JP5598458B2 - 電気化学セル構造及び製造方法 - Google Patents
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Description
て使用される金属酸化粒子分散液に関する。
は2000年から2030年で年率1.7%の増加が予測されており、この需要の90%
が化石燃料で賄われるであろう事も予測している。その結果、二酸化炭素は2000年か
ら2030年まで年率1.8%で増加し、2030年には380億トンに達するものと思
われる。この汚染の増加傾向に対する対策として、太陽電池を含む、よりクリーンで再生
可能なエネルギー源が長い間待ち望まれていた。最新のシリコン型太陽電池が現在広く市
販されているが、製造コストが高く、堅牢性が不足し、大きな露出面積を必要とすること
による視覚公害のため、その普及は遅れている。
電池の代替物の一つであるが、結晶型太陽電池に比べて効率が悪いため、DSSCを効率
的な電力源とするには、広い被覆領域が必要となる。
図1に示すように、DSSC10は、第1透明絶縁層1、第1透明導電性酸化物(TCO
)電極層2、二酸化チタン(TiO2)からなる透明金属酸化物層3、増感体(色素)の
単分子層4、電解質層5、第2透明導電性酸化物(TCO)電極層6、第2透明絶縁層7
からなる。
は、主に電磁スペクトルの紫外域で光を吸収するので、増感体(色素)4は金属酸化物層
3の表面に吸収されると、太陽電池の光吸収域を可視光領域に広げる。
物層3の少なくともいくらかの部分は多孔質に形成され、金属酸化物層3の表面積を増加
させる。表面積が増加することによって、増感体(色素)層4の量が増加し、結果的には
DSSCの光吸収が増大してエネルギ変換効率を10%以上向上する。
。
。DSSCと応用分野は異なるが、図1に示すように、両者は多くの物理的特徴を共有し
、増感体(色素)層4がエレクトロクロミック材層に交換されたものであり、エレクトロ
クロミック材層は、電流あるいは電圧が装置両端に印加されると可逆性の色変化を呈する
。すなわち、酸化状態では透明になり、還元状態では着色される。
酸化物(TCO)電極層6が接地電位に保持されると、電子は金属酸化物層3の伝導帯に
注入され、吸着分子を還元する(着色過程)。第1透明導電性酸化物(TCO)電極層2
に正電位が印加されると逆の作用が生じ、分子は消色される(透明となる)。
のコントラストを提供するのに十分な光を吸収できない。従って、高多孔質で広い表面積
を持つ、ナノ結晶金属酸化物層3が使用され、エレクトロクロモフォをその上に拘束する
ための広い有効面積を提供することによって、非消色状態での光吸収を促進する。光が厚
い金属酸化物層3を通過すると、光は、増感体(色素)4で着色された数百の単分子層を
横切るため、強力に吸収される。
る。同様に、本工程は僅かの変更を加えてECDの製造に適用しても良い。
ーブレード法、スパッタリング、スプレーコーティング等の各種技術のいずれか一つを用
いて、金属酸化物層3を第1透明導電性酸化物(TCO)電極層2上に数ミクロンの厚み
に形成する。標準的なペーストは、一般的に水及び有機溶媒性の金属酸化物ナノ粒子(直
径5−500nm)懸濁液、二酸化チタン(Ti02)、ポリエチレングリコール(PE
G)のような粘度改質バインダー、そしてトリトンXのような界面活性剤からなる。ペー
ストは塗布後、乾燥させて溶媒を除去し、450度で焼結する。この高温処理により金属
酸化物の粒径と密度が変わり、ポリエチレングリコール(PEG)などの有機バインダ成
分が確実に除去されて、良好な導電経路と良好な材質の孔が得られる。また、焼結により
金属酸化物層3と第1透明導電性酸化物(TCO)電極層2の間に良好な電気的導通が確
保される。
時間、通常24時間、浸漬して増感体(色素)4で覆い、増感体(色素)4が、カルボン
酸誘導体で構成されることが多い機能配位子構造を介して金属酸化物層3上に吸収される
ようにする。水系溶媒は、増感体(色素)4が金属酸化物層3表面上へ吸収するのを阻害
するため、この工程の代表的な溶液として、アセトニトリルあるいはエタノールが使用さ
れる。
CO)電極層2を、第2透明導電酸化物(TCO)電極層6と重ね合わせる。電解質層5
を充填する前に、2つの電極層2と6を、周辺スペーサー誘電カプセル材料と一緒に重ね
合わせて、電極と電極の隙間を少なくとも10μmにする。スペーサーの材料は、一般的
にカプセル封入を可能にする熱可塑性物質である。通常は有機溶剤中にヨウ化物/三ヨウ
化物塩を含む電解質層5が導入されると、DSSCは、水の浸入を防ぎ、すなわち装置の
