は、電解析出のための浴槽であり、上流バッファ槽11aと、反応槽11bと、下流バッファ槽11cとの3槽に分けられている。反応槽11bは、電解析出反応を生じる槽であり、この反応槽11bにおいて、第1基板20と第2基板21とが電解液12によって含浸されている。上流バッファ槽11aおよび下流バッファ槽11cは、反応槽11b内での電解液12の対流速度を調節するために設けられるものである。このような構成において、電解液12は、上流バッファ槽11aから反応槽11bへ、反応槽11bから下流バッファ槽11cへとオーバーフローすることにより流れ込み、電解浴11内を対流する。   The electrolytic bath 11 is a bathtub for electrolytic deposition, and is divided into three tanks: an upstream buffer tank 11a, a reaction tank 11b, and a downstream buffer tank 11c. The reaction tank 11b is a tank that causes an electrolytic deposition reaction. In the reaction tank 11b, the first substrate 20 and the second substrate 21 are impregnated with the electrolytic solution 12. The upstream buffer tank 11a and the downstream buffer tank 11c are provided to adjust the convection speed of the electrolytic solution 12 in the reaction tank 11b. In such a configuration, the electrolyte 12 flows by overflowing from the upstream buffer tank 11a to the reaction tank 11b and from the reaction tank 11b to the downstream buffer tank 11c, and convects in the electrolytic bath 11.

電解液12は、電解析出反応に際してイオンを伝導させる媒体であり、溶媒に電解質を溶かした溶液により構成されている。例えば、酸化亜鉛を電解析出させる場合、電解液12としては、水に亜鉛塩を溶かした水溶液が用いられる。亜鉛塩としては、塩化亜鉛(ZnCl2)、臭化亜鉛(ZnBr2)、ヨウ化亜鉛(ZnI2)などのハロゲン化亜鉛や、硝酸亜鉛(Zn(NO32)、過塩素酸亜鉛(Zn(ClO42)等を用いることができる。また、電解液12は、イオン化を促進させる硝酸イオン(NO )を含んで構成することもできる。なお、この他にも、電解析出反応条件を最適化するために、pH制御用の水酸化カリウム(KOH)や、pHを維持するpH緩衝溶液等を含んでいてもよい。 The electrolytic solution 12 is a medium that conducts ions during the electrolytic deposition reaction, and is composed of a solution in which an electrolyte is dissolved in a solvent. For example, when electrolytically depositing zinc oxide, an aqueous solution in which a zinc salt is dissolved in water is used as the electrolytic solution 12. Zinc salts include zinc halides such as zinc chloride (ZnCl 2 ), zinc bromide (ZnBr 2 ), and zinc iodide (ZnI 2 ), zinc nitrate (Zn (NO 3 ) 2 ), and zinc perchlorate ( Zn (ClO 4 ) 2 ) or the like can be used. Further, the electrolytic solution 12, nitrate ions to promote ionization - can also be configured to include a (NO 3). In addition, in order to optimize electrolytic deposition reaction conditions, potassium hydroxide (KOH) for pH control, a pH buffer solution for maintaining pH, and the like may be included.

第1基板20は、電解析出反応において陰極として機能し、図示しない精密電圧・電流源に接続されている。第1基板20は、導電性を有する基板、例えば、ステンレス、鉄(Fe)、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)等の金属、PEDOT(3,4-エチレンジオキシチオフェン)等の導電性ポリマー、ITO(インジウム錫酸化物)等の透明導電膜等により構成されている。この第1基板20は、例えば、酸化亜鉛を電解析出させる際の作用極となるものであり、第1基板20の導電表面に酸化亜鉛膜が生成される。   The first substrate 20 functions as a cathode in the electrolytic deposition reaction, and is connected to a precision voltage / current source (not shown). The first substrate 20 is a conductive substrate, for example, stainless steel, iron (Fe), tin (Sn), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), or other metals such as PEDOT. It is composed of a conductive polymer such as (3,4-ethylenedioxythiophene) or a transparent conductive film such as ITO (indium tin oxide). For example, the first substrate 20 serves as a working electrode when electrolytically depositing zinc oxide, and a zinc oxide film is generated on the conductive surface of the first substrate 20.

第2基板21は、電解析出反応において陽極として機能し、図示しない精密電圧・電流源に接続されている。第2基板21は、導電性を有する基板、例えば、白金、亜鉛板等により構成されている。この第2基板21は、例えば、酸化亜鉛膜を電解析出させる際の対極となるものである。なお、電解析出に際しては、第2基板21を、電解浴11中で適宜運動させるようにしてもよい。運動手段としては、例えば、回転ディスク電極型電解装置、回転シリンダー電極型電解装置、振動電極型電解装置、スイング電極型電解装置、定速電極送り型電解装置等を用いることができる。   The second substrate 21 functions as an anode in the electrolytic deposition reaction, and is connected to a precision voltage / current source (not shown). The second substrate 21 is made of a conductive substrate, such as platinum or a zinc plate. The second substrate 21 is, for example, a counter electrode when electrolytically depositing a zinc oxide film. Note that the second substrate 21 may be appropriately moved in the electrolytic bath 11 during electrolytic deposition. As the movement means, for example, a rotating disk electrode type electrolyzer, a rotating cylinder electrode type electrolyzer, a vibrating electrode type electrolyzer, a swing electrode type electrolyzer, a constant speed electrode feed type electrolyzer can be used.

