JP2010037138A - Method for forming titanium oxide film and photoelectric conversion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池のような光電変換素子で使用される酸化チタン膜を形成する方法および形成するための装置ならびにこのような酸化チタン膜を備えた光電変換素子に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a titanium oxide film used in a photoelectric conversion element such as a solar cell, an apparatus for forming the same, and a photoelectric conversion element provided with such a titanium oxide film.
一般に、色素増感型太陽電池などの光電変換素子は、ガラス板などの透明基板上に透明導電膜を形成した上に金属酸化物（ＴｉＯ２など）を形成し、さらに光増感色素（ルテニウムなど）で染色してなる電極と、対極用基板上に透明導電膜を形成してなる対極とを形成して、両電極間に電解質層（ヨウ素系など）を介在させたものが知られている（特許文献１）。 In general, a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell has a transparent conductive film formed on a transparent substrate such as a glass plate, a metal oxide (TiO 2 or the like), and a photosensitizing dye (ruthenium). Etc.) and a counter electrode formed by forming a transparent conductive film on a counter electrode substrate, and an electrolyte layer (iodine-based) is interposed between the electrodes. (Patent Document 1).
また、特許文献２には、このような光電変換素子で使用するのに適した結晶性酸化チタン膜を形成する方法が開示されている。
上記のような色素増感型太陽電池では、酸化チタン粒子同士の密着性（ネッキング）が重要であり、そのために、特許文献１では、ＴｉＯ２微粒子を有機バインダーと有機溶剤により分散させたペーストを、上記透明導電膜上に塗布した後、これを４５０℃の高温で処理することにより、ＴｉＯ２微粒子を焼結させてＴｉＯ２多孔質層を形成している。また、特許文献２のものでは、電気泳動によって酸化チタン前駆体膜を形成した後、４００℃以上の温度で焼成することで酸化チタン膜を形成している。
In the dye-sensitized solar cell as described above, adhesiveness (necking) between titanium oxide particles is important. For this reason, in Patent Document 1, a paste in which TiO 2 fine particles are dispersed with an organic binder and an organic solvent is used. After coating on the transparent conductive film, this is treated at a high temperature of 450 ° C. to sinter the TiO 2 fine particles to form a TiO 2 porous layer. Moreover, in the thing of
しかしながら、４５０℃もの高温処理を行うと、透明導電膜の導電性が損なわれるため、このような高温でも導電性を失わないフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）などを用いる必要があるなど使用できる材料が限られる。また、上記透明導電膜を支持する基板も耐熱性を有するガラス基板などに限られるため、低コスト化することおよび柔軟性を有するフレキシブルな太陽電池を作製することは困難であった。さらに、上記酸化チタン膜が高温下に晒されることにより活性低下し、電池性能の低下につながるという問題があった。 However, when a high temperature treatment at 450 ° C. is performed, the conductivity of the transparent conductive film is impaired. Therefore, it is necessary to use fluorine-doped tin oxide (FTO) that does not lose the conductivity even at such a high temperature. Limited. Moreover, since the substrate that supports the transparent conductive film is also limited to a glass substrate having heat resistance, it has been difficult to reduce the cost and to produce a flexible solar cell having flexibility. Furthermore, there has been a problem that the titanium oxide film is exposed to a high temperature to decrease its activity, leading to a decrease in battery performance.
そこで、本発明では、上記のような高温処理を省くことで、透明導電膜や基板に耐熱性の低い材料の使用を可能とし、これにより、低コスト化が可能で、しかも、柔軟性を有するフレキシブルな太陽電池が実現可能でかつ活性低下を抑制し得る、酸化チタン膜を形成する方法および形成するための装置ならびにこのような酸化チタン膜を備えた光電変換素子を提供する。 Therefore, in the present invention, it is possible to use a material having low heat resistance for the transparent conductive film and the substrate by omitting the high-temperature treatment as described above, thereby enabling cost reduction and flexibility. Provided are a method for forming a titanium oxide film, an apparatus for forming the photoelectric conversion element, and a photoelectric conversion element including such a titanium oxide film, capable of realizing a flexible solar cell and capable of suppressing a decrease in activity.
本発明による酸化チタン膜の形成方法は、導電性基体上に酸化チタン膜を形成する方法であって、導電性基体が負極となる電界を印加した状態で、水または有機溶剤を含む溶液中に酸化チタン粒子を分散させた混合溶液を導電性基体上に塗布することを特徴とする。 The method of forming a titanium oxide film according to the present invention is a method of forming a titanium oxide film on a conductive substrate, and in a solution containing water or an organic solvent in an applied electric field that makes the conductive substrate a negative electrode. A mixed solution in which titanium oxide particles are dispersed is applied onto a conductive substrate.
