JP5689202B1 - Dye-sensitized solar cell provided with a condensing device - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高い光電変換効率に相当する高電力が発現できる色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。【解決手段】光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池であって、(1)光電極が、チタン材料上に、色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたものであり、(2)対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルム上に、電気化学的還元触媒層がコーティングされたものであり、(3)集光装置が対極側に配置されているものであることを特徴とする色素増感型太陽電池。【選択図】なしAn object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell capable of expressing high power corresponding to high photoelectric conversion efficiency. A dye-sensitized solar cell in which a photoelectrode and a counter electrode are arranged to face each other via an electrolyte layer, wherein (1) the photoelectrode contains a dye sensitizer on a titanium material. (2) The counter electrode is a transparent conductive glass or transparent conductive film coated with an electrochemical reduction catalyst layer, and (3) the light collecting device is on the counter electrode side. A dye-sensitized solar cell, which is disposed in [Selection figure] None

Description

本発明は、色素増感型太陽電池に関する。   The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.

太陽電池としては、単結晶、多結晶又はアモルファスのシリコン型太陽電池、CIGS、CdTe、GaAs等の化合物半導体太陽電池、有機薄膜太陽電池、色素増感型太陽電池等、多種類のものがある。   There are many types of solar cells, such as single crystal, polycrystalline or amorphous silicon solar cells, compound semiconductor solar cells such as CIGS, CdTe, and GaAs, organic thin film solar cells, and dye-sensitized solar cells.

現在、シリコン型太陽電池が主流となっている。しかしながら、シリコン型太陽電池は、高純度のシリコン材料が必要である。また、シリコン型太陽電池は、高温及び高真空下で製造する必要があり、製造コストが高いという点については改善の余地がある。   At present, silicon solar cells are the mainstream. However, a silicon-type solar cell requires a high-purity silicon material. In addition, silicon type solar cells need to be manufactured under high temperature and high vacuum, and there is room for improvement in terms of high manufacturing cost.

こうした中、近年、色素増感型太陽電池が注目を集めている。色素増感型太陽電池は、その構造が簡単であることから容易に作製でき、また構成材料は豊富である。また、色素増感型太陽電池は、安価で作製でき、高い光電変換効率を有する。そのため、色素増感型太陽電池は、次世代太陽電池として注目されている。   In these circumstances, in recent years, dye-sensitized solar cells have attracted attention. The dye-sensitized solar cell can be easily manufactured because of its simple structure, and the constituent materials are abundant. In addition, the dye-sensitized solar cell can be manufactured at low cost and has high photoelectric conversion efficiency. Therefore, the dye-sensitized solar cell has attracted attention as a next-generation solar cell.

色素増感型太陽電池は、光電極と対極との間に、可逆な電気化学的酸化還元特性を有する電解液を注入後、光電極と対極とを封止及び結線するという簡便な手法により、構築できる。   The dye-sensitized solar cell has a simple method of sealing and connecting the photoelectrode and the counter electrode after injecting an electrolytic solution having reversible electrochemical redox characteristics between the photoelectrode and the counter electrode. Can be built.

光電極は、従来は以下の手法により作製されるものである。先ず、ITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine Tin Oxide)等の透明導電膜を形成させたガラス基板である透明導電性ガラスの表面に、酸化チタン微粒子を含むペースト剤をコーティングする。次いで、得られたコーティング物を400〜500℃の温度で熱処理することにより、多孔質状の酸化チタン層を有する電極を作製する。次いで、ルテニウム系色素、インドリン系色素等の色素増感剤を含む有機溶液中に、得られた電極を浸漬することにより、多孔質状の酸化チタンの表面に色素増感剤が吸着した光電極を作製する。   Conventionally, the photoelectrode is produced by the following method. First, a paste containing titanium oxide fine particles is coated on the surface of transparent conductive glass, which is a glass substrate on which a transparent conductive film such as ITO (Indium Tin Oxide) or FTO (Fluorine Tin Oxide) is formed. Next, the obtained coating material is heat-treated at a temperature of 400 to 500 ° C. to produce an electrode having a porous titanium oxide layer. Next, a photoelectrode in which the dye sensitizer is adsorbed on the surface of the porous titanium oxide by immersing the obtained electrode in an organic solution containing a dye sensitizer such as a ruthenium dye or an indoline dye Is made.

次に、対極は、スパッタリング等の手法により、透明導電膜を形成させたガラス基板やフィルム上に、電気化学的還元作用を発揮する白金層を形成させることにより作製されるものである。   Next, the counter electrode is produced by forming a platinum layer that exhibits an electrochemical reduction action on a glass substrate or film on which a transparent conductive film has been formed by a technique such as sputtering.

しかしながら、従来の色素増感型太陽電池では、光電極及び対極を構成する透明導電膜は電気抵抗が比較的に大きい。そのため、酸化チタンのコーティング面積(透明導電膜の面積)を大きくすると、得られた色素増感型太陽電池の光電変換効率が著しく低下するという点については改善の余地がある。また、多孔質状の酸化チタン層(酸化チタン焼結体)を作製する際の加熱処理により、透明導電膜の電気抵抗が大きくなる。そのため、色素増感型太陽電池の光電変換効率の低下を招くという点についても改善の余地がある。   However, in the conventional dye-sensitized solar cell, the transparent conductive film constituting the photoelectrode and the counter electrode has a relatively large electric resistance. Therefore, there is room for improvement in that the photoelectric conversion efficiency of the obtained dye-sensitized solar cell is significantly reduced when the coating area of titanium oxide (area of the transparent conductive film) is increased. Moreover, the electrical resistance of a transparent conductive film becomes large by the heat processing at the time of producing a porous titanium oxide layer (titanium oxide sintered body). Therefore, there is room for improvement in that the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is reduced.

こうした中、光電極の基板として金属チタンを用いる技術が検討されている。この技術は、従来の透明導電膜を形成させたガラス基板と比較して電気抵抗値が低く、従来の透明導電膜を用いた色素増感太陽電池と比較すると、特に酸化チタンのコーティング面積が大きい際に、光電変換効率が高くなり、色素増感型太陽電池に用いる電解液に含まれるヨウ素等に対して耐腐食性を有する。   Under such circumstances, a technique using metal titanium as a substrate for a photoelectrode is being studied. This technology has a low electrical resistance value compared to a conventional glass substrate on which a transparent conductive film is formed, and has a particularly large titanium oxide coating area compared to a dye-sensitized solar cell using a conventional transparent conductive film. In this case, the photoelectric conversion efficiency is increased, and it has corrosion resistance against iodine and the like contained in the electrolyte solution used in the dye-sensitized solar cell.

しかしながら、色素増感太陽電池の光電変換効率は、現状の太陽電池の主流と
なっているシリコン型太陽電池と比較すると、低いという問題点があり、得られる電力が少なかった。
However, there is a problem that the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is lower than that of the silicon type solar cell which is the mainstream of the current solar cell, and the electric power obtained is small.

このような観点から集光装置を用いる色素増感太陽電池も検討されている。
例えば、特許文献1には、透明導電性ガラスや透明導電性プラスチックで形成された色素増感太陽電池の電極側にマイクロレンズアレイを設置し入射する光を集光する。また対極側に鏡を設置し、透過した光を反射させ再度多孔質層に照射されることで変換効率を向上させるという技術が開示されている。
From such a viewpoint, a dye-sensitized solar cell using a condensing device has also been studied.
For example, Patent Document 1 collects incident light by installing a microlens array on the electrode side of a dye-sensitized solar cell made of transparent conductive glass or transparent conductive plastic. In addition, a technique is disclosed in which a mirror is installed on the counter electrode side, the transmitted light is reflected, and the conversion efficiency is improved by irradiating the porous layer again.

また特許文献2には、ITO(Indium Tin Oxide)膜をコーティングしたガラス基板やPET(polyethylene terephthalate)やPEN(polyethylene naphthalate)等の透明プラスチック材
料の光受光面をパラキシリレン系樹脂膜で凸面曲状に覆うように形成することにより、集光効率を高めるという技術が開示されている。
Patent Document 2 discloses that a light receiving surface of a transparent plastic material such as a glass substrate coated with an ITO (Indium Tin Oxide) film or PET (polyethylene terephthalate) or PEN (polyethylene naphthalate) is curved with a paraxylylene resin film. A technique of increasing the light collection efficiency by forming the cover is disclosed.

しかしながら、これらの技術は、電気抵抗の大きな透明導電膜を使用しているために、光電変換効率はあまり向上するものではなく、改善の余地があった。   However, since these techniques use a transparent conductive film having a large electric resistance, the photoelectric conversion efficiency does not improve so much and there is room for improvement.

特開2009-224105号公報JP 2009-224105 A 特開2009-193702号公報JP 2009-193702

本発明は、高い光電変換効率に相当する高電力が発現できる色素増感型太陽電池を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the dye-sensitized solar cell which can express the high electric power equivalent to high photoelectric conversion efficiency.

本発明者は、従来技術の問題点を解決すべく鋭意検討をした処、特定の構造を備える色素増感型太陽電池が上記目的を達成できることを見出した。   As a result of diligent studies to solve the problems of the prior art, the present inventor has found that a dye-sensitized solar cell having a specific structure can achieve the above object.

即ち、本発明は、下記の色素増感型太陽電池である。   That is, the present invention is the following dye-sensitized solar cell.

項1 光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池であって、
(1)光電極が、チタン材料上に、色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたものであり、
(2)対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルム上に、電気化学的還元触媒層がコーティングされたものであり、
(3)集光装置が対極側に配置されているものであることを特徴とする色素増感型太陽電池。
Item 1: A dye-sensitized solar cell in which a photoelectrode and a counter electrode are disposed to face each other with an electrolyte layer interposed therebetween,
(1) A photoelectrode is formed by forming a titanium oxide layer containing a dye sensitizer on a titanium material,
(2) The counter electrode is a transparent conductive glass or transparent conductive film coated with an electrochemical reduction catalyst layer,
(3) The dye-sensitized solar cell, wherein the light collecting device is disposed on the counter electrode side.

項2 前記チタン材料が、金属チタン、チタン合金、表面処理した金属チタン及び表面処理したチタン合金からなる群から選ばれる材料であることを特徴とする項1記載の色素増感型太陽電池。   Item 2. The dye-sensitized solar cell according to Item 1, wherein the titanium material is a material selected from the group consisting of titanium metal, titanium alloy, surface-treated metal titanium, and surface-treated titanium alloy.

項3 前記酸化チタン層の形状が、長方形であることを特徴とする項1または2に記載の色素増感型太陽電池。   Item 3. The dye-sensitized solar cell according to Item 1 or 2, wherein the titanium oxide layer has a rectangular shape.

項4 前記電気化学的還元触媒層が、白金触媒層である項1〜3のいずれかに記載の色
素増感型太陽電池。
Item 4. The dye-sensitized solar cell according to any one of Items 1 to 3, wherein the electrochemical reduction catalyst layer is a platinum catalyst layer.

項5 前記対極の透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルムが、反射防止膜加工したものであることを特徴とすることを項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。   Item 5. The dye-sensitized solar cell according to any one of Items 1 to 4, wherein the transparent conductive glass or transparent conductive film of the counter electrode is an antireflection film processed.

項6 前記対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルムの光照射面にさらに反射防止フィルムを設けているものである特徴とすることを項1〜4のいずれかに記載の色素増感型太陽電池。   Item 6 The dye-sensitized dye according to any one of Items 1 to 4, wherein the counter electrode is provided with an antireflection film on the light irradiation surface of the transparent conductive glass or the transparent conductive film. Solar cell.

項7 冷却装置が配置されていることを特徴とする項1〜6のいずれにかに記載の色素増感太陽電池。   Item 7. The dye-sensitized solar cell according to any one of Items 1 to 6, wherein a cooling device is disposed.

項8 前記光電極のチタン材料が、以下の表面処理方法により製造されるものである、項1〜7のいずれかに記載の色素増感型太陽電池:
(1)金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、及び
(2)工程(1)で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有する電解液を用いて、火花放電発生電圧以上にて陽極酸化を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する工程。
Item 8 The dye-sensitized solar cell according to any one of Items 1 to 7, wherein the titanium material of the photoelectrode is produced by the following surface treatment method:
(1) a step of forming titanium nitride on the surface of the metal titanium material or titanium alloy material, and (2) a metal titanium material or titanium alloy material obtained in step (1) and having titanium nitride formed on the surface. A process of forming an anatase-type titanium oxide film by anodizing at a voltage higher than the spark discharge voltage using an electrolytic solution having an etching action on titanium.

項9 前記光電極のチタン材料が、以下の表面処理方法により製造されるものである、項1〜7のいずれかに記載の色素増感型太陽電池:
(1)金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有しない電解液中で、陽極酸化を行う工程、及び
(3)工程(2)で得られた、陽極酸化処理を施した金属チタン材料又はチタン合金材料を、酸化性雰囲気中で加熱処理を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する工程。
Item 9 The dye-sensitized solar cell according to any one of Items 1 to 7, wherein the titanium material of the photoelectrode is produced by the following surface treatment method:
(1) a step of forming titanium nitride on the surface of the titanium metal material or titanium alloy material;
(2) A step of anodizing the metal titanium material or titanium alloy material having titanium nitride formed on the surface obtained in step (1) in an electrolyte solution having no etching action on titanium, And (3) A step of heat-treating the anodized metal titanium material or titanium alloy material obtained in step (2) in an oxidizing atmosphere to form an anatase-type titanium oxide film.

項10 前記チタン窒化物を形成する工程が、PVD処理、CVD処理、溶射処理、アンモニアガス雰囲気下での加熱処理及び窒素ガス雰囲気下での加熱処理よりなる群から選択された1種の処理方法により行うものである、項8又は9記載の色素増感型太陽電池。   Item 10. The method of forming the titanium nitride is one treatment method selected from the group consisting of PVD treatment, CVD treatment, thermal spray treatment, heat treatment under an ammonia gas atmosphere, and heat treatment under a nitrogen gas atmosphere Item 10. The dye-sensitized solar cell according to Item 8 or 9, wherein

項11 前記窒素ガス雰囲気下での加熱処理が、酸素トラップ剤の存在下で実施するものである、項10記載の色素増感太陽電池。   Item 11 The dye-sensitized solar cell according to Item 10, wherein the heat treatment under a nitrogen gas atmosphere is performed in the presence of an oxygen trap agent.

本発明の色素増感型太陽電池は、高い光電変換効率に相当する高電力を発現することができる。   The dye-sensitized solar cell of the present invention can express high power corresponding to high photoelectric conversion efficiency.

本発明の色素増感型太陽電池の一実施形態を示す概略図(断面図)である。It is the schematic (sectional drawing) which shows one Embodiment of the dye-sensitized solar cell of this invention.

以下に本発明を詳細に説明する。尚、本明細書では、金属チタン、チタン合金、表面処理した金属チタン及び表面処理したチタン合金からなる群から選ばれる材料を単にチタン材料と記すこともある。   The present invention is described in detail below. In the present specification, a material selected from the group consisting of titanium metal, titanium alloy, surface-treated metal titanium, and surface-treated titanium alloy may be simply referred to as titanium material.

本発明の色素増感型太陽電池は、光電極と対極とが電解質層を介して対向配置されており、
(1)光電極が、チタン材料上に、色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたもの
であり、
(2)対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルム上に、電気化学的還元触媒層がコーティングされたものであり、
(3)集光装置が対極側に配置されているものであることを特徴とする色素増感型太陽電池を特徴とする。
本発明の色素増感型太陽電池は、光電極が光透過性のないチタン材料にて構成されるために、光照射を、対極から実施する。さらに対極と光源の間に集光装置を用いることにより、高い光電変換効率に相当する高電力を発現することができる。
In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the photoelectrode and the counter electrode are disposed to face each other with the electrolyte layer interposed therebetween,
(1) A photoelectrode is formed by forming a titanium oxide layer containing a dye sensitizer on a titanium material,
(2) The counter electrode is a transparent conductive glass or transparent conductive film coated with an electrochemical reduction catalyst layer,
(3) A dye-sensitized solar cell is characterized in that the light collecting device is disposed on the counter electrode side.
In the dye-sensitized solar cell of the present invention, since the photoelectrode is composed of a titanium material that does not transmit light, light irradiation is performed from the counter electrode. Furthermore, by using a condensing device between the counter electrode and the light source, high power corresponding to high photoelectric conversion efficiency can be expressed.

