JP2014175175A - 電極基板、電極基板を用いた電池、および電極基板の製造方法 - Google Patents
電極基板、電極基板を用いた電池、および電極基板の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 電極基板1は、基板20とアルコキシシラン化合物により修飾された修飾金属ナノ粒子10とから構成される。また、電極基板1は、基板20を修飾金属ナノ粒子10の溶液に常温で一定時間浸漬することにより、形成される。つまり、従来技術の蒸着法のように高額な装置を必要とせず、高温処理も必要としない。また、電極基板1に用いる金属の使用量は、従来よりも削減されると共に、従来の電極基板と同じ発電効率を維持することができる。よって、性能を維持したままコストダウンが可能となる。さらに、金属の使用量が削減されることで、電極基板のシースルー化が可能となり、電極基板両面における発電が可能となる。
【選択図】図1
Description
図1は、実施形態にかかる電極基板1を説明するための図である。
図2は、有機分子110を例示する図である。
図1(A)に例示するように、本実施形態にかかる電極基板1は、修飾金属ナノ粒子10と基板20とから形成される。より具体的には、修飾金属ナノ粒子10は、金属ナノ粒子100と、基板20上に金属ナノ粒子100を接着させる有機分子110とから構成される。
基板20は、透明、または半透明の部材で構成されており、透光性を有する。具体的には、基板20は、ガラス等の酸化物またはITO等の透明電極である。
金属ナノ粒子100は、例えば、粒径4nm以下である。具体的には、金属ナノ粒子100は、白金、銀、銅、パラジウム、または金のナノ粒子である。
有機分子110は、一般式 HS(CH2)nSi(OCH3)3 (nは整数)で示されるアルコキシシラン化合物である。さらに、有機分子110は、金属ナノ粒子100を取り囲むように結合しており、図1(B)に例示するように、酸化物と結合する酸化物結合部位112と、金属と親和性を持つ金属粒子結合部位114とを有する有機化合物である。酸化物結合部位112は、例えば、シラノール基である。また、金属粒子結合部位114は、チオール基である。より具体的には、有機分子110は、図2に例示するように、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシシラン、又は、(3−メルカプトプロピル)トリエトキシシランなどである。
図1(C)に例示するように、この有機分子110の金属粒子結合部位114が、金属ナノ粒子100の表面に結合して、修飾金属ナノ粒子10が構成される。修飾金属ナノ粒子10の外表面には、酸化物結合部位112が多数配列され、これによって、酸化物の接着が達成される。本例では、基板20上に接着された金属ナノ粒子100は、15.0×10−9mol/cm2以下であり、好ましくは、9.0×10−9mol/cm2以下である。
以下、修飾金属ナノ粒子10の金属が白金であるものを修飾白金ナノ粒子、および修飾金属ナノ粒子の金属が銀であるものを修飾銀ナノ粒子とする。
金属ナノ粒子は、Hitachi H-7650電子顕微鏡を用いて観察し、平均粒径及びサイズ分布を算出した。
図5は、電極基板1を用いた色素増感太陽電池を例示する図である。
図5(A)及び図5(B)に例示するように、PET及び透明電極からなる基材に、酸化チタン膜を形成して色素吸着酸化チタン膜とし、さらに、電解質、対向電極である電極基板1の各層を形成することにより、色素増感型太陽電池が作成される。色素増感太陽電池における電解質は、正極からの電子を受け取り、酸化状態の色素を還元する役割を果たすため、拡散速度が速く、酸化還元電位の低いものが適しており、ヨウ素を用いた電解質が使用されることが多い。しかし、ヨウ素は部材を腐食する虞があるため、ヨウ素に対して安定性が高い白金を電極基板1(対向電極)に用いることが望ましい。本例では、電極基板1を用いた色素増感太陽電池を例示しているが、電極基板1は、水素発生等が可能であるため、燃料電池にも応用することができる。
図6は、修飾金属ナノ粒子10の接着方法を説明するための図である。
図6(A)に例示するように、従来技術では、基板20に蒸着装置を使用し、高温処理により真空中で金属を蒸発させ、基板20に金属の膜を形成し、電極基板が形成される。(蒸着法)
一方で、図6(B)に例示するように、本発明では、基板20を修飾金属ナノ粒子10の溶液に常温(5℃〜35℃)で一定時間浸漬することにより、基板20に修飾金属ナノ粒子10が接着された電極基板1が形成される。基板20を修飾金属ナノ粒子10の溶液に浸漬する時間は、120分以下であり、好適には90分〜120分である。つまり、本発明では、従来のように高額な蒸着装置は必要なく、高温処理も必要ではないためコストが軽減され、従来例(3時間以上)と比較して短時間の処理で実現される。以下、本例における従来技術とは蒸着法またはスパッタ法を示す。
