JP6134106B2 - 多孔質膜の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、この分散液を用いる方法では、数百℃の高温処理が必要であるため、基材として、熱に弱いプラスチック基材や低融点の金属基材、あるいは熱処理によって物性が劣化する部位を有する基材を用いることは難しかった。
これに対して、高温処理を必要としないセラミックス緻密膜の形成方法であるエアロゾルデポジション法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、無機物質の微粒子およびバインダー樹脂を含む分散液を焼成した後、これを粉砕することにより、前もって多孔質粒子を調製し、その多孔質粒子をエアロゾル原料としたエアロゾルデポジション法によって基材上に多孔質膜を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
(第一実施形態)
本実施形態の多孔質膜の製造方法は、不溶性粒子と可溶性粒子を基材に吹き付けて、基材上に不溶性粒子からなる不溶部と可溶性粒子からなる可溶部から構成される混合膜を形成し、可溶部を溶解除去し、多孔質膜を形成する方法である。
また、基材とは、板状、フィルム状、シート状のもの等が挙げられる。
また、基材の形状は、特に限定されるものではなく、不溶性粒子と可溶性粒子を高速で基材に吹き付けることにより、基材上に上記の混合膜を形成可能な形状であればいかなる形状であってもよい。
基材表面に衝突した原料粒子は、少なくともその一部が基材表面に食い込んで、容易には剥離しない状態となる。さらに、吹き付けを継続することにより、基材表面に食い込んだ原料粒子に対して、別の微粒子が衝突し、原料粒子同士の衝突によって、互いの原料粒子表面に新生面が形成されて、主にこの新生面において原料粒子同士が接合する。この原料粒子同士の衝突においては、原料粒子が溶融するような温度上昇は生じ難いため、原料粒子同士が接合した界面には、ガラス質からなる粒界層は実質的に存在しない。そして、原料粒子の吹き付けを継続することにより、次第に、基材表面に多数の原料粒子が接合して、緻密な薄膜が形成される。形成された薄膜は、充分な強度を有するので、焼成による焼き締めが不要である。
これらの公知のAD法では、吹き付ける原料粒子をボールミルなどで前処理することにより、クラックが入るか入らないか程度の内部歪を原料粒子に予め加えておくことが重要であるとしている。この内部歪を加えておくことによって、吹き付けられた微粒子が、基材または既に堆積した原料粒子に衝突する際に破砕や変形を起こし易くすることができ、この結果、より緻密な膜を形成できる、としている。
本実施形態では、例えば、図1に示すAD装置20が用いられる。
AD装置20は、基材11を収容して、その一方の面11aに透明導電層と光電変換層とを形成するための成膜室21を備えている。
成膜室21内には、基材11を配置するための配置面22aを有するステージ22が設けられている。ステージ22は、基材11を配置した状態で水平方向に移動可能となっている。
成膜室21には、真空ポンプ23が接続されている。この真空ポンプ23により、成膜室21内が陰圧にされる。
ノズル24は、搬送管25を介して、ガスボンベ26と接続されている。
搬送管25の途中には、ガスボンベ26側から順に、マスフロー制御器27、エアロゾル発生器28、解砕器29および分級器30が設けられている。
エアロゾル発生器28に吹き付け用の原料粒子を装填し、搬送管25中を流れる搬送ガスに原料粒子を分散させて、原料粒子を解砕器29および分級器30へ搬送する。そして、ノズル24から、原料粒子を含むエアロゾル41が亜音速〜超音速の噴射速度で、基材11の一方の面11aに噴射される。
まず、成膜室21内のステージ22の配置面22aに、基材11を配置する。