本発明の色素増感太陽電池は、以下の部材にて構成される。   The dye-sensitized solar cell of the present invention is composed of the following members.

(1)光電極
色素増感型太陽電池は、光電極と対極とが電解質層を介して対向配置されている。光電極は、金属チタン、チタン合金、表面処理した金属チタン及び表面処理したチタン合金からなる群から選ばれる材料(以下「チタン材料」とも記す、光電極基板)上に、色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたものである。
(1) In a photoelectrode dye-sensitized solar cell, a photoelectrode and a counter electrode are arranged to face each other with an electrolyte layer interposed therebetween. The photoelectrode contains a dye sensitizer on a material selected from the group consisting of titanium metal, titanium alloy, surface-treated metal titanium, and surface-treated titanium alloy (hereinafter also referred to as “titanium material”). The titanium oxide layer to be formed is formed.

光電極基板
光電極基板は、チタン材料自体を用いることも可能である。チタン材料は基材となる。
Photoelectrode substrate The titanium electrode itself can be used for the photoelectrode substrate. Titanium material becomes a base material.

金属チタン材料とは、チタンそのものである。チタン合金材料を使用する場合、その種類については、特に限定されない。当該チタン合金としては、Ti−6Al−4V、Ti−4.5Al−3V−2Fe−2Mo、Ti−0.5Pd等が挙げられる。   The metal titanium material is titanium itself. When a titanium alloy material is used, the type is not particularly limited. Examples of the titanium alloy include Ti-6Al-4V, Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo, Ti-0.5Pd, and the like.

また、光電極基板は、色素増感剤の光励起に伴う電子が酸化チタン層から光電極基板に移行する際に電解液層への電子の漏出を防ぐ等という理由から、チタン材料に対して、下記表面処理方法A又はBを施し、チタン材料の表面にアナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成させたものを使用することが好ましい。アナターゼ型酸化チタンの皮膜は半導体層となる。   In addition, the photoelectrode substrate is for the titanium material, for example, to prevent leakage of electrons to the electrolyte layer when electrons accompanying photoexcitation of the dye sensitizer migrate from the titanium oxide layer to the photoelectrode substrate. The following surface treatment method A or B is preferably used, and an anatase-type titanium oxide film formed on the surface of the titanium material is preferably used. The film of anatase type titanium oxide becomes a semiconductor layer.

本発明の色素増感型太陽電池は、光電極基板が、チタン材料上に色素増感剤を含有する半導体層が形成されたものであるため、特に酸化チタンコーティング面積が大きい際に光電変換効率が高い。   In the dye-sensitized solar cell of the present invention, since the photoelectrode substrate is a titanium material on which a semiconductor layer containing a dye sensitizer is formed, the photoelectric conversion efficiency is particularly large when the titanium oxide coating area is large. Is expensive.

光電極基板の厚みは、通常0.01〜10mm程度、好ましくは0.01〜5mm程度、より好ましく
は0.05〜1mm程度である。
The thickness of the photoelectrode substrate is usually about 0.01 to 10 mm, preferably about 0.01 to 5 mm, more preferably about 0.05 to 1 mm.

表面処理方法A
光電極基板(光電極のチタン材料)は、以下の表面処理方法により製造される、表面にアナターゼ型酸化チタンを有する半導体層を有する光電極基板からなるものであることが好ましい。
(1)金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、及び
(2)工程(1)で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有する電解液を用いて、火花放電発生電圧以上にて陽極酸化を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する工程。
Surface treatment method A
The photoelectrode substrate (titanium material of the photoelectrode) is preferably made of a photoelectrode substrate having a semiconductor layer having anatase-type titanium oxide on the surface, which is produced by the following surface treatment method.
(1) a step of forming titanium nitride on the surface of the metal titanium material or titanium alloy material, and (2) a metal titanium material or titanium alloy material obtained in step (1) and having titanium nitride formed on the surface. A process of forming an anatase-type titanium oxide film by anodizing at a voltage higher than the spark discharge voltage using an electrolytic solution having an etching action on titanium.

表面処理方法B
光電極基板(光電極のチタン材料)は、以下の表面処理方法により製造される、表面にアナターゼ型酸化チタンを有する半導体層を有する光電極基板からなるものであることが好ましい。
(1)金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有しない電解液中で、陽極酸化を行う工程、及び
(3)工程(2)で得られた、陽極酸化処理を施した金属チタン材料又はチタン合金材料を、酸化性雰囲気中で加熱処理を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する工程。
Surface treatment method B
The photoelectrode substrate (titanium material of the photoelectrode) is preferably made of a photoelectrode substrate having a semiconductor layer having anatase-type titanium oxide on the surface, which is produced by the following surface treatment method.
(1) a step of forming titanium nitride on the surface of the titanium metal material or titanium alloy material;
(2) A step of anodizing the metal titanium material or titanium alloy material having titanium nitride formed on the surface obtained in step (1) in an electrolyte solution having no etching action on titanium, And (3) A step of heat-treating the anodized metal titanium material or titanium alloy material obtained in step (2) in an oxidizing atmosphere to form an anatase-type titanium oxide film.

表面処理方法A及びBの工程(1)
チタン材料(金属チタン又はチタン合金)の表面にチタン窒化物を形成する工程(工程(1))では、チタン材料の表面にチタン窒化物の層を、通常0.1〜100μm程度形成することができる。チタン窒化物の層は、好ましくは0.5〜50μm程度であり、より好ましく
は1〜10μm程度である。
Step (1) of surface treatment methods A and B
In the step of forming titanium nitride on the surface of the titanium material (metal titanium or titanium alloy) (step (1)), a titanium nitride layer can usually be formed on the surface of the titanium material to a thickness of about 0.1 to 100 μm. The titanium nitride layer is preferably about 0.5 to 50 μm, more preferably about 1 to 10 μm.

チタン材料の表面にチタン窒化物を形成させる手段については、特に限定されない。例えば、チタン材料の表面にチタン窒化物を物理的又は化学的に付着させる方法や、チタン材料の表面上でチタンと窒素とを反応させてチタン窒化物を形成させる方法が挙げられる。   The means for forming titanium nitride on the surface of the titanium material is not particularly limited. For example, there are a method of physically or chemically attaching titanium nitride to the surface of the titanium material, and a method of forming titanium nitride by reacting titanium and nitrogen on the surface of the titanium material.

チタン窒化物を形成する工程は、PVD処理(物理気相蒸着)、CVD処理(化学気相蒸着)、溶射処理(吹きつけによる被膜形成)、アンモニアガス雰囲気下での加熱処理及び窒素ガス雰囲気下での加熱処理よりなる群から選択された1種の処理方法により行うものであることが好ましい。   The titanium nitride formation process includes PVD treatment (physical vapor deposition), CVD treatment (chemical vapor deposition), thermal spray treatment (film formation by spraying), heat treatment in an ammonia gas atmosphere, and nitrogen gas atmosphere. It is preferable to carry out by one kind of treatment method selected from the group consisting of the heat treatment in [1].

PVD処理としては、イオンプレーティング、スパッタリング等が挙げられる。CVD処理としては、熱CVD処理、プラズマCVD処理、レーザーCVD処理等が挙げられる。溶射処理とし
ては、フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、レーザー溶射等が挙げられる。
Examples of the PVD treatment include ion plating and sputtering. Examples of the CVD process include a thermal CVD process, a plasma CVD process, and a laser CVD process. Examples of the thermal spraying process include flame spraying, arc spraying, plasma spraying, and laser spraying.

アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下での加熱処理の加熱温度は、500℃程度以上が好
ましく、750〜1050℃程度がより好ましく、750℃〜950℃程度が更に好ましい。窒素ガス
雰囲気下で、通常500℃程度以上(好ましくは750℃程度以上)でチタン材料を加熱する方法が好ましい。
The heating temperature of the heat treatment under an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere is preferably about 500 ° C. or more, more preferably about 750 to 1050 ° C., and further preferably about 750 to 950 ° C. A method of heating the titanium material at about 500 ° C. or higher (preferably about 750 ° C. or higher) in a nitrogen gas atmosphere is preferable.

アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下での加熱処理は、酸素トラップ剤の存在下で行われることが好ましい。   The heat treatment in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere is preferably performed in the presence of an oxygen trap agent.

特に、酸素トラップ剤の存在下、窒素ガス雰囲気下での加熱処理を行って、チタン窒化物を形成することが好ましい。   In particular, it is preferable to form titanium nitride by performing a heat treatment in a nitrogen gas atmosphere in the presence of an oxygen trap agent.

チタン材料の加熱処理で用いられる酸素トラップ剤は、チタン材料よりも酸素に対する親和性が高い物質又は気体が挙げられる。例えば、カーボン材料、金属粉末、水素ガス等が好ましい材料である。これらの酸素トラップ剤は、1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。   Examples of the oxygen trap agent used in the heat treatment of the titanium material include a substance or gas having a higher affinity for oxygen than the titanium material. For example, carbon materials, metal powder, hydrogen gas, etc. are preferable materials. These oxygen trap agents may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

カーボン材料としては、特に制限されず、例えば黒鉛質系カーボン、非晶質カーボン、これらの中間的結晶構造を持つカーボン等が挙げられる。カーボン材料は、平板状、箔状、粉末状等如何なる形状のものでもよい。取扱い性やチタン材料の加熱処理中の熱歪を防止できるという理由から、平板状のカーボン材料を使用することが好ましい。   The carbon material is not particularly limited, and examples thereof include graphitic carbon, amorphous carbon, and carbon having an intermediate crystal structure. The carbon material may have any shape such as a flat plate shape, a foil shape, and a powder shape. It is preferable to use a flat carbon material because it is easy to handle and prevents thermal distortion during the heat treatment of the titanium material.

金属粉末としては、特に制限されず、例えばチタン、チタン合金、クロム、クロム合金、モリブデン、モリブデン合金、バナジウム、バナジウム合金、タンタル、タンタル合金
、ジルコニウム、ジルコニウム、ジルコニウム合金、シリコン、シリコン合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属粉末が挙げられる。酸素親和性が高いという理由から、チタン、チタン合金、クロム、クロム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属粉末を使用することが好ましい。最も好ましい金属粉末は、微粒子状のチタン、チタン合金の金属粉末である。前記金属粉末を1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
The metal powder is not particularly limited. For example, titanium, titanium alloy, chromium, chromium alloy, molybdenum, molybdenum alloy, vanadium, vanadium alloy, tantalum, tantalum alloy, zirconium, zirconium, zirconium alloy, silicon, silicon alloy, aluminum, Examples thereof include metal powders such as aluminum alloys. For reasons of high oxygen affinity, it is preferable to use metal powder such as titanium, titanium alloy, chromium, chromium alloy, zirconium, zirconium alloy, aluminum, aluminum alloy. The most preferable metal powder is fine particle titanium or titanium alloy metal powder. The said metal powder may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

金属粉末の平均粒子径は、好ましくは0.1〜1000μm程度であり、より好ましくは0.1〜100μm程度であり、更に好ましくは0.1〜10μm程度である。   The average particle diameter of the metal powder is preferably about 0.1 to 1000 μm, more preferably about 0.1 to 100 μm, and still more preferably about 0.1 to 10 μm.

アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気中での酸素トラップ剤を使用する条件を、酸素トラップ剤の種類や形状に応じて適時設定することができる。例えば、酸素トラップ剤としてカーボン材料や金属粉末を使用する場合であれば、チタン材料にカーボン材料や金属粉末を接触させ、チタン材料の表面をカーボン材料や金属粉末で覆い、チタン材料をアンモニアガス又は窒素ガス雰囲気中で加熱処理する方法が挙げられる。また酸素トラップ剤として水素ガスを使用する場合であれば、アンモニアガス、窒素ガス雰囲気下に水素ガスを導入した状態で、チタン材料を加熱処理する方法が挙げられる。   Conditions for using the oxygen trap agent in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere can be set in a timely manner according to the type and shape of the oxygen trap agent. For example, when a carbon material or metal powder is used as an oxygen trap agent, the carbon material or metal powder is brought into contact with the titanium material, the surface of the titanium material is covered with the carbon material or metal powder, and the titanium material is covered with ammonia gas or The method of heat-processing in nitrogen gas atmosphere is mentioned. In the case where hydrogen gas is used as the oxygen trap agent, there is a method in which the titanium material is heat-treated in a state where hydrogen gas is introduced in an atmosphere of ammonia gas or nitrogen gas.

アンモニアガス、窒素ガス、又はアンモニアガス及び窒素ガスの混合ガス雰囲気下で加熱処理を行うことができる。簡便性、経済性、安全性を考慮すると、窒素ガスを用いるのが最も好ましい。   Heat treatment can be performed in an atmosphere of ammonia gas, nitrogen gas, or a mixed gas of ammonia gas and nitrogen gas. Considering simplicity, economy and safety, it is most preferable to use nitrogen gas.

アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下での加熱処理の反応気圧としては、0.01〜100 MPa程度、好ましくは0.1〜10 MPa程度、更に好ましくは0.1〜1 MPa程度である。窒素ガス雰囲気下での加熱処理が好ましい。   The reaction pressure for the heat treatment in an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere is about 0.01 to 100 MPa, preferably about 0.1 to 10 MPa, and more preferably about 0.1 to 1 MPa. Heat treatment in a nitrogen gas atmosphere is preferable.

アンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下での加熱処理の加熱時間は、1分〜12時間程度が好ましく、10分〜8時間程度がより好ましく、1時間〜6時間程度が更に好ましい。この時
間で、チタン材料を加熱処理することが好ましい。
The heating time of the heat treatment under an ammonia gas or nitrogen gas atmosphere is preferably about 1 minute to 12 hours, more preferably about 10 minutes to 8 hours, and further preferably about 1 hour to 6 hours. It is preferable to heat-treat the titanium material for this time.

チタン材料をアンモニアガス又は窒素ガス雰囲気下で加熱処理する方法では、チタン材料の表面にチタン窒化物を効率よく形成するために、ロータリー式真空ポンプや必要に応じてメカニカルブースターポンプ、油拡散ポンプを用いて加熱処理する炉内を減圧し、加熱処理する炉内(窒化炉内)に残留する酸素濃度を減少させておくことが好ましい。加熱処理する炉内の真空度を、好ましくは10Pa程度以下、より好ましくは1Pa程度以下、更に
好ましくは0.1 Pa程度以下まで減圧することで、チタン材料表面にチタン窒化物を効率よく形成できる。
In the method of heat-treating titanium material in an atmosphere of ammonia gas or nitrogen gas, in order to efficiently form titanium nitride on the surface of the titanium material, a rotary vacuum pump, mechanical booster pump, or oil diffusion pump is used as necessary. It is preferable that the inside of the furnace to be heat-treated is depressurized to reduce the oxygen concentration remaining in the furnace to be heat-treated (inside the nitriding furnace). By reducing the vacuum degree in the furnace for heat treatment to about 10 Pa or less, more preferably about 1 Pa or less, and even more preferably about 0.1 Pa or less, titanium nitride can be efficiently formed on the surface of the titanium material.

前記減圧された炉内に、アンモニアガス、窒素ガス又はアンモニアガス及び窒素ガスの混合ガスを炉内に供給して、炉内を復圧し、チタン材料を加熱処理することにより、チタン材料の表面にチタン窒化物を効率よく形成できる。本炉を用いた加熱処理の加熱温度、加熱時間等については、前記した条件と同じ条件でよい。ガス組成としては、簡便性、経済性、安全性を考慮すると、窒素ガスを用いることが最も好ましい。   By supplying ammonia gas, nitrogen gas or a mixed gas of ammonia gas and nitrogen gas into the furnace in the decompressed furnace, the inside of the furnace is decompressed, and the titanium material is heat-treated, so that the surface of the titanium material is heated. Titanium nitride can be formed efficiently. About the heating temperature, heating time, etc. of the heat treatment using the main furnace, the same conditions as described above may be used. As the gas composition, it is most preferable to use nitrogen gas in consideration of simplicity, economy, and safety.

