JP6690580B2 - ペースト、酸化物半導体膜および色素増感型太陽電池 - Google Patents
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Description
前記酸化物半導体粒子は、酸化チタン粒子であってもよい。
前記分散媒は、ターピネオールを含んでもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、前記酸化物半導体膜を備える色素増感型太陽電池が提供される。
まず、本実施形態に係るペーストについて説明する。本実施形態に係るペーストは、酸化物半導体粒子を含み、例えば後述する酸化物半導体膜や、色素増感型太陽電池の製造に用いられる。この場合、本実施形態に係るペーストは、酸化物半導体膜用ペーストまたは色素増感型太陽電池用ペーストである。以下、本実施形態に係るペーストが、酸化物半導体膜や、色素増感型太陽電池の製造に用いられるものとして説明するが、本発明のペーストの用途はこれに限定されるものではない。
上述したように、本実施形態に係るペーストは、酸化物半導体粒子を含む。酸化物半導体粒子は、製造される色素増感型太陽電池の電極においては、色素を担持する半導体(酸化物半導体膜)を構成する。
酸化物半導体粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡を用いて測定することができる。例えば、酸化物半導体粒子を所定数、例えば、200個、あるいは100個を選び出す。そして、これら酸化物半導体粒子各々の最長の直線部分(最大長径)を測定し、これらの測定値を加重平均して求める。
また、本実施形態に係るペーストは、水酸基含有不飽和脂肪酸を含む。水酸基含有不飽和脂肪酸は、ペースト内において、少なくともその一部が酸化物半導体粒子の表面に付着して、酸化物半導体粒子の凝集を防止する。
なお、水酸基含有不飽和脂肪酸は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
本実施形態に係るペーストは、上述したように分散媒を含む。分散媒は、ペースト中において、酸化物半導体粒子の分散媒として機能するとともに、後述するバインダや他の成分の溶媒としても機能する。
本実施形態に係るペーストは、分散媒として、好ましくはターピネオールを含み、より好ましくはターピネオールに加えブチルカルビトールをさらに含む。
本実施形態に係るペーストは、バインダを含む。バインダは、ペーストのレオロジー特性を調整するために添加され、例えばスクリーン印刷における印刷性を向上させる。また、バインダは、焼成において除去されることにより、酸化物半導体膜における細孔の形成に寄与する。
ペーストは、このようなバインダとして、例えば、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂およびブチルメタクリレートからなる群から選択される少なくとも1種を含むことができる。
本実施形態に係るペーストは、上述した成分に加え、pH調整剤、分散剤、活性剤、可塑剤等の一般的に使用される添加剤をさらに含んでもよい。
具体的には、酸としては、硝酸、硫酸、塩酸、酢酸等を用いることができる。なお、後述する方法により酸化物半導体粒子を調製した場合、必然的にペースト中に酸が残存し、含まれることとなる。
本実施形態に係るペーストの経時安定性が優れる理由の詳細は不明だが、以下のように推察される。
次に、本実施形態に係るペーストの製造方法について説明する。本実施形態に係るペーストは、例えば、水酸基含有不飽和脂肪酸が付着した酸化物半導体粒子、溶媒、およびバインダを、公知の方法により混合することにより得ることができる。
まず、アナターゼ型の酸化チタン粒子を含むpHが9以上13以下の水分散液を作製する方法としては、チタンアルコキシドまたはチタン金属塩の加水分解生成物と、有機アルカリ類とを混合して反応溶液を作製し、この反応溶液を高温高圧の熱水の存在下で反応(水熱合成)させる方法が挙げられる。
以上により、所望のアナターゼ型の酸化チタン粒子を含むpHが9以上13以下の水分散液を製造することができる。
