WO2014083884A1 - 多孔質酸化チタン積層体の製造方法 - Google Patents

多孔質酸化チタン積層体の製造方法 Download PDF

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WO2014083884A1
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porous titanium
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porous
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佐々木　拓
麻由美 堀木
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積水化学工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a porous titanium oxide laminate capable of producing a porous titanium oxide layer having a high porosity and low impurities even at low temperature firing, and a dye using the porous titanium oxide laminate It relates to a sensitized solar cell.
  • This titanium oxide layer is 1) adsorption of sensitizing dye, 2) acceptance of electron injection from excited sensitizing dye, 3) electron transport to conductive layer, 4) electron transfer from iodide ion to dye (reduction) It is one of the most important factors that determine the performance of the solar cell because it has a role of providing a reaction field, and 5) light scattering and light confinement.
  • the titanium oxide layer is required to be porous, and it is required to increase its surface area as much as possible and to reduce impurities as much as possible.
  • a paste containing titanium oxide particles and an organic binder is printed on a substrate, the solvent is volatilized, and then a high-temperature baking treatment is performed. A method of eliminating the organic binder is used. Thereby, a porous film in which many fine voids exist in the layer can be obtained while the titanium oxide particles are sintered.
  • ethyl cellulose is generally used from the viewpoint of printability such as dispersion retention of the titanium oxide particles and viscosity of the paste.
  • a high-temperature baking treatment exceeding 500 ° C. is required, and there is a problem that a resin base material that has been in increasing demand for further cost reduction in recent years cannot be used. there were.
  • the organic binder residue remains on the surface of the titanium oxide particles, so that the sensitizing dye cannot be adsorbed and the photoelectric conversion efficiency is remarkably lowered.
  • Patent Document 1 discloses performing a baking process at a low temperature using a paste in which the content of the organic binder is reduced.
  • the paste described in Patent Document 1 has a low viscosity and it is difficult to maintain the shape during printing. The film thickness is not uniform and the end shape is collapsed. There was a problem that the coalescence occurred.
  • ethyl cellulose when using ethyl cellulose as the organic binder, a lower alcohol or a mixed solvent of a lower alcohol and a high viscosity solvent such as terpineol is used as a solvent. Since external force such as strong shear is received from a device such as a squeegee, the dispersion medium volatilizes before printing and the viscosity increases, so the printability may change, and there is a new problem that stable production is difficult. Had occurred. On the other hand, in a dye-sensitized solar cell, it is preferable to carry as much sensitizing dye as possible in order to improve photoelectric conversion efficiency. However, when a paste containing a conventional organic binder is used, a sufficient amount is used. There has been a problem that a sensitizing dye cannot be supported or a long time is required for supporting a sensitizing dye.
  • the present invention relates to a method for producing a porous titanium oxide laminate capable of producing a porous titanium oxide layer having a high porosity and low impurities even at low temperature firing, and a dye using the porous titanium oxide laminate
  • An object is to provide a sensitized solar cell.
  • the present invention includes a step of printing a titanium oxide paste containing titanium oxide fine particles, a (meth) acrylic resin, and an organic solvent on a base material to form a titanium oxide paste layer on the base material;
  • a method for producing a porous titanium oxide laminate comprising a step of firing a titanium paste layer and a step of irradiating the titanium oxide paste layer after firing with ultraviolet rays, wherein the titanium oxide fine particles have an average particle size of 5
  • the present invention is described in detail below.
  • the present inventors have baked the titanium oxide paste layer in a method for producing a porous titanium oxide laminate using a titanium oxide paste containing titanium oxide fine particles, a (meth) acrylic resin, and an organic solvent. Then, by performing the process of irradiating with ultraviolet rays, it becomes possible to produce a porous titanium oxide layer having a high porosity and low impurities even at low temperature firing. For example, it is used as a material for a dye-sensitized solar cell. And found that high photoelectric conversion efficiency can be realized. Further, it has also been found that a dye-sensitized solar cell obtained using such a porous titanium oxide laminate can sufficiently adsorb a sensitizing dye in a short time, and the present invention has been completed. It was.
  • the manufacturing method of the porous titanium oxide laminated body of this invention has a process of printing a titanium oxide paste on a base material, and forming a titanium oxide paste layer on this base material.
  • a method for printing the titanium oxide paste on the substrate is not particularly limited, but a screen printing method is preferably used.
  • a base material has a softness
  • the base material is coated on the transparent conductive layer of the transparent substrate on which the transparent conductive layer is formed. By doing it.
  • the transparent substrate if it is a transparent substrate, Glass substrates, such as silicate glass, etc. are mentioned.
  • the glass substrate may be chemically and thermally strengthened.
  • various plastic substrates or the like may be used as long as light transmittance can be secured.
  • the thickness of the transparent substrate is preferably from 0.1 to 10 mm, more preferably from 0.3 to 5 mm.
  • the transparent conductive layer examples include a layer made of a conductive metal oxide such as In 2 O 3 or SnO 2 and a layer made of a conductive material such as a metal.
  • a conductive metal oxide such as In 2 O 3 or SnO 2
  • a conductive material such as a metal.
  • the conductive metal oxide include In 2 O 3 : Sn (ITO), SnO 2 : Sb, SnO 2 : F, ZnO: Al, ZnO: F, and CdSnO 4 .
  • the titanium oxide paste contains titanium oxide fine particles. Titanium oxide can be suitably used because it has a wide band gap and a relatively large amount of resources.