混合溶液の塗布に際しては、スキージ法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法などの公知の塗布方法を使用することができる。 In applying the mixed solution, a known application method such as a squeegee method, a doctor blade method, or a screen printing method can be used.
酸化チタン粒子は、粒径２０〜６０μｍの酸化チタンナノ粒子であることが好ましい。 The titanium oxide particles are preferably titanium oxide nanoparticles having a particle size of 20 to 60 μm.
また、前記酸化チタン粒子に、数百μｍ程度（例えば１００〜４００μｍ）の酸化チタン粒子をさらに含有させることにより、光散乱効果を高め、光増感色素への光吸収を効率的に行うようにしても良い。 Further, by adding titanium oxide particles of about several hundred μm (for example, 100 to 400 μm) to the titanium oxide particles, the light scattering effect is enhanced and light absorption into the photosensitizing dye is efficiently performed. May be.
前記電界は、５００〜１２００Ｖ／ｃｍであることが好ましい。 The electric field is preferably 500 to 1200 V / cm.
また、塗布した混合溶液を加熱することが好ましい。加熱は、４００℃という高温ではなく、例えば１５０℃以下の低温で行われる。塗布後の混合溶液に１５０℃以下の熱処理を加えることで、ネッキングを向上させることができる。混合溶液塗布後に、レーザー照射することによっても、酸化チタン粒子のネッキングを向上させることができる。 Moreover, it is preferable to heat the applied mixed solution. The heating is performed not at a high temperature of 400 ° C. but at a low temperature of 150 ° C. or less, for example. Necking can be improved by applying heat treatment at 150 ° C. or lower to the mixed solution after coating. Necking of titanium oxide particles can also be improved by laser irradiation after application of the mixed solution.
酸化チタンナノ粒子のζ（ゼータ）電位が正であることから、アルコール溶液中に分散した酸化チタンナノ粒子は正に帯電する。したがって、導電性基体（例えば透明導電性基板）を負極にすると、電気泳動によって、導電性基体上に酸化チタンナノ粒子を堆積させることができる。例えば、導電性スキージやスリットダイのような酸化チタン供給側を正極、ロール、スチールベルトなどの導電性基体供給側を負極として、５００Ｖ／ｃｍ〜１２００Ｖ／ｃｍの電界を発生させたまま、アルコール溶液中に分散した粒径２０〜６０μｍの酸化チタンナノ粒子をスキージ法などにより塗布し、その後、熱処理を加えることで、通常のスキージ法による塗布膜よりも強固な酸化チタン膜（導電性のポーラス酸化チタン薄膜）を得ることができる。熱処理時の温度は１５０℃以下でよく、これにより、高温で焼結することなく、高温処理と同等の酸化チタン粒子同士の密着性を確保することができるとともに、酸化チタン膜が高温下に晒されることによる活性低下を防ぐことができる。 Since the ζ (zeta) potential of the titanium oxide nanoparticles is positive, the titanium oxide nanoparticles dispersed in the alcohol solution are positively charged. Therefore, when a conductive substrate (for example, a transparent conductive substrate) is used as a negative electrode, titanium oxide nanoparticles can be deposited on the conductive substrate by electrophoresis. For example, an alcohol solution with a titanium oxide supply side such as a conductive squeegee or slit die as a positive electrode and a conductive substrate supply side such as a roll or steel belt as a negative electrode while an electric field of 500 V / cm to 1200 V / cm is generated. Titanium oxide nanoparticles with a particle size of 20 to 60 μm dispersed therein are applied by a squeegee method or the like, and then subjected to a heat treatment, whereby a titanium oxide film (conductive porous titanium oxide that is stronger than a coating film by a normal squeegee method) Thin film) can be obtained. The temperature at the time of heat treatment may be 150 ° C. or less, and this makes it possible to ensure adhesion between titanium oxide particles equivalent to that of high temperature treatment without sintering at high temperature, and the titanium oxide film is exposed to high temperature. It is possible to prevent a decrease in activity caused by
こうして得られた酸化チタン膜に光増感色素を担持させることで光触媒膜を形成することができ、この光触媒膜を、電極と、これに対向する対極と、両極間に配される電解質層および光触媒膜とを備えている光電変換素子において使用することにより、電力変換効率に優れた光電変換素子を得ることができる。 A photocatalytic film can be formed by supporting a photosensitizing dye on the titanium oxide film thus obtained. The photocatalytic film includes an electrode, a counter electrode opposed to the electrode, an electrolyte layer disposed between both electrodes, and By using it in a photoelectric conversion element provided with a photocatalytic film, a photoelectric conversion element excellent in power conversion efficiency can be obtained.
光増感色素を光触媒粒子となる酸化チタン膜に担持するに際し、カーボンナノチューブ粒子などの微粒子を含むようにしてもよい。 When the photosensitizing dye is supported on the titanium oxide film serving as the photocatalyst particles, fine particles such as carbon nanotube particles may be included.
