JP2010001212A

JP2010001212A - 酸化チタン粒子

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Publication number: JP2010001212A
Application number: JP2009169405A
Authority: JP
Inventors: Shingo Takano; 真悟高野; Takeshi Fujihashi; 岳藤橋
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: JP4382872B1; JP4382873B1; JP2009292717A

Abstract

【課題】可視光から近赤外光の光散乱能に優れた、新規な酸化チタン粒子を提供する。
【解決手段】チタンアルコキシドの加水分解生成物又はチタン金属塩の加水分解生成物及び有機アルカリ類を所定の溶媒中で混合し、反応溶液を作製する。次いで、前記反応溶液を密閉容器中で加熱し、放射状に伸びた複数の延在部を有するとともに、前記延在部は長さ方向における略中心部において稜を有し、全体として星形を呈する酸化チタン粒子を作製する。
【選択図】なし

Description

本発明は、酸化チタン粒子に関する。

酸化チタンは高い屈折率と白色隠蔽性を有し、さらに紫外線吸収能力を有するので、塗料、化粧品及び自動車や窓ガラス用可視光透過紫外光カットフィルム、さらには光触媒性を利用した大気中浄化装置、光伝導性を利用した色素増感太陽電池の半導体電極、液晶のバックライト等に使用される白色反射板など多方面に使用されている。

これらの用途の内、隠蔽性が重要な塗料や適度の光散乱性を必要とする色素増感太陽電池の半導体電極における散乱粒子用途では、酸化チタンの粒径は可視光（波長３８０〜７００ｎｍ）および近赤外（７００〜１１００ｎｍ）の約半分程度が好適とされる。これはＭｉｅの光散乱理論で説明されるように波長の約半分の粒径が散乱能が強いためである。したがって、可視光および近赤外領域の光を単分散状態の酸化チタン粒子で散乱させるためには１５０ｎｍから６００ｎｍ程度の粒径が必要である。

しかしながら、前述した粒径範囲の酸化チタン粒子を作製する技術は今だ十分確立されておらず、また、粒径に対する従属性を排除した高散乱性の酸化チタン粒子の確立が望まれていた。

本発明は、可視光から近赤外光の光散乱能に優れた、新規な酸化チタン粒子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
放射状に伸びた複数の延在部を有するとともに、前記延在部は長さ方向における略中心部において稜を有し、全体として星形を呈し、アナターゼ相であることを特徴とする、酸化チタン粒子に関する。

また、本発明は、
チタンアルコキシドの加水分解生成物又はチタン金属塩の加水分解生成物及び有機アルカリ類を所定の溶媒中で混合し、反応溶液を作製する工程と、
前記反応溶液を密閉容器中で加熱する工程とを具え、
放射状に伸びた複数の延在部を有するとともに、前記延在部は長さ方向における略中心部において稜を有し、全体として星形を呈する酸化チタン粒子を作製することを特徴とする、酸化チタン粒子の作製方法に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、上述した原料からなる反応溶液を準備し、これら原料を加熱反応させることによって、放射状に伸びた複数の延在部を有するとともに、前記延在部は長さ方向における略中心部において稜を有し、その結果、全体として星形を呈する酸化チタン粒子の作製に成功した。前記酸化チタン粒子は、その星形形状に依存して、粒径などに大きく依存することなく高い散乱効果を有する。したがって、可視光から近赤外光の光散乱能に優れる。

なお、前記酸化チタン粒子は、以下に詳述する作製方法における作製条件を種々制御することによって、６つの延在部が放射状に伸びた構成とすることができる。この場合、前記光散乱能をさらに向上させることができる。また、その一次粒径を１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にすることができ、その外観形状と粒径範囲とに依存して、可視光から近赤外の範囲において高い光散乱能を有するようになる。

以上説明したように、本発明によれば、光散乱能に優れた、特に可視光から近赤外光の光散乱能に優れた、新規な酸化チタン粒子を提供することができるようになる。

本発明の酸化チタン粒子の一例を示すＳＥＭ写真である。本発明の酸化チタン粒子の一例を示すＴＥＭ写真である。本発明の酸化チタン粒子の一例のＸ線回折プロファイルである。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の酸化チタン粒子を作製するに際しては、最初に、チタンアルコキシドの加水分解生成物又はチタン金属塩の加水分解生成物及び有機アルカリ類を所定の溶媒中で混合し、反応溶液を作製する。