劣化を防止するために、残りのどの開口部も熱可塑性ガスケット、エポキシ樹脂、UV硬
化型樹脂のいずれかで封止することにより完成する。
気圧条件下で扱うことが可能であり、結晶型太陽電池の加工に伴う高価な真空プロセスを
必要としないので、DSSCは結晶型太陽電池よりも低コストで製造することができる。
孔質金属酸化物層3は、多くの場合、スクリーン印刷でパターニングされて所望の電極形
状を得、そして選択領域を着色あるいは消色する事によって装置が情報を伝達することを
可能にする。更に、増感体(色素)層4は、吸収エレクトロクロモフォ材層に置き換えら
れる。更に、一般的には焼結金属酸化物の大粒子である透過性拡散反射体層は、第1電極
層2と第2電極層6の間に置く事ができ、表示画像のコントラストを増す。
に、DSSC100は、ガラスあるいはプラスチックからなる第1基板101、第1透明
導電酸化物(TCO)層102、二酸化チタン(TiO2)層103、色素層104、電
解質層105、第2透明導電酸化物(TCO)層106、ガラスあるいはプラスチックか
らなる第2基板107、絶縁ウェブ108と109、から構成される。絶縁ウェブ108
と109は、DSSC100の個別電池110を形成するために使用する。
ているので、絶縁ウェブ108と絶縁ウェブ109との間に形成された個別電池110は
、絶縁ウェブ109と絶縁ウェブ108との間に形成された隣接する個別電池110とは
異なる。従って、隣接する個別電池110同士の電気極性は逆になる。この異なる層の交
番区域で、導電層102と106からなる導電層111が形成され、各導電層111は一
つの個別電池110の正(負)電極と、隣接する個別電池110の負(正)電極とを接続
している。この構造により、重層構造を組み込む必要もなく、DSSCの全体の出力電圧
を増加させる方法が得られる。
金属酸化物層の物理特性、すなわち増感体(色素)分子の吸収を正確に管理することが重
要である。しかし、スクリーン印刷を用いた金属酸化物層の製造では、粘性ペーストから
完全に気体を取り除く事が不可能である事から、残渣詰まり又は残渣汚れしたスクリーン
セル、基板表面より分離時のスクリーンへの付着、乾燥時の内在気泡の膨張が原因で、多
くの場合、膜厚みに±5%のバラツキを生じる。ドクターブレード法のような他の方法も
、大幅な空間的バラツキがない良好な厚さの金属酸化物層を提供できない。従って、この
ような金属酸化物層のいたるところで、多孔率や膜質におけるバラツキが生じ易く、DS
SCとECDの其々の効率と画質の劣化を招くことになる。
などの、より高品質の画像のために、更なる微細金属酸化物層構造を構築することが求め
られるため、スクリーン印刷に対する要求はより一層厳しくなる。dpiが増えるにつれ
、メッシュ分離幅にスクリーンのメッシュサイズが近づくために最小構成サイズが制約さ
れることになる。
いた電気化学装置の製造は、DSSC及びECDに関しては、大型の装置の製造に対する
装置の再現性及び適応性の観点から不適当である。
Dの)製造上の問題を解決するために、それらの製造効率を向上し、更にその製造コスト
を下げる事を目的としている。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記色素と第2導電層との間に電解質を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記第1導電層の上に金属酸化物層を形成する工程は、金属酸化物粒子分散液を、前記バンク構造の開口部であって、前記第1導電層の上に金属酸化物粒子分散液を配置する工程と、前記第1導電層の上に配置された前記金属酸化物粒子分散液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記第1導電層の上に配置された前記金属酸化物粒子分散液を乾燥させる工程の後、金属酸化物層を焼結する工程をさらに含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記金属酸化物粒子分散液は、水及びアルコールのうちの少なくとも一方を含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記金属酸化物粒子分散液は、直径が5nmから500nmの複数の金属酸化物粒子を含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記金属酸化物粒子分散液は、粘度調整剤を含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記金属酸化物粒子分散液は、バインダーを含むことが好ましい。
