JP4640322B2 - 光電変換素子及びその製造方法、並びに電気化学セルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、主に電気化学セルや光電変換素子、及びその製造方法に関する。詳細には、本発明は、ソフトコンタクト印刷によって規定された表面エネルギーパターンを用いた色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）用の画素配列構造の製造に関する。
色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）は、光電変換素子あるいは電気化学セルとして機能する。米国特許第４，９２７，７２１号（名称：「光電気化学セル」、Ｍ．Ｇｒａｔｚｅｌら）に、典型的なＤＳＳＣについての開示がある。図１に示すように、典型的なＤＳＳＣ１０は、基板１と、第１の透明電極２と、金属酸化層３と、機能染料層４と、電解質層５と、第２の電極６と、第２の基板７とを含む。
ＤＳＳＣ１０は、可視光線の直接吸収により、電荷を生成する。大半の金属酸化物は、主に電磁スペクトルの紫外領域中で光を吸収するため、機能染料４は、金属酸化層３の表面上に吸収され、そのため、金属酸化層３の光吸収範囲が、可視光線領域中に伸びる。
金属酸化層３が吸収できる光量を増量するためには、金属酸化層３の少なくとも一部を多孔性にすることで、金属酸化層３の表面積を増加させる。このように表面積を増加させることで、支持可能な機能染料４の量を増加することができ、その結果、光吸収量が増加し、ＤＳＳＣのエネルギー変換効率を１０％よりも高く改善することができる。
金属酸化層を微小な高密度画素の配列として製造することにより、当業者に公知のＤＳＳＣデバイスを改善することができる。これらの画素を配列として製造および間隔空けするためには、マイクロエンボス加工、ナノインプリンティングおよびソフトコンタクトプリンティング等のデバイス製造技術は、大量生産パターニング技術のための主要技術となっているため、これらの技術を用いることができる。
しかしながらこれらの技術の場合、基板上での高解像度パターニングが可能となるものの、基板上で正確に規定された構造とのツールアラインメントが困難になる。面積の大きなフレキシブル基板の場合、反り、熱膨張または基板収縮の発生に起因して、アラインメントを正確にするのは特に困難になる。さらに、ロールツーロール製造技術の場合、転送時に基板に付加することが必要な張力に起因する不均一な歪みにより、アラインメントがさらに困難になる可能性がある。
よって、ＤＳＳＣの大量生産の実現を阻む１つの制約として、良好なアラインメントを提供する高解像度パターニング技術の不在が有る。
よって、本発明は、従来技術と関連する上記問題を回避するかまたは少なくとも軽減する、低コストで大量生産が可能なパターニング技術を提供する。事前パターニングされた基板は、当該デバイスのコンポーネントを後続のインクジェット印刷によって構築しつつ、解像度を効果的に規定する。
本発明の一態様の光電変換素子の製造方法は、第１の導電性の層を基板の上に堆積させる工程と、ソフトコンタクトプリンティングを行って、疎水性のパターン化テンプレート層を親水性の前記第１の導電性の層の上に形成して、相互に間隔を空けて配列された複数のセルを前記第１の導電性の層の上に形成する工程と、前記複数のセルの上に金属酸化物粒子分散液をインクジェット印刷して、パターニングされた金属酸化層を形成する工程と、を含む。
また、本発明の第１の態様によれば、色素増感太陽電池の製造においてパターン構造を製造する方法が提供される。この方法は、第１の導電性の層を基板上に堆積させる工程と、ソフトコンタクトプリンティングを行って、パターン化テンプレート層を前記第１の導電性の層上に形成して、これにより、相互に間隔を空けて配列された隣接セルのパターン配列を前記第１の導電性の層上に形成する工程と、前記隣接セルのパターン配列中の複数のセル上に金属酸化物粒子分散液をインクジェット印刷して、パターニングされた金属酸化層を形成する工程と、を含む。
また、本発明の第１の態様によれば、色素増感太陽電池の製造においてパターン構造を製造する方法が提供される。この方法は、第１の導電性の層を基板上に堆積させる工程と、ソフトコンタクトプリンティングを行って、パターン化テンプレート層を前記第１の導電性の層上に形成して、これにより、相互に間隔を空けて配列された隣接セルのパターン配列を前記第１の導電性の層上に形成する工程と、前記隣接セルのパターン配列中の複数のセル上に金属酸化物粒子分散液をインクジェット印刷して、パターニングされた金属酸化層を形成する工程と、を含む。