導電性基体は、例えば、透明基板上に透明導電膜が形成された透明導電性基板とされる。この場合、透明基板としては、合成樹脂板、ガラス板などが適宜使用されるが、ＰＥＮフィルムなどの熱可塑性樹脂が好ましい。ＰＥＮ（ポリエチレン・ナフタレート）の他に、ポリエチレン・テレフタレート、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィンなどを使用することもできる。透明基板上への透明導電膜を形成するには、スパッタリング法などの各種蒸着法を使用することができる。透明導電膜としては、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）の他に、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの導電性酸化チタンを含む薄膜を使用することができる。 The conductive substrate is, for example, a transparent conductive substrate in which a transparent conductive film is formed on a transparent substrate. In this case, as the transparent substrate, a synthetic resin plate, a glass plate or the like is used as appropriate, but a thermoplastic resin such as a PEN film is preferable. In addition to PEN (polyethylene naphthalate), polyethylene terephthalate, polyester, polycarbonate, polyolefin and the like can also be used. In order to form the transparent conductive film on the transparent substrate, various vapor deposition methods such as a sputtering method can be used. As the transparent conductive film, in addition to tin-added indium oxide (ITO), conductive oxide such as fluorine-added tin oxide (FTO), tin oxide (SnO 2 ), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), etc. Thin films containing titanium can be used.
電解質層としては、例えば、ヨウ素系電解液が使用され、具体的には、ヨウ素、ヨウ化物イオン、ターシャリーブチルピリジンなどの電解質成分が、エチレンカーボネートやメトキシアセトニトリルなどの有機溶媒に溶解されてなるものとされる。電解質層は、電解液に限られるものではなく、固体電解質であってもよい。固体電解質としては、例えば、ＤＭＰＩｍＩ（ジメチルプロピルイミダゾリウムヨウ化物）が例示され、このほか、ＬｉＩ、ＮａＩ、ＫＩ、ＣｓＩ、ＣａＩ２などの金属ヨウ化物、およびテトラアルキルアンモニウムヨーダイドなど４級アンモニウム化合物のヨウ素塩などのヨウ化物とＩ２とを組み合わせたもの；ＬｉＢｒ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＣｓＢｒ、ＣａＢｒ２などの金属臭化物、およびテトラアルキルアンモニウムブロマイドなど４級アンモニウム化合物の臭素塩などの臭化物とＢｒ２とを組み合わせたものなどを適宜使用することができる。 As the electrolyte layer, for example, an iodine-based electrolytic solution is used. Specifically, an electrolyte component such as iodine, iodide ion, or tertiary butyl pyridine is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or methoxyacetonitrile. It is supposed to be. The electrolyte layer is not limited to the electrolytic solution, and may be a solid electrolyte. The solid electrolyte, for example, is illustrated DMPImI (dimethylpropyl imidazolium iodide) is, in addition, LiI, NaI, KI, CsI, metal iodide such as CaI 2, and tetraalkylammonium iodide and quaternary ammonium compounds A combination of iodides such as the iodine salts of I 2 and I 2 ; bromides such as bromides of metal bromides such as LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr 2 and quaternary ammonium compounds such as tetraalkylammonium bromide and Br 2. And the like can be used as appropriate.
対極の構成としては、例えば、透明基板上に透明導電膜が形成されたものとすればよく、アルミニウム、銅、スズなどの金属のシートとしてもよい。このほか、金属（アルミニウム、銅、スズなど）またはカーボン製などのメッシュ状電極にゲル状固体電解質を保持させることで対極を構成してもよく、また、対極用基板の片面上に導電性接着剤層を同基板を覆うように形成し、同接着剤層を介して、別途形成のブラシ状カーボンナノチューブ群を基板に転写することで、対極を構成してもよい。 As a configuration of the counter electrode, for example, a transparent conductive film may be formed on a transparent substrate, and a metal sheet such as aluminum, copper, or tin may be used. In addition, the counter electrode may be configured by holding a gel solid electrolyte on a mesh electrode made of metal (aluminum, copper, tin, etc.) or carbon, and conductive adhesion is performed on one side of the counter electrode substrate. The counter electrode may be configured by forming an agent layer so as to cover the substrate and transferring a separately formed group of brush-like carbon nanotubes to the substrate via the adhesive layer.