上記のひとつの電気光学セルの製造方法において、前記金属酸化物粒子分散液は、界面張力を調整する界面活性剤をさらに含むことが好ましい。
本発明に係るひとつの電気光学セルは、第1導電層と、前記第1導電層の上に配置されたバンク構造と、前記バンク構造の開口部であって、前記第1導電層の上に配置された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に配置された色素と、前記第1導電層上に対向配置された第2導電層と、前記色素と前記第2導電層との間に配置された電解質と、を含み、前記バンク構造は、前記第1導電層に形成された溝により構成されていることを特徴とする。
上記のひとつの電気光学セルにおいて、前記第1導電層及び前記第2導電層のうち少なくとも一つは透明であることが好ましい。
本発明の一態様の電気化学セルの製造方法は、第1導電層を形成する工程と、前記第1導電層の上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の開口部であって、前記第1導電層の上に金属酸化物層を形成する工程と、前記金属酸化物層の上に色素を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記色素と第2導電層との間に電解質を形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記第1導電層の上に金属酸化物層を形成する工程は、金属酸化物粒子分散液を、前記絶縁層の開口部であって、前記第1導電層の上に金属酸化物粒子分散液を配置する工程と、前記第1導電層の上に配置された前記金属酸化物粒子分散液を乾燥させる工程と、を含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記第1導電層の上に配置された前記金属酸化物粒子分散液を乾燥させる工程の後、金属酸化物層を焼結する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記金属酸化物粒子分散液は、水及びアルコールのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記金属酸化物粒子分散液は、直径が5nmから500nmの複数の金属酸化物粒子を含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記金属酸化物粒子分散液は、粘度調整剤を含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記金属酸化物粒子分散液は、バインダーを含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記金属酸化物粒子分散液は、界面張力を調整する界面活性剤をさらに含むことを特徴とする。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルの製造方法は、前記絶縁層は疎水性及び/または疎油性であり、前記第1導電層は親水性及び/または親油性であることを特徴とする。
本発明の一態様の電気化学セルは、第1導電層と、前記第1導電層の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層の開口部であって、前記第1導電層の上に配置された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に配置された色素と、第2導電層と、前記色素と前記第2導電層との間に配置された電解質と、を含み、前記絶縁層は疎水性及び/又は疎油性であり、前記第1導電層は親水性及び/又は親油性であることを特徴とする。
本発明の別の態様の電気化学セルは、前記第1導電層及び前記第2導電層のうち少なくとも一つは透明であることを特徴とする電気化学セル。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルは、前記絶縁層はポリマーまたはポリイミドを含むことを特徴とする電気化学セル。
本発明のさらに別の態様の電気化学セルは、第1導電層と、前記第1導電層の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層の開口部であって、前記第1導電層の上に配置された金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に配置された色素と、第2導電層と、前記色素と前記第2導電層との間に配置された電解質と、を含み、前記絶縁層はポリマーまたはポリイミドを含むことを特徴とする。