ポンプ14および電解液循環ライン16は、電解浴11内の下流バッファ槽11cに貯まった電解液12を押し上げて、再び上流バッファ槽11a側に戻すための手段である。電解液循環ライン16は、後述の微小気泡発生部13に接続されている。   The pump 14 and the electrolytic solution circulation line 16 are means for pushing up the electrolytic solution 12 stored in the downstream buffer tank 11c in the electrolytic bath 11 and returning it to the upstream buffer tank 11a side again. The electrolyte circulation line 16 is connected to a microbubble generator 13 described later.

次に、微小気泡発生部13について説明する。微小気泡発生部13は、例えば、電解浴11の上流バッファ槽11aの底部に設けられている。この微小気泡発生部13は、例えば、接続する気体供給ライン15と電解液循環ライン16とにより送られてきた気体と、電解液とを、高速旋回させることにより、微小気泡を発生する機構を有している。これにより、電解析出反応の材料となる気体が、微小気泡として電解浴11内に供給される。なお、微小気泡発生部13では、電解液12が高速で旋回するため、微小気泡発生部13を構成する部材には、電解液12と反応性の低い材料が選択されていることが好ましい。また、微小気泡発生部13を断続的に駆動させて、微小気泡を間欠的に発生させるようにしてもよい。   Next, the microbubble generator 13 will be described. The microbubble generator 13 is provided, for example, at the bottom of the upstream buffer tank 11 a of the electrolytic bath 11. The microbubble generator 13 has a mechanism for generating microbubbles by, for example, rotating the gas sent through the gas supply line 15 and the electrolyte circulation line 16 to be connected and the electrolyte at high speed. is doing. Thereby, the gas used as the material of an electrolytic deposition reaction is supplied in the electrolytic bath 11 as a microbubble. In the microbubble generator 13, since the electrolyte solution 12 rotates at a high speed, it is preferable that a material that is less reactive with the electrolyte solution 12 is selected as a member constituting the microbubble generator 13. Alternatively, the microbubble generator 13 may be driven intermittently to generate the microbubble intermittently.

ここで、図2に、この微小気泡発生部13における微小気泡発生機構についての原理図を示す。微小気泡発生部13では、電解液(液体)と気体とが高速旋回することにより、互いに同一円芯方向を有する旋回液体部130と、この内側に形成される旋回気体空洞部131とからなる気液2相構造となる。このとき、微小気泡発生部13内では、気泡出口13a付近の旋回速度に比べて、内部領域での旋回速度が速いため、速度差が生じる。これにより、旋回気体空洞部131が切断され(微小気泡発生点P)、旋回液体流により引きちぎられるようにして、微小気泡Bが発生する。なお、このような機構を有する微小気泡発生部13としては、例えば、アスピレータ等の水流ポンプを使用することもできる。アスピレータは、通常、容器内の空気を抜く用途で使用されるものであるが、ほぼ上記と同様の原理で気泡を発生させることができる。 Here, FIG. 2 shows a principle diagram of the microbubble generation mechanism in the microbubble generator 13. In the microbubble generator 13, the electrolyte (liquid) and the gas are swirled at a high speed, whereby a gas composed of a swirl liquid portion 130 having the same circular core direction and a swirl gas cavity 131 formed on the inside thereof. It becomes a liquid two-phase structure. At this time, a speed difference is generated in the microbubble generator 13 because the turning speed in the internal region is faster than the turning speed in the vicinity of the bubble outlet 13a. As a result, the swirling gas cavity 131 is cut (microbubble generation point P B ) and is broken by the swirling liquid flow to generate the microbubble B. For example, a water flow pump such as an aspirator can be used as the microbubble generator 13 having such a mechanism. The aspirator is usually used for the purpose of extracting air from the container, but can generate bubbles on the principle similar to the above.

続いて、微小気泡Bについて説明する。微小気泡Bは、その粒径が微小な気泡、一般に、マイクロバブル(粒径が数10μm以下)、マイクロナノバブル(粒径が10μm以下)、ナノバブル(粒径が数100nm以下)等と呼ばれる気泡を含むものであるが、好ましくは、大気圧、20℃の条件下において、液体中での浮上速度が8cm/秒以下である気泡をいうものとする。なお、この条件を満足するものであれば、液体の粘性等の他の条件は特に限定されない。   Subsequently, the microbubbles B will be described. The microbubbles B are microbubbles, generally called microbubbles (particle diameters of several tens of μm or less), micro-nano bubbles (particle diameters of 10 μm or less), nanobubbles (particle diameters of several hundreds of nm or less), etc. Although it is included, it is preferable to refer to a bubble having a flying speed of 8 cm / second or less in a liquid under conditions of atmospheric pressure and 20 ° C. Note that other conditions such as the viscosity of the liquid are not particularly limited as long as these conditions are satisfied.