次いで、真空ポンプ23により、成膜室21内を真空にする。
次いで、搬送管25を介して、ガスボンベ26から成膜室21内に搬送ガスを供給し、成膜室21内を搬送ガス雰囲気とする。
薄膜を形成するには、エアロゾル発生器28に装填されている原料粒子を、搬送管25中を流れる搬送ガスに分散させて、解砕器29および分級器30へ搬送する。そして、ノズル24の開口部24aから、基材11の一方の面11aに、原料粒子を含むエアロゾル41を吹き付ける。このとき、薄膜の膜厚を調整するには、ステージ22の往復回数を適宜調整すればよい。
ここで常温とは、原料粒子の融点より十分低い温度のことを指し、実質的には200℃以下である。
常温環境の温度は、基材11の融点以下であることが好ましい。特に、基材11が樹脂製である場合には、常温環境の温度は基材11のビカット軟化温度未満であることが好ましい。
また、ここで言う「不溶性」とは、溶解液処理において完全に溶解性を示さない、もしくは、溶解液処理における溶解速度が、後述する可溶性粒子に対して10分の1以下の溶解速度比を有することが好ましい。
また、上記の吹き付け法により、吹き付け可能とするためには、不溶性粒子の比重が2以上であることが好ましい。
本実施形態の多孔質膜の製造方法を、色素増感太陽電池の製造に利用する場合には、酸化チタンの結晶型を、例えば、アナターゼ型とすることにより、ルチル型よりも反応活性を高くでき、増感色素からの電子注入が一層効率的になる。また、ルチル型は屈折率が高いため、色素を担持していない一次粒子径が大きい酸化チタンをルチル型とすることにより、光散乱効果を一層高めることができ、多孔質酸化チタン層における光利用効率を一層高めることができる。
また、ここで言う「可溶性」とは、溶解液処理において完全に溶解する、もしくは、溶解液処理における溶解速度が、上述した不溶性粒子に対して10倍を超える溶解速度比を有することが好ましい。
また、上記の吹き付け法により、吹き付け可能とするためには、可溶性粒子の比重が2以上であることが好ましい。
可溶性粒子として、水溶性の粒子を用いることにより、混合膜を構成する可溶部を水で容易に溶解除去して、不溶性粒子からなる不溶部のみから構成される多孔質膜を形成することができる。
可溶性粒子として、可溶性金属カルコゲニド化合物からなる粒子を用いることにより、混合膜を構成する可溶部を酸やアルカリで容易に溶解除去して、不溶性粒子からなる不溶部のみから構成される多孔質膜を形成することができる。
可溶性粒子として、可溶性金属水酸化物からなる粒子を用いることにより、混合膜を構成する可溶部を酸やアルカリで容易に溶解除去して、不溶性粒子からなる不溶部のみから構成される多孔質膜を形成することができる。
可溶性粒子として、水溶性の粒子を用いた場合、混合膜の可溶部を溶解除去するには、混合膜が形成された基材を水に浸漬して、可溶部を形成する水溶性の粒子を水に溶解する。
水溶性の粒子は、水に容易に溶解するが、可溶部を効率的に除去するためには、可溶部の溶解には、50℃以上の温水を用いることが好ましい。
また、混合膜が形成された基材を水に浸漬して、その水に超音波等により、振動を加えることも好ましい。
また、混合膜が形成された基材を、酸またはアルカリ溶液に浸漬して、その酸またはアルカリ溶液に超音波等により、振動を加えることも好ましい。
また、混合膜が形成された基材を、酸またはアルカリ溶液に浸漬して、その酸またはアルカリ溶液に超音波等により、振動を加えることも好ましい。
本実施形態の多孔質膜の製造方法は、不揮発性粒子と揮発性粒子を基材に吹き付けて、基材上に不揮発性粒子からなる不気化部と揮発性粒子からなる可気化部から構成される混合膜を形成し、可気化部を気化除去し、不気化部からなる多孔質膜を形成する方法である。
