JP5601686B2 - Fto/ito積層体を有する透明導電膜 - Google Patents

Fto/ito積層体を有する透明導電膜 Download PDF

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Description

本発明は、透明電極板等に使用される透明導電膜に関し、特に色素増感太陽電池の透明電極などに好適なFTO/ITO積層膜に関する。
本願は、2008年6月24日に、日本に出願された特願2008−164417号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
色素増感太陽電池は、太陽光を吸収する色素が光を吸収して電子を放出することにより発電する方式の太陽電池のことである。1991年、スイスEcole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)のMichael Gratzel氏が発表した論文を契機に研究が進んできた。その機構は、電池に光が当たると電池中の色素が励起状態となり、電子を放出する。この電子は酸化チタン(TiO)を経由して透明電極に達し、外部に流れる。一方、電子を放出して陽イオンになった色素は、もう片方の電極から供給される電子を、電解液中のヨウ素(I)を経由して受け取り、元の状態に戻るというものである。
このような太陽電池に用いられる透明電極に必要な条件として、低抵抗、熱安定性、化学的安定性、高透過性、耐湿性、低コストなどが挙げられる。このような条件を満たす電極用の透明導電性膜としては、一般にスズをドープした酸化インジウム膜(ITO膜)より、熱、化学的条件に強いフッ素をドープした酸化スズ膜(FTO膜)が好ましい。
しかしながら、ITO膜は透明性、導電性に優れていることから、液晶表示素子や太陽電池に広く使用されていることもあるため、ITO膜の上にFTO膜を積層した膜も開発されている。その一例として、特許文献1がある。
特許文献1には、ITO膜の膜厚が100nm〜1000nm、FTO膜の膜厚は少なくとも30nm〜350nmが良いこと、及び、FTO膜がこの膜厚であると、温度250〜700℃での1時間の加熱によっても導電性は低下しないことが記載されている。また、FTO膜の成膜はITO膜の成膜後に連続して行う必要があることが記載されている。そのため、ITO膜を形成した直後の、いまだ400〜500℃程度にある硝子板に直ちにFTO膜となる原料化合物溶液を噴霧して、ITO膜が劣化する前にスプレー熱分解法(SPD法)によってFTO膜を成膜する必要があると記載されている。
しかしながら、上記方法では、膜全体が厚いためにコスト上の課題があること、FTO膜の膜厚が厚いためにITOの有するメリットが十分生かせないなどの点で十分ではなかった。
特開2003−323818号公報
そこで、太陽電池の透明電極板等、特に色素増感太陽電池の透明電極などに使用できて、FTO及びITOの有するメリットを生かせ、コスト的に見合うFTO/ITO積層膜を有する透明導電膜を作製することが課題であった。
上本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、パイロゾル法によりガラス基材上にFTO/ITO積層膜を作製する場合に、成膜炉の中で、ガラス板をコンベアで移動させる間に連続してITO膜とFTO膜を積層することにより、FTO膜の表面が斜方晶を有する膜となり、FTO膜の膜厚が20nm以下と薄い場合でも、耐熱性に優れた積層膜が得られることを見出し、発明を完成した。
すなわち、本発明は、
(1)基材上に積層するためのITO膜及びFTO膜からなる透明導電膜であって、前記FTO膜の膜厚が5nm〜20nmであり、前記FTO膜の表面の結晶構造の一部又は全部が斜方晶であることを特徴とする透明導電膜、
(2)350℃で1時間加熱後のシート抵抗値の変化率が1.5倍以下であることを特徴とする(1)記載の透明導電膜、
(3)シート抵抗値が300Ω/□以下であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の透明導電膜
(4)前記FTO膜が連続膜であることを特徴とする(1)から(3)のいずれか一に記載の透明導電膜に関する。
また、本発明は、