ただし、気泡の「浮上速度」とは、気泡が液体中を等速度で上昇する際の速度をいうものとする。また、この浮上速度の測定に際しては、大気圧、20℃の条件下において、浴槽内で気泡を発生させ、この気泡に強力な光を照射して光を散乱させることにより、浴槽内を上昇する気泡の最も前線にある気泡群の浮上速度(終端浮上速度)を測定するようにする。   However, the “floating speed” of the bubbles refers to the speed at which the bubbles rise in the liquid at a constant speed. Further, when measuring the ascent rate, bubbles are generated in the bathtub under conditions of atmospheric pressure and 20 ° C., and the bubbles are irradiated with powerful light to scatter the light to rise in the bathtub. The ascent rate of the bubble group at the forefront of the bubble (terminal ascent rate) is measured.

次に、上記のような構成を有する電解析出装置1の作用、効果について説明する。   Next, the operation and effect of the electrolytic deposition apparatus 1 having the above configuration will be described.

本実施の形態に係る電解析出装置1では、電解液循環ライン16によって圧送される電解液12と気体供給ライン15によって圧送される気体とが、微小気泡発生部13に送り込まれると、電解液12と気体との高速旋回によって、微小気泡Bを高密度で含んだ噴流が発生する。この噴流が、上流バッファ槽11aからオーバーフローすることにより、反応槽11b側へと流れ込み、反応槽11b内に滞留した後、下流バッファ槽11c側へ流れ込む。下流バッファ槽11cに貯まった電解液12は、ポンプ14によって押し上げられ、電解液循環ライン16によって、再び、上流バッファ槽11a側へ圧送される。このように、電解液12を循環させて、微小気泡Bを発生させた状態で、反応槽11b内の第1基板20と第2基板21との間に所定の電圧が印加されると、以下のような電解析出反応が生じる。   In the electrolytic deposition apparatus 1 according to the present embodiment, when the electrolytic solution 12 fed by the electrolytic solution circulation line 16 and the gas fed by the gas supply line 15 are fed into the microbubble generator 13, the electrolytic solution Due to the high-speed swirling of the gas 12 and the gas, a jet containing the fine bubbles B at a high density is generated. This jet flows from the upstream buffer tank 11a to the reaction tank 11b, stays in the reaction tank 11b, and then flows to the downstream buffer tank 11c. The electrolytic solution 12 stored in the downstream buffer tank 11c is pushed up by the pump 14, and is again pumped to the upstream buffer tank 11a side by the electrolytic solution circulation line 16. As described above, when a predetermined voltage is applied between the first substrate 20 and the second substrate 21 in the reaction tank 11b in a state where the electrolytic solution 12 is circulated and the microbubbles B are generated, Electrodeposition reaction like this occurs.

例えば、電解液12中に亜鉛塩が存在し、酸素を気体として供給する場合、電解液12中では、まず、以下の(1)で表されるような還元反応が起こり、酸素がそれぞれ還元されて、OHイオンを発生する。このOHイオンにより、第1基板20の表面近傍のpHが上昇する。この結果、第1基板20近傍において、(2)に示したように、亜鉛イオンとOHイオンとにより水酸化亜鉛(Zn(OH)2)が生成される。こののち、(3)に示したように、酸化亜鉛(ZnO)が第1基板20の表面に析出される。
2+2H2O+4e→4OH ……(1)
Zn2++2OH→Zn(OH)2 ……(2)
Zn(OH)2→ZnO+H2O ……(3)
For example, when zinc salt is present in the electrolyte solution 12 and oxygen is supplied as a gas, first, a reduction reaction represented by the following (1) occurs in the electrolyte solution 12, and oxygen is reduced respectively. Te, OH - generates ions. Due to the OH ions, the pH in the vicinity of the surface of the first substrate 20 increases. As a result, as shown in (2), zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) is generated by zinc ions and OH ions in the vicinity of the first substrate 20. Thereafter, as shown in (3), zinc oxide (ZnO) is deposited on the surface of the first substrate 20.
O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (1)
Zn 2+ + 2OH → Zn (OH) 2 (2)
Zn (OH) 2 → ZnO + H 2 O (3)

このとき、反応槽11b内の電解液12中に滞在する微小気泡Bが、その浮上速度が8cm/秒であることにより、より長い時間、微小気泡Bを電解液12中に滞留させることができる。これにより、気体が電解液12中に溶け易くなり、気体の利用効率が向上する。また、微小気泡Bの滞留時間が長いことにより、微小気泡発生部13を常時運転させるのではなく、断続的に運転して、微小気泡Bを間欠的に発生させることができる。これにより、供給する気体の消費ロスを低減することができるため、従来と同量の気体を供給した場合であっても、電解液12中の酸素濃度が高くなる。従って、従来に比べて製膜速度が向上する。   At this time, the microbubbles B staying in the electrolytic solution 12 in the reaction tank 11b can stay in the electrolytic solution 12 for a longer time because the flying speed is 8 cm / second. . Thereby, gas becomes easy to melt | dissolve in the electrolyte solution 12, and the utilization efficiency of gas improves. Further, since the residence time of the microbubbles B is long, the microbubbles B can be intermittently generated by intermittently operating the microbubble generator 13 instead of always operating. Thereby, since the consumption loss of the gas to supply can be reduced, even if it is a case where the same amount of gas as the past is supplied, the oxygen concentration in the electrolyte solution 12 becomes high. Therefore, the film forming speed is improved as compared with the conventional case.