前記チタンアルコキシドとしては、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラノルマルプロポキシチタン、テトラノルマルブトキシチタンを例示することができる。加水分解速度の制御性および入手容易性の観点からテトライソプロポキシチタン、テトラノルマルブトキシチタンが好適に使用でき、テトライソプロポキシチタンが特に好適である。また、前記チタン金属塩としては、四塩化チタン及び硫酸チタンを例示することができる。

これらの加水分解生成物はメタチタン酸やオルトチタンと呼ばれる含水酸化チタンのケーキ状物質であるが、そのケーキ内部には加水分解の過程で生成されたアルコール類や塩酸、硫酸が含有されている。これらの物質は結晶成長の際に阻害物質となるため、純水を用いデカンテーション、ヌッチェ法、限外濾過法などの方法を用い洗浄することが好ましい。

また、前記有機アルカリ類としては、アミン類、高分子アミンおよびその塩、並びにアンモニアを例示することができる。前記アミン類としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンテトラメチルアンモニウムクロライド、テトラエチルアンモニウムクロライド、テトラプロピルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムクロライド、オクチルアミン、ラウリルアミン、ステアリルアミン等が挙げられる。また前記高分子アミン及びその塩としては、前記アミン類からなる高分子アミンおよびその塩を例示することができる。なお、前記有機アルカリ類は、前記反応溶液に対してｐＨ調整剤として働く。

さらに、前記溶媒は、特に限定されないが、水が好ましい。

前記反応溶液中のｐＨは９〜１１であることが好ましく、さらにはｐＨ９．５〜１０．５であることが好ましい。これによって、本発明の酸化チタン粒子の好ましい態様である６つの延在部が互いに略等間隔で放射状に伸びた酸化チタン粒子を簡易に得ることができる。また、その一次粒径を１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲にすることができ、その外観形状と粒径範囲とに依存して、可視光から近赤外の範囲において高い光散乱能を有する酸化チタン粒子を得ることができるようになる。なお、前記反応溶液中のｐＨは前記有機アルカリ類の濃度を制御することによって調節する。

また、前記反応溶液中のチタン原子濃度は０．０５ｍｏｌ／Ｌ〜１０ｍｏｌ／Ｌの範囲であることが好ましく、特には０．１ｍｏｌ／Ｌ〜２．５ｍｏｌ／Ｌの範囲であることが好ましい。チタン原子濃度は、形成される酸化チタン粒子の粒径に直接影響を及ぼすので、所望する酸化チタン粒子の粒径に応じて適宜設定する必要があるが、上述したチタン原子濃度に設定することによって、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の一次粒径を有する酸化チタン粒子を簡易に作製することができるようになる。なお、前記チタン原子濃度は、反応溶液中のチタンアルコキシドの加水分解生成物又はチタン金属塩の加水分解生成物の濃度を適宜調節することによって制御することができる。

また、前記反応溶液のｐＨ及びチタン原子濃度を上述したような好ましい範囲に設定することにより、前記反応溶液は一般的にスラリー状となる。

次いで、本発明においては、前記反応溶液をステンレスなどの密閉容器中で加熱する。この場合、前記反応溶液中のチタンアルコキシドの加水分解生成物又はチタン金属塩の加水分解生成物は、高温及び加圧下で分解するとともに、得られたチタン源の結晶成長が進行し、目的とする星形形状の酸化チタン粒子を得ることができる。

なお、前記加熱処理は１２０℃〜３５０℃の温度範囲、さらには２００℃〜３５０℃さらには２３０℃〜３５０℃の温度範囲で行うことが好ましい。また、前記加熱処理時間は、２時間以上であることが好ましく、さらには１２時間〜３６時間であることが好ましい。また、かかる加熱処理において、室温から上記温度範囲までの加熱速度は特に限定しないが、１００℃／時間以下であることが好ましい。さらに、前記加熱処理においては、結晶化度の均質化の観点より、前記反応溶液をスターラー又は撹拌羽などを用いて、強制的に撹拌することが好ましい。