(5)パイロゾル法によりITO膜を基材上に成膜した後、連続的にITO膜上にFTO膜を成膜することを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載の透明導電膜の製造方法に関する
本発明のFTO/ITO積層膜からなる透明導電膜はFTO膜表面の一部又は全部が斜方晶の結晶構造を有することから、膜厚が5nm〜20nmと薄い場合でも、耐熱性に優れ、350℃で1時間加熱後のシート抵抗値の変化率が1.5倍以下という好結果が得られた。そのため、液晶表示素子や太陽電池などの透明電極板等に使用可能であることはもちろんのこと、特に、色素増感太陽電池の透明電極としても使用可能であることが本発明の優れた点である。
実施例、比較例1及び比較例2の薄膜表面のX線回折結果を示す図である。 実施例の積層体の断面TEM法による断面構造観察結果を示す図である。 比較例1の積層体の断面TEM法による断面構造観察結果を示す図である。
(透明導電膜)
本発明の透明導電膜は、基材側にITO膜が設けられ、その上にFTO膜が積層されている。FTO膜の表面の一部又は全部が斜方晶の結晶構造を有している。
本発明において、表面の一部が斜方晶とは、少なくとも、シート抵抗値の変化率が1.5倍以下となるために必要な量だけ斜方晶が含まれている状態をいう。結晶構造の一部が斜方晶を有している場合、残りは正方晶又はその他の結晶系であり、通常、混晶状態となる。
斜方晶とは、結晶学の分野で一般に用いられている7つの結晶系(立方晶、六方晶、菱面体晶、正方晶、斜方晶、単斜晶、三斜晶)のうち、軸長の関係がa≠b≠cであり、軸角の関係がα=β=γ=90°であるものをいう。結晶系の同定は、単結晶および粉末のX線回折、中性子線回折、電子線回折等により行われる。
斜方晶の結晶構造を生成させるためには、特にパイロゾル法により成膜する場合、後述するように、複数の成膜炉を連結した成膜炉内においてベルト上を移送される基材上にITO膜の成膜後に、連結した成膜炉内で引き続き連続的にFTO膜を成膜することが必要である。ここで、連続膜とは、結晶が隙間なく並んでいる膜をいう。成膜炉でITO膜を成膜後、一旦成膜炉外に出した後、再度成膜炉でFTO膜を成膜すると、FTO膜の表面構造は正方晶になるとともに、シート抵抗値の変化率は1.5倍を超える。
また、ITO膜及びFTO膜の膜厚は、液晶表示素子や太陽電池などの透明電極板等として使用可能である限り制限はないが、FTO、ITOの有するメリットを生かすことができ、かつコストなどの点からFTO膜の膜厚は、5nm〜20nmが好ましく、10nm〜20nmがより好ましい。一方、ITO膜の膜厚は20nm〜60nmが好ましく、30nm〜50nmがより好ましい。
FTO膜及びITO膜は各々、少なくとも1層からなり、前記膜厚を越えない限り、多層に積層できる。
前記特許文献1に記載されたITO膜とFTO膜の積層膜は、ITO膜の膜厚が100nm〜1000nm、FTO膜の膜厚は30nm〜350nmである。同文献では、FTO膜の膜厚はITOの保護のために少なくとも30nm必要とされているに比べて、本発明の透明導電膜は膜厚がITO膜、FTO膜共に薄くすることもできることが特徴である。
本発明の透明導電膜は、FTO膜が5nm〜20nmと薄い場合でも350℃以上の温度に対する耐熱性が優れており、350℃の温度で1時間の加熱後のシート抵抗値の変化率が1.5倍以下、好ましくは、1.2倍以下である。また、シート抵抗値は、特に色素増感太陽電池の透明電極として使用する場合は300Ω/□以下であることが要求されているが、膜厚を調整することにより300Ω/□以下とすることが可能である。
(透明電極用基材)
本発明の透明導電膜は基材上に積層される。基材は、通常、透明基材が使用されるが、透明でなくてもよい。
透明基材は、具体的には、アルカリガラス、石英ガラス等のガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアリレート等のポリエステル、ポリエーテルスルホン系樹脂、アモルファスポリオレフィン、ポリスチレン、アクリル樹脂等が挙げられる。これらの材質は、最終的に用いる製品の用途に応じて最適なものが適宜選択される。