特に、気体が微小気泡として電解液中に長時間滞留し、溶存酸素濃度が高くなることにより、析出される物質の核形成が促進され、結晶がきめ細やかに成長する。これにより、析出される膜の結晶の均一性を確保することができる。従って、このような微小気泡Bを用いた電解析出により、例えば、酸化亜鉛等の酸化物半導体膜を形成し、これを色素増感型太陽電池等の光電変換素子に用いることにより、光電変換効率を向上させることができる。   In particular, the gas stays in the electrolyte as microbubbles for a long time, and the dissolved oxygen concentration increases, so that the nucleation of the deposited substance is promoted and the crystal grows finely. Thereby, the uniformity of the crystal | crystallization of the film | membrane to precipitate can be ensured. Therefore, by electrolytic deposition using such microbubbles B, for example, an oxide semiconductor film such as zinc oxide is formed, and this is used for a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell. Efficiency can be improved.

また、微小気泡発生部13に対し、気体を供給する気体供給ライン15と、電解液12を供給する電解液循環ライン16とを備え、この微小気泡発生部13が、気体供給ライン15により供給された気体と、電解液循環ライン16により供給された電解液12とを高速旋回させることにより、噴流と共に微小気泡Bを発生させる機構を有していることにより、電解液12の攪拌性が高まり、電解析出反応が促進する。   Further, a gas supply line 15 for supplying gas and an electrolyte circulation line 16 for supplying the electrolyte 12 are provided to the microbubble generator 13, and the microbubble generator 13 is supplied by the gas supply line 15. The gas 12 and the electrolyte solution 12 supplied from the electrolyte circulation line 16 are swirled at a high speed, thereby having a mechanism for generating the microbubbles B together with the jet flow, so that the agitation of the electrolyte solution 12 is enhanced. The electrolytic deposition reaction is accelerated.

このとき、上流バッファ槽11aが設けられていることにより、微小気泡発生部13から生じる微小気泡Bを含む噴流の勢いを適宜抑制して、電解液12の対流速度を調整することができる。これにより、反応槽11bにおいて、電解液12の攪拌性を保持しつつ、微小気泡Bの滞留時間を確保することができ、気体の利用効率および製膜速度の向上に有利となる。   At this time, by providing the upstream buffer tank 11a, the convection velocity of the electrolyte solution 12 can be adjusted by appropriately suppressing the momentum of the jet including the microbubbles B generated from the microbubble generator 13. Thereby, in the reaction tank 11b, the residence time of the microbubbles B can be secured while maintaining the stirring property of the electrolyte solution 12, which is advantageous in improving the gas utilization efficiency and the film forming speed.

ここで、図3に、20℃の大気圧下での、水中(図中A)およびエチルアルコール綿実油混合液中(図中B)における、気泡の半径(mm)と浮上速度(m/秒)との関係についての特性図を示す。このように、静止した液体中において、気泡の粒径とその浮上速度との間には、図4に示したような相関関係があることが知られている(非特許文献2)。一般に、液体中での気泡の浮上速度は、気泡半径の二乗に比例、液体の粘性に反比例するものであるため、気泡径と浮上速度との関係は一意的に定まるものではないが、気泡半径が1mm以下である場合には、液体の粘性によらず、気泡径が大きくなればなる程、浮上速度も増大する傾向となる。すなわち、浮上速度が小さくなればなる程、気泡径はより微小となる。従って、通常用いられる電解液12が水溶液であり、その粘性が水の粘性に近似できることから、浮上速度が8cm/秒以下であることにより、微小気泡Bの粒径は、0.7mm以下となる。これにより、微小気泡Bの電解液12に対しての比表面積が大きくなり、電解液12と気体との間において物質輸送が効果的になされ、製膜速度の向上により有利となる。   Here, FIG. 3 shows the bubble radius (mm) and the ascent rate (m / sec) in water (A in the figure) and in the ethyl alcohol cottonseed oil mixture (B in the figure) under an atmospheric pressure of 20 ° C. The characteristic figure about the relationship is shown. As described above, it is known that there is a correlation as shown in FIG. 4 between the bubble particle size and the flying speed in a stationary liquid (Non-Patent Document 2). In general, the rising speed of bubbles in a liquid is proportional to the square of the bubble radius and inversely proportional to the viscosity of the liquid, so the relationship between the bubble diameter and the rising speed is not uniquely determined. Is 1 mm or less, the rising speed tends to increase as the bubble diameter increases regardless of the viscosity of the liquid. That is, the smaller the ascent rate, the smaller the bubble diameter. Therefore, the electrolyte solution 12 that is normally used is an aqueous solution, and its viscosity can be approximated to the viscosity of water. Therefore, when the ascent rate is 8 cm / second or less, the particle size of the microbubbles B is 0.7 mm or less. . As a result, the specific surface area of the microbubbles B with respect to the electrolytic solution 12 is increased, and the material is effectively transported between the electrolytic solution 12 and the gas, which is advantageous in improving the film forming speed.

