JP5554725B2 - シート形成物を用いた多孔質半導体電極の製造方法 - Google Patents
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Description
[1]樹脂からなるフィルム上に
酸化物半導体粒子とバインダーとを含有する混練物層が形成されていることを特徴とするシート形成物。
[2](工程1−1)透明耐熱基板上の透明導電層上に、請求項1に記載のシート形成物をその混練物層が前記透明導電層に接するように積層し、次いで該シート形成物のフィルムを混練物層から剥離する工程と、
(工程2)前記混練物層を焼成する工程とを含むことを特徴とする多孔質半導体電極の製造方法。
[3]前記工程1−1の後、工程2の前に
(工程1−2)工程1−1で得られた積層物の混練物層上に、請求項1に記載のシート形成物をその混練物層が前記積層物の混練物層に接するように積層し、次いで該シート形成物のフィルムを剥離する工程を1回から複数回行う工程を含むことを特徴とする[2]に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
[4]工程1−1および工程1−2において、シート形成物の混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が、各工程に用いるシート形成物毎に異なることを特徴とする[3]に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
[6]前記透明導電層上に積層された混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が透明導電層側から段階的に大きくなるように、工程1−1および工程1−2を行うことを特徴とする[3]〜[5]のいずれか一項に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
[7]工程1−1および工程1−2において、シート形成物の混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が、いずれの工程に用いるシート形成物においても同一であることを特徴とする[3]に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
[8][2]〜[7]のいずれかに記載の製造方法で製造された多孔質半導体電極。
[9][2]〜[7]のいずれかに記載の製造方法で製造された多孔質半導体電極を用いた光電変換素子。
[10]光電変換素子の多孔質半導体電極製造用である[1]に記載のシート形成物。
本明細書においてシート形成物とは半導体を製造する際の被焼結物となるものがフィルム上に層を形成しているものであって、酸化物半導体粒子をバインダー樹脂等と混合して塗料とし、該塗料をフィルム上に数μmから数百μmの厚さに成膜した後乾燥してなるシートをいう。粒子とは、SEM観察によって測定した平均粒子径が1〜1000nmのものであれば、形状は球状に限らず、棒状、針状等も含むものをいう。
本発明のシート形成物は、転写用であり、樹脂からなるフィルム上に酸化物半導体粒子とバインダーとを含有する混練物層が形成されたことを特徴とする。
フィルムの厚さは、シート巻取り時の加工性の観点から10〜200μmが好ましく、25〜100μmがより好ましい。
混練物層に含まれるバインダーは、酸化物半導体粒子を担持して、混練物層中に分散させる。バインダーとしては、(メタ)アクリル樹脂、ブチラール樹脂、ポリエーテル、エチルセルロース、ポリエステル、ポリアセタール、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリウレタン等が挙げられ、好ましくは(メタ)アクリル樹脂、ブチラール樹脂、ポリエーテル、エチルセルロール、ポリエステルが挙げられ、より好ましくは(メタ)アクリル樹脂、ブチラール樹脂が挙げられる。好ましい理由としては酸化物微粒子の分散性および焼成性が良好だからである。
シート形成物の製造方法は、先ず、上記成分を例えば自転・公転ミキサー、ビーズミルおよび3本ロールミル等の酸化物半導体粒子が均一に分散できる方法により混練する。次に、前記フィルム上に、前記混練物を、10〜100μm厚に例えば、グラビアコーター、マイヤーバーコーター、ドクターブレード、ダイコーター等により塗布した後、80〜150℃で1〜10分程度で乾燥する。
本発明の多孔質半導体電極の製造方法を図1を用いて説明する。
本発明の多孔質半導体電極の製造方法は、
(工程1−1)透明耐熱基板上の透明導電層上に、本発明のシート形成物をその混練物層が前記透明導電層に接するように積層し、次いで該シート形成物のフィルムを混練物層から剥離する工程と、
(工程2)前記混練物層を焼成する工程とを含み、好ましくはさらに
前記工程1−1の後、工程2の前に
(工程1−2)工程1−1で得られた積層物の混練物層上に、本発明のシート形成物をその混練物層が前記積層物の混練物層に接するように積層し、次いで該シート形成物のフィルムを剥離する工程を1回から複数回行う工程を含んでいてもよい。
図1の(I)に示すように、透明耐熱基板1上の透明導電層2上に、本発明のシート形成物A−1を、混練物層3−1が透明導電層2と接するように積層する。次にシート形成物A−1のフィルム4を混練物層3−1から剥離して、図1の(II)に示すように、下から順に透明耐熱基板1、透明導電層2および混練物層3−1が積層された積層物を製造する。
混練物層3−1の厚さとしては、5〜50μm、好ましくは15〜40μmである。