本発明の第２の態様によれば、色素増感太陽電池の製造においてパターン構造を製造する方法が提供される。この方法は、第１の導電性の層を基板上に堆積させる工程と、前記第１の導電性の層上に金属酸化層を堆積させる工程と、ソフトコンタクトプリンティングにより、パターン化テンプレート層を前記金属酸化層上に形成して、これにより、相互に間隔を空けて配列された隣接セルのパターン配列を前記金属酸化層上に形成する工程と、前記隣接セルのパターン配列中の複数のセル上に機能染料をインクジェット印刷する工程と、を含む。
本発明の一の態様において、前記隣接セルは、実質的に０．２μｍ〜２０μｍの最大間隔で相互に間隔空けされて配置される。別の態様において、前記隣接セルのパターン配列は、グリッド状である。別の態様において、前記隣接セルは、実質的に方形、矩形、円形または六角形の形状にされる。別の実施形態において、前記金属酸化物粒子分散液は、二酸化チタンコロイド懸濁液を含む。さらなる態様において、上述した方法に従って製造された色素増感太陽電池が提供される。
また、本発明の一態様の光電変換素子の製造方法は、スタンプの上に疎水性材料を配置する工程と、前記疎水性材料を親水性の導電性材料に接触させ、前記導電性材料の上に前記疎水性材料のパターンを形成する工程と、金属酸化物粒子分散液を前記疎水性材料のパターンが形成された前記導電性材料の上にインクジェット印刷する工程と、を含む。また、本発明の一態様の電気化学セルの製造方法も同様の工程を含む。
また、本発明の一態様の光電変換素子の製造方法は、スタンプの上に疎水性材料を配置する工程と、前記疎水性材料を親水性の導電性材料に接触させ、前記導電性材料の上に前記疎水性材料のパターンを形成する工程と、金属酸化物粒子分散液を前記疎水性材料のパターンが形成された前記導電性材料の上にインクジェット印刷する工程と、を含む。また、本発明の一態様の電気化学セルの製造方法も同様の工程を含む。
本発明は、従来技術と関連する上記問題を回避するかまたは少なくとも軽減する、低コストで大量生産が可能なパターニング技術を提供する。事前パターニングされた基板は、当該デバイスのコンポーネントを後続のインクジェット印刷によって構築しつつ、解像度を効果的に規定する。
ここで、さらなる例示目的のみのために、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
以下の記載において、類似の参照符号は、類似の構成要素を特定する。
図２は、画素セル２８の配列を有する色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）の一部を示す。このＤＳＳＣは、導電性の第１の電極層２２が表面上に堆積された基板ウェーハ２０を含む。画素配列構造２８は、第１の電極層２２上に形成されたバンク構造２４を経由して形成され、その後、金属酸化層２６が付加される。その後、各画素セル２８中に金属酸化物２６をインクジェット印刷することにより、パターニングされた金属酸化層２６を形成して、バンク２４によって包囲された微小な高密度画素セル２８の配列を形成し、これにより、バンク構造２４を埋める金属酸化物が無いようにする。最後に、金属酸化層２６上に機能染料層を形成する。
ここで、画素配列構造などの形成の本発明の好適な実施形態について説明する。
本発明の第１の実施形態による画素配列構造の製造方法は、ソフトコンタクトプリンティング方法を含み、この方法を図３中に示す。基板１００（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）でコートされたガラスまたはＩＴＯでコートされたポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ））にＯ2プラズマ処理を施し、これにより、基板表面を高親水性にする。疎水性材料（例えば、１Ｈ、１Ｈ、２Ｈ、２Ｈ−ペルフルオロデシル−トリクロロシラン溶液（ヘキサン中の約０．０１モル））でインク付けされた事前構造化ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）スタンプ１０２を、基板１００としっかりと接触させる。基板１００の表面分子との強固な結合により、疎水性材料の自己組織化単分子（ＳＡＭ）パターンが形成される。このようにして、疎水性材料の表面エネルギーパターン１０４が、基板１００の表面上に形成される。この表面エネルギーパターンは、それぞれが疎水性ＳＡＭによって結合された画素セル１０６の配列を形成する。