次に、本実施の形態に係る電解析出装置1の変形例について説明する。なお、電解析出装置1と同様の構成については、同一の符号を付し、その作用、効果についての説明を省略する。   Next, a modification of the electrolytic deposition apparatus 1 according to the present embodiment will be described. In addition, about the structure similar to the electrolytic deposition apparatus 1, the same code | symbol is attached | subjected and description about the effect | action and effect is abbreviate | omitted.

(変形例1,2)
図4は、変形例1に係る電解析出装置2の概略構成を表す模式図である。この電解析出装置2は、電解浴31内に障壁が設けられておらず、上流バッファ槽11a、反応槽11bおよび下流バッファ槽11cの3槽に分かれていないこと以外は、上記電解析出装置1と同様の構成を有している。
(Modifications 1 and 2)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the electrolytic deposition apparatus 2 according to the first modification. This electrolytic deposition apparatus 2 is the above electrolytic deposition apparatus except that no barrier is provided in the electrolytic bath 31 and it is not divided into three tanks of an upstream buffer tank 11a, a reaction tank 11b, and a downstream buffer tank 11c. 1 has the same configuration.

電解析出装置2では、電解浴31内に、微小気泡発生部13、第1基板20、第2基板21が、同一槽内に配置され、また、電解浴11を対流した電解液12は、ポンプ14によって直接押し上げられる構成となっている。このような構成により、微小気泡発生部13より発生した微小気泡Bを含む電解液12の噴流が、そのままの勢いで電解浴11内を対流したのち、ポンプ14側へと吸い込まれる。これにより、電解浴11において、攪拌性が高まり、物質輸送が効果的に行われることによって、電解析出反応が促進する。   In the electrolytic deposition apparatus 2, the microbubble generator 13, the first substrate 20, and the second substrate 21 are disposed in the same bath in the electrolytic bath 31, and the electrolytic solution 12 that has convected the electrolytic bath 11 is The pump 14 is directly pushed up. With such a configuration, the jet of the electrolyte solution 12 containing the microbubbles B generated from the microbubble generator 13 convects in the electrolytic bath 11 as it is, and then is sucked into the pump 14 side. Thereby, in the electrolytic bath 11, the stirring property is increased, and the substance transport is effectively performed, thereby promoting the electrolytic deposition reaction.

図5は、変形例2に係る電解析出装置3の概略構成を表す模式図である。この電解析出装置3は、微小気泡発生部33が、上流バッファ槽11aの上部に設けられていること以外は、上記電解析出装置1と同様の構成を有している。   FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the electrolytic deposition apparatus 3 according to the second modification. This electrolytic deposition apparatus 3 has the same configuration as the electrolytic deposition apparatus 1 except that the microbubble generating unit 33 is provided in the upper part of the upstream buffer tank 11a.

このように、微小気泡発生部33は、電解析出装置1のように上流バッファ槽11aの底部に限られず、上部に配置されていてもよい。微小気泡発生部の配置は、必要とされる滞留時間と攪拌性との兼ね合いによって、適宜設定される。同様に、上流バッファ槽11aを形成する障壁の高さや配置等も、特に限定されるものではない。   Thus, the microbubble generation part 33 is not restricted to the bottom part of the upstream buffer tank 11a like the electrolytic deposition apparatus 1, and may be arrange | positioned at the upper part. The arrangement of the microbubble generator is appropriately set depending on the balance between the required residence time and the stirring ability. Similarly, the height and arrangement of the barrier forming the upstream buffer tank 11a are not particularly limited.

以下、本実施の形態に係る電解析出装置1の実施例について説明する。   Hereinafter, examples of the electrolytic deposition apparatus 1 according to the present embodiment will be described.

(実施例1)
実施例1として、図1に示した電解析出装置1を用いて、酸化亜鉛膜を形成した。その際、微小気泡として供給する気体を酸素とし、その浮上速度(大気圧、20℃)が、6cm/秒となるようにした。第1基板20には、TCO基板(旭硝子ファブリテック(株)製A110U80(商品名))、第2基板21には亜鉛板、電解液12には、0.1mol/lの塩化カリウム水溶液および0.005mol/lの塩化亜鉛水溶液を用いた。また、電圧は精密電圧電流源より−1.0V(vs SCE)で印加し、電解析出時間は20分とした。
(Example 1)
As Example 1, a zinc oxide film was formed using the electrolytic deposition apparatus 1 shown in FIG. At that time, the gas supplied as microbubbles was oxygen, and the ascending speed (atmospheric pressure, 20 ° C.) was set to 6 cm / second. The first substrate 20 is a TCO substrate (A110U80 (trade name) manufactured by Asahi Glass Fabrictech Co., Ltd.), the second substrate 21 is a zinc plate, the electrolyte solution 12 is a 0.1 mol / l potassium chloride aqueous solution and 0 A 0.005 mol / l aqueous zinc chloride solution was used. The voltage was applied from a precision voltage current source at −1.0 V (vs SCE), and the electrolytic deposition time was 20 minutes.