本発明に係る電気化学セルは、第1導電層と、前記第1導電層上に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された機能色素層と、第2導電層と、前記機能色素層と前記第2導電層との間に設けられた電解質と、を含み、前記金属酸化物層は、複数の金属酸化物セルを有し、前記第1導電層及び前記第2導電層のうち少なくとも一つは透明であり、前記金属酸化物層は金属酸化物粒子分散液を含むことを特徴とする。
上記の電気化学セルにおいて、前記金属酸化物粒子分散液は水を含むようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記金属酸化物粒子分散液はアルコールを含むようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記金属酸化物粒子分散液は、直径がおよそ5nmから500nmの複数の金属酸化物粒子を含むようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記複数の金属酸化物粒子は直径がおよそ18nmであるようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記金属酸化物粒子分散液は、粘度調製剤を含むようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記粘度調整剤の濃度は、5w/w%未満であるようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記金属酸化物粒子分散液は、バインダーを含むようにしてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記バインダーは、ポリエチレングリコール、又はポリエチレンオキシドであってもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記バインダーの濃度は、5w/w%未満であってもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記金属酸化物粒子分散液は、界面張力を調整する界面活性剤を更に有していてもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記界面活性剤は、トリトンXであってもよい。
上記の電気化学セルにおいて、前記第1導電層上に形成され、前記複数の金属酸化物セルの各々を取り囲む分離手段を更に含むようにしてもよい。
本発明の第1実施態様である電気化学セルは、第1導電層と、該第一導電層上に形成された金属酸化物層と、ここで該金属酸化物層は、互いに離間し、隣接した複数の金属酸化物セルを有し、前記金属酸化物層上に形成された機能色素層と、第2導電層と、該機能色素層と該第2導電層の間に電解質を含み、前記第1導電層、該第2導電層の少なくとも一つは透明であり、前記金属酸化物層は金属酸化物粒子分散液からなる。
いて、前記金属酸化物粒子分散液は、アルコール性液である。他の実施態様において、前
期金属酸化物粒子分散液は、直径がおよそ5nmから500nmの複数の金属酸化物粒子
を含む。他の実施態様において、前記複数の金属酸化物粒子は直径およそ18nmである
。
他の実施態様において、前記粘度調整剤は、ポリエチレングリコール、又はポリエチレン
オキシドである。他の実施態様において、前記粘度調整剤は濃度が5w/w%以下である
。他の実施様態において、前記金属酸化物粒子分散液は、バインダーを更に有する。他の
実施態様において、前記バインダーは、ポリエチレングリコール、又はポリエチレンオキ
シドである。他の実施態様において、前記バインダーは濃度が5w/w%以下である。他
の実施様態において、前記金属酸化物粒子分散液は、更に界面張力を調整する界面活性剤
を有する。他の実施態様において、前記界面活性剤は、トリトンXである。
る金属酸化物セルの其々を取り囲む分離手段を更に含む。他の実施態様において、前記分
離手段は、ポリマーパターン、又はポリイミドパターンである。他の実施態様において、
前記分離手段の少なくとも一部は、疎水及び/又は疎油性であり、前記第1導電層は、親
水及び/又は親油性である他の実施態様において、前記分離手段は、前記第1導電層上に
セルのマトリクスを形成する。他の実施態様において、それぞれの前記金属酸化物セルは