二酸化チタン（ＴｉＯ2）コロイド懸濁液を基板１００の表面上にインクジェット印刷し、画素セル１０６の配列内を標的とする。溶液１０８は、疎水性パターン１０４によって境界付けされた親水性領域において、画素セル１０６の配列内に残留する。この種の疎水性ＳＡＭは、１８０℃を上回る高温プロセスにより、損傷を受け得る。そのため、疎水性ＳＡＭバンク内部の機能染料インクジェットプロセスを考慮するために、ＴｉＯ2の熱処理を１８０℃未満で行うのが好ましい。この実施形態において、１２０℃でのアニーリングが用いられる。しかし、他の代替方法（例えば、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）などを用いた重合架橋剤プロセスおよび２００ｋｇ／ｃｍ2を上回る圧力における圧縮プロセス）を用いてもよい。さらに、インクジェットプロセスを用いることにより、機能染料層を製造する。機能染料層を形成後、ＴｉＯ2層およびレドックス電解質（例えば、当業者に公知のようなアセトニトリル中のヨードおよびヨードカリウムの混合物）から２０μｍの距離を空けて対極を設けることにより、ＤＳＳＣ（図３では不図示）を完成させる。
また、ソフトコンタクトプリンティングを用いて、連続的金属酸化層上に表面エネルギーパターンを作成することもできる。第１の実施形態と同一種類のスタンプおよびＳＡＭ材料を用いることにより、連続的金属酸化層上に親液性／疎液性パターンを作製することができる。よって、連続的金属酸化層上に複数の機能染料パターンを別個に堆積させることができる。この疎液性パターンにより、隣接セルからの液滴による汚染が回避され、本実施形態は、高密度の画素セルを実現する。
上記記載は、あくまで例示目的のためのものであり、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、改変が可能であることを理解する。本発明の範囲の範囲内であると思われる他の実施形態を以下に挙げる。
（１）別の基板表面処理を挙げると、Ｏ2プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外オゾン処理、化学反応、コーティングおよび真空蒸着がある。
（２）ＳＡＭ用途の別の材料を挙げると、使用基板に応じて、尾部基を含む材料（例えば、フルオロ−、ＣＨ3（ＣＨ2）ｒ、−、ＮＨ2−、−ＯＨ、−ＣＯＯＨ）と、頭部基（例えば、シラン、チオール）がある。
（３）スタンプ（ｓｔｕｍｐ）１０２は、ＰＤＭＳまたは他の何らかのポリマー（例えば、ＶＤＴ−７３１（ビニメチルシロキサン−ジメチルシロキサントリメチルシロキシ終端の混合物）およびＨＭＳ−３０１（メチルハイドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー））により、構成可能である。
（４）この構成が表面上に形成される第１の電極は、上部視認のために光学的に透明である必要は必ずしも無く、金属（例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ）、導電性の酸化物（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2）、導電性のポリマーで構成することもできる。
（５）本発明の第１の実施形態に関連して上述した製造プロセスは、「シートツーシート」プロセスおよび「ロールツーロール」プロセスの両方において用いることができ、基板は、可撓材料でも硬質材料でも構成することができる（例えば、ガラス、ポリ（エチレンナフタレート）、ポリ（エチレンテレフタラート（ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ））、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、およびポリエーテルエーテルケトン）。
（６）二酸化チタン（ＴｉＯ2）コロイド懸濁液およびルテニウム色素水溶液１０８は、塩基水溶液である必要は無く、アルコール溶液を含んでもよい。他の半導体コロイド（例えば、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＷＯ3、ＳｒＴｉＯ3）を用いることもできる。
（７）本発明は、電気化学セル（例えば、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）およびエレクトロクロミック表示デバイス（ＥＣＤ））の製造に適用することができる。典型的なＥＣＤの構造は、図１に示すＤＳＳＣデバイスの構造と同様である。しかし、機能染料層４は、エレクトロクロミック材料層４に代替される。デバイス上に電流または電圧が付加されると、ＥＣＤは、可逆的色変化を生じる。ナノ構造型ＥＣＤは、酸化状態で透明でありかつ低減状態で着色するエレクトロクロミック材料の分子単層を含む。