このような条件の電解析出に際し、電解浴11の後方から強い光を照射したところ、微小気泡による光の散乱現象により浴内が白く濁り、電解液12が循環し、微小気泡が滞留している様子が確認された。また、形成した酸化亜鉛膜の表面状態を光学顕微鏡(2500倍)にて評価した。結果を図6(A)に示す。さらに、電解析出に際して系内に流れた電荷量(C)、酸化亜鉛膜の膜厚(μm)についても測定した。結果を表1に示す。   In the electrolytic deposition under such conditions, when intense light is irradiated from behind the electrolytic bath 11, the inside of the bath becomes cloudy due to the light scattering phenomenon caused by the microbubbles, the electrolyte solution 12 circulates, and the microbubbles stay. It was confirmed. Moreover, the surface state of the formed zinc oxide film was evaluated with an optical microscope (2500 times). The results are shown in FIG. Furthermore, the amount of charge (C) flowing into the system during electrolytic deposition and the film thickness (μm) of the zinc oxide film were also measured. The results are shown in Table 1.

また、実施例1に対する比較例1として、図8に示した従来の電解析出装置を用い、供給する気泡の浮上速度(大気圧、20℃)が20cm/秒となるようにしたこと以外は、上記実施例1と同様の条件で電解析出を行い、酸化亜鉛膜を形成した。このようにして形成した比較例1に係る酸化亜鉛膜についても、上記実施例1と同様に、その表面状態を評価し、電荷量(C)、酸化亜鉛膜の膜厚(μm)を測定した。結果を図6(B)および表1に示す。   Further, as Comparative Example 1 with respect to Example 1, the conventional electrolytic deposition apparatus shown in FIG. 8 was used, except that the rising speed of the supplied bubbles (atmospheric pressure, 20 ° C.) was 20 cm / second. Electrodeposition was performed under the same conditions as in Example 1 to form a zinc oxide film. The surface condition of the zinc oxide film according to Comparative Example 1 formed in this way was also evaluated in the same manner as in Example 1 above, and the charge amount (C) and the film thickness (μm) of the zinc oxide film were measured. . The results are shown in FIG.

Figure 2008163396
Figure 2008163396

表1に示したように、実施例1の酸化亜鉛膜は、膜厚が3.0μm、電荷量が0.62Cとなり、比較例1の酸化亜鉛膜は、膜厚が1.2μm、電荷量が0.23Cとなった。これらの結果から、電解析出時間、印加電圧、および酸素消費量が同じであっても、実施例1では比較例1に比べて、より系内を流れる電荷量が増大し、形成される膜厚も増すことがわかる。従って、従来の電解析出に比べて、気体の利用効率および製膜速度が向上することが示された。   As shown in Table 1, the zinc oxide film of Example 1 has a film thickness of 3.0 μm and a charge amount of 0.62 C, and the zinc oxide film of Comparative Example 1 has a film thickness of 1.2 μm and a charge amount. Was 0.23C. From these results, even when the electrolytic deposition time, the applied voltage, and the oxygen consumption amount are the same, the amount of charge flowing in the system is increased in Example 1 as compared with Comparative Example 1, and the formed film It can be seen that the thickness also increases. Therefore, it was shown that the gas utilization efficiency and the film forming speed are improved as compared with the conventional electrolytic deposition.

また、図6(B)に示したように、比較例1の酸化亜鉛膜の表面状態は、その結晶性が不均一であることがわかる。これは、従来の装置では、電解浴中に溶存する酸素濃度分布が低く不均一であるため、特定の領域でのみ核形成が起こり、これに続いて結晶成長が生じるためであると考えられる。これに対し、図6(A)に示したように、実施例1の酸化亜鉛膜の表面状態は、その結晶性が均一となっていることがわかる。これは、電解浴中に溶存する酸素濃度分布が高く、均一であるため、核形成が促進されて、結晶成長がきめ細やかに生じたためであると考えられる。   Further, as shown in FIG. 6B, it can be seen that the surface state of the zinc oxide film of Comparative Example 1 has non-uniform crystallinity. This is considered to be because, in the conventional apparatus, the distribution of oxygen concentration dissolved in the electrolytic bath is low and non-uniform, so that nucleation occurs only in a specific region, followed by crystal growth. In contrast, as shown in FIG. 6A, the surface state of the zinc oxide film of Example 1 is found to have uniform crystallinity. This is considered to be because the distribution of oxygen concentration dissolved in the electrolytic bath is high and uniform, so that nucleation is promoted and crystal growth occurs finely.

(実施例2)
実施例2として、図1に示した電解析出装置1を用いて、酸化亜鉛膜を形成し、更に、この酸化亜鉛膜を用いて色素増感型の光電変換素子を作製した。酸化亜鉛膜の電解析出に際しては、微小気泡として供給する気体を酸素とし、第1基板20には、TCO基板(旭硝子ファブリテック(株)製A110U80(商品名))、第2基板21には亜鉛板、電解液12には、0.1mol/lの塩化カリウム水溶液および0.005mol/lの塩化亜鉛水溶液を用いた。このような条件下で、微小気泡の浮上速度(大気圧、20℃)が、1.6、5.0、7.6、8.5、13.9(cm/秒)である場合について、それぞれ電解析出を行った。なお、電圧は精密電圧電流源より−1.0V(vs SCE)で印加し、電解析出時間は20分とした。
(Example 2)
As Example 2, a zinc oxide film was formed using the electrolytic deposition apparatus 1 shown in FIG. 1, and a dye-sensitized photoelectric conversion element was manufactured using this zinc oxide film. In the electrolytic deposition of the zinc oxide film, the gas supplied as microbubbles is oxygen, and the first substrate 20 includes a TCO substrate (A110U80 (trade name) manufactured by Asahi Glass Fabrictech Co., Ltd.) and the second substrate 21 includes As the zinc plate and the electrolyte solution 12, a 0.1 mol / l potassium chloride aqueous solution and a 0.005 mol / l zinc chloride aqueous solution were used. Under such conditions, the rising speed of microbubbles (atmospheric pressure, 20 ° C.) is 1.6, 5.0, 7.6, 8.5, 13.9 (cm / sec). Electrodeposition was performed for each. The voltage was applied at −1.0 V (vs SCE) from a precision voltage current source, and the electrolytic deposition time was 20 minutes.