  • titanium oxide fine particles for example, rutile type titanium oxide fine particles, anatase type titanium oxide fine particles, brookite type titanium oxide fine particles, and titanium oxide fine particles modified with these crystalline titanium oxides can be used.
  • the average particle diameter of the titanium oxide fine particles has a lower limit of 5 nm and an upper limit of 50 nm, a preferable lower limit of 10 nm, and a preferable upper limit of 25 nm. By setting it within the above range, the obtained porous titanium oxide layer has a sufficient specific surface area. In addition, recombination of electrons and holes can be prevented. Two or more kinds of fine particles having different particle size distributions may be mixed.
  • a preferable lower limit of the addition amount of the titanium oxide fine particles is 5% by weight with respect to the titanium oxide paste, and a preferable upper limit is 75% by weight.
  • a preferable upper limit is 75% by weight.
  • a more preferred lower limit is 10% by weight, and a more preferred upper limit is 50% by weight.
  • a more preferred lower limit is 20% by weight, and a more preferred upper limit is 35% by weight.
  • the titanium oxide paste contains a (meth) acrylic resin. Since the (meth) acrylic resin is excellent in low-temperature decomposability, a titanium oxide paste with a small amount of organic residue can be obtained even when low-temperature baking is performed. In addition, since the (meth) acrylic resin has low viscosity characteristics, even if solvent volatilization occurs in the working environment, the change in viscosity characteristics can be greatly suppressed, and thus stable printing can be performed.
  • the (meth) acrylic resin is not particularly limited as long as it decomposes at a low temperature of about 300 ° C., for example, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) ) Acrylate, tert-butyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, isobornyl (meth) acrylate, n-stearyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate
  • a polymer composed of at least one selected from the group consisting of (meth) acrylic monomers having a polyoxyalkylene structure is suitably used.
  • (meth) acrylate means acrylate or methacrylate.
  • polyisobutyl methacrylate isobutyl methacrylate polymer which is a polymer of methyl methacrylate having a high glass transition temperature (Tg) and excellent low-temperature degreasing property is obtained. Is preferred.
  • the minimum with a preferable weight average molecular weight by polystyrene conversion of the said (meth) acrylic resin is 5000, and a preferable upper limit is 500,000.
  • a preferable upper limit is 500,000.
  • the weight average molecular weight is less than 5,000, sufficient viscosity cannot be expressed, so that it may not be suitable for printing applications.
  • the weight average molecular weight exceeds 500,000, the adhesive strength of the titanium oxide paste increases, May occur, and printability may deteriorate.
  • a more preferable upper limit of the weight average molecular weight is 100,000, and a more preferable upper limit is 50,000.
  • the measurement of the weight average molecular weight in terms of polystyrene can be obtained by performing GPC measurement using, for example, a column LF-804 (manufactured by SHOKO) as a column.
  • a preferable minimum is 10 weight% and a preferable upper limit is 50 weight%.
  • the (meth) acrylic resin preferably has a smaller content than the titanium oxide fine particles. If the (meth) acrylic resin is larger than the titanium oxide fine particles, the (meth) acrylic resin residual amount after heating may increase.
  • the titanium oxide paste may be added with a small amount of other binder resin within a range in which no impurities remain even at low temperature firing.
  • the binder resin include polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyethylene glycol, polystyrene, polylactic acid, and the like.
  • the titanium oxide paste contains an organic solvent.
  • organic solvent those having excellent (meth) acrylic resin solubility and high polarity are preferable.
  • terpene solvents such as ⁇ -terpineol and ⁇ -terpineol
  • alcohol solvents such as ethanol and isopropyl alcohol
  • diols terpene solvents
  • polyhydric alcohol solvents such as triol, mixed solvents such as the above alcohol solvents / hydrocarbons, and hetero compounds such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, and tetrahydrofuran.
  • terpene solvents are preferred.
  • the organic solvent preferably has a boiling point of 100 to 300 ° C.
  • the boiling point of the organic solvent is less than 100 ° C.
  • the resulting titanium oxide paste is easily dried during printing, and may cause problems when used for continuous printing for a long time.
  • the boiling point exceeds 300 ° C.
  • the resulting titanium oxide paste has reduced drying properties in the drying step after printing.
  • the said boiling point means the boiling point in a normal pressure.
  • the minimum with preferable content of the said organic solvent is 55 weight%, and a preferable upper limit is 74 weight%. If the content of the organic solvent is less than 55% by weight, the resulting titanium oxide paste may have a high viscosity and poor printability. If the content of the organic solvent exceeds 74% by weight, the viscosity of the resulting titanium oxide paste may be too low, resulting in poor printability. A more preferred lower limit is 60% by weight, and a more preferred upper limit is 70% by weight.
  • the titanium oxide paste preferably contains a photoacid generator.
  • a photoacid generator in addition to the oxidative decomposition by ultraviolet rays described later, two actions of organic matter decomposition by acid from the photoacid generator occur, so that the residue decomposition can be more effectively performed. .
  • the photoacid generator is not particularly limited as long as it generates an acid when irradiated with light.
  • the photoacid generator include compounds in which an acid compound and a light absorbing compound are ester-bonded.