また、前記加熱処理の前に、予備加熱処理を行うこともできる。上述した加熱処理のみでは、本発明の星形形状の酸化チタン粒子に加えて、粒状の酸化チタン粒子が形成される場合があり、目的とする前記星形形状の酸化チタン粒子の作製歩留まりが低下する場合がある。これに対して、前記加熱処理に加えて前記予備加熱処理を施すことにより、前記粒状酸化チタン粒子の形成割合が減少し、前記星形形状の酸化チタン粒子の作製歩留まりを向上させることができるようになる。

なお、前記予備加熱処理は、７０℃〜１５０℃の温度範囲、さらには８０℃〜１２０℃さらには１００℃〜１２０℃の温度範囲で行うことが好ましい。また、予備加熱時間は１時間以上であることが好ましく、さらには２時間〜４時間の範囲であることが好ましい。さらにこの場合においても、結晶化度の均質化の観点より、前記反応溶液をスターラー又は撹拌羽などを用いて、強制的に撹拌することが好ましい。

以上のような作製工程を経ることにより、本発明の星形形状の酸化チタン粒子を得ることができる。また、上述した作製工程において、反応溶液のｐＨなどにおいてそれぞれ好ましい態様を採ることにより、本発明の好ましい態様である、６つの延在部が放射状に伸びた星形形状の酸化チタン粒子を得ることができる。

前記星形形状の酸化チタン粒子は、各延在部がアナターゼ単相からなり、その結果全体として双晶を呈するようになる。酸化チタンはブルッカイト相、アナターゼ相及びルチル相などの結晶相を有するが、前記アナターゼ相は準安定相であるので、ある程度の大きさの酸化チタン粒子を形成するために加熱処理を施すと、前記アナターゼ相は安定相であるルチル相に転移してしまう。この結果、酸化チタン粒子の形状とは無関係に、１００ｎｍ以上の一次粒径を有する酸化チタン粒子を得ようとすると、前記酸化チタン粒子はルチル相を含むことになる。したがって、本発明は１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の一次粒径であって、アナターゼ単相から構成される酸化チタン粒子を提供できるため、ルチル相以外の結晶相からなる酸化チタン粒子を得ることができるという観点からも重要である。また、条件の調整により各延在部はそれぞれが単結晶となる。

前記酸化チタン粒子は、この酸化チタン粒子が残留する液相に対して水溶性樹脂や添加剤を加えて使用することも出来る。またスプレードライ、フリーズドライ、ヌッチェ、熱風乾燥、エバポレーター、真空乾燥、サーマジェットドライ、遠心分離などの方法によって乾燥し粉末化することも出来る。また、前記液相の状態からフラッシング法や溶剤置換によって、非水系の分散液もしくは懸濁液として直接的に使用することも出来る。なお、この場合、前記分散液又は前記懸濁液の状態でデカンテーション、ヌッチェ洗浄、限外濾過、マイクロフィルトレーション、遠心分離などの方法によって、粒子合成時の残留アルコール類やアミン類などの添加物由来の不純物を除去することも出来る。

（色素増感型太陽電池への適用）
本発明の酸化チタン粒子は、色素増感型太陽電池の半導体電極材料として用いることができる。

色素増感型太陽電池は、透明電極と、色素を担持した半導体層（半導体電極）と、電解質層と、対向電極とから構成される。

透明電極は、例えば、ガラス基板などの透明基板と、その上に形成される、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、ＩＴＯ、ＡＴＯ、酸化亜鉛、アルミドープ酸化亜鉛、あるいはこれらの表面に酸化スズ又はフッ素ドープ酸化スズの皮膜を設けた光透過性の透明導電層から構成される。また、表面にフッ素ドープ酸化スズなどの導電層を設けた導電性ガラスを透明電極として用いることもできる。

半導体層は、例えば、酸化物半導体、硫化物半導体、セレン化物半導体、テルル化物半導体、砒素化物半導体、リン化物半導体、シリコン系半導体などの公知の半導体から構成することができる。

半導体層に担持させる色素としては、例えば、金属錯体系色素、有機色素等を用いることができる。金属錯体色素としては、金属フタロシアニン、クロロフィル、ヘミン等やルテニウム、オスミウム、鉄、亜鉛を１以上含有する錯体等の金属錯塩が挙げられる。なかでも、ルテニウム金属錯体を好ましく用いることができ、その中でもルテニウムビピリジン錯体、ルテニウムターピリジン錯体が好ましい。一方、有機色素としては、クマリン誘導体系色素、ポリエン系色素、メロシアニン系色素、アゾ系色素、キノン系色素、スクアリリウム系色素、シアニン系色素、スチリル系色素、キサンテン系色素等などが挙げられる。なかでも、クマリン誘導体系色素を好ましく用いることができる。