図1の(III)に示すように、本発明のシート形成物A−2を、工程1−1で製造された透明耐熱基板1、透明導電層2および混練物層3−1の積層物の混練物層3−1上に、混練物層3−2が接するように積層する。次にシート形成物A−2のフィルム4を混練物層3−2から剥離して、図1の(IV)に示すように、下から順に透明耐熱基板1、透明導電層2、混練物層3−1および混練物層3−2が積層された積層物を製造する。
混練物層3−2〜3−nのそれぞれの厚さとしては、5〜50μm、好ましくは15〜40μmである。
その理由は次の通りである。
工程1−1および任意の工程1−2で形成された単層または積層の混練物層3−1、または3−1および3−2、または3−1および3−2〜3−n(nは3以上の整数)を焼成する。
焼成により、バインダー、添加剤等が消失し、多孔質半導体電極が製造される。
焼成後の混練物層3−1〜3−nの各層の厚さは3〜40μmが好ましく、5〜30μmがより好ましい。
本発明の製造方法により、製造された多孔質半導体電極は、光電変換素子に用いることができる。光電変換素子の製造方法は、本発明の製造方法により製造された多孔質半導体電極を光増感色素に浸漬した後、色素の吸着した多孔質半導体電極と対極を有する光電子変換素子基材とを接着剤等を用いて接合する。そして、多孔質半導体電極および対極間を電解質液で満たす。前記光増感色素はRu錯体、フタロシアニン、ポルフィリンなどの錯体色素のほか、カルバゾール系、クマリン系、キサンテン系、インドリン系などの有機色素を用いることができる。前記対極を有する光電子変換素子基材は公知の導電材料を制限なく用いることができ、プラチナ、金、銀、パラジウム、アルミニウム、炭素の他、PEDOTのような有機導電材料および本願の多孔質半導体電極の透明導電層に用いた材料も用いることができる。前記電解質液は、ヨウ素、ヨウ化物塩、イミダゾリウム塩、ピリジン等の公知の電解質を含む液体のほか、固体の有機無機ホール輸送材を用いることもできる。
本明細書において、以下の値は、特にことわりのない限り、以下の測定方法で測定した。
SEM観察による粒度分布測定による。
[ポリマー製造例1(バインダー用)]
攪拌装置、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却管を備えたフラスコに、トルエン60重量部、2−エチルヘキシルメタクリレート98重量部、2−ヒドロキシエチルメタクリレート2重量部を仕込み、フラスコ内に窒素ガスを導入しながら30分攪拌して窒素置換を行った後、フラスコの内容物を90℃まで昇温した。ついで、フラスコ内の内容物を90℃に維持しながら、ジメチル 2,2-アゾビス(2-メチルプロピネート)0.3重量部添加し、重合を開始した。重合開始から1時間毎に2,2-アゾビス(2-メチルプロピネート)0.3重量部を計3回添加した。重合開始から12時間後、トルエン10重量部を添加し、室温まで冷却して、ポリマー固形分55%のポリマー(A)を得た。得られたポリマー(A)の重量平均分子量(GPC法で用いて測定したポリスチレン換算、以下同じ)は15万であった。
攪拌装置、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却管を備えたフラスコに、トルエン60重量部、2−エチルヘキシルメタクリレート98重量部、アクリル酸2重量部を仕込み、フラスコ内に窒素ガスを導入しながら30分攪拌して窒素置換を行った後、フラスコの内容物を90℃まで昇温した。ついで、フラスコ内の内容物を90℃に維持しながら、ジメチル 2,2-アゾビス(2-メチルプロピネート)0.3重量部添加し、重合を開始した。重合開始から1時間毎に2,2-アゾビス(2-メチルプロピネート)0.3重量部を計3回添加した。重合開始から12時間後、トルエン10重量部を添加し、室温まで冷却して、ポリマー固形分55%のポリマー(B)を得た。得られたポリマー(B)の重量平均分子量は15万であった。
酸化チタン粒子(商品名P−25、平均粒子径21nm(SEM観察の粒度分布測定による)、Degussa社製)4gをビーズミル(製品名pulverisette7、FRITSCH社製、以下同じ)を用いて、ブタノール16g中に分散させ酸化チタン粒子分散液を得た。得られた分散液にポリマー(A)を4.85g加え、自転・公転ミキサー(製品名 あわとり練太郎 ARE-310、シンキー社製、以下同じ)を用いて混合攪拌し、混練物を得た(酸化物チタン粒子とポリマー(A)の配合質量比=60:40(固形分比))。
ポリマー(A)の代わりにポリマー(B)を用いた以外は同様の操作で、シート形成物(b)を得た。シート形成物(b)を用いて実施例1と同様の転写方法および焼成方法にて、多孔質酸化チタン電極(b)を得た。
酸化チタン粒子(P−25)4gをビーズミルを用いてブタノール16g中に分散させた。その分散液にトルエンとエタノール50:50(重量比)に固形分10%となるように溶解したポリビニルブチラール(商品名エスレックBH−3、積水化学工業社製、以下同じ)溶液を28gと、さらに可塑剤としてジブチルオクチルフタレート1.2gを加え、自転・公転ミキサーを用いて混合攪拌し、混練物を得た(酸化物チタン粒子とポリビニルブチラールと可塑剤の配合質量比=50:35:15(固形分比))。
このシート形成物(C)を用いて、実施例1と同様の転写方法および焼成方法にて、多孔質酸化チタン電極(c)を得た。
酸化チタン粒子(P−25)4gをビーズミルを用いて、ブタノール16g中に分散させた。その分散液に酢酸エチルに固形分10%となるように溶解したエチルセルロース(商品名エトセルGr.10、日進化成社製、以下同じ)溶液を28gと、さらに可塑剤としてジブチルオクチルフターレート1.2gを加え、自転・公転ミキサーを用いて混合攪拌し、混練物を得た(酸化物チタン粒子とエチルセルロースと可塑剤の配合質量比=50:35:15(固形分比))。