  • Specific examples of the photoacid generator include trade names “TPS-105” (CAS No. 66003-78-9) and “TPS-109” (CAS No. 144317-44-2) manufactured by Midori Chemical Co., Ltd. "MDS-105" (CAS No. 116808-67-4), “MDS-205" (CAS No. 81416-37-7), “DTS-105" (CAS No. 111281-12-2), "NDS -105 "(CAS No. 195057-83-1), sulfonium salt compounds such as” NDS-165 "(CAS No.
  • DPI-105 (CAS No. 66003-76-7) , “DPI-106” (CAS No. 214534-44-8), “DPI-109” (CAS No. 194999-82-1), “DPI -201 "(CAS No. 6293-66-9),” BI-105 “(CAS No. 154557-16-1),” MPI-105 “(CAS No. 115298-63-0),” MPI-106 “ (CAS No. 260061-46-9), “MPI-109” (CAS No. 260061-47-0), “BBI-105” (CAS No. 84563-54-2), “BBI-106” (CAS No. 185195-30-6), “BBI-109” (CAS No.
  • a photo-acid generator may be used independently and 2 or more types may be used together. Especially, it is preferable to use the photo-acid generator which has a structure shown to following formula (1).
  • a preferable minimum is 0.0025 weight% and a preferable upper limit is 2.5 weight%. If the content of the photoacid generator is less than 0.0025% by weight, the effect of decomposing organic matter by adding the photoacid generator may be insufficient. If the content exceeds 2.5% by weight, for example, The ratio of the above light-absorbing compound is also increased, which may have an adverse effect. A more preferred lower limit is 0.025% by weight, and a more preferred upper limit is 1.25% by weight.
  • the titanium oxide paste has a preferable lower limit of viscosity of 15 Pa ⁇ s and a preferable upper limit of 50 Pa ⁇ s. If the viscosity is less than 15 Pa ⁇ s, it may be difficult to maintain the shape during printing. When the viscosity exceeds 50 Pa ⁇ s, the resulting titanium oxide paste may be inferior in coatability. A more preferable lower limit of the viscosity is 17.5 Pa ⁇ s, and a more preferable upper limit is 45 Pa ⁇ s. In addition, the said viscosity measured kinematic viscosity at the time of 25 degreeC and 10 rpm shear using an E-type viscosity meter.
  • the preferable lower limit of the thixo ratio is 2.
  • the more preferable lower limit of the thixo ratio is 2.25, and the preferable upper limit is 5.
  • the thixo ratio can be determined by dividing the kinematic viscosity at 25 rpm and 0.5 rpm shear by the kinematic viscosity at 5 rpm shear using an E-type viscometer.
  • the titanium oxide paste preferably has a viscosity change rate of 105% or less when the squeegee operation is repeated 25 times at room temperature and in an air atmosphere.
  • the rate of change in viscosity is the ratio of the viscosity before and after the operation of placing the titanium oxide paste on the glass, extending the titanium oxide paste thinly on the glass surface using a rubber squeegee, and rubbing it 25 times.
  • the viscosity is a kinematic viscosity measured at 25 ° C. and 10 rpm shear using an E-type viscometer.
  • the titanium oxide paste preferably has a content of (meth) acrylic resin and organic solvent of 1% by weight or less after heating at a rate of temperature increase of 10 ° C./min from 25 ° C. to 300 ° C. in an air atmosphere. . Since the titanium oxide paste has few surface impurities after heating, bonding between fine particles (necking) is likely to occur, and as a result, resistance between particles can be reduced. When used as a material, high photoelectric conversion efficiency can be realized. If the content exceeds 1% by weight, impurities remain on the surface of the titanium oxide fine particles, so that the sensitizing dye cannot be adsorbed. In addition, the said content is content with respect to a titanium oxide microparticle.
  • the titanium oxide paste not only has excellent printability, but also makes it possible to suitably produce a porous titanium oxide layer that has a high porosity and low impurities even at low temperature firing.
  • the titanium oxide paste is excellent in compatibility with organic solvents generally used for cleaning screen plates and can be sufficiently washed and removed after use, thereby reducing clogging of screen plates. And screen printing can be performed stably for a long period of time.
  • the sensitizing dye can be sufficiently adsorbed in a short time, and the resulting dye-sensitized solar cell has high photoelectric conversion efficiency. Can be realized.
  • a method for producing the titanium oxide paste a method having a mixing step of mixing titanium oxide fine particles, a (meth) acrylic resin, and an organic solvent can be used.
  • the mixing means include, for example, a method of mixing using a two-roll mill, a three-roll mill, a bead mill, a ball mill, a disper, a planetary mixer, a rotation / revolution stirrer, a kneader, an extruder, a mix rotor, a stirrer, etc. Is mentioned.
  • the manufacturing method of the porous titanium oxide laminated body of this invention has the process of baking the said titanium oxide paste layer.
  • the temperature, time, atmosphere, and the like can be appropriately adjusted depending on the type of substrate to be coated. For example, it is preferably performed in the range of about 50 to 800 ° C. for about 10 seconds to 12 hours in the air or in an inert gas atmosphere.
  • the drying and firing may be performed once at a single temperature or twice or more by changing the temperature.
  • the method for producing a porous titanium oxide laminate of the present invention includes a step of irradiating ultraviolet rays onto the fired titanium oxide paste layer.
  • a trace amount of organic residue in the titanium oxide paste layer can be oxidatively decomposed due to the catalytic activity effect of titanium oxide.
  • the effect of such an ultraviolet irradiation process is particularly prominent when a (meth) acrylic resin is used as the organic binder.