電解質は、固体状及び液体状のものを使用することができる。具体的には、ヨウ素系電解質、臭素系電解質、セレン系電解質、硫黄系電解質等各種の電解質をもちいることが可能であり、Ｉ_２、ＬｉＩ、ジメチルプロピルイミダゾリウムヨージド等をアセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピレンカーボネート、エチレンカボネート等の有機溶剤に溶かした溶液等が好適に用いられる。

対向電極は、例えば、Ａｌ、ＳＵＳ等の金属やガラス及びプラスチックなどから構成される基板と、その上に形成されるＰｔ、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、ステンレス、フッ素ドープ酸化スズ及びＩＴＯなどの導電層から構成される。なお、対向電極は、表面にフッ素ドープ酸化スズなどの導電層を設けた導電性ガラスから構成することもできる。

色素増感型太陽電池は、半導体層に吸着されている色素が可視光によって励起され、発生した電子を半導体層に渡すことによって発電が行われる。

色素増感型太陽電池の光利用は光を吸収する色素に依存する。この色素の光吸収特性は、一般的に波長依存を有している。つまり、色素により、吸収しやすい波長、吸収しにくい波長、まったく吸収できない波長がある。

このため、太陽光を有効に利用するために、光を散乱させる粒子を、半導体電極層中に混合させる方法が検討されている。

しかし、可視光や近赤外領域の光を散乱させるには、粒子の粒径が１５０〜６００ｎｍ程度必要であり、このような粗大粒子を半導体電極層中に混合することは、表面積が小さくなり、吸着できる色素が少なくなる。また、光を散乱させる粒子は、半導体電極層を構成する粒子と同じ材料が望ましい。

近年の研究によって、半導体電極を構成する粒子はアナターゼ型酸化チタンが好ましいことが一般的に知られるようになった。本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子は、「放射状に伸びた複数の延在部を有するとともに、前記延在部は長さ方向における略中心部において稜を有し、全体として星形を呈する」形状であり多数の反射面を有し、粒径も１００〜１０００ｎｍという大きな粒径が得られるため、光、特に可視光や近赤外領域の光の散乱性に優れるため、色素増感型太陽電池の光散乱材料として好適に用いられる。

本発明の酸化チタンの色素増感型太陽電池への適用形態の一例は以下の通りである。前記透明電極上に、通常の半導体粒子と本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子とを混合した半導体電極層を構成する。通常の半導体粒子は、前記半導体粒子等を使用することができる。通常の半導体粒子は、アナターゼ型の酸化チタン粒子が好ましい。通常の半導体粒子の粒径は、１０〜３０ｎｍが好ましい。

通常の半導体粒子と本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子とを混合した半導体電極層中において、本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子の混合割合が、透明電極側から対向電極側にむかって増加することが好ましい。これにより、透明電極側から入射した光が吸収、散乱、半導体電極層の端部で反射され、光を有効に利用することができる。増加の仕方は、段階的に増加してもよく、漸次増加してもよい。

通常の半導体粒子と本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子とを混合した半導体電極層の製造方法は、特に限定されないが、例えば、通常の半導体粒子と本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子の混合割合を変えたペーストを作成し、これを複数層積層することにより得られる。この場合、透明電極側からみた第１層は、アナターゼ型の酸化チタン粒子の混合割合をゼロにすることが好ましい。

以下に、半導体電極層を３層にする場合を述べる。
透明電極の上に、通常の半導体粒子からなる層、通常の半導体粒子と本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子との混合層（１）、通常の半導体粒子と本発明によるアナターゼ型の酸化チタン粒子との混合層（２）を設ける。

この場合、混合層（１）の本発明による酸化チタン粒子の割合は、酸化チタン粒子全体（通常の半導体粒子＋本発明による酸化チタン粒子）の０．１ｗｔ％〜３０ｗｔ％が好ましい。また、混合層（２）の本発明による酸化チタン粒子の割合は、酸化チタン粒子全体（通常の半導体粒子＋本発明による酸化チタン粒子）の３０ｗｔ％〜１００ｗｔ％が好ましい。この場合、混合層（１）は散乱効果を多く発揮し、混合層（２）は反射効果を多く発揮するため、透明電極側から入射し、吸収されずに通常の半導体粒子からなる層を通過した光が、混合層（１）、混合層（２）において、散乱、反射され、３層合わせた半導体電極層全体の中で光が効率的に利用される。