、実質的に四角形、円形、六角形、矩形状である。他の実施態様において、前記分離手段
は、バンクである。
含む。他の実施態様において、前記電気触媒層は、プラチナ、ルテニウム、ロジウム、パ
ラジウム、イリジウム、オスミウムのいずれか一つである。
第1絶縁基板を更に含む。他の実施態様である電気化学セルは、前記第2導電層の、前記
電解質と反対面上に第2絶縁基板を更に含む。更に他の実施態様において、前記第1及び
第2絶縁基板の少なくとも一つがガラス、又はプラスチックである。更に他の実施態様に
おいて、前記金属酸化物層は、半導体である。
他の実施態様において、前記金属酸化物粒子分散液は、複数の金属酸化物粒子を含み、前
記機能色素層が前記金属酸化物粒子の表面上に形成される。他の実施態様において、前記
第1及び第2導電層は、連続層である。他の実施態様において、前記第1導電層は、透明
導電酸化物層である。他の実施態様において、前記第2導電層は、透明導電酸化物層であ
る。
おいて、前記電気化学セルは、エレクトロクロミック表示体である。更に他の実施態様に
おいて、前記機能色素層は、エレクトロクロミック層である。
電層上に金属酸化物粒子分散液から金属酸化物層を形成し、ここで金属酸化物層は複数の
互いに離間して隣接する金属酸化物セルを含み、前記金属酸化物層上に機能色素層を形成
し、第2導電層を形成し、前記機能色素層と該第2導電層との間に電解質を備えることと
、を含み、前記第1及び第2導電層の少なくとも一つが透明である。
物セルの其々を取り囲む分離手段を形成することを更に含む。他の実施態様において、前
記金属酸化物層は、前記第1導電層上にインクジェット印刷される。他の実施態様におい
て、前記金属酸化物層は、前記第1導電層上に一回の工程でインクジェット印刷される。
することを更に含む。他の実施態様において、その方法は、第1絶縁基板上に前記第1導
電層を形成することを更に含み、該第1絶縁基板は、前記第1導電層の、前記金属酸化物
層と反対側の面上にある。他の実施態様において、その方法は、第2絶縁基板上に前記第
2導電層を形成する工程を更に含み、ここで該第2絶縁基板は、前記第2導電層の、前記
電解質と反対側の面上にある。
。他の実施態様において、前記金属酸化物層は、アルコール性金属酸化物粒子分散液から
なる。
、縮小のための機械設備への再投資が不要で、スクリーン印刷を用いる製造より有利であ
る。これは、インクジェットを用いた製造は、ソフトウェアで制御され、新しいスクリー
ンを発注する費用が発生することなく、再設定することができるからである。更に、パタ
ーニングされたスクリーンは100回程度しか使用できないが、インクジェットヘッドは
、パターニングされたスクリーンよりかなり耐久性がある。
クリーン印刷よりも無駄が少ない。各塗布層を乾燥し、それから厚い堆積物となるまで印
刷される従来のインクジェット重ね印刷と違って、大量の液体を密閉された区域に送り込
み所望の体積厚みを提供するインクジェットフラッド充填技術で、破砕することなく金属
酸化物層を形成できることを示した。更には、バンク構造を利用して、フラッド充填を可
能にする表面閉じ込めにより、長期的に均一な材料の分配、つまり均一で再現性のある性
能が確保される。その上、バンク構造を用いた表面密閉で、異なって着色されたセル同士
が色分離し、より質のよい画質とコントラストが確保できる。
等の電気化学セルに関するものである。図3に示す本発明の電気化学セル400は、第1
透明絶縁基板層401、第1透明導電性酸化物(TCO)電極層402、金属酸化物層4
03、増感体(色素)/エレクトロクロミック材層404、電解質層405、第2TCO
電極層406、第2透明絶縁基板層407、を有する。
好ましい。金属酸化物層403は、半導体であり、二酸化チタン(TiO2)からなるこ
とが好ましい。
を密着させる材料からなることが好ましい。また、金属酸化物層403の粒子は、適度に
透過性を有さなければならない。500nmより大きな粒子は不透明であると予測される
ことから、本発明での使用は一般的に適当ではないと考えられる。そのように大きな粒子
は、インクジェットのノズル詰まりを起こしやすくもある。
たセルから成るよう、金属酸化物層403を積層する前に、402上に形成する。一実施
形態では、バンク構造410は、ポリマー又はポリイミドから成る。
一部は疎水性及び/又は疎油性であり、またTCO層402は親水性及び/又は親油性で
あることが好ましい。
如何なる所望の形状も取る事ができ、その中に分離された金属酸化物のセルが形成される
ので、ショートの原因となるバンク構造410間を橋渡しする金属酸化物は生じない。