  • the contact area with the organic binder can be increased by using titanium oxide particles having a small average particle diameter. As a result, the catalytic activity effect of titanium oxide can be further enhanced.
  • the cumulative amount of ultraviolet irradiation is 100 J / cm 2 or more.
  • the organic residue cannot be sufficiently removed.
  • a preferred lower limit of the cumulative light quantity is 150 J / cm 2, preferable upper limit is 10000 J / cm 2.
  • the integrated light quantity can be simply calculated by irradiation intensity (mW / cm 2 ) ⁇ irradiation time (seconds).
  • the irradiation intensity of the ultraviolet rays is preferably 0.5 to 1000 mW / cm 2 .
  • the irradiation time of ultraviolet rays is preferably 1 second to 300 minutes, more preferably 1 second to 60 minutes. If the irradiation intensity is too low or the irradiation time is too short, the removal of the organic residue will only partially proceed, so a sufficient effect cannot be obtained and the irradiation intensity is too high or the irradiation time is too long. , It may cause ultraviolet deterioration and thermal deterioration of the transparent substrate.
  • the method of irradiating the ultraviolet rays is not particularly limited, and examples thereof include a method using a low-pressure mercury lamp, a high-pressure mercury lamp, a mercury-xenon lamp, or the like.
  • the step of irradiating with ultraviolet rays it is preferable to irradiate ultraviolet rays from both the front side (the side opposite to the base material) and the back side (base material side) of the titanium oxide paste layer after firing. Thereby, it is possible to sufficiently irradiate the inside of the titanium oxide paste layer with ultraviolet rays. As a result, it is possible to sufficiently obtain the effect of ultraviolet irradiation even with a small amount of integrated light, leading to a reduction in the time of the entire manufacturing process. Note that the irradiation from the front side and the irradiation from the back side may be performed simultaneously, or may be performed sequentially in a plurality of times.
  • the present invention it is preferable to perform a step of irradiating pulsed white light having a smaller pulse width after performing the step of irradiating the ultraviolet rays. Irradiation with the pulsed white light causes densification due to melting of the surface between the titanium oxide particles in the titanium oxide paste layer, and as a result, the surface resistance can be reduced.
  • the pulse light preferably has a pulse width of 0.1 to 10 ms. Thereby, powerful light energy can be irradiated instantaneously.
  • the integrated light quantity of the pulsed light is not particularly limited, but is preferably 4 J / cm 2 or more. Thereby, sufficient energy can be applied for fusion between particles. More preferably, it is 15 to 40 J / cm 2 . Further, the number of irradiations is desirably 1 to 5 times.
  • Examples of the means for irradiating the pulsed light include a halogen flash lamp, a xenon flash lamp, and an LED flash lamp, and it is particularly preferable to use a xenon flash lamp.
  • a porous titanium oxide laminate in which a porous titanium oxide layer is formed on the substrate is obtained by performing the above-described steps.
  • the step of adsorbing the sensitizing dye to the porous titanium oxide laminate thus obtained is performed so as to be opposed to the counter electrode, and an electrolyte layer is formed between these electrodes, thereby sensitizing the dye.
  • a solar battery cell can be manufactured.
  • the dye-sensitized solar cell thus obtained can achieve high photoelectric conversion efficiency.
  • Examples of the method for adsorbing the sensitizing dye include a method of immersing the porous titanium oxide laminate in an alcohol solution containing the sensitizing dye and then removing the alcohol by drying.
  • sensitizing dye examples include ruthenium-tris and ruthenium-bis type ruthenium dyes, and organic dyes such as phthalocyanine, porphyrin, cyanidin dye, merocyanine dye, rhodamine dye, xanthene dye, and triphenylmethane dye.
  • the manufacturing method of the porous titanium oxide laminated body which can manufacture the porous titanium oxide layer with a high porosity and few impurities also by low-temperature baking, and this porous titanium oxide laminated body are used.
  • a dye-sensitized solar cell can be provided.
  • Example 1 (Production of titanium oxide paste) Titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 20 nm, isobutyl methacrylate polymer (weight average molecular weight 50000) as an organic binder, ⁇ -terpineol (boiling point 219 ° C.) as an organic solvent, and a bead mill so as to have the composition shown in Table 1.
  • a titanium oxide paste was prepared by mixing uniformly.
  • the obtained titanium oxide paste was printed on a 25 mm square FTO transparent electrode-formed glass substrate in a 5 mm square shape and baked at 300 ° C. for 1 hour. Then, using a high-pressure mercury lamp (HLR100T-2, manufactured by Sen Special Light Source Co., Ltd.), porous titanium oxide was irradiated by irradiating ultraviolet rays from the side opposite to the glass substrate (front side) at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 for 30 minutes. A layer was obtained. The printing conditions were finely adjusted so that the obtained porous titanium oxide layer had a thickness of 10 ⁇ m.
  • HLR100T-2 high-pressure mercury lamp
  • Example 2 In Example 1, as shown in Table 1, the porous titanium oxide layer and the dye were the same as in Example 1 except that the amount of organic binder, organic solvent, baking temperature, ultraviolet irradiation time, and integrated light amount were changed. A sensitized solar cell was obtained.
  • As the organic solvent ⁇ -terpineol (boiling point 219 ° C.) and 2,4-diethyl-1,5-pentanediol (PD-9, boiling point 264 ° C.) were used.