また、加熱処理する炉内に残留する酸素濃度を減少させる減圧処理と、窒素ガス等を炉内に供給する復圧処理とを、交互に繰り返すこと(数回)で、チタン材料の表面にチタン窒化物をより効率良く形成できる。更に、酸素トラップ剤の存在下で減圧処理、アンモニアガス、窒素ガス等のガス雰囲気下での加熱処理を行うことにより、チタン材料の表面にチタン窒化物をより効率良く形成できる。   In addition, by alternately repeating (several times) a decompression process for reducing the oxygen concentration remaining in the furnace to be heat-treated and a return pressure process for supplying nitrogen gas or the like into the furnace, the surface of the titanium material is made of titanium. Nitride can be formed more efficiently. Furthermore, titanium nitride can be more efficiently formed on the surface of the titanium material by performing pressure reduction treatment in the presence of an oxygen trap agent and heat treatment in a gas atmosphere such as ammonia gas or nitrogen gas.

チタン材料の表面に形成されるチタン窒化物の種類については、特に制限されない。例えば、TiN、Ti2N、α−TiN0.3、η−Ti3N2-X、ζ−Ti4N3-X(但し、Xは0以上3未満の数値を示す)、これらの混在物、及びアモルファス状チタン窒化物等が挙げられる。これらの中で好ましくは、TiN、Ti2N、及びこれらの混在物、更に好ましくはTiN、及びTiNとTi2Nの混在物、特に好ましくはTiNが例示される。 The type of titanium nitride formed on the surface of the titanium material is not particularly limited. For example, TiN, Ti 2 N, α-TiN 0.3 , η-Ti 3 N 2-X , ζ-Ti 4 N 3-X (where X represents a numerical value of 0 or more and less than 3), a mixture thereof, And amorphous titanium nitride. Among these, TiN, Ti 2 N, and a mixture thereof, more preferably TiN, and a mixture of TiN and Ti 2 N, particularly preferably TiN are exemplified.

本発明では、上記チタン窒化物を形成する手段として、上記方法の内、1つの方法を単独で行ってもよく、また2種以上の方法を任意に組み合わせて行ってもよい。上記チタン窒化物を形成する方法の中で、簡便性、量産性、或いは製造コスト等の観点から、好ましくは、窒素ガス雰囲気下でのチタン材料の加熱処理である。   In the present invention, as a means for forming the titanium nitride, one of the above methods may be performed alone, or two or more methods may be arbitrarily combined. Among the methods for forming titanium nitride, from the viewpoints of simplicity, mass productivity, production cost, etc., heat treatment of the titanium material in a nitrogen gas atmosphere is preferable.

表面処理方法Aの工程(2)
表面処理方法Aでは、表面にチタン窒化物が形成されたチタン材料を、チタンに対してエッチング作用を有する電解液を用いて、火花放電発生電圧以上にて陽極酸化を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する(工程(2))。表面にアナターゼ型酸化チタンを有する半導体層を有する光電極基板を製造できる。陽極酸化処理を行うことにより、アナターゼ型の酸化チタン皮膜を好適に形成できる。アナターゼ型の酸化チタンの皮膜を形成することにより、高い光電変換効率を好適に発揮することができる。
Step (2) of surface treatment method A
In the surface treatment method A, a titanium material having titanium nitride formed on the surface is subjected to anodization at a spark discharge generation voltage or higher by using an electrolytic solution having an etching action on titanium, and anatase titanium oxide A film is formed (step (2)). A photoelectrode substrate having a semiconductor layer having anatase-type titanium oxide on the surface can be produced. By performing the anodizing treatment, an anatase-type titanium oxide film can be suitably formed. By forming an anatase-type titanium oxide film, high photoelectric conversion efficiency can be suitably exhibited.

火花放電発生電圧以上の電圧を印加する方法により表面処理としては、チタン材料に対してエッチング作用を有する電解液が好ましい。電解液は、チタンに対してエッチング作用を有する無機酸及び/又は有機酸を含むことが好ましい。電解液は、更に過酸化水素を含有するものであることが好ましい。放電発生電圧以上の電圧を印加することにより陽極酸化を行うことが好ましい。   As the surface treatment by applying a voltage higher than the spark discharge generation voltage, an electrolytic solution having an etching action on the titanium material is preferable. The electrolytic solution preferably contains an inorganic acid and / or an organic acid having an etching action on titanium. It is preferable that the electrolytic solution further contains hydrogen peroxide. Anodization is preferably performed by applying a voltage equal to or higher than the discharge generation voltage.

電解液として、チタン材料に対してエッチング作用を有する無機酸及び/又は該作用を有する有機酸が含有されている水溶液を用いることが好ましい。チタン材料に対してエッチング作用を有する無機酸としては、硫酸、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、王水等が挙げられる。また、チタンに対してエッチング作用を有する有機酸としては、例えば、シュウ酸、ギ酸、クエン酸、トリクロル酢酸等が挙げられる。これらの酸は、1種単独で使用してもよく、また有機酸、無機酸の別を問わず、これらの酸を2種以上任意に組み合わせて使用しても良い。   As the electrolytic solution, it is preferable to use an aqueous solution containing an inorganic acid having an etching action on the titanium material and / or an organic acid having the action. Examples of the inorganic acid having an etching action on the titanium material include sulfuric acid, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, and aqua regia. Moreover, as an organic acid which has an etching effect | action with respect to titanium, an oxalic acid, a formic acid, a citric acid, a trichloroacetic acid etc. are mentioned, for example. These acids may be used alone or in combination of two or more of these acids regardless of whether they are organic acids or inorganic acids.

2種以上の酸を含有する電解液の好ましい態様の一例として、硫酸に必要に応じてリン酸を含有する水溶液が挙げられる。当該電解液における上記酸の配合割合については、使用する酸の種類、陽極酸化条件等によって異なるが、通常、上記酸の総量で0.01〜10M、好ましくは0.1〜10M、更に好ましくは1〜10Mとなる割合を挙げることができる。例えば、硫酸及びリン酸を含有する電解液の場合であれば、硫酸1〜8M及びリン酸0.1〜2Mの割合で含有する電解液を例示できる。   As an example of the preferable aspect of the electrolyte solution containing 2 or more types of acids, the aqueous solution which contains phosphoric acid as needed in sulfuric acid is mentioned. The blending ratio of the acid in the electrolytic solution varies depending on the type of acid used, anodizing conditions, and the like, but is usually 0.01 to 10M, preferably 0.1 to 10M, and more preferably 1 to 10M in terms of the total amount of the acid. Can be mentioned. For example, in the case of an electrolytic solution containing sulfuric acid and phosphoric acid, an electrolytic solution containing sulfuric acid 1 to 8M and phosphoric acid 0.1 to 2M can be exemplified.

当該電解液は、上記有機酸及び/又は無機酸に加えて、過酸化水素を含有しているものが望ましい。電解液中に過酸化水素が含まれていることによって、一層効率的にアナターゼ型酸化チタンの皮膜を調製することが可能になる。電解液に過酸化水素を配合する場合、その配合割合については、特に制限されないが、例えば0.01〜5M、好ましくは0.01〜1M、更に好ましくは0.1〜1Mとなる割合が例示される。   The electrolyte solution preferably contains hydrogen peroxide in addition to the organic acid and / or inorganic acid. By containing hydrogen peroxide in the electrolytic solution, it becomes possible to prepare a film of anatase-type titanium oxide more efficiently. When hydrogen peroxide is blended in the electrolytic solution, the blending ratio is not particularly limited, but for example, a ratio of 0.01 to 5M, preferably 0.01 to 1M, and more preferably 0.1 to 1M is exemplified.

陽極酸化で使用される電解液の好ましい態様の一例として、硫酸1〜8M、リン酸0.1〜2M及び過酸化水素0.1〜1Mの割合で含有する水溶液が挙げられる。   As an example of a preferable embodiment of the electrolytic solution used in the anodic oxidation, an aqueous solution containing sulfuric acid 1 to 8M, phosphoric acid 0.1 to 2M and hydrogen peroxide 0.1 to 1M can be given.

上記電解液中にチタン材料を浸漬し、火花放電発生電圧以上の電圧を印加できるよう一
定電流印加し陽極酸化を行うことにより、アナターゼ型の酸化チタンの皮膜が得られる。火花放電発生電圧以上の電圧としては、通常100V以上、好ましくは150V以上が例示される。
An anatase-type titanium oxide film is obtained by immersing a titanium material in the electrolytic solution and applying a constant current so that a voltage equal to or higher than the spark discharge generation voltage can be applied. The voltage higher than the spark discharge generation voltage is typically 100 V or higher, preferably 150 V or higher.

陽極酸化は、例えば、上記の火花放電発生電圧まで一定の割合にて電圧を上昇させ、火花放電発生電圧以上の電圧にて、一定時間定電圧を印加することにより行うことができる。火花放電発生電圧まで電圧を上昇させる速度としては、通常0.01〜1V/秒、好ましく
は0.05〜0.5V/秒、更に好ましくは0.1〜0.5V/秒に設定される。また、火花放電発生
電圧以上の電圧を印加する時間としては、通常1分以上、好ましくは1〜60分間、更に好ましくは10〜30分間に設定される。
Anodization can be performed, for example, by increasing the voltage at a constant rate up to the spark discharge generation voltage and applying a constant voltage for a predetermined time at a voltage equal to or higher than the spark discharge generation voltage. The speed at which the voltage is increased to the spark discharge generation voltage is usually set to 0.01 to 1 V / second, preferably 0.05 to 0.5 V / second, and more preferably 0.1 to 0.5 V / second. Further, the time for applying a voltage equal to or higher than the spark discharge generation voltage is usually set to 1 minute or longer, preferably 1 to 60 minutes, and more preferably 10 to 30 minutes.

火花放電による陽極酸化は、電圧を制御する代わりに、電流を制御することにより行うこともできる。陽極酸化において、電流密度は、0.1A/dm2以上であればよいが、経済性
、簡便性、性能面の観点から1A/dm2から10A/dm2がこの好ましい。
Anodization by spark discharge can be performed by controlling the current instead of controlling the voltage. In anodic oxidation, the current density may be 0.1 A / dm 2 or more, but 1 A / dm 2 to 10 A / dm 2 is preferable from the viewpoint of economy, simplicity, and performance.

上記方法によれば、膜厚が1〜100μm程度のアナターゼ型酸化チタンを含む皮膜を得
ることができる。
According to the said method, the film | membrane containing an anatase type titanium oxide whose film thickness is about 1-100 micrometers can be obtained.

表面処理方法Bの工程(2)
表面処理方法Bでは、表面にチタン窒化物が形成されたチタン材料を、チタンに対してエッチング作用を有しない電解液中で、陽極酸化を行い(工程(2))、次いで陽極酸化処理を施したチタン材料を、酸化性雰囲気中で加熱処理を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する(工程(3))。表面にアナターゼ型酸化チタンを有する半導体層を有する高い光電変換効率を好適に発揮する光電極基板を製造できる。
Step (2) of surface treatment method B
In the surface treatment method B, a titanium material having titanium nitride formed on the surface is anodized in an electrolyte solution that does not have an etching action on titanium (step (2)), and then anodized. The obtained titanium material is heat-treated in an oxidizing atmosphere to form an anatase-type titanium oxide film (step (3)). A photoelectrode substrate having a semiconductor layer having anatase-type titanium oxide on the surface and exhibiting high photoelectric conversion efficiency can be produced.

電解液は、チタンに対してエッチング作用を有しない無機酸及び有機酸よりなる群から選択される少なくとも1種の酸やこれらの塩化合物を含有することが好ましい。表面にチタン窒化物が形成されたチタン材料を、チタンにエッチング性を有しない電解液中で、陽極酸化を行うことにより、チタン材料の表面に非晶質(アモルファス)なチタンの酸化皮膜を形成することができる。   The electrolytic solution preferably contains at least one acid selected from the group consisting of inorganic acids and organic acids that do not have an etching action on titanium and a salt compound thereof. Amorphous titanium oxide film is formed on the surface of the titanium material by anodizing the titanium material with titanium nitride formed on the surface in an electrolyte that does not etch titanium. can do.

チタンに対してエッチング作用を有しない電解液としては、無機酸、有機酸及びこれらの塩よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物(以下「無機酸等」とも記す)を含有する電解液であることが好ましい。前記無機酸等を含有する電解液は、リン酸、リン酸塩等の希薄な水溶液であることが好ましい。   As an electrolytic solution having no etching action on titanium, an electrolytic solution containing at least one compound selected from the group consisting of inorganic acids, organic acids and salts thereof (hereinafter also referred to as “inorganic acids etc.”) It is preferable that The electrolytic solution containing the inorganic acid or the like is preferably a dilute aqueous solution such as phosphoric acid or phosphate.

表面処理方法Bの陽極酸化を行う工程(2)だけでは、火花放電が発生しない条件であり、通常、アナターゼ型酸化チタン等の結晶性酸化チタンは形成されない。次工程の酸化性雰囲気下での加熱処理では、非晶質な酸化チタンからアナターゼ型酸化チタンを形成することができる。そのため、チタン材料の表面に非晶質なチタンの酸化皮膜が効果的に形成されるという理由から、表面にチタン窒化物が形成されたチタン材料を陽極酸化することが好ましい。   Only the step (2) of performing the anodic oxidation in the surface treatment method B is a condition in which spark discharge does not occur, and usually, crystalline titanium oxide such as anatase-type titanium oxide is not formed. In the next heat treatment under an oxidizing atmosphere, anatase-type titanium oxide can be formed from amorphous titanium oxide. Therefore, for the reason that an amorphous titanium oxide film is effectively formed on the surface of the titanium material, it is preferable to anodize the titanium material having titanium nitride formed on the surface.

チタンに対してエッチング作用を有しない電解液としては、無機酸(リン酸等)、有機酸及びこれらの塩(リン酸塩等)よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物(無機酸等)を含有する電解液であることが好ましい。   As an electrolytic solution having no etching action on titanium, at least one compound (inorganic acid, etc.) selected from the group consisting of inorganic acids (phosphoric acid, etc.), organic acids and salts thereof (phosphates, etc.) ) Is preferable.

チタンに対してエッチング作用を有しない無機酸としては、簡便性、経済性、安全性等を考慮し、リン酸、炭酸等が好ましい。チタンに対してエッチング作用を有しない有機酸としては、酢酸、アジピン酸、乳酸等が好ましい。またこれらの酸の塩である、リン酸二
水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、酢酸ナトリウム、アジピン酸カリウム、乳酸ナトリウム等を用いることもできる。
As an inorganic acid that does not have an etching action on titanium, phosphoric acid, carbonic acid, and the like are preferable in consideration of convenience, economy, safety, and the like. As the organic acid having no etching action on titanium, acetic acid, adipic acid, lactic acid and the like are preferable. Further, salts of these acids such as sodium dihydrogen phosphate, disodium hydrogen phosphate, sodium hydrogen carbonate, sodium acetate, potassium adipate, sodium lactate and the like can also be used.

その他、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム等の電解質を含有する電解液を用いることが好ましい。   In addition, it is preferable to use an electrolytic solution containing an electrolyte such as sodium sulfate, potassium sulfate, magnesium sulfate, sodium nitrate, potassium nitrate, magnesium nitrate, or calcium nitrate.

チタンに対してエッチング作用を有しない電解液としては、無機酸(リン酸等)、有機酸及びこれらの塩(リン酸塩等)よりなる群から選択される少なくとも1種の化合物(無機酸等)を含有する電解液であることが好ましい。前記無機酸等としては、リン酸及びリン酸塩が最も好ましい。   As an electrolytic solution having no etching action on titanium, at least one compound (inorganic acid, etc.) selected from the group consisting of inorganic acids (phosphoric acid, etc.), organic acids and salts thereof (phosphates, etc.) ) Is preferable. As the inorganic acid, phosphoric acid and phosphate are most preferable.