また、本実施形態において、不揮発性粒子と揮発性粒子の吹き付けは、上述の第一実施形態と同様に常温環境で行われることが好ましい。
また、ここで言う「不揮発性」とは、気化処理において完全に揮発性を示さない、もしくは、気化処理における気化速度が、後述する揮発性粒子に対して10分の1以下の気化速度比を有することが好ましい。
また、上記の吹き付け法により、吹き付け可能とするためには、不揮発性粒子の比重が2以上であることが好ましい。
また、ここで言う「揮発性」とは、気化処理において完全に揮発する、もしくは、気化処理における気化速度が、上述した不揮発性粒子に対して10倍を超える気化速度比を有することが好ましい。
また、上記の吹き付け法により、吹き付け可能とするためには、揮発性粒子の比重が2以上であることが好ましい。
揮発性粒子として、昇華性の粒子を用いることにより、昇華性の粒子の材質に応じた減圧と加温により、混合膜を構成する可気化部を容易に気化除去して、不揮発性粒子からなる不気化部のみから構成される多孔質膜を形成することができる。
揮発性粒子として、炭素または炭化水素の粒子を用いることにより、例えば、混合膜に対して、低温酸素プラズマ処理を行うことにより、炭素が揮発性の一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)、エタンやエチレン、メタンなどの低級炭化水素として気化除去できる。これにより、混合膜を構成する可気化部を容易に気化除去して、不揮発性粒子からなる不気化部のみから構成される多孔質膜を形成することができる。
本実施形態の色素増感太陽電池は、上記の本実施形態の多孔質膜の製造方法によって形成された多孔質膜からなる酸化物半導体層を有する光電極を備えたものである。そして、本実施形態の色素増感太陽電池は、本実施形態の多孔質膜の製造方法によって形成された多孔質膜からなる酸化物半導体層を有する光電極を備えたこと以外は、従来の色素増感太陽電池と同様の構成とすることができる。例えば、透明基材の表面に、白金(Pt)等の導電層が設けられた対向電極を用意して、所定の間隔をおいて、これら電極同士を対向配置し、これら電極間の空隙部に電解質を充填して、電解質を含む電荷輸送層を形成すればよい。
(混合粒子の調製)
可溶性粒子として、粒子径30nmの酸化亜鉛粒子を用意した。
不溶性粒子として、粒子径700nmの酸化チタン粒子と粒子径20nmの酸化チタン粒子を用意した。
粒子径30nmの酸化亜鉛粒子と、粒子径20nmの酸化チタン粒子と、粒子径700nmの酸化チタン粒子とを、質量比で15:35:50となるように秤量し、乳鉢を用いて、均一になるまでこれらの粒子を混合した。
表面に透明導電層としてFTOを備えたガラス基材を使用して、その透明導電層上に、AD法を用いて、混合膜を形成した。
AD法を用いた混合膜の形成では、まず、AD法により、常温、低圧雰囲気下において、上記の混合粒子とガスとの混合原料(エアロゾル)を、ガラス基材上に高速噴射し、厚さ3μmの混合膜を形成した。
なお、AD法による混合膜の形成を、下記の条件で行った。
ガス:窒素
ガス流量:1L/min
温度:25℃
成膜室圧力:100kPa
次に、混合膜が形成されたガラス基材を、0.1%希塩酸に、室温で1分間浸漬して、酸化亜鉛粒子を0.1%希塩酸に溶解し、その後、そのガラス基材を水洗し、乾燥して、酸化チタンからなる多孔質膜を有する実施例1のガラス基材を得た。
AD法により形成された混合膜(多孔質膜)の成膜状態を目視により観察した。透明導電層上に混合膜(多孔質膜)が形成されていた場合、成膜状態を良:○とし、透明導電層上に混合膜(多孔質膜)が形成されず、圧粉体のままであった場合、成膜状態を不良:×とし、膜密着性が低く、部分的に欠損の見られるものを:△とした。
また、混合膜の断面をイオンミリング処理した後、走査型電子顕微鏡(SEM)により、50000倍の倍率で観察し、SEM像の2値化画像処理による膜部と空間部の面積比から、混合膜の空隙率を算出した。