続いて、形成した各酸化亜鉛膜を光増感性を有する色素で染色したのち、この酸化亜鉛膜と、TCO基板に白金をスパッタリングした電極との間に、電解質を挟み込んでミニセルを作製した。なお、電解質としては、ヨウ化テトラプロピルアンモニウムをアセトニトリル溶媒に溶かしたものを用い、色素としては、エオシンYを用いた。このようにして作製したミニセルの光電変換効率(%)を測定した。その結果を、図7および表2に示す。   Subsequently, after each formed zinc oxide film was dyed with a dye having photosensitization property, a minicell was produced by sandwiching an electrolyte between the zinc oxide film and an electrode obtained by sputtering platinum on a TCO substrate. The electrolyte used was a solution of tetrapropylammonium iodide in an acetonitrile solvent, and eosin Y was used as the dye. The photoelectric conversion efficiency (%) of the minicell thus produced was measured. The results are shown in FIG.

Figure 2008163396
Figure 2008163396

図7および表2に示したように、微小気泡の浮上速度が増加するにつれて、光電変換効率は低下し、特に、浮上速度が8cm/秒を超えると、急激に光電変換効率が低下(1%程度以下)することがわかる。一方、浮上速度が8cm/秒以下の場合、光電変換効率を3%程度以上に保持することが可能となり、光電変換素子の特性が大幅に向上する。これは、浮上速度が8cm/秒以下の場合、電解液中に滞留する時間が長くなることで、溶存酸素濃度が高くなり、電解析出された膜の結晶性が均一になるためと考えられる。従って、微小気泡の浮上速度が、大気圧、20℃の条件下において8cm/秒以下であることにより、光電変換効率が向上することが示された。   As shown in FIG. 7 and Table 2, the photoelectric conversion efficiency decreases as the flying speed of the microbubbles increases. In particular, when the flying speed exceeds 8 cm / second, the photoelectric conversion efficiency rapidly decreases (1% It can be seen that On the other hand, when the flying speed is 8 cm / second or less, the photoelectric conversion efficiency can be maintained at about 3% or more, and the characteristics of the photoelectric conversion element are greatly improved. This is considered to be because when the ascending speed is 8 cm / sec or less, the time for staying in the electrolytic solution becomes longer, so that the dissolved oxygen concentration becomes higher and the crystallinity of the electrolytically deposited film becomes uniform. . Therefore, it was shown that the photoelectric conversion efficiency is improved when the ascending speed of the microbubbles is 8 cm / second or less under the conditions of atmospheric pressure and 20 ° C.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、亜鉛塩を含む電解液に対して酸素を供給(バブリング)することにより酸化亜鉛を電解析出する場合について説明したが、これに限定されず、気体を原料として供給する目的であれば、他の物質、例えば酸化チタン(TiO)等を析出するようにしてもよい。また、同様に、気体を原料として供給する目的であれば、電解鍍金(電解めっき)、電気鍍金(電気めっき)等にも応用が可能である。また、電解浴11における微小気泡発生部13の配置も、電解液12中に微小気泡を発生し得る構成であればよく、上述の形態に限定されるものではない。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to these embodiments and the like, and various modifications are possible. For example, in the above-described embodiment and the like, the case where zinc oxide is electrolytically deposited by supplying (bubbling) oxygen to an electrolytic solution containing a zinc salt has been described. However, the present invention is not limited thereto, and gas is used as a raw material. For the purpose of supply, other substances such as titanium oxide (TiO 2 ) may be deposited. Similarly, for the purpose of supplying gas as a raw material, it can be applied to electrolytic plating (electroplating), electroplating (electroplating), and the like. The arrangement of the microbubble generator 13 in the electrolytic bath 11 may be any configuration that can generate microbubbles in the electrolytic solution 12 and is not limited to the above-described form.

