JP4654443B2 - 太陽エネルギー利用装置の製造方法 - Google Patents
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Description
一般に、屋外に設置された太陽電池の発電効率や太陽熱温水器、温室等の集熱効率が、大気中の粉塵や雨による汚れにより経年劣化することはよく知られている。
一方、フッ化炭素基含有クロロシラン系の吸着剤と非水系の有機溶媒よりなる化学吸着液を用い、液相で化学吸着して単分子膜状の撥水撥油防汚性の化学吸着膜単分子膜を形成できることは、すでによく知られている(例えば、特許文献1参照)。
このような溶液中での化学吸着単分子膜の製造原理は、基材表面のヒドロキシル基などの活性水素とクロロシラン系の吸着剤のクロロシリル基との脱塩酸反応を用いて単分子膜を形成することにある。
なお、本明細書において「金属アルコキシド」は、テトラアルコキシシランを含むものとする。
(A)化学吸着液の調製
フッ化炭素基(−CF3)を有するトリアルコキシシラン誘導体の一例であるCF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH3)399重量部、シラノール縮合触媒の一例であるジブチルスズジアセチルアセトナート1重量部をそれぞれ秤量し、有機溶媒の一例であるヘキサメチルジシロキサン溶媒に、トリアルコキシシラン誘導体の濃度が1重量%程度(好ましい濃度は、0.5〜3%程度)になるように溶解して、化学吸着液を調製した。
透明微粒子の一例である、直径100nm程度(透明度を損なわないためには、微粒子の直径は、可視光波長(380〜700nm)より小さいことが好ましい。具体的には、微粒子の直径は5〜300nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましかった)のシリカ微粒子1(図1(a))(透明であればガラス、アルミナ、ジルコニアの微粒子でもよい)をよく乾燥した後、化学吸着液に混合し、普通の空気中(相対湿度45%)で撹拌しながら1時間程度反応させた。シリカ微粒子1の表面にはヒドロキシル基2が多数含まれているので、トリアルコキシシラン誘導体の−Si(OCH3)3基とヒドロキシル基2が、シラノール縮合触媒の存在下で脱アルコール(この場合は、脱CH3OH)縮合し、シリカ微粒子1の表面全面に亘り、下式(I)に示したような膜厚約1nmのフッ化炭素基を含む単分子膜3が形成される。
熱処理によりシリカ系ガラスを生成する金属アルコキシドの一例であるテトラメトキシシラン(Si(OCH3)4)と、シラノール縮合触媒の一例であるジブチルスズジアセチルアセトナートを、それぞれモル比で99:1となるよう秤量し、有機溶媒の一例であるヘキサメチルジシロキサン溶媒に合計で1重量%程度の濃度(好ましい濃度は、0.5〜3%程度)で溶解することにより調製した溶液(ゾルゲル法により透明被膜を形成することができる市販の金属アルコキシド溶液をアルコールで希釈したものを用いてもよい)中に、撥油性の単分子膜3で被覆されたシリカ微粒子4を1重量%程度分散させて、分散液を調製した。
透明基材の一例であるガラス基材5(図2(a))の表面に、ディップコート法、スピンコート法、スプレー法等の任意の方法により分散液を塗布した後、溶媒を蒸発させると、テトラメトキシシランと空気中の水分との反応による加水分解の結果生じたシラノール基がアルコキシシリル基との間で脱アルコール反応し、最終的に膜厚50nm程度のシリカ系ガラス成分を含む塗膜6が形成される。なお、このとき、撥油性の単分子膜3で被覆されたシリカ微粒子4は、溶媒を「弾く」ため、図2(a)に示すように、シリカ系ガラス成分を含む塗膜6中に埋没することなく表面付近に露出するので、シリカ系ガラス成分を含む塗膜6の表面にアスペスト比の高い凹凸を形成することができた。
次に、表面にナノレベルの凹凸を有するガラス基材7の裏面にスパッタ蒸着法によりITOを蒸着製膜し、ITO透明電極8を形成した。次いでプラズマCVD法を用いて公知の方法でp型アモルファスシリコン層9とn型アモルファスシリコン層10を順に形成し、更にその上に反射膜を兼ねたアルミニウムのバック電極11を蒸着形成して太陽電池層を作製した(図3(a))。ここで、アモルファスシリコンの製膜温度やアルミニウム電極の蒸着温度は、通常450℃(シリカ微粒子1、ガラス基材5及びシリカ系ガラス膜6aの融点よりも低い)以下なので、太陽電池層の作製工程で微粒子を焼結固定したガラス基材7が破壊されることはなかった。
最後に、撥水撥油防汚性のフッ化炭素基を有するトリクロロシラン誘導体(例えばCF3(CF2)7(CH2)2SiCl3)を1重量%程度の濃度で非水系有機溶媒(例えば、脱水したノナン)に溶かして調製した膜形成溶液を、乾燥雰囲気中(相対湿度30%以下が好ましかった。)で、表面にナノレベルの凹凸を有するガラス基材7の光入射14面側表面に塗布し反応させると、表面にナノレベルの凹凸を有するガラス基材7表面のシリカ微粒子1は多数のヒドロキシル基(−OH)で覆われているので、前記膜形成溶液のクロロシリル基(SiCl)基とシリカ微粒子1の表面のヒドロキシル基とで脱塩酸反応が生じ、シリカ微粒子1の表面全面に亘り、前記式(I)に示した共有結合が形成される。その後、フロン系の溶媒で洗浄し、未反応のトリクロロシラン誘導体を除去すると、撥水撥油防汚性被膜の一例である撥水撥油防汚性単分子膜12でシリカ微粒子1の一部分及びシリカ系ガラス膜6aの表面が被覆された、表面に凹凸を有する撥水撥油防汚性単分子膜で被覆された太陽電池13を製造できた((図3(b))。ここで、矢印14は、光の入射方向を示す。
すなわち、本発明の方法で作製した透明基材表面は、格段に表面エネルギーが小さくなり(平均3mN/m以下)、離水性能や防汚性能が極めて高い表面を実現できた。
更に、撥油性単分子膜3で被覆されたシリカ微粒子4は、ナノ粒子の付着密度を制御することで表面屈折率を1.3〜1.5の範囲で自由に制御できたので、光入射面の表面反射を極小にすることができた。
(2) CF3(CH2)3Si(CH3)2(CH2)15Si(OCH3)3
(3) CF3(CF2)5(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(OCH3)3