  • Example 9 In (formation of a porous titanium oxide layer), using a high-pressure mercury lamp (HLR100T-2, manufactured by Sen Special Light Source Co., Ltd.), ultraviolet rays are irradiated from the side opposite to the glass substrate (front side) at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 for 15 minutes. After irradiation, a porous titanium oxide layer and a dye-sensitized solar cell were obtained in the same manner as in Example 7, except that irradiation was further performed for 15 minutes at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 from the glass substrate side (back side).
  • HLR100T-2 high-pressure mercury lamp
  • Example 10 In (formation of a porous titanium oxide layer), using a high-pressure mercury lamp (HLR100T-2, manufactured by Sen Special Light Source Co., Ltd.), ultraviolet rays are irradiated from the side opposite to the glass substrate (front side) at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 for 30 minutes. After irradiation, a porous titanium oxide layer and a dye-sensitized solar cell were obtained in the same manner as in Example 7, except that irradiation was further performed at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 for 30 minutes from the glass substrate side (back side).
  • HLR100T-2 high-pressure mercury lamp
  • Example 11 and 12 In (Preparation of titanium oxide paste), a porous titanium oxide layer and a dye-sensitized solar cell were obtained in the same manner as in Example 7 except that titanium oxide fine particles having an average particle diameter shown in Table 1 were used.
  • Example 13 and 14 In (Production of titanium oxide paste), a porous titanium oxide layer and a dye-sensitized solar cell were obtained in the same manner as in Example 8, except that titanium oxide fine particles having an average particle diameter shown in Table 1 were used.
  • Example 15 to 20 In Example 1, as shown in Table 1, except that the organic binder, the amount of the organic solvent, the amount of the photoacid generator, the firing temperature, the ultraviolet irradiation time, and the integrated light amount were changed, the same as in Example 7, A porous titanium oxide layer and a dye-sensitized solar cell were obtained. In addition, as a photo-acid generator, what has the structure shown to said Formula (1) was used.
  • Example 21 to 29 In (formation of a porous titanium oxide layer), ultraviolet rays were irradiated for 30 minutes at an irradiation intensity of 100 mW / cm 2 from the side opposite to the glass substrate (front side) using a high-pressure mercury lamp, and then a xenon flash lamp (Altec). Sinteron 2000), a porous titanium oxide layer and a dye-sensitized sun in the same manner as in Example 7 except that pulsed light was irradiated under the conditions of light quantity, irradiation time, and number of irradiations shown in Table 1. A battery was obtained.
  • Example 3 (Comparative Examples 1 to 3)
  • ethyl cellulose manufactured by Wako Pure Chemical Industries, 45% ethoxy, 10 cP
  • Table 2 the firing temperature, the ultraviolet irradiation time, and the integrated light amount were set. Except for the change, a porous titanium oxide layer and a dye-sensitized solar cell were obtained in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 As shown in Table 2, the porous titanium oxide layer and the dye were the same as in Example 1 except that the amount of the organic binder, the organic solvent, the firing temperature, the ultraviolet irradiation time, and the integrated light amount were changed. A sensitized solar cell was obtained.