基材と透明導電膜との間には必要に応じて透明導電膜にアルカリ成分等が侵入するのを防止するために無機酸化物膜を形成することができる。無機酸化物膜として具体的には、ケイ素酸化物(SiO),アルミニウム酸化物(Al),チタン酸化物(TiO),ジルコニウム酸化物(ZrO),イットリウム酸化物(Y),イッテルビウム酸化物(Yb),マグネシウム酸化物(MgO),タンタル酸化物(Ta),セリウム酸化物(CeO)またはハフニウム酸化物(HfO)、有機ポリシラン化合物から形成されるポリシラン膜、MgF膜、CaF膜、SiOとTiOの複合酸化物等からなる膜を例示することができる。
(透明導電膜の製法)
透明導電膜の製造方法としては、本発明の目的とする物性値を有する膜を成膜できる方法であればよく、具体的には、スパッター法、電子ビーム法、イオンプレーテイング法、スクリーン印刷法又は化学的気相成長法(CVD法)、スプレー熱分解法(SPD法)、パイロゾル法等を例示することができるが、特にパイロゾル法を好ましく例示することができる。
以下に、パイロゾル法による本発明の製法について具体的に説明する。
ITO膜形成溶液に用いられるインジウム化合物としては、熱分解して酸化インジウムになる物質が好ましく、具体的には、インジウムトリスアセチルアセトナート(In(CHCOCHCOCH)、インジウムトリスベンゾイルメタネート(In(CCOCHCOC)、三塩化インジウム(InCl)、硝酸インジウム(In(NO)、インジウムトリイソプロポキシド(In(OPr−i))等を例示することができる。
また、スズ化合物としては、熱分解して酸化第2スズになるものを好ましく用いることができ、具体的には、塩化第2スズ、ジメチルスズジクロライド、ジブチルスズジクロライド、テトラブチルスズ、スタニアスオクトエート(Sn(OCOC15)、ジブチルスズマレエート、ジブチルズズアセテート、ジブチルスズビスアセチルアセトナート等を挙げることができる。
なお、前記インジウム化合物及びスズ化合物に加えて、第3成分として、Mg、Ca、Sr、Ba等の周期律表第2族元素、Sc、Y等の第3族元素、La、Ce、Nd、Sm、Gd等のランタノイド、Ti、Zr、Hf等の第4族元素、V、Nb、Ta等の第5族元素、Cr、Mo、W等の第6族元素、Mn等の第7族元素、Co等の第9族元素、Ni、Pd、Pt等の第10族元素、Cu、Ag等の第11族元素、Zn、Cd等の第12族元素、B、Al、Ga等の第13族元素、Si、Ge、Pb等の第14族元素、P、As、Sb等の第15族元素、Se、Te等の第16族元素等の単体若しくはこれらの化合物を添加してITO膜を形成することもできる。
FTO膜形成溶液に用いられるフッ素化合物としては、フッ化水素、フッ化ナトリウム、トリフルオロ酢酸、ジフルオロエタン、ブロモトリフルオロメタンなどを挙げることができる。また、スズ化合物としては、上記ITO膜の製造に用いられるスズ化合物を用いることができる。
上記化合物を、メタノール、エタノール等のアルコール類、アセトン、メチルブチルケトン、アセチルアセトン等のケトン類等の有機溶媒に溶解して、FTO膜形成溶液及びFTO膜形成溶液を調製する。
パイロゾル法により透明基材上にITO膜及びFTO膜を成膜するには、以下のようにして行う。
予め400〜750℃、好ましくは400〜550℃に加熱したコンベア式成膜炉を複数基連結し、基材を炉内に投入する。第1基目の炉内でITO膜形成溶液を、第2基目の炉内でFTO膜形成溶液を、それぞれ超音波で霧滴状にして空気をキャリアガスとしてコンベア炉の中に吹き込み、基材の表面に接触させて熱分解させることにより、膜を作製する。膜厚はコンベアの速度を変えることにより調整することができる。
成膜炉を3基以上連結することにより、ITO膜、FTO膜の少なくともいずれかを多層膜とすることもできる。また、第1基目でSiO膜などの他の無機酸化物膜を成膜することもできる。
以下に、実施例について示すが、本発明の技術的範囲は、これに限定されるものではない。
(実施例1) ガラス/SiO/ITO/FTO積層体 (連続成膜)
500℃に加熱したコンベアー炉を3基(炉(1)〜(3))連結し、ソーダライムガラス基材(320×420×0.7mm)をコンベアー炉内に投入し、第1基においてはSiO膜形成溶液(テトラエトキシシラン(溶液I))、第2基においてはITO膜形成溶液(塩化第2スズを5モル%含むインジウムアセチルアセトンを0.2モル/L含むアセチルアセトン溶液(溶液II))、第3基においてはFTO膜形成溶液(フッ素を150モル%含むジブチルスズジアセテートを0.5モル/L含むエタノール溶液(溶液III))をそれぞれ用い、超音波で霧滴状にして空気をキャリアガスとしてコンベアー炉の中に吹き込み、ガラス基材の表面に接触させて熱分解させることにより、積層体を連続的に作製した。得られた積層体は、ガラス/SiO膜(40nm)/ITO膜(40nm)/FTO膜(13nm)であった。