このシート形成物(d)を用いて実施例1と同様の転写方法および焼成方法にて、多孔質酸化チタン電極(d)を得た。
実施例3で作製したシート形成物(c)の混練物層を実施例1と同様の方法でFTOガラス(A110U80)の透明導電層上に転写し、更に、その混練物層上に100℃でシート形成物(c)の混練物層をもう一層転写し積層物を得た。該積層物を実施例1と同様の方法で焼成し、2層積層した多孔質酸化チタン電極(c−c)を得た。
粒子径が大きい酸化チタン(商品名ST41、平均粒子径160nm(BET法からの換算)、石原産業社製)を用いた以外、実施例3と同様の条件でシート形成物(e)を作製した。FTOガラス(A110U80)の透明導電層上にシート形成物(c)の混練物層を転写後、その混練物層上にシート形成物(e)の混練物層を100℃で転写して積層した。該積層物を実施例1と同様の方法で焼成し、2層積層した多孔質酸化チタン電極(c−e)を得た。
実施例1で得られた焼成後の多孔質酸化チタン電極を、Ru錯体(通称N719)色素(PECD07、ペクセルテクノロジーズ社製)アセトニトリル溶液に18時間浸漬し、次にアセトニトリルで濯ぎ、乾燥させ色素増感電極を作製した。上記色素増感電極の半導体面を30μmの熱接着フィルム(商品名HM−52 、タマポリ社製)を介して、プラチナ電極と貼り合わせた。その後、上記貼合物をヨウ素、ヨウ化リチウム、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウムヨージドおよび4-tert-ブチルピリジンをアセトニトリルに溶解した溶液を電極間に注入し、色素増感光電変換素子を作製した。
実施例2で得られた焼成後の多孔質酸化チタン電極(b)を用いて、製造例1と同様にして、色素増感光電変換素子を作製した。
実施例3で得られた焼成後の多孔質酸化チタン電極(c)を用いて、製造例1と同様にして、色素増感光電変換素子を作製した。
実施例4で得られた焼成後の多孔質酸化チタン電極(d)を用いて、製造例1と同様にして、色素増感光電変換素子を作製した。
実施例5で得られた焼成後の多孔質酸化チタン電極(c−c)を用いて、製造例1と同様にして、色素増感光電変換素子を作製した。
実施例6で得られた焼成後の多孔質酸化チタン電極(c−e)を用いて、製造例1と同様にして、色素増感光電変換素子を作製した。
1SUN、擬似太陽光(入射光強度100mW/cm2(AM1. 5)を光源として、光電変換素子の色素増感電極側から入射させ、電圧/電流発生器(R6243, ADVANTEST社製)によって電圧印加し、電流電圧特性を測定した。
2:透明導電層
3−1、3−2:混練物層
4:フィルム
A−1、A−2:シート形成物
Claims (8)
- (工程1−1)透明耐熱基板上の透明導電層上に、樹脂からなるフィルム上に酸化物半導体粒子とバインダーとを含有する混練物層が形成されているシート形成物をその混練物層が前記透明導電層に接するように積層し、次いで該シート形成物のフィルムを混練物層から剥離する工程と、
(工程2)工程1−1で得られた積層物の混練物層を焼成する工程とを含むことを特徴とする多孔質半導体電極の製造方法。 - 前記工程1−1の後、工程2の前に
(工程1−2)工程1−1で得られた積層物の混練物層上に、樹脂からなるフィルム上に酸化物半導体粒子とバインダーとを含有する混練物層が形成されているシート形成物をその混練物層が前記積層物の混練物層に接するように積層し、次いで該シート形成物のフィルムを剥離する工程を1回から複数回行う工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の多孔質半導体電極の製造方法。 - 工程1−1および工程1−2において、シート形成物の混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が、各工程に用いるシート形成物毎に異なることを特徴とする請求項2に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
- シート形成物毎に混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が異なるシート形成物群の中で、最小の平均粒子径の酸化物半導体粒子を含有する混練物層を有するシート形成物を工程1−1に用い、その他のシート形成物を工程1−2に用いることを特徴とする請求項2または3に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
- 前記透明導電層上に積層された混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が透明導電層側から段階的に大きくなるように、工程1−1および工程1−2を行うことを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
- 工程1−1および工程1−2において、シート形成物の混練物層中の酸化物半導体粒子の平均粒子径が、いずれの工程に用いるシート形成物においても同一であることを特徴とする請求項2に記載の多孔質半導体電極の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法で製造された多孔質半導体電極。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法で製造された多孔質半導体電極を用いた光電変換素子。
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