素)が互いに電気的に分離されていることが不可欠である。電気化学セルがDSSCであ
れば、金属酸化物セルが電気的に分離される必要はないが、均一な金属酸化物の分布が能
動素子領域に渡り維持されることが好ましい。
クロ電気化学セルは、異なる色のエレクトロクロモフォ層404を有することができる。
それぞれのマイクロ電気化学セルは、バンク構造410により、共にECDを形成する他
のマイクロ電気化学セルと分離されている。それぞれのマイクロ電気化学セルは差渡し2
0μmから500μmであることが好ましい。
6の間に形成することができる。電気触媒層は、2nmを超える厚さであることが好まし
く、電解質再生を促進するように選択される。DSSCの場合、有効な電気触媒金属とし
ては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、又はオスミウムの白金族
金属より選択することができる。電気触媒層を用いることにより、本発明の前記電気化学
セル全体の性能が向上する。
化学セル400の製造を示す工程フロー図である。
2は、8−10Ω.sq.の面積抵抗を持ち、インジウムスズ酸化物又はフッ素ドープし
たスズ酸化物からなるのが好ましい。フッ素ドープしたスズ酸化物は、安価で、高温焼結
の段階で不活性であるため好ましい。
1実施形態において、バンク構造410は、正方形の画素セルのマトリクスを形成してい
る。TCO層402上にバンク構造410を形成するため、光反応性ポリイミド原料をT
CO層402上に塗布し、乾燥させる。それからTCO層402に、画素セルのマトリク
ス形状を持つマスクをかける。そのマスクを通して紫外(UV)光を照射し、露光領域に
ポリイミドの架橋結合を発生させる。化学現像により、露光していない領域を除去し、バ
ンク構造410を熱硬化させる。
素プラズマで処理し、露光領域に残ったポリイミドを除去する。次に、TCO層402の
親水性を保ちつつ、ポリイミドバンク構造410が疎水性になるように、四フッ化炭素(
CF4)プラズマ処理を施す。
ンクジェット印刷する。図4cでは、インクジェットヘッドからそれぞれの分離した画素
セルの中へ金属酸化物インクが噴射され、金属酸化物層403が形成される。一実施形態
では、体積分率(v/v)10%以下の濃度の水性コロイド金属酸化物液体インクを使用
する。他の実施形態では、アルコール性コロイド金属酸化物液体インクを使用する。いず
れの実施形態においても、液体に分散した金属酸化物粒子は二酸化チタン(TiO2)粒
子であり、直径がおよそ18nmであるのが好ましい。ここで、粒子の最大直径はインク
ジェットヘッドの特性により制限されるが、粒子の直径は5nmから500nmの範囲か
ら選択できる。
でき、ひいてはインクジェットヘッドから金属酸化物インクがより確実で正確に噴出され
るようになる。例えば、金属酸化物インクにポリエチレングリコール(PEG)のような
粘性促進剤を添加してもよい。更に、インクの界面張力を調整するために、金属酸化物イ
ンクにトリトンXのような界面活性剤を添加してもよい。
ることもできる。例えば、ポリエチレン酸化物(PEO)はマトリックスバインダー材料
として使用され、対称面から溶媒が蒸散するにつれて、インクに含まれる金属酸化物粒子
の間を補間する。続いて、この揮発性の補間材を高温アニールにより除去し、所望の多孔
率の金属酸化物膜を残す。
物粒子の体積の4分の1未満でなければならない。上記の残留材料の割合は、同一サイズ
粒子の最密配置を呈している金属酸化物粒子間の体積より大きくなり、乾燥時に粒子間の
電気的接続を分離する。例えば、10v/v%の水性TiO2溶液は、2w/w%以上の
PEOを含んではならない。
TiO2を供給しないと、3w/w%の純PEO溶液と同等となる。このようにPEO
の濃度が高いと、得られるインクは粘性が強すぎて普通インクジェット印刷できない。こ
のように、得られるインクの物理的性質、主に粘性において、乾燥材料添加物の体積割合
により制限されるインクではなく、そのような添加物が持つ作用により制限されるインク
の有用性が期待される。
果たすことができる。PEGとPEOの両方がそのような材料の例である。
め300℃中で焼結する。
物層403の最高膜厚の最終的なバラツキは、50cm2の基板面積上の画素セル間で1
.5%未満である。
は、増感体(色素)404中に所定時間浸漬される。その結果、増感体(色素)404は
、図4dに示すように、金属酸化物膜403の表面に吸収される。DSSCの例では、基
板を無水エタノール中のN719(ソラロニクスから得られる)0.3mM溶液に24時