光電変換素子を組み立てるには、まず、上記のようにして、透明導電性基板上に形成された酸化チタン膜に光増感色素を担持させることで光触媒膜を有する電極が形成された後、この電極とこれに対向する対極とが位置合わせされて、両極間が熱融着フィルムや封止材などで密封され、対極または電極などに予め設けておいた孔や隙間から電解質が注入される。また、固体電解質を用いる場合は、両極間に光触媒膜および電解質層が挟まれるように重ね合わせられて、その周縁部同士が加熱接着されるようにしてもよい。加熱は、金型によってもよく、プラズマ（波長の長いもの）、マイクロ波、可視光（６００ｎｍ以上）や赤外線などのエネルギービームを照射することによってもよい。 In order to assemble a photoelectric conversion element, first, as described above, after an electrode having a photocatalytic film is formed by supporting a photosensitizing dye on a titanium oxide film formed on a transparent conductive substrate, The electrode and the counter electrode opposite to the electrode are aligned, the electrode is sealed with a heat-sealing film or a sealing material, and an electrolyte is injected from a hole or a gap provided in advance in the counter electrode or the electrode. When a solid electrolyte is used, the photocatalyst film and the electrolyte layer may be stacked so as to be sandwiched between the two electrodes, and the peripheral portions thereof may be heat bonded. Heating may be performed by a mold, or may be performed by irradiation with an energy beam such as plasma (having a long wavelength), microwave, visible light (600 nm or more), or infrared light.
混合溶液は、例えば、１０〜３０％の酸化チタンナノ粒子と、溶媒（例えば、アルコール溶液）、増粘剤などからなるものとされることがあり、また、１０〜３０％の酸化チタンナノ粒子と、低級アルコール５０〜７０％と、少量の水とからなるものとされることがあり、さらにまた、１０〜３０％の酸化チタンナノ粒子、ポリエチレングリコール、蒸留水または酸性水溶液とからなるものとされることがある。また、粒径２０〜６０ｎｍの酸化チタンナノ粒子に加えて、粒径１００ｎｍの酸化チタンナノ粒子が含まれていることがある。 The mixed solution may be composed of, for example, 10 to 30% titanium oxide nanoparticles, a solvent (for example, an alcohol solution), a thickener, and the like, and 10 to 30% titanium oxide nanoparticles, It may be composed of 50 to 70% lower alcohol and a small amount of water, and further composed of 10 to 30% titanium oxide nanoparticles, polyethylene glycol, distilled water or acidic aqueous solution. There is. In addition to titanium oxide nanoparticles having a particle size of 20 to 60 nm, titanium oxide nanoparticles having a particle size of 100 nm may be contained.
酸化チタン膜の形成装置は、連続的に酸化チタン膜を製造するものであることが好ましい。光電変換素子の製造方法（装置）は、色素吸着工程（手段）、対極の貼り合わせ工程（手段）、電解液注入工程（手段）あるいはゲル化電解液塗布工程（手段）、電解液の封止工程（手段）などを組み合わせたものとされる。 The titanium oxide film forming apparatus is preferably one that continuously produces a titanium oxide film. The method (apparatus) for producing a photoelectric conversion element includes a dye adsorption step (means), a counter electrode bonding step (means), an electrolyte injection step (means) or a gelled electrolyte application step (means), and sealing of the electrolyte. The process (means) is combined.
本発明によれば、導電性基体を負極とした状態でこれに酸化チタンの混合溶液を塗布することで、酸化チタン膜の密着性を確保することができ、従来、活性化のために行われていた高温処理を省くことができる。これにより、高温に起因する活性低下の抑制が可能となり、導電性基体に耐熱性の低い材料を使用することができるので、低コスト化も可能となる。しかも、柔軟性を有するが耐熱性が低い合成樹脂製基板の使用が可能となることで、フレキシブルな太陽電池が実現可能となる。 According to the present invention, the adhesiveness of the titanium oxide film can be ensured by applying a mixed solution of titanium oxide to the conductive substrate in a state where the conductive substrate is used as the negative electrode. The high temperature treatment that has been performed can be omitted. As a result, it is possible to suppress a decrease in activity due to a high temperature, and it is possible to use a material having low heat resistance for the conductive substrate, thereby reducing the cost. In addition, a flexible solar cell can be realized by using a synthetic resin substrate having flexibility but low heat resistance.
本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。以下の説明において、上下左右は、図１の上下左右をいうものとする。 Embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following description, up, down, left and right refer to up, down, left and right in FIG.
図１は、本発明による酸化チタン膜の形成方法で得られる酸化チタン膜の使用例である光電変換素子を示している。同図において、光電変換素子(1)は、負極となる電極(2)と、正極となる対極(3)と、両極(2)(3)間に介在させられた光触媒膜(4)および電解質層(5)とからなる。 FIG. 1 shows a photoelectric conversion element which is an example of use of a titanium oxide film obtained by the method for forming a titanium oxide film according to the present invention. In the figure, the photoelectric conversion element (1) is composed of an electrode (2) serving as a negative electrode, a counter electrode (3) serving as a positive electrode, a photocatalyst film (4) and an electrolyte interposed between both electrodes (2) and (3). It consists of layer (5).