次に、溶解工程では、アナターゼ型の酸化チタン粒子を含むpHが9以上13以下の水分散液に水酸基含有不飽和脂肪酸を溶解させる。具体的には、本工程では、上記で得られた水分散液に水酸基含有不飽和脂肪酸を添加して、公知の方法で混合すればよい。なお、水分散液は比較的高いpHを有することから、添加された水酸基含有不飽和脂肪酸のカルボキシル基は水分散液中において中和されることにより水素イオンを放出する。この結果水酸基含有不飽和脂肪酸の水分散液への溶解が容易となる。
次に、付着工程では、酸を添加して、水酸基含有不飽和脂肪酸を酸化チタン粒子の表面に付着させる。具体的には、水酸基含有不飽和脂肪酸が溶解した上記水分散液に、アナターゼ型の酸化チタン粒子が凝集するまで酸を滴下すればよい。
最後に、得られた水酸基含有不飽和脂肪酸が結合したアナターゼ型の酸化チタン粒子と、分散媒と、バインダとを混合し、3本ロールミルで混練することで、本実施形態に係るペーストを得ることができる。
次に、本実施形態に係る酸化物半導体膜について説明する。本実施形態にかかる酸化物半導体膜は、上述したペーストの焼成物からなる膜である。本実施形態の酸化物半導体膜は、例えば色素増感型太陽電池の酸化物半導体電極に好適に用いることができる。
酸化物半導体膜のBET比表面積は、色素を多く吸着する観点から、好ましくは50m2/g以上200m2/g以下、より好ましくは60m2/g以上150m2/g以下、さらに好ましくは60m2/g以上130m2/g以下である。
酸化物半導体膜は単層であってもよく、複数層形成して上記膜厚となるように調整してもよい。
次に、上述した酸化物半導体膜の製造方法について説明する。本実施形態に係る酸化物半導体膜は、例えば本実施形態に係るペーストを基材に塗布して塗膜を形成し、焼成することにより得られる。
ペーストを基材に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、ディップコート法、バーコート法、スプレー法、ブレードコート法、スリットダイコート法、グラビアコート法、リバースコート法、スクリーン印刷法、印刷転写法およびインクジェット法などが挙げられる。均一な膜厚が得られやすいため、スクリーン印刷法が好ましい。
本実施形態に係る色素増感型太陽電池は、本実施形態に係る酸化物半導体膜を備えている。
本実施形態に係る色素増感型太陽電池は、導電性基板上に形成された本実施形態の酸化物半導体膜に色素を吸着した酸化物半導体電極、電解質および対向電極から構成されることが好ましい。Nature(第353巻、737〜740頁、1991年)および米国特許4927721号等には、色素によって増感された酸化物半導体粒子を用いた光電変換素子および太陽電池、ならびにこれを作製するための材料および製造技術が開示されている。
(酸化チタン粒子の作製(水分散液作成工程))
容量2Lのビーカーに純水1Lを投入し、攪拌しながらテトライソプロポキシチタン(日本曹達(株)製、品名:A−1)280gを滴下し、白色懸濁液を得た。この白色懸濁液をろ過してチタンアルコキシドの加水分解生成物を得た。次いで、このチタンアルコキシドの加水分解生成物と、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液(東京化成工業(株)製、25%水溶液)60gをオートクレーブ(植田技研社製、型番:SR−200)に投入し、さらに純水を加えて全量が1kgとなるように調整した。そして、オートクレーブ中で、混合溶液を210℃で4時間30分間加熱して、酸化チタン粒子分散液を得た。
X線回折装置(スペクトリス社製、型番:X’Pert PRO)で得られた酸化チタン粒子の結晶相を同定したところ、アナターゼ型であることが確認された。
得られた酸化チタン粒子分散液に、酸化チタンの質量に対して0.25質量倍となるようにリシノール酸(関東化学(株)製)を添加し、リシノール酸を分散液中に溶解させた(溶解工程)。次いで、酸化チタン粒子が凝集するまで、1mol/Lの硝酸を滴下した(付着工程)。この酸化チタン粒子の凝集物を固液分離により回収した。次いで、回収した酸化チタン粒子の凝集物を60℃で24時間乾燥させて、リシノール酸が付着した酸化チタン粒子を得た。