次に、半導体電極層を３層にする場合の製造方法の一例について述べる。
まず、通常の半導体粒子層、混合層（１）、混合層（２）を形成するためのペーストを調製する。すなわち、通常の半導体粒子、本発明による酸化チタン粒子、分散剤、および溶剤を混合し、サンドミル等の分散装置を用いて分散させ、分散液を調製する。この際、通常の半導体粒子層形成用ペーストでは、粒子として通常の半導体粒子のみを含有させ、混合層（１）形成用ペーストでは、本発明による酸化チタン粒子を酸化チタン粒子全体（通常の半導体粒子＋本発明による酸化チタン粒子）の０．１ｗｔ％〜３０ｗｔ％配合する。また、混合層（２）形成用ペーストでは、本発明による酸化チタン粒子を酸化チタン粒子全体（通常の半導体粒子＋本発明による酸化チタン粒子）の３０〜１００ｗｔ％配合する。

溶剤は高沸点であることが望ましく、例えば水とアセチルアセトンの混合物、１−ｐ−メンテン−８−オールとアセチルアセトンの混合物を好ましく用いることができる。また分散剤としては例えばポリエステル系分散剤を好ましく用いることができる。そして、得られた分散液とバインダーを攪拌、混合することによって半導体電極用ペーストが得られる。

バインダーは、半導体電極用ペーストの粘度増加と、半導体電極用のクラック防止効果を有し、５５０℃以下で蒸発または燃焼するものが好ましい。例えばセルロース系バインダーや、ポリエチレングリコール等を好適に用いることができる。バインダーの添加量は半導体電極用ペースト中の通常の半導体粒子および本発明による酸化チタン粒子の合計の１０〜６０重量％が好ましい。

次いで、調製した酸化物ペーストを透明電極上に塗布する。塗布方法としてはスクリーン印刷が好ましく、その他にフレキソ印刷、グラビア印刷、ドクターブレード、バーコーター、ロールコーター、スピンコーター、ディップコーター等を用いることもできる。

透明電極上に塗布される半導体電極層の各層の膜厚は、１〜１０μｍ程度、好ましくは５〜７μｍ程度とされる。各層形成用のペーストを順次塗布し、必要に応じて乾燥させた後、空気中５５０℃以下の温度で焼成する。すべての層を塗布後焼成してもよく、各層を焼成後、次の層を塗布してもよい。これにより、３層からなる半導体電極層が得られる。３層合わせた半導体電極層膜厚は２０〜３０μｍが好ましい。

その後、色素を適宜の溶剤に溶解させた色素溶液中に浸漬させ、または還流を行って色素を吸着させることによって、色素を担持した半導体電極が形成される。

半導体電極と間隔をおいて、対向電極を配置させ、これらの間の空間を側壁で液密に囲んでセルを組み立てた後、セルの内部に電解質溶液を封入して太陽電池を作製する。

セルの側壁は、絶縁性および光透過性を有する材料からなり、例えばエポキシ樹脂、フッ素含有樹脂等を用いて構成される。

対向電極と透明電極との間隔は、１〜１０００μｍ程度で、特には１０〜５０μｍ程度が好ましい。また、対向電極の導電層上にはPt等の触媒を担持することが好ましい。

（星型酸化チタン粒子の作製及び評価）
［実施例１］
容量１Ｌのガラス容器に１０℃に冷却した純水２５０ｍＬを入れ、撹拌羽により３００ｒｐｍで撹拌しながら、高純度化学社製チタンテトライソプロポキシド７１ｇを滴下ロートを用いて滴々投入した。１時間の撹拌後に前記チタンテトライソプロポキシドは加水分解され白色水性懸濁液となった。この白色水性懸濁液をヌッチェと東洋濾紙社製濾紙Ｎｏ２で吸引濾過を行い、続いて純水５００ｍＬで洗浄を行い、白色ケーキ状物質を得た。この白色ケーキ状物質、及び東京化成社製テトラメチルアンモニウムヒドロキシド２６％水溶液１．４ｇを純水中に添加し、総量で２００ｇとなるようにした。得られた反応溶液はスラリー状となり、ｐＨは１０．２３であった。反応溶液中のチタン原子濃度は１．２５ｍｏｌ／Ｌであった。