また、混合膜の空隙率の測定と同様にして、多孔質膜の空隙率を測定した。
混合膜の成膜状態の評価、混合膜の空隙率測定および多孔質膜の空隙率測定の結果を表1に示す。
また、多孔質膜のSEM像を、図2に示す。
次いで、アセトニトリル/tert−ブタノール(1/1、体積比)の混合溶媒に濃度が0.3mMとなるように色素N719を溶解させたN719色素溶液を調製した。
次いで、窒素ガス雰囲気下、室温にて、酸化チタンからなる多孔質膜が形成されたガラス基材を100℃の乾燥雰囲気下で乾燥した後、N719色素溶液に15時間浸漬させ、実施例1の光電極を作製した。
対極として白金、クロム、ITOをこの順で積層して成膜したガラス基板を用いた。
この対極と上記の光電極とを厚さ30μmの樹脂製ガスケット(セパレータ)を介して重ね合わせてクリップ止めし、両電極間に、ヨウ素:0.05M、ヨウ化リチウム:0.1M、1−プロピル−2,3−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド(DMPImI):0.1M、tert−ブチルピリジン:0.6Mのアセトニトリル溶媒からなる電解液を注入して、実施例1の色素増感太陽電池を得た。
実施例1の色素増感太陽電池の光電変換効率の測定を、次のように行った。
入射光100mW/cm2 のAM1.5擬似太陽光の条件で、電流電圧測定装置を用いて、DC電圧を40mV/secで走査しながら出力電流値を計測し、電流−電圧特性を得た。
この電流−電圧特性に基づいて、光電変換効率(PCE)、短絡電流密度(Jsc)、解放電圧(Voc)および曲線因子(FF)を算出した。結果を表2に示す。
(混合粒子の調製)
粒子径30nmの酸化亜鉛粒子と、粒子径20nmの酸化チタン粒子と、粒子径700nmの酸化チタン粒子とを、質量比で30:20:50となるように秤量した以外は実施例1と同様にして、混合粒子を調製した。
実施例1と同様にして、酸化チタンからなる多孔質膜を有する実施例2のガラス基材を得た。
実施例1と同様にして、混合膜の成膜状態の評価、混合膜の空隙率測定および多孔質膜の空隙率測定を行った。結果を表1に示す。
また、多孔質膜のSEM像を、図3に示す。
実施例1と同様にして、実施例2の光電極を作製した。
実施例1と同様にして、実施例2の色素増感太陽電池を得た。
実施例1と同様にして、実施例2の色素増感太陽電池の光電変換効率の測定を行った。結果を表2に示す。
(混合粒子の調製)
粒子径30nmの酸化亜鉛粒子と、粒子径20nmの酸化チタン粒子と、粒子径700nmの酸化チタン粒子とを、質量比で40:10:50となるように秤量した以外は実施例1と同様にして、混合粒子を調製した。
実施例1と同様にして、酸化チタンからなる多孔質膜を有する実施例3のガラス基材を得た。
実施例1と同様にして、混合膜の成膜状態の評価、混合膜の空隙率測定および多孔質膜の空隙率測定を行った。結果を表1に示す。
実施例1と同様にして、実施例3の光電極を作製した。
実施例1と同様にして、実施例3の色素増感太陽電池を得た。
実施例1と同様にして、実施例3の色素増感太陽電池の光電変換効率の測定を行った。結果を表2に示す。
(混合粒子の調製)
不溶性粒子として、粒子径20nmの酸化チタン粒子と粒子径700nmの酸化チタン粒子を用意した。
粒子径20nmの酸化チタン粒子と、粒子径700nmの酸化チタン粒子とを、質量比で50:50となるように秤量し、乳鉢を用いて、均一になるまでこれらの粒子を混合した。
表面に透明導電層としてITOを備えたガラス基材を使用して、その透明導電層上に、AD法を用いて多孔質膜を形成した。
AD法による多孔質膜の形成では、常温、低圧雰囲気下において、上記の混合粒子とガスとの混合原料(エアロゾル)を、ガラス基材上に高速噴射し、厚さ3μmの多孔質膜を形成し、酸化チタンからなる多孔質膜を有する比較例1のガラス基材を得た。