電解液は、無機酸等の希薄な水溶液であることが好ましい。電解液中の無機酸等の濃度は、経済性等の理由から、1重量%程度の範囲であることが好ましい。例えば、リン酸が
含まれる電解液では、0.01〜10重量%程度の濃度範囲が好ましく、0.1〜10重量%程度の
濃度範囲がより好ましく、1〜3重量%程度の濃度範囲が更に好ましい。
The electrolytic solution is preferably a dilute aqueous solution such as an inorganic acid. The concentration of the inorganic acid or the like in the electrolytic solution is preferably in the range of about 1% by weight for reasons such as economy. For example, in an electrolytic solution containing phosphoric acid, a concentration range of about 0.01 to 10% by weight is preferable, a concentration range of about 0.1 to 10% by weight is more preferable, and a concentration range of about 1 to 3% by weight is more preferable.

これらの酸は、1種単独で使用してもよく、また有機酸、無機酸の別を問わず、これらの酸を2種以上任意に組み合わせて使用してもよい。2種以上の酸を含有する電解液の好ましい態様の一例として、リン酸塩及びリン酸を含有する水溶液が挙げられる。当該電解液における上記酸の配合割合については、使用する酸及び酸の塩の種類、陽極酸化条件等によって異なるが、通常、上記酸の総量で0.01〜10重量%、好ましくは0.1〜10重量%、更
に好ましくは1〜3重量%となる割合を挙げることができる。
These acids may be used alone or in combination of two or more of these acids regardless of whether they are organic acids or inorganic acids. As an example of the preferable aspect of the electrolyte solution containing 2 or more types of acids, the aqueous solution containing a phosphate and phosphoric acid is mentioned. The mixing ratio of the acid in the electrolytic solution varies depending on the type of acid and acid salt used, anodization conditions, etc., but is generally 0.01 to 10% by weight, preferably 0.1 to 10% by weight, based on the total amount of the acid. Furthermore, the ratio which becomes 1-3 weight% more preferably can be mentioned.

チタンに対してエッチング作用を有しない無機酸等を含有する希薄な電解液中に、前記チタン窒化物を形成する工程で得られた表面にチタン窒化物が形成されたチタン材料を浸漬する。次いで、好ましくは10〜300V程度の電圧を印加することにより陽極酸化を行う
。50〜300V程度の電圧で陽極酸化を行うことがより好ましく、50〜200V程度の電圧で陽極酸化を行うことが更に好ましい。
A titanium material in which titanium nitride is formed is immersed in a dilute electrolytic solution containing an inorganic acid or the like that does not have an etching action on titanium on the surface obtained in the step of forming titanium nitride. Next, anodic oxidation is preferably performed by applying a voltage of about 10 to 300V. It is more preferable to perform anodization at a voltage of about 50 to 300V, and it is further preferable to perform anodization at a voltage of about 50 to 200V.

陽極酸化の処理温度は、簡便性、経済性、安全性等の理由から、0〜80℃程度が好まし
い。10〜50℃程度の温度で陽極酸化を行うことがより好ましく、20〜30℃程度の温度で陽極酸化を行うことが更に好ましい。
The treatment temperature for anodization is preferably about 0 to 80 ° C. for reasons such as simplicity, economy and safety. It is more preferable to perform anodization at a temperature of about 10 to 50 ° C, and it is further preferable to perform anodization at a temperature of about 20 to 30 ° C.

陽極酸化の処理時間は、1秒〜1時間程度が好ましい。10秒〜30分程度の時間で陽極酸化を行うことがより好ましく、5分〜20分程度の時間で陽極酸化を行うことが更に好ましい
The treatment time for anodization is preferably about 1 second to 1 hour. It is more preferable to perform anodization in a time of about 10 seconds to 30 minutes, and it is more preferable to perform anodization in a time of about 5 minutes to 20 minutes.

表面処理方法Bの工程(3)
次に、表面にチタンの酸化皮膜が形成されたチタン材料を、酸化性雰囲気中で加熱処理を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する(工程(3))。
Step (3) of surface treatment method B
Next, the titanium material having a titanium oxide film formed on the surface is subjected to heat treatment in an oxidizing atmosphere to form an anatase-type titanium oxide film (step (3)).

金属チタン材料等に単に酸化性雰囲気中で加熱処理するだけでは、ルチル型酸化チタンは形成されるが、アナターゼ型酸化チタンは十分に形成されない。   By simply heat-treating a metal titanium material or the like in an oxidizing atmosphere, rutile titanium oxide is formed, but anatase titanium oxide is not sufficiently formed.

チタン窒化物が形成され、チタンの酸化皮膜(非晶質な酸化チタン膜)が形成されたチタン材料(陽極酸化処理後のチタン材料)を、酸化性雰囲気中で加熱処理(大気酸化処理等)することにより、結晶性の酸化チタンにおいて光触媒特性、光電変換特性に優れたアナターゼ型酸化チタン皮膜を形成することができる。その結果、加熱処理後のチタン材料は光電変換特性に優れる。   Titanium material (titanium material after anodization) on which titanium nitride is formed and an oxide film of titanium (amorphous titanium oxide film) is heated in an oxidizing atmosphere (atmospheric oxidation, etc.) By doing so, an anatase-type titanium oxide film excellent in photocatalytic characteristics and photoelectric conversion characteristics can be formed in crystalline titanium oxide. As a result, the titanium material after the heat treatment is excellent in photoelectric conversion characteristics.

加熱処理を行う酸化性雰囲気として、大気酸化雰囲気、酸素ガスと窒素ガスを混合させた任意な酸素ガス濃度の雰囲気、酸素ガス雰囲気等から選択されたものであればよいが、簡便性、経済性、安全性等という理由から、大気酸化雰囲気化での加熱処理が好ましい。   The oxidizing atmosphere for performing the heat treatment may be selected from an air oxidizing atmosphere, an atmosphere having an arbitrary oxygen gas concentration in which oxygen gas and nitrogen gas are mixed, an oxygen gas atmosphere, etc., but is simple and economical. For reasons such as safety, heat treatment in an atmospheric oxidizing atmosphere is preferable.

酸化性雰囲気中で加熱処理の温度は、非晶質な酸化チタンからアナターゼ型酸化チタンに効率よく変化するという理由から、300℃程度以上が好ましい。酸化性雰囲気中で加熱
処理の温度は、アナターゼ型酸化チタンからルチル型酸化チタンに相転移しないようにする理由から、800℃程度以下が好ましい。アナターゼ型酸化チタンに比べて、ルチル型酸
化チタンは、光電変換特性が良くないからである。酸化性雰囲気中で加熱処理の温度は、300〜800℃程度がより好ましく、300〜700℃程度が更に好ましく、400〜700℃程度が特に好ましい。
The temperature of the heat treatment in the oxidizing atmosphere is preferably about 300 ° C. or higher because it efficiently changes from amorphous titanium oxide to anatase titanium oxide. The temperature of the heat treatment in an oxidizing atmosphere is preferably about 800 ° C. or less because it prevents phase transition from anatase-type titanium oxide to rutile-type titanium oxide. This is because rutile type titanium oxide has poor photoelectric conversion characteristics compared to anatase type titanium oxide. The temperature of the heat treatment in the oxidizing atmosphere is more preferably about 300 to 800 ° C, further preferably about 300 to 700 ° C, and particularly preferably about 400 to 700 ° C.

加熱処理を行う反応気圧としては、0.01〜10MPa程度、好ましくは0.01〜5MPa程度、更
に好ましくは0.1〜1MPa程度である。
The reaction pressure for performing the heat treatment is about 0.01 to 10 MPa, preferably about 0.01 to 5 MPa, and more preferably about 0.1 to 1 MPa.

加熱処理を行う加熱時間は、1分〜12時間程度が好ましく、10分〜8時間程度がより好ましく、1時間〜6時間程度が更に好ましい。   The heating time for performing the heat treatment is preferably about 1 minute to 12 hours, more preferably about 10 minutes to 8 hours, and further preferably about 1 hour to 6 hours.

結晶性の酸化チタン皮膜は、アナターゼ型の酸化チタン皮膜であることが好ましい。アナターゼ型酸化チタンは、ルチル型酸化チタンを色素増感型太陽電池の光電極に用いることに比べて、開放電圧値が向上するために、光電変換特性も高い。本発明の陽極酸化後の加熱処理により、光電変換特性が高いアナターゼ型酸化チタンの量が多い皮膜を形成することができる。   The crystalline titanium oxide film is preferably an anatase type titanium oxide film. Anatase-type titanium oxide has high photoelectric conversion characteristics because the open-circuit voltage value is improved compared to the use of rutile-type titanium oxide for the photoelectrode of a dye-sensitized solar cell. By the heat treatment after the anodic oxidation of the present invention, a film having a large amount of anatase-type titanium oxide having high photoelectric conversion characteristics can be formed.

加熱処理により、チタン材料の表面に活性の高いアナターゼ型酸化チタンが多量に形成された光電変換素子用材料を調製することができる。高い変換効率を達成する光電変換素子用材料に使用することも可能である。   By the heat treatment, a photoelectric conversion element material in which a large amount of highly active anatase-type titanium oxide is formed on the surface of the titanium material can be prepared. It is also possible to use it for a photoelectric conversion element material that achieves high conversion efficiency.

上記方法によれば、膜厚が1〜100μm程度のアナターゼ型酸化チタンを含む皮膜を得
ることができる。
According to the said method, the film | membrane containing an anatase type titanium oxide whose film thickness is about 1-100 micrometers can be obtained.

チタン材料の表面にチタン窒化物を形成させ、チタン窒化物の形成後、酸化性雰囲気中での加熱処理前に、リン酸等のチタンに対してエッチング性を有しない希薄な酸性水溶液、リン酸等の塩の水溶液等の電解液中で陽極酸化を行う工程を組み込むことにより、良好な光電変換素子用材料を製造できる。   A dilute acidic aqueous solution that does not have etching properties with respect to titanium such as phosphoric acid, phosphoric acid, after titanium nitride is formed on the surface of the titanium material, and after the titanium nitride is formed and before heat treatment in an oxidizing atmosphere By incorporating a step of anodizing in an electrolytic solution such as an aqueous solution of a salt such as, an excellent material for a photoelectric conversion element can be produced.

チタン材料は、それらの材料表面にアナターゼ型酸化チタン(皮膜)が形成されるので、次世代太陽電池として注目されている色素増感型太陽電池の光電極基板等の光電変換素子用材料として用いることができる。   Titanium materials are used as materials for photoelectric conversion elements such as photoelectrode substrates of dye-sensitized solar cells, which are attracting attention as next-generation solar cells, because anatase-type titanium oxide (film) is formed on the surface of these materials. be able to.

酸化チタン層
光電極は、チタン材料(金属チタン、チタン合金、表面処理した金属チタン及び表面処理したチタン合金からなる群から選ばれる材料)上に色素増感剤を含有する酸化チタン層(半導体層)を形成されたものである。
The titanium oxide layer photoelectrode is a titanium oxide layer (semiconductor layer) containing a dye sensitizer on a titanium material (material selected from the group consisting of metal titanium, titanium alloy, surface-treated metal titanium, and surface-treated titanium alloy). ).

前記表面処理方法A及びBにより調製されるアナターゼ型酸化チタンの皮膜が半導体層を形成しても良い。更に、酸化チタン等の微粒子を含むペースト剤を塗布後、酸化性雰囲気下での加熱処理する工程により、酸化チタン層を形成することができる。   The anatase-type titanium oxide film prepared by the surface treatment methods A and B may form a semiconductor layer. Furthermore, after applying a paste containing fine particles such as titanium oxide, a titanium oxide layer can be formed by a heat treatment in an oxidizing atmosphere.

酸化チタン微粒子の平均粒径は、0.1〜3000nm程度が好ましく、1〜1000nm程度がより好ましく、10〜500nm程度が更に好ましい。また酸化チタン微粒子粉末としては、1種類の
ものを使用する必要はなく、粒径の小さいものと大きなものを混合することにより、酸化チタン層中にて光が散乱することにて得られた色素増感太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。
The average particle diameter of the titanium oxide fine particles is preferably about 0.1 to 3000 nm, more preferably about 1 to 1000 nm, and still more preferably about 10 to 500 nm. In addition, it is not necessary to use a single type of titanium oxide fine particle powder, and a dye obtained by scattering light in the titanium oxide layer by mixing small and large particle sizes. The photoelectric conversion efficiency of the sensitized solar cell can be improved.

ペースト剤は、例えば、酸化チタン微粒子を溶剤中に分散させることにより調製できる。溶剤としては、ポリエチレングリコールが好ましい。ペースト剤中における酸化チタン微粒子の含有量は特に限定されず、焼結体が好適に形成されるよう適宜調節すればよい。   The paste agent can be prepared, for example, by dispersing titanium oxide fine particles in a solvent. As the solvent, polyethylene glycol is preferable. The content of the titanium oxide fine particles in the paste is not particularly limited, and may be appropriately adjusted so that the sintered body is suitably formed.

ペースト剤を前記チタン材料上に塗布する方法としては、特に限定されず、例えば、スクリーンプリント、インクジェット、ロールコート、ドクターブレード、スプレーコート等が挙げられる。   The method for applying the paste on the titanium material is not particularly limited, and examples thereof include screen printing, ink jet, roll coating, doctor blade, spray coating and the like.

ペースト剤を塗布した後の塗膜の厚みは、特に限定されず、目的とする厚みの酸化チタン焼結体が形成されるよう適宜設定すればよい。   The thickness of the coating film after applying the paste agent is not particularly limited, and may be set as appropriate so that a titanium oxide sintered body having a target thickness is formed.

また本酸化チタン層の塗布形状は、長方形であることが好ましい。酸化チタン層を正方形ではなく長方形にすることにより、色素増感剤の光励起に伴う電子が酸化チタン層にて電子が消失することなく、光電変換効率が向上する。   Moreover, it is preferable that the application | coating shape of this titanium oxide layer is a rectangle. By making the titanium oxide layer rectangular instead of square, electrons accompanying photoexcitation of the dye sensitizer are not lost in the titanium oxide layer, and the photoelectric conversion efficiency is improved.

光電極基板が、表面処理した金属チタン材料、チタン合金材料の際においては、酸化チタン層として、前記酸化チタン焼結体と前記酸化チタン膜との積層体が得られる。   When the photoelectrode substrate is a surface-treated metal titanium material or titanium alloy material, a laminate of the titanium oxide sintered body and the titanium oxide film is obtained as the titanium oxide layer.

熱処理の温度は、100〜600℃程度が好ましく、400〜500℃程度がより好ましい。特に、400〜500℃程度の温度で熱処理することにより、酸化チタン微粒子同士を好適に焼結させることができる。熱処理の時間は、熱処理温度等に応じて適宜設定すればよい。前記熱処理は、酸化性雰囲気中(例えば空気中等の酸素が存在する雰囲気中)で行われる。   The temperature of the heat treatment is preferably about 100 to 600 ° C, more preferably about 400 to 500 ° C. In particular, the titanium oxide fine particles can be suitably sintered by heat treatment at a temperature of about 400 to 500 ° C. What is necessary is just to set the time of heat processing suitably according to heat processing temperature. The heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere (for example, in an atmosphere in which oxygen exists such as air).

色素増感剤
光電極は、チタン材料上に色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたものである。
The dye sensitizer photoelectrode is obtained by forming a titanium oxide layer containing a dye sensitizer on a titanium material.

前記の手法にて酸化チタン層(半導体層)を形成させた光電極を、色素増感剤を含む溶液にて浸漬させることにより色素増感剤を酸化チタン層に吸着させることができる。   The dye sensitizer can be adsorbed on the titanium oxide layer by immersing the photoelectrode on which the titanium oxide layer (semiconductor layer) is formed by the above-described method in a solution containing the dye sensitizer.

色素増感剤としては、近赤外光領域、可視光領域に光吸収を持つ色素であれば特に限定されるものではない。色素増感剤の中でも、レッドダイ(N719)、ブラックダイ(N749)等のルテニウム金属錯体;銅フタロシアニン等のルテニウム以外の金属錯体;エオシン、ローダンミン、メロシリニン、インドリン等の有機錯体等が好ましい。これらの色素増感剤は、1種単独又は2種以上を込み合わせての使用ができる。色素増感剤の中でも、ルテニウム錯体が好ましく、レッドダイ(N719)と近赤外線領域に光吸収を有するブラックダイ(N749)を混合したものがさらに好ましい。   The dye sensitizer is not particularly limited as long as it is a dye having light absorption in the near infrared light region and the visible light region. Of the dye sensitizers, ruthenium metal complexes such as red dye (N719) and black dye (N749); metal complexes other than ruthenium such as copper phthalocyanine; These dye sensitizers can be used alone or in combination of two or more. Of the dye sensitizers, a ruthenium complex is preferable, and a mixture of a red dye (N719) and a black dye (N749) having light absorption in the near infrared region is more preferable.