  • the manufacturing method of the porous titanium oxide laminated body which can manufacture the porous titanium oxide layer with a high porosity and few impurities also by low-temperature baking, and this porous titanium oxide laminated body are used.
  • a dye-sensitized solar cell can be provided.

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Abstract

本発明は、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を製造することが可能な多孔質酸化チタン積層体の製造方法、及び、該多孔質酸化チタン積層体を用いた色素増感太陽電池を提供することを目的とする。 本発明は、酸化チタン微粒子と、（メタ）アクリル樹脂と、有機溶媒とを含有する酸化チタンペーストを基材上に印刷し、該基材上に酸化チタンペースト層を形成する工程と、前記酸化チタンペースト層を焼成する工程と、前記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程とを有する多孔質酸化チタン積層体の製造方法であって、前記酸化チタン微粒子は、平均粒子径が５～５０ｎｍであり、前記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程において、紫外線照射の積算光量を１００Ｊ／ｃｍ２以上とする多孔質酸化チタン積層体の製造方法である。　

Description

多孔質酸化チタン積層体の製造方法
本発明は、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を製造することが可能な多孔質酸化チタン積層体の製造方法、及び、該多孔質酸化チタン積層体を用いた色素増感太陽電池に関する。
化石燃料の枯渇問題や地球温暖化問題を背景に、クリーンエネルギー源としての太陽電池が、近年大変注目されてきており、研究開発が盛んに行われるようになってきている。
従来、実用化されてきたのは、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ等に代表されるシリコン系太陽電池であるが、高価であることや原料Ｓｉの不足問題等が表面化するにつれて、次世代太陽電池への要求が高まりつつある。
これに対応する太陽電池として有機系太陽電池が近年注目を浴びており、その中でも特に色素増感太陽電池が注目されている。色素増感太陽電池は、比較的容易に製造でき、原材料が安く、かつ高い光電変換効率を得られるため、次世代太陽電池の有力候補と考えられている。色素増感太陽電池においては、従来、電極材料として酸化チタンを層状に形成したものが用いられている。この酸化チタン層は、１）増感色素の吸着、２）励起した増感色素からの電子注入受け入れ、３）導電層への電子輸送、４）ヨウ化物イオンから色素への電子移動（還元）反応場の提供、並びに、５）光散乱及び光閉じこめ等の役割を持っており、太陽電池の性能を決めるもっとも重要な因子の一つである。
このうち、「１）増感色素の吸着」については、光電変換効率を向上させるため、より多くの増感色素を吸着させることが必要となる。従って、酸化チタン層は多孔質状であることが求められ、その表面積をできるだけ大きくし、不純物をなるべく少なくすることが求められる。通常、このような多孔質の酸化チタン層を形成する方法としては、酸化チタン粒子と有機バインダとを含有するペーストを基材上に印刷し、溶剤を揮発させた後、更に高温焼成処理にて有機バインダを消失させる方法が用いられている。これにより、酸化チタン粒子同士が焼結しつつ、多数の微細な空隙が層中に存在する多孔質膜を得ることが出来る。
このような酸化チタン粒子を含有するペーストに使用される有機バインダとしては、酸化チタン粒子の分散保持性やペーストの粘度等の印刷性の観点からエチルセルロースが一般的に使用されている。しかしながら、エチルセルロースを完全に消失させるためには、５００℃を超えるような高温焼成処理が必要であり、近年更なるコストダウンのためにニーズが高まっている樹脂基材を用いることができないという問題があった。また、低温焼成処理を行った場合は、酸化チタン粒子表面に有機バインダの残渣が残ってしまうため増感色素を吸着することが出来ず、光電変換効率が著しく低下するという問題もあった。
これに対して、例えば、特許文献１には、有機バインダの含有量を低減させたペーストを用いて低温での焼成処理を行うことが開示されている。しかしながら、特許文献１に記載のペーストは粘度が低く、印刷時の形状保持が困難であり、膜厚の不均一化や端部形状の崩壊、また、微細配線状に印刷した際には配線同士の合着が起こるという問題があった。
更に、有機バインダとしてエチルセルロースを使用する場合、溶媒としては低級アルコールや、低級アルコールとテルピネオール等の高粘度溶媒との混合溶媒が用いられるが、ペースト印刷時には、長い間外気に曝されたり、版やスキージといった装置から強いせん断等の外力を受けたりするため、印刷前に分散媒が揮発して粘度が高くなることで印刷性が変化してしまうことがあり、安定した生産が難しいという問題も新たに生じていた。
一方、色素増感太陽電池では、光電変換効率の向上のため、可能な限り多くの増感色素を担持させることが好ましいが、従来の有機バインダを含有するペーストを用いた場合、充分な量の増感色素を担持できなかったり、増感色素の担持に長期間を要したりするという問題があった。
特許第４８０１８９９号公報
本発明は、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を製造することが可能な多孔質酸化チタン積層体の製造方法、及び、該多孔質酸化チタン積層体を用いた色素増感太陽電池を提供することを目的とする。
本発明は、酸化チタン微粒子と、（メタ）アクリル樹脂と、有機溶媒とを含有する酸化チタンペーストを基材上に印刷し、該基材上に酸化チタンペースト層を形成する工程と、前記酸化チタンペースト層を焼成する工程と、前記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程とを有する多孔質酸化チタン積層体の製造方法であって、前記酸化チタン微粒子は、平均粒子径が５～５０ｎｍであり、前記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程において、紫外線照射の積算光量を１００Ｊ／ｃｍ２以上とする多孔質酸化チタン積層体の製造方法である。
以下に本発明を詳述する。
本発明者らは、鋭意検討の結果、酸化チタン微粒子と（メタ）アクリル樹脂と有機溶媒とを含有する酸化チタンペーストを用いた多孔質酸化チタン積層体の製造方法において、酸化チタンペースト層を焼成した後に紫外線を照射する工程を行うことで、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を製造することが可能となることから、例えば、色素増感太陽電池の材料として用いた場合に、高い光電変換効率を実現できることを見出した。