次いで、前記反応溶液を密閉容器中に入れ、撹拌しながら１２０℃で４時間予備加熱処理を行った後、２７０℃で１２時間加熱処理を行い、酸化チタン粒子を含む水性懸濁液を得た。この水性懸濁液を濾過、洗浄して、得られた洗浄ケーキを１２０℃で一昼夜乾燥することにより、粉末化した酸化チタン粒子を得た。

［比較例１］
テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを加えることなく反応溶液を作製した以外は、実施例と同様にして予備加熱処理及び加熱処理を実施して、酸化チタン粒子を作製した。なお、本比較例における前記反応溶液のｐＨは８．２であった。反応溶液中のチタン原子濃度は１．２５ｍｏｌ／Ｌであった。

［比較例２］
テトラメチルアンモニウムヒドロキシドに代えて和光純薬社製硝酸１．４２を５ｇを加えた以外は、実施例と同様にして予備加熱処理及び加熱処理を実施して、酸化チタン粒子を作製した。なお、本比較例における前記反応溶液のｐＨは２．０であった。反応溶液中のチタン原子濃度は１．２５ｍｏｌ／Ｌであった。

［試験例１］
上記実施例及び比較例１、２で作製した酸化チタン粒子を分析するために、電子顕微鏡で粒子形状を測定し、粉末Ｘ線回折で結晶相の同定を行った。評価結果を表１に示す。実施例においては、星形形状であり、一次粒径が２００ｎｍ〜３５０ｎｍであって、各延在部がアナタース単相を呈する双晶の酸化チタン粒子が得られていることが判明した。また、比較例１においては、一次粒径数十ｎｍ程度のアナタース単相からなる粒状の酸化チタン粒子が得られていることが判明した。さらに、比較例２においては、一次粒径数十ｎｍのアナタース相及びルチル相が混在した酸化チタン粒子が得られていることが判明した。

なお、本実施例で得た酸化チタン粒子のＳＥＭ写真を図１に示すとともに、ＴＥＭ写真を図２に示す。また、本実施例における酸化チタン粒子のＸ線回折パターンのグラフをそれぞれ図３に示す。

［試験例２］
上記実施例及び比較例１の酸化チタン粒子、並びに一次粒径２０ｎｍの凝集体で平均凝集粒径３００ｎｍのアナターゼ単相からなる粒状の酸化チタン粒子（和光純薬社製：比較例３）との光散乱性を調べた。最初に、αテルピネオール（関東化学社製）７０ｇにエチルセルロース４５（関東化学社製）５ｇをホモジナイザーで溶解させビヒクルを作製した。次いで、前記ビヒクルに実施例及び比較例１で得た酸化チタン粒子の２５ｇ、及び和光純薬社酸化チタン粒子の２５ｇをホモジナイザーで攪拌しながら添加した。次いで、このようにして得た酸化チタンペーストを３本ロールミルで混練し印刷ペーストとした。

次いで、前記印刷ペーストを厚さ１．１ｍｍのパイレックス（登録商標）ガラスに３５０メッシュステンレススクリーンを用いてスクリーン印刷し、次いで５００℃に保持された電気炉内において３０分焼成した。この結果、前記パイレックス（登録商標）ガラス上の前記印刷ペースト部分は２μｍの膜厚の白色半透明〜不透明の多孔質酸化チタン膜となった。次いで、前記多孔質酸化チタン膜を積分球付属の紫外可視近赤外分光計によって各波長毎の光反射率を測定した。結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例で得た星形形状の酸化チタン粒子は総ての波長において４０％以上の高い反射率を呈することが判明した。また、比較例３における酸化チタン粒子は粒状であるが、その平均凝集粒径が約３００ｎｍであるために、総ての波長において２０％以上の反射率を有することが分かる。さらに、実施例及び比較例３を比較すると、酸化チタン粒子の粒径はほぼ同じであるにも拘らず、実施例における酸化チタン粒子は星形形状の外観を呈することによって、高い反射率を呈することが分かる。一方、一次粒径が数十ｎｍであって、粒状の外観を呈する比較例２の酸化チタン粒子においては、各波長において１０％前後の低い反射率しか有しないことが判明した。