色素増感剤を酸化チタン層に吸着させる手法としては、色素増感剤を含む溶液中に、酸化チタン層等の半導体層を浸漬する方法がある。色素増感剤を、半導体層に、付着(化学吸着、物理吸着又は堆積等)させることができる。   As a method of adsorbing the dye sensitizer to the titanium oxide layer, there is a method of immersing a semiconductor layer such as a titanium oxide layer in a solution containing the dye sensitizer. The dye sensitizer can be attached (chemical adsorption, physical adsorption, deposition, etc.) to the semiconductor layer.

色素増感剤を付着させる量は、本発明の効果を阻害しない範囲内で、半導体層の面積等に応じて適宜設定すればよい。   What is necessary is just to set the quantity which makes a dye sensitizer adhere suitably according to the area of a semiconductor layer, etc. within the range which does not inhibit the effect of this invention.

(2)対極
色素増感型太陽電池では、対極は、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルム上に、電気化学的還元触媒層がコーティングされたものである。透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルムは、透明導電膜であるITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine Tin Oxide)等を透明ガラスや透明なプラスチック材料であるPET(polyethylene terephthalate)やPEN(polyethylene naphthalate)等にコーティングしたものである。透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルムの電解質側の表面上に、電気化学的還元触媒層を電子ビーム蒸着やスパッタリング等のPVD処理にてコーティングするものを使用する。
(2) In the counter electrode dye-sensitized solar cell, the counter electrode is obtained by coating an electrochemical reduction catalyst layer on a transparent conductive glass or a transparent conductive film. Transparent conductive glass or transparent conductive film is made of transparent conductive films such as ITO (Indium Tin Oxide) and FTO (Fluorine Tin Oxide), which are transparent glass and transparent plastic materials such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate). ) Etc. On the surface of the transparent conductive glass or transparent conductive film on the electrolyte side, an electrochemical reduction catalyst layer is coated by PVD treatment such as electron beam evaporation or sputtering.

電気化学的還元触媒層としては、白金触媒層、炭素層、ポリ(3,4-エチレンジオキシチ
オフェン)(PEDOT)層、金層、銀層、銅層、アルミニウム層、ロジウム層、インジウム層等を用いることができる。電気化学的還元触媒層は、水素過電圧が低いために電解層中の電子を失った電解質に電子注入がされ易い等という理由から、白金触媒層であることが好ましい。
As the electrochemical reduction catalyst layer, platinum catalyst layer, carbon layer, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) layer, gold layer, silver layer, copper layer, aluminum layer, rhodium layer, indium layer, etc. Can be used. The electrochemical reduction catalyst layer is preferably a platinum catalyst layer because, for example, electrons are easily injected into the electrolyte that has lost electrons in the electrolytic layer because the hydrogen overvoltage is low.

本発明品は、光電極としては光透過性のないチタン材料にて構成されるために光照射手段は、対極から実施する。対極上の白金コーティング膜厚は薄い程、光透過性が高まるために、数nm以下コーティングするのが好ましい。コーティング膜厚が薄すぎると、電解液中の電子を失った電解質に電子注入されにくくなるために、得られた色素増感太陽電池の光電変換効率が低下するために、白金層の厚みとしては、0.5〜1nm程度がさらに好まし
い。
Since the product of the present invention is composed of a titanium material that does not transmit light as a photoelectrode, the light irradiation means is implemented from the counter electrode. The thinner the platinum coating on the counter electrode is, the higher the light transmittance is. Therefore, it is preferable to coat several nm or less. If the coating film thickness is too thin, it becomes difficult for electrons to be injected into the electrolyte that has lost the electrons in the electrolyte, and the photoelectric conversion efficiency of the resulting dye-sensitized solar cell is reduced. More preferably, about 0.5 to 1 nm.

また色素増感太陽電池への入る光量を高めるために、対極となる透明導電膜ガラスや透明導電膜フィルムの光照射される面にMgF2やSiO2等を真空蒸着やスパッタリング等のドライ処理やスピンコーティングやディップコーティング等の手法にて反射防止膜を形成させたものを実施したものを使用することや光照射面に反射防止フィルムを貼り合わせることにより、得られた色素増感太陽電池の光電変換効率は向上する。 In addition, in order to increase the amount of light entering the dye-sensitized solar cell, MgF 2 or SiO 2 or the like is applied to the surface of the transparent conductive film glass or transparent conductive film to be irradiated with light, such as vacuum deposition or sputtering. The photosensitivity of the dye-sensitized solar cell obtained by using an antireflection film formed by spin coating or dip coating or by attaching an antireflection film to the light-irradiated surface Conversion efficiency is improved.

(3)電解質層
電解質層は、光励起され、半導体層へ電子注入を果たした色素増感剤に、電子を供給でき、色素増感剤を還元できる層であれば良い。電解質層は、更に、電子を失った電解質に、対極の白金触媒層から電子を供給される層であればよい。
(3) Electrolyte layer The electrolyte layer may be any layer that can supply electrons to the dye sensitizer that has been photoexcited and injects electrons into the semiconductor layer, and can reduce the dye sensitizer. The electrolyte layer may be a layer in which electrons are supplied from the counter platinum catalyst layer to the electrolyte that has lost electrons.

液体状の電解質層としては、酸化還元種を含む非水系電解液等があげられる。酸化還元種としては、ヨウ化リチウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化カルシウム等のヨウ化物塩とヨウ素の組み合わせ、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、臭化カルシウム等の臭化物塩と臭素の組み合わせが好ましい。夫々1種単独又は2種類以上
の併用でもよい。またDMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)、TBP(tert-ブチルピリジン)等を添加してもよい。
Examples of the liquid electrolyte layer include a non-aqueous electrolyte solution containing a redox species. Redox species include combinations of iodide salts such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, calcium iodide and iodine, and bromide salts such as lithium bromide, sodium bromide, potassium bromide, calcium bromide. A combination of and bromine is preferred. Each may be used alone or in combination of two or more. Further, DMPII (1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide), TBP (tert-butylpyridine) or the like may be added.

溶媒としては、アセトニトリル、3-メトキシプロピオニトリル、炭酸エチレン、炭酸プロピオン等があげられる。これらの溶媒は、1種単独又は2種を組み合わせて使用してもよい。本発明の色素増感太陽電池は、集光装置、対極材料、電解液層を経由して、光電極上の酸化チタン層に吸着された色素に光照射がなされて、色素が光励起するために、電解液層は光透過性が高いことが必要である。電解質層の厚み、すなわち光電極と対極との距離は、25〜100μmが好ましく、さらに好ましいのは、25〜50μmである。   Examples of the solvent include acetonitrile, 3-methoxypropionitrile, ethylene carbonate, propionate and the like. These solvents may be used alone or in combination of two. In the dye-sensitized solar cell of the present invention, the dye adsorbed on the titanium oxide layer on the photoelectrode is irradiated with light via the light collecting device, the counter electrode material, and the electrolyte layer, and the dye is photoexcited. The electrolyte layer needs to have high light transmittance. The thickness of the electrolyte layer, that is, the distance between the photoelectrode and the counter electrode is preferably 25 to 100 μm, and more preferably 25 to 50 μm.

セパレータ(スペーサー)及び封止材
色素増感型太陽電池では、光電極と対極との接触を防ぐためにセパレータ(スペーサー
)を設置することが好ましい。
In the separator (spacer) and the sealing material dye-sensitized solar cell, it is preferable to install a separator (spacer) in order to prevent contact between the photoelectrode and the counter electrode.

光電極と対極間に設置するセパレータ(スペーサー)の厚みは、電解液層の厚みを決定する。電解液層の厚みが薄い程、本発明の色素増感太陽電池は、集光装置、対極材料、電解液層を経由して、光電極上の酸化チタン層に吸着された色素に光照射がなされて、色素が光励起するために、電解液層は光透過性が高いことが必要であり、電解液層の厚みが薄い好ましい。セパレータ(スペーサー)が薄すぎると、光電極と対極との接触が起きる。セパレータ(スペーサー)としては、25〜100μmが好ましく、さらに好ましいのは、25
〜50μmである。セパレータとしては、電池分野で通常使われる公知のセパレータを用いることができる。セパレータとして、アイオノマー系樹脂フィルム、ポリイミド系樹脂フィルム、アクリル系UV硬化樹脂、ガラス材、シラン変性ポリマー、ポリイミド系テープ等を用いることができる。
The thickness of the separator (spacer) placed between the photoelectrode and the counter electrode determines the thickness of the electrolyte layer. The thinner the electrolyte layer, the more the dye-sensitized solar cell of the present invention is irradiated with light to the dye adsorbed on the titanium oxide layer on the photoelectrode via the light collecting device, the counter electrode material, and the electrolyte layer. In order for the dye to be photoexcited, the electrolyte layer needs to have high light transmittance, and the electrolyte layer is preferably thin. If the separator (spacer) is too thin, contact between the photoelectrode and the counter electrode occurs. The separator (spacer) is preferably 25 to 100 μm, more preferably 25
~ 50 μm. As the separator, a known separator usually used in the battery field can be used. As the separator, an ionomer resin film, a polyimide resin film, an acrylic UV curable resin, a glass material, a silane-modified polymer, a polyimide tape, or the like can be used.

セパレータの面積についても、特に限定されず、目的とする太陽電池の規模等に応じて適宜設定すればよい。   The area of the separator is not particularly limited, and may be set as appropriate according to the scale of the target solar cell.

封止材として、アクリル系UV硬化樹脂、アイオノマー系樹脂フィルム、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ホットメルト系樹脂、シリコーン系エラストマー、ブチルゴム系エラストマー、ガラス材等を用いることができる。アクリル系UV硬化樹脂としては、スリーボンド製のTB3017Bを用いることができる。光電極及び対極の両
極間を封止することができる。
As the sealing material, acrylic UV curable resins, ionomer resin films, epoxy resins, polyester resins, acrylic resins, hot melt resins, silicone elastomers, butyl rubber elastomers, glass materials, and the like can be used. As an acrylic UV curable resin, TB3017B manufactured by ThreeBond can be used. The gap between both the photoelectrode and the counter electrode can be sealed.

(4)集光装置
本色素増感型太陽電池では、集光装置が対極側に配置されているものである。
(4) Condensing device In this dye-sensitized solar cell, the condensing device is disposed on the counter electrode side.

光照射手段は、集光装置を介して対極側から配置されている。色素増感型太陽電池では、光電極としては光透過性のないチタン材料にて構成されるために光照射は、対極から実施する。対極と光源との間に集光装置を設置することにより、無駄に使用されている光を集光し、高い光電変換効率に相当する高電力が達成される。従来の色素増感太陽電池にて使用されているITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine Tin Oxide)等の透明導電膜を用いたものではシート抵抗が高く、集光装置にて光を収束しても、特に大面積の色素増感太陽電池では、光電変換効率の向上は認められない。一方、本発明の光電極に用いられている金属チタン、チタン合金または金属チタン、チタン合金を表面処理した材料は、シート抵抗がITO(Indium Tin Oxide)、FTO(Fluorine Tin Oxide)等の透明導電膜と比較すると極めて低い等の利点がある。その結果、本発明の色素増感太陽電池では大面積の色素増感太陽電池においても集光装置を用いて光を収束させることにて、得られた色素増感太陽電池の光電変換効率に相当する電力を得ることができる。   The light irradiation means is arrange | positioned from the counter electrode side via the condensing apparatus. In the dye-sensitized solar cell, since the photoelectrode is composed of a titanium material having no light transmittance, light irradiation is performed from the counter electrode. By installing a light condensing device between the counter electrode and the light source, light that is wasted is condensed, and high power corresponding to high photoelectric conversion efficiency is achieved. Sheets using transparent conductive films such as ITO (Indium Tin Oxide) and FTO (Fluorine Tin Oxide) used in conventional dye-sensitized solar cells have high sheet resistance, and the light is converged by a condensing device. However, especially in a large-area dye-sensitized solar cell, an improvement in photoelectric conversion efficiency is not recognized. On the other hand, the metal titanium, titanium alloy or metal titanium, titanium alloy surface-treated material used in the photoelectrode of the present invention has a sheet resistance of transparent conductive such as ITO (Indium Tin Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide), etc. There are advantages such as extremely low compared to the membrane. As a result, in the dye-sensitized solar cell of the present invention, even in a large-area dye-sensitized solar cell, it is equivalent to the photoelectric conversion efficiency of the obtained dye-sensitized solar cell by converging light using a condensing device Power to be obtained.

集光装置としては、特に限定されるものではないが、ガラスやPMMA(Polymethyl methacrylate),PET(Polyethylene terephthalate),PEN(Polyethylene naphthalate)等の透明プ
ラスチックス製のリニアフレネルレンズ等の集光レンズを用いることが好ましい。
The condensing device is not particularly limited, but condensing lenses such as linear Fresnel lenses made of transparent plastics such as glass, PMMA (Polymethyl methacrylate), PET (Polyethylene terephthalate), PEN (Polyethylene naphthalate), etc. It is preferable to use it.

色素増感太陽電池に使用されている色素増感剤等の有機物成分は、太陽光に含まれる波長の短い紫外線にて劣化する恐れがある。そのためガラスやPMMA(Polymethyl methacrylate),PET(Polyethylene terephthalate),PEN(Polyethylene naphthalate)等の透明プラス
チックスのリニアフレネルレンズ等の集光装置を用いることにより、太陽光に含まれる波長の短い紫外線が色素増感太陽電池に入ることを防ぐことが可能である。色素増感太陽電池に使用されている色素等の有機物成分の劣化が防ぐことができ、色素増感太陽電池の耐久性を向上することができる。
Organic components such as dye sensitizers used in dye-sensitized solar cells may be deteriorated by ultraviolet rays having a short wavelength contained in sunlight. Therefore, by using a condensing device such as glass, PMMA (Polymethyl methacrylate), PET (Polyethylene terephthalate), PEN (Polyethylene naphthalate) or other transparent plastic linear Fresnel lenses, ultraviolet rays with a short wavelength contained in sunlight are dyed. It is possible to prevent entry into the sensitized solar cell. Deterioration of organic components such as a dye used in the dye-sensitized solar cell can be prevented, and the durability of the dye-sensitized solar cell can be improved.

また集光装置にて光が収束することにて発生する色素増感太陽電池自身が熱を持つために、色素増感太陽電池の耐久性が損なわれる恐れがあるために、冷却装置を設けることが好ましい。冷却装置としては、特に制限されるものではないが、集光装置と対極の間に太陽光の熱エネルギーを遮断するために、近赤外線遮断フィルターを設けたものや、光電極に使用されている金属チタン、チタン合金または金属チタン、チタン合金を水冷、空冷させる装置、銅板等の熱伝導率が高い材料等が好ましい。これらの冷却装置を付設することにより、集光装置により収束した光による発熱を防ぐことが可能である。冷却効率をさらに高めるには、本発明の色素増感太陽電池の光電極面に2種類以上の熱伝導性の良い材料
(アルミニウム、銅板等)を積層させもよい。
In addition, since the dye-sensitized solar cell itself generated by the light converging in the condensing device has heat, the durability of the dye-sensitized solar cell may be impaired. Is preferred. Although it does not restrict | limit especially as a cooling device, In order to interrupt | block the thermal energy of sunlight between a condensing device and a counter electrode, what provided the near-infrared cut off filter, and is used for a photoelectrode Metal titanium, titanium alloy or metal titanium, an apparatus for water-cooling the titanium alloy, a material having high thermal conductivity such as a copper plate, and the like are preferable. By attaching these cooling devices, it is possible to prevent heat generation due to the light converged by the light collecting device. In order to further increase the cooling efficiency, two or more kinds of materials having good thermal conductivity (aluminum, copper plate, etc.) may be laminated on the photoelectrode surface of the dye-sensitized solar cell of the present invention.