本発明の一実施の形態に係る電解析出装置の概略構成を表す模式図である。It is a schematic diagram showing schematic structure of the electrolytic deposition apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る微小気泡発生部の原理図である。It is a principle figure of the microbubble generating part concerning one embodiment of the present invention. 気泡半径に対する浮上速度の関係を表した特性図である。It is a characteristic view showing the relationship of the ascent rate to the bubble radius. 本発明の第1の変形例に係る電解析出装置の概略構成を表す模式図である。It is a schematic diagram showing schematic structure of the electrolytic deposition apparatus which concerns on the 1st modification of this invention. 本発明の第2の変形例に係る電解析出装置の概略構成を表す模式図である。It is a schematic diagram showing schematic structure of the electrolytic deposition apparatus which concerns on the 2nd modification of this invention. 本発明の実施例に係る酸化亜鉛膜の表面状態を光学顕微鏡で撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the surface state of the zinc oxide film | membrane which concerns on the Example of this invention with the optical microscope. 本発明の実施例に係る光電変換素子の気泡の浮上速度に対する光電変換効率の関係を表した特性図である。It is a characteristic view showing the relationship of the photoelectric conversion efficiency with respect to the bubble floating speed of the photoelectric conversion element which concerns on the Example of this invention. 従来の電解析出装置の概略構成を表す模式図である。It is a schematic diagram showing schematic structure of the conventional electrolytic deposition apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1、2、3…電解析出装置、10…気体貯蔵部、11,31…電解浴、11a…上流バッファ槽、11b…反応槽、11c…下流バッファ槽、12…電解液、13…微小気泡発生部、14…ポンプ、15…気体供給ライン、16…電解液供給ライン、20…第1基板、21…第2基板。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2, 3 ... Electrolytic deposition apparatus, 10 ... Gas storage part, 11, 31 ... Electrolytic bath, 11a ... Upstream buffer tank, 11b ... Reaction tank, 11c ... Downstream buffer tank, 12 ... Electrolyte, 13 ... Microbubble Generating part, 14 ... pump, 15 ... gas supply line, 16 ... electrolyte supply line, 20 ... first substrate, 21 ... second substrate.

Claims (11)

電解液を含む電解浴と、
前記電解浴に浸漬された一対の導電性基板に電圧を印加する手段と、
前記電解液中に、電解析出の材料となる気体を含む微小気泡を発生させる微小気泡発生手段と
を備えたことを特徴とする電解析出装置。
An electrolytic bath containing an electrolytic solution;
Means for applying a voltage to a pair of conductive substrates immersed in the electrolytic bath;
An electrolytic deposition apparatus comprising: microbubble generating means for generating microbubbles containing a gas as a material for electrolytic deposition in the electrolytic solution.
前記微小気泡の粒径は、大気圧、20℃の条件下における浮上速度が8cm/秒以下となるものである
ことを特徴とする請求項1記載の電解析出装置。
2. The electrolytic deposition apparatus according to claim 1, wherein a particle size of the microbubbles is such that a flying speed is 8 cm / second or less under conditions of atmospheric pressure and 20 ° C. 3.
前記気体が酸素(O2)を含む
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電解析出装置。
The electrolytic deposition apparatus according to claim 1, wherein the gas contains oxygen (O 2 ).
前記導電性基板上に金属酸化物を析出する
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電解析出装置。
4. The electrolytic deposition apparatus according to claim 1, wherein a metal oxide is deposited on the conductive substrate. 5.
前記電解液が亜鉛イオン(Zn2+)を含む
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電解析出装置。
5. The electrolytic deposition apparatus according to claim 1, wherein the electrolytic solution contains zinc ions (Zn 2+ ).
前記微小気泡発生手段に気体を供給する気体供給手段と、
前記微小気泡発生手段に前記電解液を供給する電解液供給手段とを更に備え、
前記微小気泡発生手段が、前記気体供給手段により供給された気体と、前記電解液供給手段により供給された電解液とを高速旋回させることにより、噴流と共に微小気泡を発生させる
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電解析出装置。
Gas supply means for supplying gas to the microbubble generating means;
An electrolyte supply means for supplying the electrolyte solution to the microbubble generating means,
The microbubble generating means generates microbubbles together with a jet by rotating the gas supplied by the gas supply means and the electrolyte supplied by the electrolyte supply means at high speed. Item 6. The electrolytic deposition apparatus according to any one of Items 1 to 5.
電解析出の材料となる気体を含む微小気泡を有する電解液中に浸漬された一対の導電性基板に電圧を印加する
ことを特徴とする電解析出方法。
A method of electrolytic deposition, comprising applying a voltage to a pair of conductive substrates immersed in an electrolytic solution having microbubbles containing a gas that is a material for electrolytic deposition.
酸素を微小気泡として含む
ことを特徴とする電解析出用溶液。
An electrolytic deposition solution comprising oxygen as microbubbles.
酸化物となり得る原料を含む
ことを特徴とする請求項8記載の電解析出用溶液。
The raw material which can become an oxide is contained. The solution for electrolytic deposition of Claim 8 characterized by the above-mentioned.
前記原料が亜鉛イオン(Zn2+)である
ことを特徴とする請求項9記載の電解析出用溶液。
The solution for electrolytic deposition according to claim 9, wherein the raw material is zinc ion (Zn 2+ ).
色素を担持する酸化物半導体膜を表面に有する第1電極と、
前記第1電極に対向して設けられた第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた電解質層とを備え、
前記酸化物半導体膜が、請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の電解析出装置を用いて形成されたものである
ことを特徴とする光電変換素子。
A first electrode having an oxide semiconductor film carrying a dye on its surface;
A second electrode provided facing the first electrode;
An electrolyte layer provided between the first electrode and the second electrode;
The photoelectric conversion element, wherein the oxide semiconductor film is formed using the electrolytic deposition apparatus according to any one of claims 1 to 7.
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