また、このような多孔質酸化チタン積層体を用いて得られる色素増感太陽電池は、短時間で増感色素を充分に吸着させることが可能となることも見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の多孔質酸化チタン積層体の製造方法は、酸化チタンペーストを基材上に印刷し、該基材上に酸化チタンペースト層を形成する工程を有する。
上記酸化チタンペーストを基材上に印刷する方法としては特に限定されないが、スクリーン印刷法を用いることが好ましい。
また、基材が柔軟性を有する場合はロールトゥロール方式による連続印刷工程を用いることで量産性及び生産コストの観点で大きな利点となる。
上記スクリーン印刷法による工程におけるスクリーン版の目開きの大きさ、スキージアタック角、スキージ速度、スキージ押圧力等については、適宜設定することが好ましい。
上記酸化チタンペーストを基材上に印刷する工程において、上記基材としては、例えば、色素増感太陽電池用途に使用する場合は、透明導電層を形成した透明基板の該透明導電層上に塗工することによって行う。
上記透明基板としては、透明な基板であれば特に限定されないが、珪酸塩ガラス等のガラス基板等が挙げられる。また、上記ガラス基板は、化学的、熱的に強化させたものを用いてもよい。更に、光透過性を確保できれば、種々のプラスチック基板等を使用してもよい。
上記透明基板の厚さは、０．１～１０ｍｍが好ましく、０．３～５ｍｍがより好ましい。
上記透明導電層としては、Ｉｎ２Ｏ３やＳｎＯ２の導電性金属酸化物からなる層や金属等の導電性材料からなる層が挙げられる。上記導電性金属酸化物としては、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｓｎ（ＩＴＯ）、ＳｎＯ２：Ｓｂ、ＳｎＯ２：Ｆ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＺｎＯ：Ｆ、ＣｄＳｎＯ４等が挙げられる。
上記酸化チタンペーストは、酸化チタン微粒子を含有する。酸化チタンは、バンドギャップが広く、資源も比較的豊富にあるという理由から、好適に使用することができる。
上記酸化チタン微粒子としては、例えば、通常ルチル型の酸化チタン微粒子、アナターゼ型の酸化チタン微粒子、ブルッカイト型の酸化チタン微粒子及びこれら結晶性酸化チタンを修飾した酸化チタン微粒子等を用いることができる。
上記酸化チタン微粒子の平均粒子径は、下限が５ｎｍ、上限が５０ｎｍであり、好ましい下限は１０ｎｍ、好ましい上限は２５ｎｍである。上記範囲内とすることで、得られる多孔質酸化チタン層が充分な比表面積を有するものとなる。また、電子と正孔の再結合を防ぐことができる。また、粒子径分布の異なる２種類以上の微粒子を混合してもよい。
上記酸化チタン微粒子の添加量の好ましい下限は酸化チタンペーストに対して５重量％、好ましい上限は７５重量％である。上記添加量が５重量％未満であると、十分な厚みの多孔質酸化チタン層を得ることができないことがあり、７５重量％を超えると、ペーストの粘度が上昇して平滑に印刷できないことがある。より好ましい下限は１０重量％、より好ましい上限は５０重量％である。更に好ましい下限は２０重量％、更に好ましい上限は３５重量％である。
上記酸化チタンペーストは、（メタ）アクリル樹脂を含有する。上記（メタ）アクリル樹脂は、低温分解性に優れることから、低温焼成を行う場合でも有機残渣量が少ない酸化チタンペーストとすることができる。また、（メタ）アクリル樹脂は低粘度特性であることから、作業環境において溶媒揮発が起きても粘度特性の変化を大幅に抑えることができるため、安定した印刷を行うことができる。
上記（メタ）アクリル樹脂としては３００℃程度の低温で分解するものであれば特に限定されないが、例えば、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ｎ－ブチル（メタ）アクリレート、ｔｅｒｔ－ブチル（メタ）アクリレート、イソブチル（メタ）アクリレート、シクロヘキシル（メタ）アクリレート、２－エチルヘキシル（メタ）アクリレート、イソボロニル（メタ）アクリレート、ｎ－ステアリル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレート及びポリオキシアルキレン構造を有する（メタ）アクリルモノマーからなる群より選択される少なくとも１種からなる重合体が好適に用いられる。ここで、例えば（メタ）アクリレートとは、アクリレート又はメタクリレートを意味する。なかでも、少ない樹脂の量で高い粘度を得ることができることから、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高く、かつ、低温脱脂性に優れるメチルメタクリレートの重合体であるポリイソブチルメタクリレート（イソブチルメタクリレート重合体）が好適である。
上記（メタ）アクリル樹脂のポリスチレン換算による重量平均分子量の好ましい下限は５０００、好ましい上限は５０００００である。上記重量平均分子量が５０００未満であると、充分な粘度を発現することができないために印刷用途に適さないことがあり、５０００００を超えると、上記酸化チタンペーストの粘着力が高くなり、延糸が発生したりし、印刷性が低下することがある。上記重量平均分子量のより好ましい上限は１０００００であり、更に好ましい上限は５００００である。なお、ポリスチレン換算による重量平均分子量の測定は、カラムとして例えばカラムＬＦ－８０４（ＳＨＯＫＯ社製）を用いてＧＰＣ測定を行うことで得ることができる。
上記酸化チタンペーストにおける（メタ）アクリル樹脂の含有量としては特に限定されないが、好ましい下限は１０重量％、好ましい上限は５０重量％である。上記（メタ）アクリル樹脂の含有量が１０重量％未満であると、酸化チタンペーストに充分な粘度が得られず、印刷性が低下することがあり、５０重量％を超えると、酸化チタンペーストの粘度、粘着力が高くなりすぎて印刷性が悪くなることがある。
なお、上記（メタ）アクリル樹脂は、上記酸化チタン微粒子よりも少ない含有量であることが好ましい。上記（メタ）アクリル樹脂が、上記酸化チタン微粒子よりも多くなると、加熱後の（メタ）アクリル樹脂残留量が多くなることがある。
上記酸化チタンペーストは、上記（メタ）アクリル樹脂に加えて、低温焼成でも不純物が残らない程度の範囲内において他の少量のバインダ樹脂を添加してもよい。上記バインダ樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリエチレングリコール、ポリスチレン、ポリ乳酸等が挙げられる。
上記酸化チタンペーストは、有機溶媒を含有する。上記有機溶媒としては、（メタ）アクリル樹脂の溶解性に優れ、極性が高いものが好ましく、例えば、α－テレピネオール、γ－テレピネオール等のテルペン系溶剤、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶剤、ジオール、トリオール等の多価アルコール系溶剤、上記アルコール系溶媒／炭化水素等の混合溶媒、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン等のへテロ化合物等が挙げられる。なかでも、テルペン系溶剤が好ましい。
上記有機溶媒は、沸点が１００～３００℃であることが好ましい。上記有機溶媒の沸点が１００℃未満であると、得られる酸化チタンペーストは、印刷中に乾燥しやすく、長時間の連続印刷に用いる場合には不具合が生じることがある。上記沸点が３００℃を超えると、得られる酸化チタンペーストは、印刷後の乾燥工程における乾燥性が低下する。なお、上記沸点は、常圧における沸点を意味する。