(5)色素増感型太陽電池の製造方法
本発明の色素増感型太陽電池は、公知の方法に従って製造できる。例えば、光電極及び対極にスペーサーを介して対向配置させ、光電極及び対極間に電解質層を封入する。電解質層の封入方法は限定的ではなく、例えば、前記光電極の前記半導体層側に前記対極を積層した後、注入口を設け、この注入口から電解質層を構成する材料を注入する方法が挙げられる。この注入口は、前記材料の注入を完了した後に、所定の部材や樹脂により塞げばよい。また、前記材料の注入の際、前記電解質層がゲル状の場合には加熱により液化すればよい。また、前記電解質層が固体状の場合には、例えば、固体電解質を溶解可能な溶媒を用いて固体電解質を溶解した液を調製し注入口に注入した後、溶媒を除去すればよい。
(5) Method for Producing Dye-Sensitized Solar Cell The dye-sensitized solar cell of the present invention can be produced according to a known method. For example, the photoelectrode and the counter electrode are arranged to face each other via a spacer, and an electrolyte layer is sealed between the photoelectrode and the counter electrode. The method of encapsulating the electrolyte layer is not limited. For example, after the counter electrode is stacked on the semiconductor layer side of the photoelectrode, an injection port is provided, and a material constituting the electrolyte layer is injected from the injection port. It is done. The injection port may be closed with a predetermined member or resin after the injection of the material is completed. In addition, when the material is injected, if the electrolyte layer is a gel, it may be liquefied by heating. When the electrolyte layer is solid, for example, a solution in which the solid electrolyte is dissolved using a solvent capable of dissolving the solid electrolyte is prepared and injected into the injection port, and then the solvent is removed.

本発明の色素増感型太陽電池は、光電変換効率が高い次世代太陽電池である。本発明の色素増感型太陽電池は、複数の電池を併設したモジュールの形態を有することができる。   The dye-sensitized solar cell of the present invention is a next-generation solar cell with high photoelectric conversion efficiency. The dye-sensitized solar cell of the present invention can have the form of a module provided with a plurality of batteries.

図1は、本発明の色素増感型太陽電池の一実施形態を示す概略図(断面図)である。図1の色素増感型太陽電池は、光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池である。   FIG. 1 is a schematic view (cross-sectional view) showing an embodiment of the dye-sensitized solar cell of the present invention. The dye-sensitized solar cell in FIG. 1 is a dye-sensitized solar cell in which a photoelectrode and a counter electrode are arranged to face each other with an electrolyte layer interposed therebetween.

光電極は、チタン材料1上に、色素増感剤を含有する半導体層2であり、対極は、透明導電性ガラス3である。対極上には、電気化学的触媒層4を蒸着されているものである。当該光電極と対極との間に電解質5を介在させ、光電極と対極間にはスペーサ―6を設置した後、封止材7により封止されている。   The photoelectrode is a semiconductor layer 2 containing a dye sensitizer on the titanium material 1, and the counter electrode is a transparent conductive glass 3. On the counter electrode, an electrochemical catalyst layer 4 is deposited. An electrolyte 5 is interposed between the photoelectrode and the counter electrode, and a spacer 6 is installed between the photoelectrode and the counter electrode, and then sealed with a sealing material 7.

対極の上部には、集光装置8を設置され、対極の光照射面には反射防止フィルム9を設けている形態を有している。   A condensing device 8 is installed above the counter electrode, and an antireflection film 9 is provided on the light irradiation surface of the counter electrode.

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated, this invention is not limited to these Examples.

実施例1
(1)陽極酸化処理したチタン材料の作製
金属チタン板(チタン材料、光電極基板)を、トリクロロエチレンを用いて脱脂処理した後、窒化炉(NVF-600-PC、中日本炉工業製)を使用して、脱脂処理した金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
Example 1
(1) Preparation of anodized titanium material Metal titanium plate (titanium material, photoelectrode substrate) is degreased with trichlorethylene and then used in a nitriding furnace (NVF-600-PC, manufactured by Central Japan Reactor Industry) Thus, titanium nitride was formed on the surface of the degreased metal titanium plate.

先ず、窒化炉内に設置した平板状のカーボン材により、金属チタン板を挟んだ。次いで、酸素を取り除くために窒化炉を1Pa以下まで減圧処理した後、窒化炉に99.99%以上の高純度の窒素ガスを導入して0.1MPa(大気圧)まで復圧させた。次いで、窒化炉を2時間か
けて950℃まで昇温した。次いで、この950℃の窒化炉において、1時間加熱処理を行い、
金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
表面にチタン窒化物を形成させた金属チタン板を、1.5M硫酸、0.05Mリン酸、0.3M過酸化水素にて電流密度4A/dm2にて30分間陽極酸化処理を実施した。アナターゼ型酸化チタン
の皮膜を形成させた。
First, a metal titanium plate was sandwiched between flat carbon materials installed in a nitriding furnace. Next, in order to remove oxygen, the nitriding furnace was depressurized to 1 Pa or less, and then nitrogen gas with a purity of 99.99% or more was introduced into the nitriding furnace to restore the pressure to 0.1 MPa (atmospheric pressure). Next, the temperature of the nitriding furnace was raised to 950 ° C. over 2 hours. Next, in this 950 ° C. nitriding furnace, heat treatment is performed for 1 hour,
Titanium nitride was formed on the surface of the metal titanium plate.
The titanium metal plate with titanium nitride formed on the surface was anodized with 1.5 M sulfuric acid, 0.05 M phosphoric acid, 0.3 M hydrogen peroxide at a current density of 4 A / dm 2 for 30 minutes. A film of anatase-type titanium oxide was formed.

(2)光電極の作製
上記表面処理した12mm×50mmの金属チタン板を光電極として用いて、色素増感型太陽電池を作製した。
(2) Production of photoelectrode A dye-sensitized solar cell was produced using the surface-treated 12 mm x 50 mm titanium metal plate as the photoelectrode.

先ず、上記表面処理した金属チタン板を溶剤にて洗浄後、UVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分
間実施、さらに窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。
本処理をした上記表面処理材に、酸化チタン材料(PST-18NR、日揮触媒化成製)を、塗布面積が2cm2(5mm×40mm)になるように、スキージ法にて3回コーティングした(半導体層)後、450℃で1時間焼成した。さらにUVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株
)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分間実施、さらに窒素
フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。
First, the surface-treated titanium metal plate is washed with a solvent, then subjected to an oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in a UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Filgen Co., Ltd.), and then subjected to ultraviolet irradiation for 30 minutes. Nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was performed.
Titanium oxide material (PST-18NR, manufactured by JGC Catalysts & Chemicals) was coated three times by the squeegee method on the surface treatment material after this treatment so that the coating area was 2cm 2 (5mm × 40mm) (semiconductor Layer) and then fired at 450 ° C. for 1 hour. Furthermore, after performing oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Philgen), ultraviolet irradiation was performed for 30 minutes, and nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was further performed.

次いで、ルテニウム系色素のN719を0.45mM(Solaronix製、色素増感剤)とルテニウ
ム系色素のN749を0.15mM(Solaronix製、色素増感剤)を、tert-ブタノール(t-BuOH)及びアセトニトリル(CH3CN)を含む混合溶液に希釈し、色素溶液を調製した。混合液は
、t-BuOH:CH3CN=1:1の混合割合である。焼成後の金属チタン板を、本色素溶液に40
℃にて14時間浸漬し、光電極材料を得た。
Next, ruthenium dye N719 0.45 mM (Solaronix, dye sensitizer), ruthenium dye N749 0.15 mM (Solaronix, dye sensitizer), tert-butanol (t-BuOH) and acetonitrile ( A dye solution was prepared by diluting in a mixed solution containing (CH 3 CN). The mixed solution has a mixing ratio of t-BuOH: CH 3 CN = 1: 1. Place the titanium metal plate after firing into the dye solution.
It was immersed for 14 hours at 0 ° C. to obtain a photoelectrode material.

同様に表面処理しない金属チタン材や従来の色素増感太陽電池に使用されているFTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板(旭硝子(株)製)においても作業を実施し、光電極を
準備した。
Similarly, work was performed on a metal titanium material not subjected to surface treatment and an FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plate (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) used in conventional dye-sensitized solar cells, and a photoelectrode was prepared.

表面処理した金属チタンをフッ化水素酸5%溶液にて5分間浸漬することにてエッチング処理をすることにて集電部を設けた。金属チタンは、集電部を設ける処理は実施しなかった。FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板には、ドータイトD-550(藤倉化成(株)製 銀ペースト)をコーティングすることにて集電部を設けた。   The current collector was provided by etching the surface-treated metal titanium by immersing it in a 5% hydrofluoric acid solution for 5 minutes. Metal titanium was not subjected to the process of providing a current collector. An FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plate was coated with Dotite D-550 (silver paste manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.) to provide a current collector.

(3)色素増感型太陽電池の作製
対極としては、FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板(旭硝子(株)製)に白金を電
子ビーム蒸着した12×50mmの材料を用いた。ドータイトD-550(藤倉化成(株)製 銀
ペースト)をコーティングすることにて集電部を設けた。白金の蒸着厚さは1nmであり、
光電極と対極との隙間に30μmのアイオノマー樹脂のスペーサ―(ハイミラン、三井・デュポン ポリケミカル(株)製)を設置した。本対極の光照射面には、反射防止フィルム
((株)ホリ製)を貼りつけた。
(3) As a counter electrode for the dye-sensitized solar cell, a 12 × 50 mm material obtained by electron beam evaporation of platinum on an FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plate (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used. A current collector was provided by coating Doutite D-550 (silver paste manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.). The deposition thickness of platinum is 1nm,
A 30 μm ionomer resin spacer (High Milan, made by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd.) was installed in the gap between the photoelectrode and the counter electrode. An antireflection film (manufactured by Hori Co., Ltd.) was attached to the light irradiation surface of this counter electrode.

次いで、0.01M I2(ヨウ素)、0.02M LiI(ヨウ化リチウム)、0.24MDMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)、1.0M TBP(tert-ブチルピリジン)をアセトニ
トリル中に溶解させて、電解液を調製した。調製した電解液を、光電極と対極との隙間に入れた(電解質層)。
Next, 0.01M I 2 (iodine), 0.02M LiI (lithium iodide), 0.24M DMPII (1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide), 1.0M TBP (tert-butylpyridine) are dissolved in acetonitrile. An electrolyte solution was prepared. The prepared electrolytic solution was put in the gap between the photoelectrode and the counter electrode (electrolyte layer).

次いで、アクリル系UV硬化樹脂TB3017B((株)スリーボンド製、封止材)を用いて
、両極間を封止し、色素増感型太陽電池を作製した。
Next, using an acrylic UV curable resin TB3017B (manufactured by Three Bond Co., Ltd., a sealing material), the gap between both electrodes was sealed to prepare a dye-sensitized solar cell.

集光装置(集光レンズ)レンズとしては、PMMA(Polymethyl methacrylate)製リニアフ
レネルレンズ(日本特殊光学樹脂(株)製)を用いて入射光を収束させた。集光レンズを用
いて入射光の収束させた際の集光率は、シリコン型標準セル(分光計器(株)製)を用いて光を収束した際の電流値から求めた。
As a condensing device (condensing lens) lens, incident light was converged using a linear Fresnel lens (manufactured by Nippon Special Optical Resin Co., Ltd.) made of PMMA (Polymethyl methacrylate). The condensing rate when the incident light was converged using the condensing lens was obtained from the current value when the light was converged using a silicon standard cell (manufactured by Spectrometer Co., Ltd.).

(4)評価結果
表面処理した金属チタン、金属チタン、FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板をそれ
ぞれ用いた色素増感太陽電池において、集光した際の発生電力に相当する見かけ光電変換効率について調べた結果を、表1に示した。
(4) Evaluation results In a dye-sensitized solar cell using surface-treated metal titanium, metal titanium, and FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plates, the apparent photoelectric conversion efficiency corresponding to the generated electric power when condensed is examined. The results are shown in Table 1.

Figure 0005689202
Figure 0005689202

本結果から、従来の色素増感太陽電池の光電極基板に使用しているFTOガラスにおいて
は、集光しても光電変換効率があまり向上しないことがわかった。
一方、本発明の金属チタンや表面処理した金属チタンを光電極基板として用いた色素増感太陽電池にて集光をすることにより、光を収束すれば光電変換効率が向上し、高い電力が発生することがわかった。
From this result, it was found that the photoelectric conversion efficiency is not improved so much even in the FTO glass used for the photoelectrode substrate of the conventional dye-sensitized solar cell.
On the other hand, by condensing light in a dye-sensitized solar cell using the titanium metal of the present invention or surface-treated metal titanium as a photoelectrode substrate, photoelectric conversion efficiency improves and high power is generated if light is converged. I found out that

実施例2
(1)陽極酸化処理したチタン材料の作製
金属チタン板(チタン材料、光電極基板)を、トリクロロエチレンを用いて脱脂処理した後、窒化炉(NVF-600-PC、中日本炉工業製)を使用して、脱脂処理した金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
Example 2
(1) Preparation of anodized titanium material Metal titanium plate (titanium material, photoelectrode substrate) is degreased with trichlorethylene and then used in a nitriding furnace (NVF-600-PC, manufactured by Central Japan Reactor Industry) Thus, titanium nitride was formed on the surface of the degreased metal titanium plate.

先ず、窒化炉内に設置した平板状のカーボン材により、金属チタン板を挟んだ。次いで、酸素を取り除くために窒化炉を1Pa以下まで減圧処理した後、窒化炉に99.99%以上の高純度の窒素ガスを導入して0.1MPa(大気圧)まで復圧させた。次いで、窒化炉を2時間か
けて950℃まで昇温した。次いで、この950℃の窒化炉において、1時間加熱処理を行い、
金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
First, a metal titanium plate was sandwiched between flat carbon materials installed in a nitriding furnace. Next, in order to remove oxygen, the nitriding furnace was depressurized to 1 Pa or less, and then nitrogen gas with a purity of 99.99% or more was introduced into the nitriding furnace to restore the pressure to 0.1 MPa (atmospheric pressure). Next, the temperature of the nitriding furnace was raised to 950 ° C. over 2 hours. Next, in this 950 ° C. nitriding furnace, heat treatment is performed for 1 hour,
Titanium nitride was formed on the surface of the metal titanium plate.

表面にチタン窒化物を形成させた金属チタン板を、1.5M硫酸、0.05Mリン酸、0.3M過酸化水素にて電流密度4A/dm2にて30分間陽極酸化処理を実施した。アナターゼ型酸化チタ
ンの皮膜を形成させた。
The titanium metal plate with titanium nitride formed on the surface was anodized with 1.5 M sulfuric acid, 0.05 M phosphoric acid, 0.3 M hydrogen peroxide at a current density of 4 A / dm 2 for 30 minutes. A film of anatase-type titanium oxide was formed.

(2)光電極の作製
上記表面処理した17mm×50mmの金属チタン板を光電極として用いて、色素増感型太陽電池を作製した。
(2) Production of photoelectrode A dye-sensitized solar cell was produced using the surface-treated 17 mm x 50 mm titanium metal plate as the photoelectrode.

先ず、上記表面処理した金属チタン板を溶剤にて洗浄後、UVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分
間実施、さらに窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。
First, the surface-treated titanium metal plate is washed with a solvent, then subjected to an oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in a UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Filgen Co., Ltd.), and then subjected to ultraviolet irradiation for 30 minutes. Nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was performed.

本処理をした上記表面処理材に、酸化チタン材料(PST-18NR、日揮触媒化成製)を、塗布面積が4cm2(10mm×40mm)になるように、スキージ法にて3回コーティングした(半導
体層)後、450℃で1時間焼成した。さらにUVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン
(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分間実施、さらに
窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。
Titanium oxide material (PST-18NR, manufactured by JGC Catalysts & Chemicals) was coated three times by the squeegee method (semiconductor) on the surface treatment material after this treatment so that the coating area was 4cm 2 (10mm × 40mm). Layer) and then fired at 450 ° C. for 1 hour. Furthermore, after performing oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Philgen), ultraviolet irradiation was performed for 30 minutes, and nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was further performed.