図7(A)は、白金を用いた電極基板1とFTOとの透光性を示すグラフである。
FTOは、太陽電池に用いられ、透明導電性がある膜であり、フッ素をドープした酸化スズである。図7に例示するように、白金を用いた電極基板1とFTOとの透光性を表すグラフの形は、略等しくなる。つまり、修飾白金ナノ粒子を接着させて形成された電極基板1は、透明電極と略同等の透光性を維持することが確認できた。
図7(B)は、電極基板1と従来技術による電極基板との白金の使用量を示す表であり、図7(C)は、従来技術による電極基板と電極基板1の光透過性を表す図である。
図7(B)に例示するように、白金の使用量を比較した場合、従来技術における白金の使用量は、160μg/cm2であるのに対し、本発明における白金の使用量は、1.8μg/cm2となり、本発明では、白金の使用量を従来技術の約1/90に抑えることができる。また、従来技術の蒸着法では白金の使用量が多いため、金属の膜厚が厚く、光透過性は低かったが、本発明における電極基板1の製造方法による白金の使用量であれば、基板20の光透過性と略同等の光透過性を維持することが可能である。したがって、形成される電極基板1は、図7(C)に例示するように、シースルー化することができる。これにより、電極基板1の両面からの光(例えば、太陽光と室内光)を利用した発電が可能となる。
図8(A)は、修飾白金ナノ粒子を接着させて形成された電極基板1と、従来技術により白金を蒸着した電極基板とのヨウ素液中におけるサイクリックボルタモグラフである。
図8(A)に例示するように、両者のグラフの形が略等しくなることから、放充電した際、電極基板1は、従来技術による電極基板と同じヨウ素との反応性を維持することが確認できた。
また、図8(B)は、白金を用いた電極基板1と、従来技術により白金を蒸着した電極基板とのナイキスト線図である。
図8(B)で得られた結果に基づいて両者の抵抗値を算出した結果、白金を用いた電極基板1は、24.6Ωであり、従来技術により白金を蒸着した電極基板は、24.9Ωであった。したがって、電極基板1は、従来技術による電極基板と略同等の抵抗値であることが確認できた。
図9(A)は、白金を用いた電極基板1と従来技術により白金を蒸着して形成された電極基板との電流電圧特性曲線であり、両者のグラフの形が略等しくなることが確認できた。また、得られた結果に基づいて両者の発電効率を算出した結果が図9(B)の表である。両者の発電効率を比較した場合、蒸着法により形成された電極基板の発電効率は、8.55%であるのに対して、本発明の電極基板1の発電効率は、8.28%となり、略同等の発電効率であることが確認できた。したがって、図8、図9より本発明の電極基板1は、従来技術により形成された電極基板と同等の性能を維持することが確認できた。
以下、上記実施形態の実施例を説明する。
修飾白金ナノ粒子は、エタノール溶媒中で修飾材である(3-メルカプトプロピル)トリエトキシシラン溶液0.6ml(4.16mM)にヘキサクロロ白金酸六水和物溶液を9.5ml加え、溶液に20mMの還元剤である水酸化ホウ素ナトリウム溶液を2ml添加し、30分間超音波器で超音波をかけて作成した。
また、修飾銀ナノ粒子は、エタノール溶媒中で修飾材である(3-メルカプトプロピル)トリエトキシシラン溶液0.3ml(4.16mM)に硝酸銀溶液(2.5mM)を0.5ml加えた。溶液を60℃で攪拌しながら20mMの還元剤である水酸化ホウ素ナトリウム溶液を0.2ml添加し、30分攪拌して作成した。
また、修飾金ナノ粒子を調整する場合も修飾銀ナノ粒子と同様に、エタノール溶媒中で修飾材と還元剤とを加え、作成できる。
白金、銀、銅、パラジウム、または金のいずれの金属を用いる場合も、修飾部/金属は、0.01〜0.1となるように、また、還元剤/金属は、2〜10となるように調整する。
10…修飾金属ナノ粒子
20…基板
100…金属ナノ粒子
110…有機分子
112…酸化物結合部位
114…金属ナノ粒子結合部位
Claims (6)
- 基板と、
金属ナノ粒子と、
前記基板上に金属ナノ粒子を接着させるアルコキシシラン化合物と
を有する電極基板。 - 前記基板は、透明または半透明の部材で構成されており、透光性を有する
請求項1に記載の電極基板。 - 前記金属ナノ粒子とアルコキシシラン化合物が含まれた溶液に、前記基板を、5℃〜35℃で浸漬させてなる
請求項1に記載の電極基板。 - 前記金属ナノ粒子は、白金ナノ粒子であり、色素増感太陽電池に用いる
請求項1に記載の電極基板。 - 基板と、金属ナノ粒子と、前記基板上に金属ナノ粒子を接着させるアルコキシシラン化合物とを有する電極基板
を備えた電池。 - アルコキシシラン化合物と、金属ナノ粒子との混合溶液に基板を浸漬させる浸漬工程
を有する電極基板の製造方法。
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