電極(2)は、電極用透明基板(11)および透明導電膜(12)を有し、対極(3)は、対極用透明基板(31)および透明導電膜(32)を有している。光触媒膜(4)は、酸化チタン膜(34)に光増感色素(33)を担持させたもので、酸化チタン膜(34)は、透明基板(11)上に形成された透明導電膜(12)上に所定のパターンで形成されている。 The electrode (2) has a transparent substrate for electrode (11) and a transparent conductive film (12), and the counter electrode (3) has a transparent substrate for counter electrode (31) and a transparent conductive film (32). The photocatalytic film (4) is a titanium oxide film (34) carrying a photosensitizing dye (33), and the titanium oxide film (34) is a transparent conductive film (11) formed on a transparent substrate (11). 12) It is formed in a predetermined pattern on the top.
図１において、電極(2)および対極(3)は、それぞれ複数（図示は３つ）に分割されて、複数の光電変換素子(1)が形成されている。各光電変換素子(1)は、その左側において、上端部によって対極(3)の透明導電膜(32)を仕切っており、下端面が電極(2)の透明導電膜(12)に当接し、極間電極(37)を保護するための極間電極保護用シール材(35)でシールされており、その右側において、下端部によって電極(2)の透明導電膜(12)を仕切っており、上端面が対極(3)の透明導電膜(32)に当接し、極間電極(37)を保護するための極間電極保護用シール材(36)でシールされている。左右に隣り合うシール材(35)(36)の間には、間隙が形成されており、ここに極間電極(37)が配置されている。極間電極(37)は、その上端面が対極(3)の透明導電膜(32)に当接し、その下端面が電極(2)の透明導電膜(12)に当接している。こうして、電極(2)の透明導電膜(12)→光触媒膜(4)→電解質層(5)→対極(3)の透明導電膜(32)→極間電極(37)→電極(2)の透明導電膜(12)→……という順で、左右に隣り合う光電変換素子(1)が直列接続されている。 In FIG. 1, the electrode (2) and the counter electrode (3) are each divided into a plurality (three in the drawing) to form a plurality of photoelectric conversion elements (1). Each photoelectric conversion element (1), on the left side, partitions the transparent conductive film (32) of the counter electrode (3) by the upper end portion, and the lower end surface contacts the transparent conductive film (12) of the electrode (2), Sealed with an electrode protection seal material (35) for protecting the electrode (37), and on the right side, the transparent conductive film (12) of the electrode (2) is partitioned by the lower end, The upper end surface is in contact with the transparent conductive film (32) of the counter electrode (3) and is sealed with an electrode protection seal material (36) for protecting the electrode (37). A gap is formed between the seal materials (35) and (36) adjacent to the left and right, and the electrode (37) is disposed between them. The interelectrode (37) has an upper end surface in contact with the transparent conductive film (32) of the counter electrode (3) and a lower end surface thereof in contact with the transparent conductive film (12) of the electrode (2). Thus, the transparent conductive film (12) of the electrode (2) → the photocatalytic film (4) → the electrolyte layer (5) → the transparent conductive film (32) of the counter electrode (3) → the electrode between the electrodes (37) → the electrode (2) The photoelectric conversion elements (1) adjacent to the left and right are connected in series in the order of the transparent conductive film (12) →.
１．電極の製造
(i)まず、例えばＰＥＮフィルムからなる透明基板(11)上に透明導電膜(12)を形成する。透明基板(11)上への透明導電膜の形成方法はスパッタリング法など各種の蒸着法が使用できる。透明導電膜(12)としては、導電性と光の透過性に優れるＩＴＯが好ましいが、その他ＦＴＯ、ＺｎＯなどでもよく、特に限定されるものではない。透明基板(11)上の透明導電膜(12)の形成については、市販のＰＥＮ−ＩＴＯフィルムなども用いることができる。
1. Electrode manufacturing
(i) First, a transparent conductive film (12) is formed on a transparent substrate (11) made of, for example, a PEN film. As a method for forming the transparent conductive film on the transparent substrate (11), various vapor deposition methods such as a sputtering method can be used. As the transparent conductive film (12), ITO excellent in conductivity and light transmittance is preferable, but FTO, ZnO or the like may be used, and is not particularly limited. A commercially available PEN-ITO film or the like can be used for forming the transparent conductive film (12) on the transparent substrate (11).
(ii)次いで、透明導電膜(12)上に酸化チタン（ＴｉＯ２）膜(34)を形成する。 (ii) Next, a titanium oxide (TiO 2 ) film (34) is formed on the transparent conductive film (12).