次いで、ルテニウム系色素のN719を0.45mM(Solaronix製、色素増感剤)とルテニウ
ム系色素のN749を0.15mM(Solaronix製、色素増感剤)とを、tert-ブタノール(t-BuOH)及びアセトニトリル(CH3CN)を含む混合溶液に希釈し、色素溶液を調製した。混合液
は、t-BuOH:CH3CN=1:1の混合割合である。焼成後の金属チタン板を、本色素溶液に40℃にて14時間浸漬し、光電極材料を得た。同様に表面処理しない金属チタン材や従来の
色素増感太陽電池に使用されているFTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板(旭硝子(株
)製)においても作業を実施し、光電極を準備した。
Next, ruthenium dye N719 0.45 mM (Solaronix, dye sensitizer), ruthenium dye N749 0.15 mM (Solaronix, dye sensitizer), tert-butanol (t-BuOH) and acetonitrile A dye solution was prepared by diluting in a mixed solution containing (CH 3 CN). The mixed solution has a mixing ratio of t-BuOH: CH 3 CN = 1: 1. The fired titanium metal plate was immersed in the dye solution at 40 ° C. for 14 hours to obtain a photoelectrode material. Similarly, work was performed on a metal titanium material not subjected to surface treatment and an FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plate (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) used in conventional dye-sensitized solar cells, and a photoelectrode was prepared.

表面処理した金属チタンは、フッ化水素酸5%溶液にて5分間浸漬することにてエッチ
ング処理することにて集電部を設けた。金属チタンは、集電部を設ける処理は実施しなかった。
The surface-treated metal titanium was subjected to an etching treatment by immersing it in a 5% hydrofluoric acid solution for 5 minutes to provide a current collector. Metal titanium was not subjected to the process of providing a current collector.

FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板には、ドータイトD-550(藤倉化成(株)製 銀ペースト)をコーティングすることにて集電部を設けた。   An FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plate was coated with Dotite D-550 (silver paste manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.) to provide a current collector.

(3)色素増感型太陽電池の作製
対極としては、FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板(旭硝子(株)製)に白金を電
子ビーム蒸着した17mm×50mmの材料を用いた。ドータイトD-550(藤倉化成(株)製
銀ペースト)をコーティングすることにて集電部を設けた。白金の蒸着厚さは1nmであ
り、光電極と対極との隙間に30μmのアイオノマー樹脂のスペーサ―(ハイミラン、三井・デュポン ポリケミカル(株)製)を設置した。本対極の光照射面には、反射防止フィ
ルム((株)ホリ製)を貼りつけた。
(3) As a counter electrode for the dye-sensitized solar cell, a 17 mm × 50 mm material obtained by electron beam vapor deposition of platinum on an FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor deposition glass plate (Asahi Glass Co., Ltd.) was used. A current collector was provided by coating Doutite D-550 (silver paste manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.). The platinum deposition thickness was 1 nm, and a 30 μm ionomer resin spacer (High Milan, made by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd.) was installed in the gap between the photoelectrode and the counter electrode. An antireflection film (manufactured by Hori Co., Ltd.) was attached to the light irradiation surface of this counter electrode.

次いで、0.01M I2(ヨウ素)、0.02M LiI(ヨウ化リチウム)、0.24MDMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)、1.0M TBP(tert-ブチルピリジン)をアセトニ
トリル中に溶解させて、電解液を調製した。調製した電解液を、光電極と対極との隙間に入れた(電解質層)。
Next, 0.01M I 2 (iodine), 0.02M LiI (lithium iodide), 0.24M DMPII (1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide), 1.0M TBP (tert-butylpyridine) are dissolved in acetonitrile. An electrolyte solution was prepared. The prepared electrolytic solution was put in the gap between the photoelectrode and the counter electrode (electrolyte layer).

次いで、アクリル系UV硬化樹脂TB3017B((株)スリーボンド製、封止材)を用いて
、両極間を封止し、色素増感型太陽電池を作製した。
Next, using an acrylic UV curable resin TB3017B (manufactured by Three Bond Co., Ltd., a sealing material), the gap between both electrodes was sealed to prepare a dye-sensitized solar cell.

集光レンズとしては、PMMA(Polymethyl methacrylate)製リニアフレネルレンズ(日本特殊光学樹脂(株)製)を用いて入射光を収束させた。集光レンズを用いて入射光の収束さ
せた際の集光率は、シリコン型標準セル(分光計器(株)製)を用いて光を収束した際の電流値から求めた。
As the condenser lens, a linear Fresnel lens (manufactured by Nippon Special Optical Resin Co., Ltd.) made of PMMA (Polymethyl methacrylate) was used to converge the incident light. The condensing rate when the incident light was converged using the condensing lens was obtained from the current value when the light was converged using a silicon standard cell (manufactured by Spectrometer Co., Ltd.).

(4)評価結果
表面処理した金属チタン、金属チタン、FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板をそれ
ぞれ用いた色素増感太陽電池において、集光した際の発生電力に相当する見かけ光電変換効率について調べた結果を、表2に示した。
(4) Evaluation results In a dye-sensitized solar cell using surface-treated metal titanium, metal titanium, and FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plates, the apparent photoelectric conversion efficiency corresponding to the generated electric power when condensed is examined. The results are shown in Table 2.

Figure 0005689202
Figure 0005689202

本結果から、従来の色素増感太陽電池の光電極基板に使用しているFTOガラスにおいて
は、集光しても光電変換効率があまり向上しない。一方、本発明の金属チタンや表面処理した金属チタンを光電極基板として用い、集光をすることにより、光を収束すれば光電変換効率が向上し、高い電力が発生することがわかった。
From this result, in the FTO glass used for the photoelectrode substrate of the conventional dye-sensitized solar cell, the photoelectric conversion efficiency is not so much improved even if it is condensed. On the other hand, it was found that by using the metal titanium of the present invention or the surface-treated metal titanium as a photoelectrode substrate and condensing, if the light is converged, the photoelectric conversion efficiency is improved and high power is generated.

実施例3
(1)陽極酸化処理したチタン材料の作製
金属チタン板(チタン材料、光電極基板)を、トリクロロエチレンを用いて脱脂処理した後、窒化炉(NVF-600-PC、中日本炉工業製)を使用して、脱脂処理した金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
Example 3
(1) Preparation of anodized titanium material Metal titanium plate (titanium material, photoelectrode substrate) is degreased with trichlorethylene and then used in a nitriding furnace (NVF-600-PC, manufactured by Central Japan Reactor Industry) Thus, titanium nitride was formed on the surface of the degreased metal titanium plate.

先ず、窒化炉内に設置した平板状のカーボン材により、金属チタン板を挟んだ。次いで、酸素を取り除くために窒化炉を1Pa以下まで減圧処理した後、窒化炉に99.99%以上の高純度の窒素ガスを導入して0.1MPa(大気圧)まで復圧させた。次いで、窒化炉を2時間か
けて950℃まで昇温した。次いで、この950℃の窒化炉において、1時間加熱処理を行い、
金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
First, a metal titanium plate was sandwiched between flat carbon materials installed in a nitriding furnace. Next, in order to remove oxygen, the nitriding furnace was depressurized to 1 Pa or less, and then nitrogen gas with a purity of 99.99% or more was introduced into the nitriding furnace to restore the pressure to 0.1 MPa (atmospheric pressure). Next, the temperature of the nitriding furnace was raised to 950 ° C. over 2 hours. Next, in this 950 ° C. nitriding furnace, heat treatment is performed for 1 hour,
Titanium nitride was formed on the surface of the metal titanium plate.

表面にチタン窒化物を形成させた金属チタン板を、1.5M硫酸、0.05Mリン酸、0.3M過酸化水素にて電流密度4A/dm2にて30分間陽極酸化処理を実施した。アナターゼ型酸化チタ
ンの皮膜を形成させた。
The titanium metal plate with titanium nitride formed on the surface was anodized with 1.5 M sulfuric acid, 0.05 M phosphoric acid, 0.3 M hydrogen peroxide at a current density of 4 A / dm 2 for 30 minutes. A film of anatase-type titanium oxide was formed.

(2)光電極の作製
上記表面処理した金属チタン板を光電極として用いて、色素増感型太陽電池を作製した。
(2) Production of photoelectrode A dye-sensitized solar cell was produced using the surface-treated titanium metal plate as a photoelectrode.

先ず、上記表面処理した金属チタン板を溶剤にて洗浄後、UVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分
間実施、さらに窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。本処理をしたそれぞれ9×50mm、10×50mm、12mm×50mm、17mm×50mmの上記表面処理材に、酸化チタン材料(PST-18NR、日揮触媒化成製)を、塗布面積が0.8cm2(2mm×40mm)、1.2 cm2(3mm×40mm)、2.0cm2(5mm×40mm)、4.0cm2(10mm×40mm)になるように、スキージ法にて3回コーティングした
(半導体層)。さらにUVオゾン処理を30分間実施した後、450℃で1時間焼成した。さ
らにUVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分間実施、さらに窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。
First, the surface-treated titanium metal plate is washed with a solvent, then subjected to an oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in a UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Filgen Co., Ltd.), and then subjected to ultraviolet irradiation for 30 minutes. Nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was performed. Titanium oxide material (PST-18NR, manufactured by JGC Catalysts & Chemicals) is applied to the surface treatment materials of 9 × 50mm, 10 × 50mm, 12mm × 50mm, and 17mm × 50mm, respectively, and the coating area is 0.8cm 2 (2mm) × 40 mm), 1.2 cm 2 (3 mm × 40 mm), 2.0 cm 2 (5 mm × 40 mm), and 4.0 cm 2 (10 mm × 40 mm) were coated three times by the squeegee method (semiconductor layer). Further, UV ozone treatment was performed for 30 minutes, followed by baking at 450 ° C. for 1 hour. Furthermore, after performing oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Philgen), ultraviolet irradiation was performed for 30 minutes, and nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was further performed.

次いで、ルテニウム系色素のN719を0.45mM(Solaronix製、色素増感剤)とルテニウ
ム系色素のN749を0.15mM(Solaronix製、色素増感剤)を、tert-ブタノール(t-BuOH)及びアセトニトリル(CH3CN)を含む混合溶液に希釈し、色素溶液を調製した。混合液は
、t-BuOH:CH3CN=1:1の混合割合である。焼成後の金属チタン板を、本色素溶液に40
℃にて14時間浸漬し、光電極材料を得た。表面処理した金属チタンは、フッ化水素酸5%
溶液にて5分間浸漬することにて集電部を設けた。
Next, ruthenium dye N719 0.45 mM (Solaronix, dye sensitizer), ruthenium dye N749 0.15 mM (Solaronix, dye sensitizer), tert-butanol (t-BuOH) and acetonitrile ( A dye solution was prepared by diluting in a mixed solution containing (CH 3 CN). The mixed solution has a mixing ratio of t-BuOH: CH 3 CN = 1: 1. Place the titanium metal plate after firing into the dye solution.
It was immersed for 14 hours at 0 ° C. to obtain a photoelectrode material. Surface treated titanium metal is 5% hydrofluoric acid
A current collector was provided by immersing in the solution for 5 minutes.

(3)色素増感型太陽電池の作製
対極としては、FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板(旭硝子(株)製)に白金を電
子ビーム蒸着した光電極基板と同じ面積の材料を用いた。ドータイトD-550(藤倉化成(
株)製 銀ペースト)をコーティングすることにて集電部を設けた。白金の蒸着厚さは1nmであり、光電極と対極との隙間に30μmのアイオノマー樹脂のスペーサ―(ハイミラン
、三井・デュポン ポリケミカル(株)製)を設置した。本対極の光照射面には、反射防
止フィルム((株)ホリ製)を貼りつけた。
(3) As a counter electrode for the dye-sensitized solar cell, a material having the same area as that of a photoelectrode substrate obtained by electron beam vapor deposition of platinum on an FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor deposition glass plate (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used. Doutite D-550 (Fujikura Kasei (
A current collector was provided by coating silver paste). The platinum deposition thickness was 1 nm, and a 30 μm ionomer resin spacer (High Milan, made by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd.) was installed in the gap between the photoelectrode and the counter electrode. An antireflection film (manufactured by Hori Co., Ltd.) was attached to the light irradiation surface of this counter electrode.

次いで、0.01M I2(ヨウ素)、0.02M LiI(ヨウ化リチウム)、0.24MDMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)、1.0M TBP(tert-ブチルピリジン)をアセトニ
トリル中に溶解させて、電解液を調製した。調製した電解液を、光電極と対極との隙間に入れた(電解質層)。
Next, 0.01M I 2 (iodine), 0.02M LiI (lithium iodide), 0.24M DMPII (1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide), 1.0M TBP (tert-butylpyridine) are dissolved in acetonitrile. An electrolyte solution was prepared. The prepared electrolytic solution was put in the gap between the photoelectrode and the counter electrode (electrolyte layer).

次いで、アクリル系UV硬化樹脂TB3017B((株)スリーボンド製、封止材)を用いて
、両極間を封止し、色素増感型太陽電池を作製した。
Next, using an acrylic UV curable resin TB3017B (manufactured by Three Bond Co., Ltd., a sealing material), the gap between both electrodes was sealed to prepare a dye-sensitized solar cell.

集光レンズとしては、PMMA(Polymethyl methacrylate)製リニアフレネルレンズ(日本特殊光学樹脂(株)製)を用いて、入射光を収束させた。集光レンズを用いて入射光の収束
させた際の集光率は、シリコン型標準セル(分光計器(株)製)を用いて光を収束した際の電流値から求めた。
As the condenser lens, a linear Fresnel lens (manufactured by Nippon Special Optical Resin Co., Ltd.) made of PMMA (Polymethyl methacrylate) was used to converge the incident light. The condensing rate when the incident light was converged using the condensing lens was obtained from the current value when the light was converged using a silicon standard cell (manufactured by Spectrometer Co., Ltd.).

(4)評価結果
表面処理した金属チタンについて酸化チタンコーティング幅や縦と横のバランスであるアスペクト比を変更した色素増感太陽電池の光電変換効率を表3に示した。酸化チタンコーティングの面積が0.8cm2(2mm×40mm)にした色素増感太陽電池において、集光装置を
用いて集光した際の発生電力に相当する光電変換効率を表4に示した。
(4) Evaluation results Table 3 shows the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell in which the titanium oxide coating width and the aspect ratio which is the balance between the vertical and horizontal directions were changed for the surface-treated metal titanium. Table 4 shows the photoelectric conversion efficiency corresponding to the generated power when the light is condensed using a condensing device in a dye-sensitized solar cell in which the area of the titanium oxide coating is 0.8 cm 2 (2 mm × 40 mm).

Figure 0005689202
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Figure 0005689202
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本結果から、セル幅を狭くなり、縦と横のバランスであるアスペクト比が高い長方形状に酸化コーティング層を形成させると、得られた色素増感太陽電池が向上した。また2mm
の幅にて酸化チタンコーティングした光電極基板を用いた色素増感太陽電池の光電変換効率はさらに向上し、高い電力が得られた。
From these results, when the oxide coating layer was formed in a rectangular shape with a narrow cell width and a high aspect ratio which is a balance between vertical and horizontal, the resulting dye-sensitized solar cell was improved. 2mm
The photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell using the photoelectrode substrate coated with titanium oxide with a width of 5 mm was further improved, and high power was obtained.

本発生電力量は、現在の太陽電池の主流であるシリコン型太陽電池と同等なものとなっていることがわかった。   It was found that the amount of generated power is equivalent to that of silicon solar cells that are the mainstream of current solar cells.

実施例4
(1)陽極酸化処理したチタン材料の作製
金属チタン板(チタン材料、光電極基板)を、トリクロロエチレンを用いて脱脂処理した後、窒化炉(NVF-600-PC、中日本炉工業製)を使用して、脱脂処理した金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
Example 4
(1) Preparation of anodized titanium material Metal titanium plate (titanium material, photoelectrode substrate) is degreased with trichlorethylene and then used in a nitriding furnace (NVF-600-PC, manufactured by Central Japan Reactor Industry) Thus, titanium nitride was formed on the surface of the degreased metal titanium plate.