間浸漬した。増感体(色素)404の固定化後、基板をエタノール中ですすぎ洗いし、窒
素でブロー乾燥する。
402を、第2TCO層406と組み合わせる。電極層402と406を、電解質層40
5を注入する前に、電極間ギャップを生じさせるための周辺スペーサを介して重ね合わせ
る。電解質層405を導入したら、残りの開口部を封止し、DSSCが完成する。
2と406とを一緒に重ね合わせる前に、第2TCO層406上に形成する。
1.5%未満の良好な水性コロイド金属酸化物インク滴を供給できる。更に、この体積測
定精度1.5%は、市販のプリントヘッドに相当する。この数値を1%以下に低減できる
様々な工業用ヘッドや補完技術の利用が可能である。
画素セル内に必要とされるとおり正確に配置できる。このようにして、金属酸化物層40
3の層厚を正確に管理し、均一な多孔率の金属酸化物層403を形成することが出来る。
の少なくとも一部が親水性及び/又は親油性であるとき、バンク構造410は金属酸化物
インクをはじく。それにより、対称面上へ塗布された金属酸化物インク滴の最終的な位置
が補正され、インクジェットノズル軸から本来側方向に±15μm広がる液滴を補正する
。このようにインクがはじくことは、ECDの場合には、金属酸化物層403がバンク構
造410を橋渡しすることに因る画素ショートを防ぐのに特に有益である。また、バンク
構造410により、バンクなしで自由に印刷するときに必要な30μmのスペースが許容
される場合より狭いギャップをECD画素間に形成することができるため、ECD内によ
り高い能動面積比を得られ、画質を高めることができる。
従来のインクジェット印刷では、インクの層厚は、重ね印刷技術により、所望の厚さに
された。当該重ね印刷技術では、各塗布層を乾燥させ、別のインク層などを所望の厚さに
なるまで重ね印刷する。
ク構造410の各画素セルに導入する。バンク構造410は、金属酸化物インクが隣接し
た画素セルに広がるのを防ぐ。この方法を使えば、所望の厚さの金属酸化物層403を形
成するのに1回きりの乾燥、焼結工程しか必要としない。
。
場合、正方形の画素セルのマトリクスを有するバンク構造410は、擬似ピラミッド形の
乾燥金属酸化物形状を形成する。バンク構造410は、TCO層402上の画素セル内で
、区分けされた領域に、塗布された金属酸化物インクを閉じ込める。この閉じ込めがなけ
れば、金属酸化物インクは塗布された後に勝手にTCO層402を横切って流れてしまっ
たり、切れ目のない金属酸化物層403ができたりするであろう。
403に比べて、曲げ応力に対して破砕することなく適応でき、プラスチックの第1絶縁
基板401のような、可撓性の基盤401が利用できるようになる。
セルのマトリクスからなるが、画素セルは正方形に限定されない。本発明の電気化学セル
400がECDであるとき、正方形の画素はアクティブマトリックスバックプレーン形成
技術に準拠しているようなものが好ましい。一方、本発明の電気化学セル400がDSS
Cであるとき、六角形、長方形、円形、正方形のようないくつかの異なる形状の画素セル
を用いることができる。六角形や正方形の画素セルが本発明のDSSCに使用するのに好
ましい。
48V、短絡回路電流(ISC)が15mA/em2、充填比(FF)が56%で形成され
ている。基板面積50cm2にわたる本発明の電気化学セルのエネルギー変換効率のばら
つきは、1.5%未満である。このことは、本発明のインクジェットによる製造方法のプ
ロセス安定性による。
においては能動領域が減少することによって効率性が低下する。したがって、バンク構造
410の幅は、0.2μmから20μmであることが望ましい。0.2μmはフォトリソ
グラフィによってバンク構造410をコスト効率良く形成するための解像度限界である。
20μmは、一般的な最低表示解像度72dpiに比べて、画像が深刻に悪化し、動作が
抑制されない範囲のバンク構造410の最も効率のよい幅であるとみなされている。イン
クジェット技術を使用すれば、長さは数百ミクロン未満がより好ましいのではあるが、1
mm2未満のサイズの親水性画素セルを容易に得ることができる。
酸化物層403が薄すぎたら、入射光線の一部はポテンシャル効率を失い、妨げられるこ
となく金属酸化物層403を通過する。もし金属酸化物層403が厚すぎると、すべての
有用な光が完全に吸収された時点で、残りの金属酸化物層403の厚さが不要となる。よ
って、塗布される金属酸化物層403の厚さは、0.5μmから20μmであることが好
ましい。
403の厚さは均一であるため、最適な金属酸化物層403の厚さはインクジェット印刷