図２および図３に、酸化チタン膜(34)の形成方法の１実施形態を模式的に示す。同図において、酸化チタン膜の形成方法は、スキージ法により酸化チタン膜(34)を形成するもので、導電性スキージ(21)が正極、電極(2)が負極となるように直流電源(22)によって電圧を印加し、この状態で、アルコール溶液中に分散した粒径２０〜６０μｍの酸化チタンナノ粒子のペースト状混合溶液(23)を電極(2)に塗布するものである。導電性スキージ(21)の両端には、絶縁部(21a)が設けられており、酸化チタンナノ粒子の混合溶液(23)の厚みは、電極(2)両縁に配置されて導電性スキージ(21)を受けているスペーサ(24)の高さによって調整されている。両極間には、５００Ｖ／ｃｍ〜１２００Ｖ／ｃｍの電界を生じさせる電圧が印加されている。 2 and 3 schematically show an embodiment of a method for forming a titanium oxide film (34). In this figure, the titanium oxide film is formed by forming a titanium oxide film (34) by a squeegee method, and a direct current power source (22) so that the conductive squeegee (21) is a positive electrode and the electrode (2) is a negative electrode. In this state, a paste-like mixed solution (23) of titanium oxide nanoparticles having a particle diameter of 20 to 60 μm dispersed in an alcohol solution is applied to the electrode (2). Insulating portions (21a) are provided at both ends of the conductive squeegee (21), and the thickness of the mixed solution (23) of the titanium oxide nanoparticles is arranged on both edges of the electrode (2). ) Is adjusted by the height of the spacer (24) receiving. A voltage that generates an electric field of 500 V / cm to 1200 V / cm is applied between the two electrodes.
上記において、アルコール溶液は、酸化チタンナノ粒子が１０〜３０％入っているものであれば特に制限されるものではないが、例として、酸化チタンナノ粒子に低級アルコールや水を加えたものや、蒸留水または酸性溶液やポリエチレングリコールを加えたものなどを用いることができる。また、粒径２０〜６０μｍの酸化チタンナノ粒子以外に粒径１００μｍの光散乱用酸化チタン粒子を加えてもよい。 In the above, the alcohol solution is not particularly limited as long as it contains 10 to 30% of titanium oxide nanoparticles, but as an example, a solution obtained by adding lower alcohol or water to titanium oxide nanoparticles, or distilled water. Alternatively, an acidic solution or a solution added with polyethylene glycol can be used. In addition to titanium oxide nanoparticles having a particle size of 20 to 60 μm, light scattering titanium oxide particles having a particle size of 100 μm may be added.
酸化チタン膜は、この後、１５０℃以下の熱処理が加えられることでネッキングが向上させられる。 Thereafter, the necking of the titanium oxide film is improved by performing a heat treatment at 150 ° C. or lower.
なお、混合溶液(23)を塗布するに際しては、スキージ法に代えて、ドクターブレード法などによってもよい。 When applying the mixed solution (23), a doctor blade method or the like may be used instead of the squeegee method.
図４に、酸化チタン膜(34)の形成方法の他の実施形態を模式的に示す。同図において、酸化チタン膜の形成装置は、導電性基体としての電極(2)を移動させる搬送装置としてのロール(25)と、水または有機溶剤を含む溶液中に酸化チタン粒子を分散させたペースト状混合溶液(23)を電極(2)上に供給する供給装置としてのスリットダイ(26)と、スリットダイ(26)が負極となる電界を印加する直流電源(22)とを備えている。 FIG. 4 schematically shows another embodiment of the method for forming the titanium oxide film (34). In the figure, the titanium oxide film forming apparatus disperses titanium oxide particles in a solution containing water or an organic solvent and a roll (25) as a transport device for moving the electrode (2) as a conductive substrate. A slit die (26) as a supply device for supplying the paste-like mixed solution (23) onto the electrode (2), and a direct current power source (22) for applying an electric field that makes the slit die (26) a negative electrode. .
混合溶液(23)は、スリットダイ(26)によって所定の厚みとなるように供給されており、このスリットダイ(26)が正極、電極(2)を供給するロール(25)が負極とされている。両極(25)(26)間には、直流電源(22)によって、５００Ｖ／ｃｍ〜１２００Ｖ／ｃｍの電界を生じさせる電圧が印加されており、この状態で、混合溶液(23)が電極(2)上に塗布される。電極(2)は、ロール(25)によって連続的に供給され、これにより、酸化チタン膜が連続的に生産される。電極(2)は、透明基板(11)上に透明導電膜(12)を形成したものであり、透明導電膜(12)は、酸化チタン膜(34)の形成時に条件によっては還元される可能性があるが、この方法においては、透明導電膜(12)に直接電圧を印加していないことから、透明導電膜(12)の還元が防止される。 The mixed solution (23) is supplied by the slit die (26) so as to have a predetermined thickness, and the slit die (26) is a positive electrode, and the roll (25) for supplying the electrode (2) is a negative electrode. Yes. A voltage that generates an electric field of 500 V / cm to 1200 V / cm is applied between the electrodes (25) and (26) by a DC power source (22). In this state, the mixed solution (23) is applied to the electrodes (2 ) Is applied on top. The electrode (2) is continuously supplied by the roll (25), whereby a titanium oxide film is continuously produced. The electrode (2) is obtained by forming a transparent conductive film (12) on a transparent substrate (11), and the transparent conductive film (12) can be reduced depending on conditions when the titanium oxide film (34) is formed. However, in this method, since no voltage is directly applied to the transparent conductive film (12), reduction of the transparent conductive film (12) is prevented.