本発明は、ソフトコンタクト印刷によって規定された表面エネルギーパターンを用いた色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）用の画素配列構造の製造に適用できる。
２２・・・電極層、２８・・・画素セル、２０・・・基板ウェーハ、２４・・・バンク構造、２６・・・金属酸化層。
Claims (16)
- 第１の導電性の層を基板の上に堆積させる工程と、
ソフトコンタクトプリンティングを行って、疎水性のパターン化テンプレート層を親水性の前記第１の導電性の層の上に形成して、相互に間隔を空けて配列された複数のセルを前記第１の導電性の層の上に形成する工程と、
前記複数のセルの上に金属酸化物粒子分散液をインクジェット印刷して、パターニングされた金属酸化層を形成する工程と、
を含む、光電変換素子の製造方法。 - 前記複数のセルは、実質的に０．２μｍ〜２０μｍの最大間隔で相互に間隔空けされて配置される、請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記複数のセルのパターン配列はグリッド状である、請求項１乃至２のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記複数のセルの各々は、実質的に方形、矩形、円形または六角形の形状にされる、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、二酸化チタンコロイド懸濁液を含む、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法により製造された光電変換素子。
- スタンプの上に疎水性材料を配置する工程と、
前記疎水性材料を親水性の導電性材料に接触させ、前記導電性材料の上に前記疎水性材料のパターンを形成する工程と、
金属酸化物粒子分散液を前記疎水性材料のパターンが形成された前記導電性材料の上にインクジェット印刷する工程と、
を含む、光電変換素子の製造方法。 - 前記導電性材料を基体の上に堆積させる工程をさらに含む、請求項７に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記導電性材料の表面を親水性にする工程を含む、請求項７または８に記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記導電性材料の表面を親水性にする工程は、酸素プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外オゾン処理、化学反応、コーティング、および真空蒸着のうちの少なくとも１つを行う工程を含む、請求項７乃至９のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記導電性材料は、金属、導電性の酸化物、および導電性のポリマーのうちの少なくとも１つを含む、請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、酸化チタン、酸化錫、酸化亜鉛、酸化ニオブ、酸化タングステン、及びチタン酸ストロンチウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項７乃至１１のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 機能染料層を形成する工程をさらに含む、請求項７乃至１２のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 対極を設ける工程をさらに含む、請求項７乃至１３のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法。
- 請求項７乃至１４のいずれか１つに記載の光電変換素子の製造方法により製造された光電変換素子。
- スタンプの上に疎水性材料を配置する工程と、
前記疎水性材料を親水性の導電性材料に接触させ、前記導電性材料の上に前記疎水性材料のパターンを形成する工程と、
金属酸化物粒子分散液を前記疎水性材料のパターンが形成された前記導電性材料の上にインクジェット印刷する工程と、
を含む、電気化学セルの製造方法。
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