(比較例1) ガラス/SiO/ITO/FTO積層体 (非連続成膜法)
比較のために、実施例と同じ組成のITO膜をガラス基材に成膜後、一旦ガラス基材を取り出し、その後再度成膜炉にガラス基材を投入してITO膜の上にFTO膜を成膜して実施例とほぼ同じ膜厚の積層体を作製した。
1回目の成膜では、500℃に加熱したコンベアー炉を2基(炉(1)〜(2))連結し、ソーダライムガラス基材(320×420×0.7mm)をコンベアー炉内に投入し、第1基においてはSiO膜形成溶液(テトラエトキシシラン(溶液I))、第2基においてはITO膜形成溶液(塩化第2スズを5モル%含むインジウムアセチルアセトンを0.2モル/L含むアセチルアセトン溶液(溶液II))をそれぞれ用いた以外は実施例1と同じ方法で積層体を作製した。得られた積層体は、ガラス/SiO膜(40nm)/ITO膜(40nm)であった。
2回目の成膜では500℃に過熱したコンベアー炉1基を使用し、1回目で得られたガラス/SiO/ITO積層体をコンベアー炉に投入し、FTO膜形成溶液(フッ素を150モル%含むジブチルスズジアセテートを0.5モル/L含むエタノール溶液(溶液III))を用いた以外は実施例1と同じ方法で積層体を作製した。得られた積層体は、ガラス/SiO膜(40nm)/ITO膜(40nm)/FTO膜(17nm)であった。
(比較例2) ガラス/SiO/ITO/FTO積層体
1回目の成膜は、比較例1と同じ方法で積層体を作製した。得られた積層体は、ガラス/SiO膜(40nm)/ITO膜(40nm)であった。
2回目の成膜は、搬送速度を比較例1よりも遅くした以外は同じ方法で積層体を作製した。得られた積層体は、ガラス/SiO膜(40nm)/ITO膜(40nm)/FTO膜(54nm)であった。
上記実施例1、比較例1及び比較例2につき、膜厚、350℃で1時間加熱前後のシート抵抗値、変化率、可視光透過率、FTO膜の結晶系、断面構造の評価を行ない、結果を表1及び図1に示す。
尚、膜厚はエリプソメータ(アイメック社製SE800)を用い、シート抵抗値は4端子法により、可視光透過率(550nm)は分光光度計(日立社製U4000)を用い、結晶系は薄膜評価用試料水平型X線回折装置(リガク社製SmartLab)を用い、断面構造は断面TEM法によりそれぞれ評価した。
その結果、本発明品は、従来品と比較して、FTO膜厚が薄いにも関わらず耐熱性が向上していることがわかった(表1)。
また、本発明品のFTO膜の結晶系は斜方晶となり、従来品のFTO膜の結晶系(正方晶)とは異なることがわかった(図1)。さらに本発明品のFTO膜の表面は、微細凹凸はあるものの、表面平坦性が良好であったが(図2)、従来品のFTO膜の表面は、表面凹凸があり、表面平坦性が良くないことがわかった(図3)。

Claims (5)

  1. 基材上に積層したITO膜及びFTO膜からなる透明導電膜であって、パイロゾル法によって連続成膜され、前記FTO膜の膜厚が5nm〜20nmであり、前記FTO膜の結晶構造の一部又は全部が斜方晶であることを特徴とする透明導電膜。
  2. 350℃で1時間加熱後のシート抵抗値の変化率が1.5倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の透明導電膜。
  3. シート抵抗値が300Ω/□以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の透明導電膜。
  4. 前記FTO膜が連続膜であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の透明導電膜。
  5. パイロゾル法によりITO膜を基材上に成膜した後、連結した成膜炉内で連続的にITO膜上にパイロゾル法によりFTO膜を成膜することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の透明導電膜の製造方法。
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