なお、酸化チタン粒子を含む混合溶液(23)は、加熱する必要がないため、スリットダイ(26)内部にはヒータは必要ない。また、スリットダイ(26)は、これと同等の機能を有しているマニホールドダイ、テーパマニホールドダイ、コートハンガダイ、フィッシュテイルダイ、スクリュダイなど、薄膜を製作可能な他のダイに置き換えることができる。 Note that the mixed solution (23) containing the titanium oxide particles does not need to be heated, so no heater is required inside the slit die (26). In addition, the slit die (26) can be replaced with another die capable of producing a thin film, such as a manifold die, a taper manifold die, a coat hanger die, a fishtail die, and a screw die having the same function. .
(iv)この後、酸化チタン膜(34)に光増感色素(33)を担持させることで、光触媒膜(4)が形成された電極(2)が得られる。 (iv) Thereafter, the photosensitizing dye (33) is supported on the titanium oxide film (34), whereby the electrode (2) on which the photocatalytic film (4) is formed is obtained.
なお、光触媒膜(4)は、さらにカーボンナノチューブ粒子を含むようにしてもよい。この場合、光触媒(34)は平均粒子径が約２０ｎｍであることが好ましく、カーボンナノチューブ粒子は、マルチウオールナノチューブ群（ＭＷＮＴ）の長さ1μｍの粒子(ＭＷＮＴをアルコールに分散し、超音波洗浄器で微粉化し、濾過器で1μｍ以下のＭＷＮＴを取り出したもの)とされる。ＭＷＮＴ以外に、シングルウオールナノチューブ群（ＳＷＮＴ）やダブルウオールナノチューブ群（ＤＷＮＴ）を用いても良い。このようにすると、カーボンナノチューブ粒子により、電子の移動がよりスムーズになり、発電効率の向上につながる。 The photocatalytic film (4) may further contain carbon nanotube particles. In this case, it is preferable that the photocatalyst (34) has an average particle diameter of about 20 nm, and the carbon nanotube particles are particles having a length of 1 μm of the multiwall nanotube group (MWNT) (MWNT is dispersed in alcohol, and an ultrasonic cleaner And MWNT of 1 μm or less is taken out with a filter). In addition to MWNT, a single wall nanotube group (SWNT) or a double wall nanotube group (DWNT) may be used. If it does in this way, movement of an electron will become smoother by carbon nanotube particles, and it will lead to improvement in power generation efficiency.
２．対極の製造
対極(3)は、対極用透明基板(31)上に、導電性酸化チタンを含む透明導電膜(32)を形成したものとされる。なお、対極(3)は、白金、アルミニウム、銅、スズなどの金属のシートとしてもよく、金属（白金、アルミニウム、銅、スズなど）またはカーボン製などのメッシュ状電極にゲル状固体電解質を保持させたものでもよく、導電性接着剤層を介してカーボンナノチューブを転写したものであってもよい。
2. Production of counter electrode The counter electrode (3) is formed by forming a transparent conductive film (32) containing conductive titanium oxide on a transparent substrate (31) for a counter electrode. The counter electrode (3) may be a sheet of metal such as platinum, aluminum, copper or tin, and the gel-like solid electrolyte is held on a mesh electrode made of metal (platinum, aluminum, copper or tin) or carbon. The carbon nanotube may be transferred through a conductive adhesive layer.
３．素子の組み立て
光電変換素子の組立てに際しては、１．で作成した光触媒膜(4)を含む電極(2)と２．で作成した対極(3)とが位置合わせされて、両極(2)(3)間が熱融着フィルムなどの極間電極保護用シール材(35)(36)で密封される。次いで、対極(3)または電極(2)などに予め設けておいた孔や隙間から電解質層(5)を構成する電解液が注入され、これにより、光触媒膜(4)および電解質層(5)が透明電極(2)と対極(3)との間に配されて、光電変換素子(1)が得られる。
3. Assembling the element When assembling the photoelectric conversion element, 1. The electrode (2) including the photocatalyst film (4) prepared in 1. The counter electrode (3) created in step (1) is aligned, and the electrodes (2) and (3) are sealed with a sealing material (35) (36) for electrode protection such as a heat-sealing film. Next, the electrolyte solution constituting the electrolyte layer (5) is injected from the holes or gaps provided in advance in the counter electrode (3) or the electrode (2), etc., whereby the photocatalyst film (4) and the electrolyte layer (5) Is arranged between the transparent electrode (2) and the counter electrode (3) to obtain the photoelectric conversion element (1).