なお、AD法による混合膜の形成を、下記の条件で行った。
ガス:窒素
ガス流量:1L/min
温度:25℃
成膜室圧力:100kPa
実施例1と同様にして、多孔質膜の成膜状態の評価、多孔質膜の空隙率測定を行った。結果を表1に示す。
また、多孔質膜のSEM像を、図4に示す。
実施例1と同様にして、比較例1の光電極を作製した。
実施例1と同様にして、比較例1の色素増感太陽電池を得た。
実施例1と同様にして、比較例1の色素増感太陽電池の光電変換効率の測定を行った。結果を表2に示す。
(混合粒子の調製)
粒子径20nmの酸化チタン粒子と、粒子径700nmの酸化チタン粒子とを、質量比で70:30となるように秤量した以外は比較例1と同様にして、混合粒子を調製した。
比較例1と同様にして、酸化チタンからなる多孔質膜を有する比較例2のガラス基材を得た。
比較例1と同様にして、混合膜の成膜状態の評価、混合膜の空隙率測定および多孔質膜の空隙率測定を行った。結果を表1に示す。
比較例1と同様にして、比較例2の光電極を作製した。
比較例1と同様にして、比較例2の色素増感太陽電池を得た。
比較例1と同様にして、比較例2の色素増感太陽電池の光電変換効率の測定を行った。結果を表2に示す。
(混合粒子の調製)
粒子径20nmの酸化チタン粒子と、エタノールと、バインダー(エチルセルロース、数平均分子量40000)とを、質量比で20:70:10となるように秤量し、均一になるまでこれらの材料を混合し、これらの材料からなるペーストを調製した。
次いで、このペーストをるつぼに移して、120℃で乾燥し、空気雰囲気下、500℃で30分間熱処理した。
実施例1と同様にして、得られた焼成体の空隙率を測定したところ、15.4%であった。
次いで、焼成体を乳鉢で粉砕し、多孔質粒子を調製した。
比較例1と同様にして、酸化チタンの多孔質粒子からなる多孔質膜の成膜を試みた。
しかしながら、透明導電層上に多孔質膜が形成されず、圧粉体のままであった。結果を表1に示す。
また、実施例1の多孔質膜では、空隙率の向上によって、色素増感太陽電池として良好な光電変換効率を得ることができた。一方、実施例2と実施例3では、多孔質膜の空隙が過剰となり、かえって色素の吸着サイトが減少したため、短絡電流密度(Jsc)が低下した。しかしながら、多孔質膜の空隙率が高くなるに従って、色素増感太陽電池の内部抵抗を反映する曲線因子(FF)が明らかに改善されているのは、電解質拡散パスが拡大したことによるものと考えられる。
Claims (6)
- 不揮発性粒子と揮発性粒子を、エアロゾルデポジション法により、基材に吹き付けて、前記不揮発性粒子からなる不気化部と前記揮発性粒子からなる可気化部から構成される混合膜を形成し、前記可気化部を気化除去し、前記不気化部からなる多孔質膜を形成することを特徴とする多孔質膜の製造方法。
- 前記不揮発性粒子と前記揮発性粒子を混合して吹き付けることを特徴とする請求項1に記載の多孔質膜の製造方法。
- 前記不揮発性粒子は、酸化チタンであることを特徴とする請求項1または2に記載の多孔質膜の製造方法。
- 前記揮発性粒子は、昇華性の粒子、炭素または炭化水素の粒子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の多孔質膜の製造方法。
- 前記昇華性の粒子は、ヨウ素、フタル酸、サリチル酸、ナフタレンであることを特徴とする請求項4に記載の多孔質膜の製造方法。
- 前記炭素または炭化水素の粒子は、グラファイト、アモルファスカーボン、高分子樹脂であることを特徴とする請求項4に記載の多孔質膜の製造方法。
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