(4) CF3(CF2)7(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(OCH3)3
(5) CF3COO(CH2)15Si(OCH3)3
(6) CF3(CF2)5(CH2)2Si(OCH3)3
(7) CF3CH2O(CH2)15Si(OC2H5)3
(8) CF3(CH2)3Si(CH3)2(CH2)15Si(OC2H5)3
(9) CF3(CF2)5(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(OC2H5)3
(10) CF3(CF2)7(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(OC2H5)3
(11) CF3COO(CH2)15Si(OC2H5)3
(12) CF3(CF2)5(CH2)2Si(OC2H5)3
(22) CH3(CH2)3Si(CH3)2(CH2)15Si(OCH3)3
(23) CH3(CH2)5(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(OCH3)3
(24) CH3(CH2)9Si(CH3)2(CH2)9Si(OCH3)3
(25) CH3COO(CH2)15Si(OCH3)3
(26) CH3(CH2)7Si(OCH3)3
(27) CH3CH2O(CH2)15Si(OC2H5)3
(28) CH3(CH2)3Si(CH3)2(CH2)15Si(OC2H5)3
(29) CH3(CH2)7Si(CH3)2(CH2)9Si(OC2H5)3
(30) CH3(CH2)9Si(CH3)2(CH2)9Si(OC2H5)3
(31) CH3COO(CH2)15Si(OC2H5)3
(32) CH3(CH2)7Si(OC2H5)3
(42) CF3(CH2)3Si(CH3)2(CH2)15SiCl3
(43) CF3(CF2)5(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
(44) CF3(CF2)7(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9SiCl3
(45) CF3COO(CH2)15SiCl3
(46) CF3(CF2)5(CH2)2Si(NCO)3
(47) CF3CH2O(CH2)15Si(NCO)3
(48) CF3(CH2)3Si(CH3)2(CH2)15Si(NCO)3
(49) CF3(CF2)5(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(NCO)3
(50) CF3(CF2)7(CH2)2Si(CH3)2(CH2)9Si(NCO)3
(51) CF3COO(CH2)15Si(NCO)3
(52) CF3(CF2)5(CH2)2Si(NCO)3
実施例1で作成した透明基材と同条件で作成した、水滴接触角が160度程度(実用上、水滴接触角が130度以上であれば同様の効果が得られた。)のガラス板を太陽熱温水器に装着し屋外で実用化試験を行ったところ、空気中の粉塵や雨水による汚れもほとんど付着せず、普通のガラスを装着した場合に比べて平均5%程度集熱効率を向上できた。また、集熱効率の経時劣化も、普通のガラスを装着した場合に比べて、数十分の一まで低減できた。
Claims (7)
- 表面が撥水性又は撥油性被膜で覆われた透明微粒子を調製する第1工程と、金属アルコキシドを含む溶液中に前記透明微粒子を分散した分散液を調製する第2工程と、前記分散液を透明基材の表面に塗布し乾燥する第3工程と、酸素を含む雰囲気中で前記分散液が塗布された透明基材を熱処理する第4工程と、前記第4工程で熱処理された透明基材の表面に撥水撥油防汚性被膜を形成する第5工程を有することを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
- 請求項1記載の太陽エネルギー利用装置の製造方法において、前記金属アルコキシドは、熱処理によりシリカ系ガラスを生成することを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
- 請求項1及び2のいずれか1項に記載の太陽エネルギー利用装置の製造方法において、前記第4工程の熱処理温度が、250℃以上かつ、前記透明基材及び前記透明微粒子の融点以下であることを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽エネルギー利用装置の製造方法において、前記金属アルコキシドを溶かした溶媒が水系であり、前記第1工程の前記透明微粒子の表面を覆う被膜は撥水性であることを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽エネルギー利用装置の製造方法において、前記第5工程における前記撥水撥油防汚性被膜の形成は、(1)フッ化炭素基を有するトリアルコキシシラン誘導体及びシラノール縮合触媒、(2)フッ化炭素基を有するトリクロロシラン誘導体、及び(3)フッ化炭素基を有するイソシアネート誘導体のいずれかと有機溶媒とを含む膜形成溶液と、表面に前記透明微粒子を焼結固定させた前記透明基材とを接触させて行うことを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
- 請求項5記載の太陽エネルギー利用装置の製造方法において、前記膜形成溶液と前記透明基材の接触後、余分な膜形成溶液を洗浄除去することを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
- 請求項5及び6のいずれか1項に記載の太陽エネルギー利用装置の製造方法において、前記膜形成溶液は前記シラノール縮合触媒を含み、しかもケチミン化合物、有機酸、金属酸化物、アルジミン化合物、エナミン化合物、オキサゾリジン化合物、及びアミノアルキルアルコキシシラン化合物からなる群より選択される1又は複数の化合物を、助触媒として前記シラノール縮合触媒と共に用いることを特徴とする太陽エネルギー利用装置の製造方法。
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