上記のように、直流電圧を印加した状態で、酸化チタン粒子を分散させた混合溶液(23)を塗布し、さらに１５０℃以下の熱処理を加えてネッキングを向上させた酸化チタン膜(34)を用いて、白金対極(3)を使用した色素径φ６ｍｍの色素増感太陽電池を作製し、基準太陽光（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２）のもとで性能を評価したところ、η＝５〜６％の発電効率が得られた。ここで、直流電圧の印加および１５０℃以下の熱処理を行わない場合には、発電効率η＝４％であった。 As described above, a titanium oxide film (34) in which necking is improved by applying a mixed solution (23) in which titanium oxide particles are dispersed in a state where a DC voltage is applied and further applying a heat treatment at 150 ° C. or lower. Using a platinum counter electrode (3), a dye-sensitized solar cell having a dye diameter of φ6 mm was prepared, and its performance was evaluated under standard sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ). Η = 5 A power generation efficiency of ˜6% was obtained. Here, when no DC voltage was applied and no heat treatment at 150 ° C. or lower was performed, the power generation efficiency η was 4%.
なお、直流電源(22)の電圧を変化させて両極間に生じる電界の大きさを変化させ、種々の色素増感太陽電池を作製したところ、電界が５００Ｖ／ｃｍ未満の場合は、発電効率が５％未満と低く、電界が５００Ｖ／ｃｍ以上では、発電効率が５％以上の色素増感太陽電池が得られた。また、電界をこれより大きくしていくと、色素増感太陽電池の発電効率は徐々に増加する傾向にあるが、電界が１２００Ｖ／ｃｍを超えると、色素増感太陽電池の発電効率の増加は見られなかった。 In addition, when the voltage of the DC power source (22) was changed to change the magnitude of the electric field generated between the two electrodes, and various dye-sensitized solar cells were produced, when the electric field was less than 500 V / cm, the power generation efficiency was When the electric field was 500 V / cm or more, a dye-sensitized solar cell having a power generation efficiency of 5% or more was obtained at a low value of less than 5%. In addition, when the electric field is increased, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell tends to increase gradually. However, when the electric field exceeds 1200 V / cm, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell increases. I couldn't see it.
また、ＦＴＯガラスを使用して同様に酸化チタン膜(24)を形成し、これを５５０℃程度の炉に入れて焼成した後、白金対極を使用した色素径φ６ｍｍの色素増感太陽電池を作製し、基準太陽光（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２）のもとで性能を評価したところ、η＝７〜８％の発電効率が得られた。ここで、直流電圧の印加および１５０℃以下の熱処理を行わない場合には、発電効率η＝５〜６％であった。 Similarly, after forming a titanium oxide film (24) using FTO glass and placing it in a furnace at about 550 ° C. and baking it, a dye-sensitized solar cell having a dye diameter of φ6 mm using a platinum counter electrode is produced. When the performance was evaluated under reference sunlight (AM1.5, 100 mW / cm 2 ), power generation efficiency of η = 7-8% was obtained. Here, when the application of the DC voltage and the heat treatment at 150 ° C. or lower were not performed, the power generation efficiency η = 5 to 6%.
また、酸化チタン膜(24)の成膜前後で電極(2)の表面抵抗値を測定した結果、透明導電膜(12)が還元されていないことも確認できた。 Further, as a result of measuring the surface resistance value of the electrode (2) before and after the formation of the titanium oxide film (24), it was confirmed that the transparent conductive film (12) was not reduced.
(1) 光電変換素子
(2) 電極（導電性基体）
(3) 対極
(4) 光触媒膜
(5) 電解質層
(11) 透明基板
(12) 透明導電膜
(22) 直流電源
(23) 混合溶液
(25) ロール（搬送装置）
(26) スリットダイ（供給装置）
(33) 光増感色素
(34) 酸化チタン膜
(1) Photoelectric conversion element
(2) Electrode (conductive substrate)
(3) Counter electrode
(4) Photocatalytic film
(5) Electrolyte layer
(11) Transparent substrate
(12) Transparent conductive film
(22) DC power supply
(23) Mixed solution
(25) Roll (conveying device)
(26) Slit die (feeding device)
(33) Photosensitizing dye
(34) Titanium oxide film
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