得られたリシノール酸が結合した酸化チタン粒子25質量部(酸化チタン20質量部、リシノール酸5質量部)と、エチルセルロース3質量部と、ターピネオール36質量部と、ブチルカルビトール36質量部を混合し、3本ロールミルで混錬することで、実施例1の酸化チタンペーストを得た。
酸化チタンペーストの、せん断速度1s−1における動的粘度(初期粘度)を、粘度・粘弾性測定装置(HAAKE社製、型番:RS6000)を用いて、25℃にて測定した。
次いで、実施例1の酸化チタンペーストを密封した容器を、60℃のウォーターバス中に1時間静置した後、上記同様、せん断速度1s−1における動的粘度(経時粘度)を25℃にて測定することで、ペーストの経時安定性を評価した。結果を表1に示す。
実施例1の作製過程で得られた酸化チタン粒子分散液中の純水を、エタノールに置換し、酸化チタン粒子エタノール分散液を得た。酸化チタン粒子が8質量部となるように酸化チタン粒子エタノール分散液と、エチルセルロース8質量部と、ターピネオール36質量部と、ブチルカルビトール36質量部を混合した。エバポレーターを用いて得られた混合液からエタノールを除去した。除去した後の混合物を3本ロールミルで混錬し、比較例1のリシノール酸が結合していない酸化チタンペーストを得た。
リシノール酸の替わりに、オレイン酸を用いた以外は実施例1と全く同様にして、比較例2のオレイン酸が結合した酸化チタンペーストを得ようとした。しかし、ペーストを作製している途中で酸化チタン粒子が凝集し、均一なペーストを得ることができなかった。
リシノール酸の替わりに、12−ヒドロキシステアリン酸を用いた以外は実施例1と全く同様にして、比較例3の12−ヒドロキシステアリン酸が結合した酸化チタンペーストを得ようとした。しかし、ペーストを作製している途中で酸化チタン粒子が凝集し、均一なペーストを得ることができなかった。
また、実施例1に係るペーストの粘度変化と比較例2、3に係るペーストの粘度変化を比較することにより、リシノール酸、すなわち水酸基含有不飽和脂肪酸が、ペースト中における酸化チタン粒子の分散安定性を維持できる脂肪酸であることが確認された。
Claims (7)
- 酸化物半導体粒子と、
分子中に1個以上の水酸基および1個以上の炭素不飽和結合を有し、前記酸化物半導体粒子に付着した脂肪酸と、
分散媒と、
バインダと、
酸と、を含み、
前記酸化物半導体粒子は、酸化チタン粒子を含み、
前記脂肪酸は、リシノール酸を含み、
前記分散媒は、ターピネオールを含む、ペースト。 - 前記酸が、硝酸、硫酸、塩酸および酢酸からなる群から選択される1種以上を含む、請求項1に記載のペースト。
- 前記バインダが、エチルセルロース、ポリビニルブチラール、メタクリル樹脂およびブチルメタクリレートからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1または2項に記載のペースト。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のペーストの焼成物からなる、酸化物半導体膜。
- 請求項4に記載の酸化物半導体膜を備える、色素増感型太陽電池。
- チタンアルコキシドまたはチタン金属塩の加水分解生成物と、有機アルカリ類とを混合して反応溶液を作製し、水熱合成を行うことにより、アナターゼ型の酸化チタン粒子を含むpHが9以上13以下の水分散液を作製する工程と、
前記水分散液に水酸基含有不飽和脂肪酸を溶解させる工程と、
酸を添加して、前記水酸基含有不飽和脂肪酸を前記酸化チタン粒子の表面に付着させる工程と、を有し、
前記水酸基含有不飽和脂肪酸は、リシノール酸を含む、水酸基含有不飽和脂肪酸を酸化チタン粒子に付着させる方法。 - 前記酸が、硝酸、硫酸、塩酸および酢酸からなる群から選択される1種以上を含む、請求項6に記載の水酸基含有不飽和脂肪酸を酸化チタン粒子に付着させる方法。
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