先ず、窒化炉内に設置した平板状のカーボン材により、金属チタン板を挟んだ。次いで、酸素を取り除くために窒化炉を1Pa以下まで減圧処理した後、窒化炉に99.99%以上の高純度の窒素ガスを導入して0.1MPa(大気圧)まで復圧させた。次いで、窒化炉を2時間か
けて950℃まで昇温した。次いで、この950℃の窒化炉において、1時間加熱処理を行い、
金属チタン板の表面にチタン窒化物を形成した。
First, a metal titanium plate was sandwiched between flat carbon materials installed in a nitriding furnace. Next, in order to remove oxygen, the nitriding furnace was depressurized to 1 Pa or less, and then nitrogen gas with a purity of 99.99% or more was introduced into the nitriding furnace to restore the pressure to 0.1 MPa (atmospheric pressure). Next, the temperature of the nitriding furnace was raised to 950 ° C. over 2 hours. Next, in this 950 ° C. nitriding furnace, heat treatment is performed for 1 hour,
Titanium nitride was formed on the surface of the metal titanium plate.

表面にチタン窒化物を形成させた金属チタン板を、1.5M硫酸、0.05Mリン酸、0.3M過酸化水素にて電流密度4A/dm2にて30分間陽極酸化処理を実施した。アナターゼ型酸化チタ
ンの皮膜を形成させた。
The titanium metal plate with titanium nitride formed on the surface was anodized with 1.5 M sulfuric acid, 0.05 M phosphoric acid, 0.3 M hydrogen peroxide at a current density of 4 A / dm 2 for 30 minutes. A film of anatase-type titanium oxide was formed.

(2)光電極の作製
上記表面処理した10mm×50mmの金属チタン板を光電極として用いて、色素増感型太陽電池を作製した。
(2) Production of photoelectrode A dye-sensitized solar cell was produced using the surface-treated 10 mm x 50 mm titanium metal plate as the photoelectrode.

先ず、上記表面処理した金属チタン板を溶剤にて洗浄後、UVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分
間実施、さらに窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。本処理をした上記表面処理材に
、酸化チタン材料(PST-18NR、日揮触媒化成製)を、塗布面積が1.2cm2(3mm×40mm)に
なるように、スキージ法にて3回コーティングした(半導体層)後、450℃で1時間焼成した。さらにUVオゾンクリーナー UV253S(フィルジェン(株)製)内にて酸素フロー(0.05MPa,5分間)実施後紫外線照射を30分間実施、さらに窒素フロー(0.2MPa,7.5min)実施した。
First, the surface-treated titanium metal plate is washed with a solvent, then subjected to an oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in a UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Filgen Co., Ltd.), and then subjected to ultraviolet irradiation for 30 minutes. Nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was performed. Titanium oxide material (PST-18NR, manufactured by JGC Catalysts & Chemicals) was coated three times by the squeegee method on the surface treatment material after this treatment so that the coating area was 1.2cm 2 (3mm × 40mm) ( After the semiconductor layer), it was baked at 450 ° C. for 1 hour. Furthermore, after performing oxygen flow (0.05 MPa, 5 minutes) in UV ozone cleaner UV253S (manufactured by Philgen), ultraviolet irradiation was performed for 30 minutes, and nitrogen flow (0.2 MPa, 7.5 min) was further performed.

次いで、ルテニウム系色素のN719を0.45mM(Solaronix製、色素増感剤)とルテニウ
ム系色素のN749を0.15mM(Solaronix製、色素増感剤)を、tert-ブタノール(t-BuOH)及びアセトニトリル(CH3CN)を含む混合溶液に希釈し、色素溶液を調製した。混合液は
、t-BuOH:CH3CN=1:1の混合割合である。焼成後の金属チタン板を、本色素溶液に40
℃にて14時間浸漬し、光電極材料を得た。
Next, ruthenium dye N719 0.45 mM (Solaronix, dye sensitizer), ruthenium dye N749 0.15 mM (Solaronix, dye sensitizer), tert-butanol (t-BuOH) and acetonitrile ( A dye solution was prepared by diluting in a mixed solution containing (CH 3 CN). The mixed solution has a mixing ratio of t-BuOH: CH 3 CN = 1: 1. Place the titanium metal plate after firing into the dye solution.
It was immersed for 14 hours at 0 ° C. to obtain a photoelectrode material.

表面処理した金属チタン、金属チタンは、フッ化水素酸5%溶液にて5分間浸漬するこ
とにてエッチング処理をすることにて集電部を設けた。
The surface-treated metal titanium and metal titanium were subjected to an etching treatment by immersing them in a 5% hydrofluoric acid solution for 5 minutes to provide a current collector.

(3)色素増感型太陽電池の作製
対極としては、FTO(Fluorine Tin Oxide)蒸着ガラス板(旭硝子(株)製)に白金を電
子ビーム蒸着した10mm×50mmの材料を用いた。ドータイトD-550(藤倉化成(株)製
銀ペースト)をコーティングすることにて集電部を設けた。白金の蒸着厚さは1nmであ
り、光電極と対極との隙間に30μmのアイオノマー樹脂のスペーサ―(ハイミラン、三井・デュポン ポリケミカル(株)製)を設置した。本対極の光照射面には、反射防止フィ
ルム((株)ホリ製)を貼りつけたものと貼りつけていないものを作製した。
(3) As a counter electrode for the dye-sensitized solar cell, a 10 mm × 50 mm material obtained by electron beam evaporation of platinum on an FTO (Fluorine Tin Oxide) vapor-deposited glass plate (Asahi Glass Co., Ltd.) was used. A current collector was provided by coating Doutite D-550 (silver paste manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.). The platinum deposition thickness was 1 nm, and a 30 μm ionomer resin spacer (High Milan, made by Mitsui DuPont Polychemical Co., Ltd.) was installed in the gap between the photoelectrode and the counter electrode. On the light-irradiated surface of this counter electrode, an antireflection film (manufactured by Hori Co., Ltd.) and an uncoated film were prepared.

次いで、0.01M I2(ヨウ素)、0.02M LiI(ヨウ化リチウム)、0.24MDMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide)、1.0M TBP(tert-ブチルピリジン)をアセトニ
トリル中に溶解させて、電解液を調製した。調製した電解液を、光電極と対極との隙間に入れた(電解質層)。
Next, 0.01M I 2 (iodine), 0.02M LiI (lithium iodide), 0.24M DMPII (1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide), 1.0M TBP (tert-butylpyridine) are dissolved in acetonitrile. An electrolyte solution was prepared. The prepared electrolytic solution was put in the gap between the photoelectrode and the counter electrode (electrolyte layer).

次いで、アクリル系UV硬化樹脂TB3017B((株)スリーボンド製、封止材)を用いて
、両極間を封止し、色素増感型太陽電池を作製した。
Next, using an acrylic UV curable resin TB3017B (manufactured by Three Bond Co., Ltd., a sealing material), the gap between both electrodes was sealed to prepare a dye-sensitized solar cell.

集光レンズとしては、PMMA(Polymethyl methacrylate)製リニアフレネルレンズ(日本特殊光学樹脂(株)製)を用いて入射光を収束させた。集光レンズを用いて入射光の収束さ
せた際の集光率は、シリコン型標準セル(分光計器(株)製)を用いて光を収束した際の電流値から求めた。
As the condenser lens, a linear Fresnel lens (manufactured by Nippon Special Optical Resin Co., Ltd.) made of PMMA (Polymethyl methacrylate) was used to converge the incident light. The condensing rate when the incident light was converged using the condensing lens was obtained from the current value when the light was converged using a silicon standard cell (manufactured by Spectrometer Co., Ltd.).

(4)評価結果
反射防止フィルム有無による色素増感太陽電池の発生電力に相当するみかけ光電変換効率の違いを表5に示した。
(4) Evaluation results Table 5 shows the difference in apparent photoelectric conversion efficiency corresponding to the generated power of the dye-sensitized solar cell with and without the antireflection film.

Figure 0005689202
Figure 0005689202

本結果から、反射防止フィルムを使用することにて、得られた色素増感太陽電池の光電変換効率がさらに向上し、高い電力が発生することがわかった。   From this result, it was found that by using the antireflection film, the photoelectric conversion efficiency of the obtained dye-sensitized solar cell was further improved, and high power was generated.

1 チタン材料
2 色素増感剤を含有する半導体層
3 透明導電性ガラス
4 電気化学的触媒層
5 電解質
6 スペーサ―
7 封止材
8 集光装置
9 反射防止フィルム
1 Titanium material 2 Semiconductor layer containing dye sensitizer 3 Transparent conductive glass 4 Electrochemical catalyst layer 5 Electrolyte 6 Spacer
7 Sealing material 8 Condensing device 9 Antireflection film

Claims (11)

光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池の製造方法であって、
前記色素増感型太陽電池が、
(1)光電極が、チタン材料上に、色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたものであり、
(2)対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルム上に、電気化学的還元触媒層がコーティングされたものであり、
(3)集光装置が、対極側に配置されているものであり、
前記チタン材料が、金属チタン及びチタン合金からなる群から選ばれる材料であり、
前記光電極が下記工程:
(1)金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有する電解液を用いて、火花放電発生電圧以上にて陽極酸化を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する工程、
(3)工程(2)で得られたアナターゼ型酸化チタンの皮膜上に、酸化チタンを含むペースト剤を塗布後、酸化性雰囲気下で400〜500℃の温度で加熱処理して、酸化チタン層を形成する工程、及び
(4)工程(3)で得られた酸化チタン層を、色素増感剤を含む溶液にて浸漬させることにより色素増感剤を酸化チタン層に吸着させる工程
により形成されることを特徴とする製造方法。
A method for producing a dye-sensitized solar cell in which a photoelectrode and a counter electrode are arranged to face each other via an electrolyte layer,
The dye-sensitized solar cell is
(1) A photoelectrode is formed by forming a titanium oxide layer containing a dye sensitizer on a titanium material,
(2) The counter electrode is a transparent conductive glass or transparent conductive film coated with an electrochemical reduction catalyst layer,
(3) The light collecting device is arranged on the counter electrode side,
The titanium material is a material selected from the group consisting of metal titanium and titanium alloy,
The photoelectrode has the following steps:
(1) a step of forming titanium nitride on the surface of the titanium metal material or titanium alloy material;
(2) The metal titanium material or titanium alloy material having titanium nitride formed on the surface obtained in step (1) is made to have a spark discharge generation voltage or higher by using an electrolytic solution having an etching action on titanium. Anodizing and forming a film of anatase-type titanium oxide,
(3) On the anatase-type titanium oxide film obtained in step (2), after applying a paste containing titanium oxide, heat treatment is performed at a temperature of 400 to 500 ° C. in an oxidizing atmosphere to form a titanium oxide layer. Forming, and
(4) The titanium oxide layer obtained in the step (3) is formed by a step of adsorbing the dye sensitizer to the titanium oxide layer by immersing it in a solution containing the dye sensitizer. Production method.
光電極と対極とが電解質層を介して対向配置された色素増感型太陽電池の製造方法であって、
前記色素増感型太陽電池が、
(1)光電極が、チタン材料上に、色素増感剤を含有する酸化チタン層が形成されたものであり、
(2)対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルム上に、電気化学的還元触媒層がコーティングされたものであり、
(3)集光装置が、対極側に配置されているものであり、
前記チタン材料が、金属チタン及びチタン合金からなる群から選ばれる材料であり、
前記光電極が下記工程:
(1)金属チタン材料又はチタン合金材料の表面にチタン窒化物を形成する工程、
(2)工程(1)で得られた、表面にチタン窒化物が形成された金属チタン材料又はチタン合金材料を、チタンに対してエッチング作用を有しない電解液中で、陽極酸化を行う工程、
(3)工程(2)で得られた、陽極酸化処理を施した金属チタン材料又はチタン合金材料を、酸化性雰囲気中で加熱処理を行い、アナターゼ型酸化チタンの皮膜を形成する工程、
(4)工程(3)で得られたアナターゼ型酸化チタンの皮膜上に、酸化チタンを含むペースト剤を塗布後、酸化性雰囲気下で400〜500℃の温度で加熱処理して、酸化チタン層を形成する工程、及び
(5)工程(4)で得られた酸化チタン層を、色素増感剤を含む溶液にて浸漬させることにより色素増感剤を酸化チタン層に吸着させる工程
により形成されることを特徴とする製造方法。
A method for producing a dye-sensitized solar cell in which a photoelectrode and a counter electrode are arranged to face each other via an electrolyte layer,
The dye-sensitized solar cell is
(1) A photoelectrode is formed by forming a titanium oxide layer containing a dye sensitizer on a titanium material,
(2) The counter electrode is a transparent conductive glass or transparent conductive film coated with an electrochemical reduction catalyst layer,
(3) The light collecting device is arranged on the counter electrode side,
The titanium material is a material selected from the group consisting of metal titanium and titanium alloy,
The photoelectrode has the following steps:
(1) a step of forming titanium nitride on the surface of the titanium metal material or titanium alloy material;
(2) A step of anodizing the metal titanium material or titanium alloy material having titanium nitride formed on the surface obtained in step (1) in an electrolyte solution having no etching action on titanium,
(3) A step of heat-treating the anodized metal titanium material or titanium alloy material obtained in step (2) in an oxidizing atmosphere to form a film of anatase-type titanium oxide,
(4) A titanium oxide layer is formed by applying a paste containing titanium oxide on the anatase-type titanium oxide film obtained in step (3) and then heat-treating it at a temperature of 400 to 500 ° C. in an oxidizing atmosphere. Forming, and
(5) The titanium oxide layer obtained in step (4) is formed by a step of adsorbing the dye sensitizer to the titanium oxide layer by immersing it in a solution containing the dye sensitizer. Production method.
前記酸化チタン層の形状が、長方形であることを特徴とする請求項1又は2に記載の色素増感型太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 1 or 2 , wherein the titanium oxide layer has a rectangular shape. 前記電気化学的還元触媒層が、白金触媒層である、請求項1〜のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 3 , wherein the electrochemical reduction catalyst layer is a platinum catalyst layer. 前記対極の透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルムが、反射防止膜加工したものであることを特徴とすることを請求項1〜のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the transparent conductive glass or transparent conductive film of the counter electrode is an antireflection film processed. 前記対極が、透明導電性ガラスまたは透明導電性フィルムの光照射面にさらに反射防止フィルムを設けているものである特徴とすることを請求項1〜のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の製造方法。 The dye-sensitized solar according to any one of claims 1 to 4 , wherein the counter electrode is one in which an antireflection film is further provided on a light irradiation surface of the transparent conductive glass or the transparent conductive film. Battery manufacturing method. 冷却装置が配置されていることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の色素増感太陽電池の製造方法。 The manufacturing method of the dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a cooling device is arranged. 前記チタン窒化物を形成する工程が、PVD処理、CVD処理、溶射処理、アンモニアガス雰囲気下での加熱処理及び窒素ガス雰囲気下での加熱処理よりなる群から選択された1種の処理方法により行うものである、請求項1〜7のいずれかに記載の色素増感型太陽電池の製造方法。 The step of forming the titanium nitride is performed by one kind of treatment method selected from the group consisting of PVD treatment, CVD treatment, thermal spray treatment, heat treatment under an ammonia gas atmosphere, and heat treatment under a nitrogen gas atmosphere. The manufacturing method of the dye-sensitized solar cell in any one of Claims 1-7 which is what is. 前記窒素ガス雰囲気下での加熱処理が、酸素トラップ剤の存在下で実施するものである、請求項記載の色素増感太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to claim 8 , wherein the heat treatment under the nitrogen gas atmosphere is performed in the presence of an oxygen trap agent. 前記電気化学的還元触媒層が、0.5〜1nmの厚みである白金触媒層である、請求項1〜のいずれかに記載の色素増感太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 9 , wherein the electrochemical reduction catalyst layer is a platinum catalyst layer having a thickness of 0.5 to 1 nm. 前記電解質層が、25〜100μmの厚みである、請求項1〜10のいずれかに記載の色素増感太陽電池の製造方法。 The method for producing a dye-sensitized solar cell according to any one of claims 1 to 10 , wherein the electrolyte layer has a thickness of 25 to 100 µm.
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