の使用により、より薄くなる。
なり高くなくてはならない。よって、粘度を増すために添加される材料を焼結工程で除去
しなければならない。したがって、塗布されたままで、焼結する前の状態の金属酸化物層
403の厚さはインクジェット印刷時よりスクリーン印刷時のほうが厚くなるはずである
。
素セルのマトリクスを形成するために使われるが、本発明はバンクに限定されない。TC
O層402上に分離した画素セルを形成する方法は、TCO層402に溝を作ったりする
等、どんな方法を使ってもよい。
に浸すことによって、金属酸化物層403上に形成されるが、増感体(色素)404は異
なる技術を用いて金属酸化物層の上に形成されてもよい。例えば、増感剤(色素)404
は、金属酸化物層403を形成後、金属酸化物層403上にインクジェット印刷されても
よい。
、機能することは絶対不可欠というわけではない。また、第2透明導電性酸化物層406
が透明であり、本発明の電気化学セルの酸化物材料で形成され、機能することは絶対不可
欠というわけではない。実際には、第2基板(あるいは完成装置内の基板)を形成するこ
とは絶対不可欠というわけではない。
ポリマーパターンとしてそれらを塗布することは好ましい。また、ポリイミドパターンと
して塗布することは更に好ましい。
いる。これに関連して、本明細書中の、導電性又は絶縁性の層ともうひとつの要素の間に
電解質を供給するどの論及も、導電性又は絶縁性の層、及び/又は他の要素を電解質上に
形成することを含んでいる。
作り得ることは当業者にとって明らかである。
る。
(TCO)電極層 403…金属酸化物層 404…増感体(色素)/エレクトロクロミッ
ク材層 405…電解質層 406…第2TCO電極層 407…第2透明絶縁基板層。
Claims (10)
- 第1導電層を形成する工程と、
前記第1導電層の上にバンク構造を形成する工程と、
前記バンク構造の開口部であって、前記第1導電層の上に金属酸化物層を形成する工程と、
前記金属酸化物層の上に色素を形成する工程と、
を含み、
前記バンク構造は前記第1導電層に溝を作ることで形成されることを特徴とする電気化学セルの製造方法。 - 前記第1導電層の上に金属酸化物層を形成する工程は、
金属酸化物粒子分散液を、前記バンク構造の開口部であって、前記第1導電層の上に金属酸化物粒子分散液を配置する工程と、
前記第1導電層の上に配置された前記金属酸化物粒子分散液を乾燥させる工程と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セルの製造方法。 - 前記第1導電層の上に配置された前記金属酸化物粒子分散液を乾燥させる工程の後、金属酸化物層を焼結する工程をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、水及びアルコールのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項2または3に記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、直径が5nmから500nmの複数の金属酸化物粒子を含むことを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、粘度調整剤を含むことを特徴とする請求項2乃至5のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、バインダーを含むことを特徴とする請求項2項乃至6のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
- 前記金属酸化物粒子分散液は、界面張力を調整する界面活性剤をさらに含むことを特徴とする請求項2乃至7のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
- 第1導電層と、
前記第1導電層の上に配置されたバンク構造と、
前記バンク構造の開口部であって、前記第1導電層の上に配置された金属酸化物層と、
前記金属酸化物層の上に配置された色素と、
前記第1導電層上に対向配置された第2導電層と、
前記色素と前記第2導電層との間に配置された電解質と、
を含み、
前記バンク構造は、前記第1導電層に形成された溝により構成されていることを特徴とする電気化学セル。 - 前記第1導電層及び前記第2導電層のうち少なくとも一つは透明であることを特徴とする請求項9に記載の電気化学セル。
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