（色素増感型太陽電池）
［実施例２］
通常の半導体電極材料として酸化チタン超微粒子（粒径１０ｎｍ〜２０ｎｍ）を用い、酸化チタンを３０重量％含む分散液を調製した。溶剤は１−ｐ−メンテン−８−オール、分散剤はポリエステル系分散剤を用い、０．１ｍｍビーズを用いたサンドミルで分散させた。この分散液にバインダーとしてエチルセルロースを５重量％添加して通常の半導体電極層用ペーストを得た。

また、同様にして、本発明のアナターゼ型酸化チタン粒子（粒径２００〜３００ｎｍ）と前記酸化チタン超微粒子を用い、酸化チタン全体に対する本発明のアナターゼ型酸化チタン粒子の割合を１０ｗｔ％とした混合層（１）形成用ペーストを作成した。

また、同様にして、本発明のアナターゼ型酸化チタン粒子（粒径２００〜３００ｎｍ）と前記酸化チタン超微粒子を用い、酸化チタン全体に対する本発明のアナターゼ型酸化チタン粒子の割合を７０ｗｔ％とした混合層（２）形成用ペーストを作成した。

透明電極用基板として、表面抵抗が１０Ω／□のフッ素ドープＳｎＯ_２導電性ガラスを用い、この基板上に前記で得た各ペーストをスクリーン印刷機を用いて塗布した。そして、大気中、５００℃で３０分間焼成を繰り返し行い、基板上に３層からなる半導体電極層を形成した。３層合わせた総膜厚は２０μｍであり、各層は、ほぼ同じ膜厚であった。

次いで、増感色素（シス−ジ(チオシアネート)ビス(２，２’−ビピリジル−４，４’−ジカルボン酸)ルテニウム(II)）のエタノール溶液に浸漬し、１時間還流を行って色素を吸着させて、色素を担持した半導体電極層を形成した。このようにして透明電極基板上に色素を担持した半導体電極層が形成されたものをアノード電極とした。

また、フッ素ドープＳｎＯ_２基板上にＰｔをスパッタによって成膜したものを用いて対向電極を作製した。

このアノード電極と対向電極を配置させ、エポキシ樹脂で側壁を形成してセルを構成した。両電極の間隔は２５μｍとした。セル内に電解質溶液としてヨウ化ジメチルプロピルイミダゾリウム（ＤＭＰＩＭＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、ヨウ素（Ｉ_２）、4-ターシャルブチルピリジン（ＴＢＰ）をアセトニトリルに溶かした溶液を封入して太陽電池を得た。

［比較例４］
上記実施例２と同様に、色素増感型の太陽電池を作製した。但し、本発明のアナターゼ型酸化チタン粒子の変わりに、一次粒子径が２０ｎｍの凝集体で凝集粒径が２００ｎｍのアナターゼ単相からなる酸化チタン粒子を用いた。

上記実施例２及び比較例４で得られた太陽電池について、それぞれエネルギー変換効率を測定した。比較例４で得た太陽電池におけるエネルギー変換効率は９％であり、実施例２で得た太陽電池におけるエネルギー変換効率は１１．０％であった。したがって、色素増感型太陽電池の、半導体電極層中に本発明の酸化チタン粒子を含有させることにより、そのエネルギー変換効率を約２０％向上できることが判明した。なお、前記エネルギー変換効率の向上には、光電変換特性の内、光短絡電流の増加が寄与していることが判明し、本発明の酸化チタン粒子の高い光散乱効果が寄与していることが確認された。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

Claims

放射状に伸びた複数の延在部を有するとともに、前記延在部は長さ方向における略中心部において稜を有し、全体として星形を呈し、アナターゼ相であることを特徴とする、酸化チタン粒子。
前記複数の延在部はそれぞれ単結晶であって、前記酸化チタン粒子は全体として双晶を呈することを特徴とする、請求項１に記載の酸化チタン粒子。
前記延在部はアナターゼ単相であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の酸化チタン粒子。
一次粒径が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の酸化チタン粒子。
透明電極と、色素を担持した半導体層と、電解質層と、対向電極とを具え、前記半導体層は請求項１〜４のいずれか一に記載の酸化チタン粒子を具えることを特徴とする、色素増感型太陽電池。