上記有機溶媒の含有量の好ましい下限は５５重量％、好ましい上限は７４重量％である。上記有機溶媒の含有量が５５重量％未満であると、得られる酸化チタンペーストは、粘度が高くなり、印刷性が悪くなることがある。上記有機溶媒の含有量が７４重量％を超えると、得られる酸化チタンペーストの粘度が低くなりすぎて印刷性が悪くなることがある。より好ましい下限は６０重量％、より好ましい上限は７０重量％である。
上記酸化チタンペーストは、光酸発生剤を含有することが好ましい。上記光酸発生剤を含有することで、後述する紫外線による酸化分解に加えて、光酸発生剤からの酸による有機物分解という２つの作用が起こるため、残渣分解を更に効果的に行うことができる。
上記光酸発生剤としては、光が照射されると酸を発生するものであれば特に限定されない。上記光酸発生剤としては、例えば、酸化合物と光吸収化合物とがエステル結合した化合物等が挙げられる。上記光酸発生剤の具体例としては、ミドリ化学社製の商品名「ＴＰＳ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．６６００３－７８－９）、「ＴＰＳ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．１４４３１７－４４－２）、「ＭＤＳ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．１１６８０８－６７－４）、「ＭＤＳ－２０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．８１４１６－３７－７）、「ＤＴＳ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．１１１２８１－１２－０）、「ＮＤＳ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．１９５０５７－８３－１）、「ＮＤＳ－１６５」（ＣＡＳ Ｎｏ．３１６８２１－９８－４）等のスルホニウム塩化合物、「ＤＰＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．６６００３－７６－７）、「ＤＰＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．２１４５３４－４４－８）、「ＤＰＩ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．１９４９９９－８２－１）、「ＤＰＩ－２０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．６２９３－６６－９）、「ＢＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．１５４５５７－１６－１）、「ＭＰＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．１１５２９８－６３－０）、「ＭＰＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．２６００６１－４６－９）、「ＭＰＩ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．２６００６１－４７－０）、「ＢＢＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．８４５６３－５４－２）、「ＢＢＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．１８５１９５－３０－６）、「ＢＢＩ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．１９４９９９－８５－４）、「ＢＢＩ－１１０」（ＣＡＳ Ｎｏ．２１３７４０－８０－８）、「ＢＢＩ－２０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．１４２３４２－３３－４）等のヨードニウム塩化合物、ミドリ化学社製の商品名「ＮＡＩ－１０６」（ナフタルイミド カンファスルホン酸塩、ＣＡＳ Ｎｏ．８３６９７－５６－７）、「ＮＡＩ－１００」（ＣＡＳ Ｎｏ．８３６９７－５３－４）、「ＮＡＩ－１００２」（ＣＡＳ Ｎｏ．７６６５６－４８－９）、「ＮＡＩ－１００４」（ＣＡＳ Ｎｏ．８３６９７－６０－３）、「ＮＡＩ－１０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．５５５１－７２－４）、「ＮＡＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．８５３４２－６２－７）、「ＮＡＩ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．１７１４１７－９１－７）、「ＮＩ－１０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．１３１５２６－９９－３）、「ＮＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．８５３４２－６３－８）、「ＮＤＩ－１０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．１４１７１４－８２－１）、「ＮＤＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．１３３７１０－６２－０）、「ＮＤＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．２１０２１８－５７－８）、「ＮＤＩ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．３０７５３１－７６－６）、「ＰＡＩ－０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．１７５１２－８８－８）、「ＰＡＩ－１０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．８２４２４－５３－１）、「ＰＡＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．２０２４１９－８８－３）、「ＰＡＩ－１００１」（ＣＡＳ Ｎｏ．１９３２２２－０２－５）、「ＳＩ－１０１」（ＣＡＳ Ｎｏ．５５０４８－３９－０）、「ＳＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．３４６８４－４０－７）、「ＳＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．１７９４１９－３２－０）、「ＳＩ－１０９」（ＣＡＳ Ｎｏ．２５２９３７－６６－９）、「ＰＩ－１０５」（ＣＡＳ Ｎｏ．４１５８０－５８－９）、「ＰＩ－１０６」（ＣＡＳ Ｎｏ．８３６９７－５１－２）、チバスペシャリティケミカルズ社製の商品名「ＰＡＧ－１２１」、「ＣＧＩ１３９７」、「ＣＧＩ１３２５」、「ＣＧＩ１３８０」、「ＣＧＩ１３１１」、「ＣＧＩ２６３」、「ＣＧＩ２６８」等のスルホン酸エステル系化合物、ミドリ化学社製の商品名「ＤＴＳ２００」（ＣＡＳ Ｎｏ．２０３５７３－０６－２）、ローディアジャパン社製の商品名「ＲＨＯＤＯＲＳＩＬ ＰＨＯＴＯＩＮＩＴＩＡＴＯＲ－２０７４」（ＣＡＳ Ｎｏ．１７８２３３－７２－２）等のＢＦ４－を対イオンとする化合物等が挙げられる。光酸発生剤は、単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。
なかでも、下記式（１）に示す構造を有する光酸発生剤を用いることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
上記光酸発生剤の含有量としては特に限定されないが、好ましい下限は０．００２５重量％、好ましい上限は２．５重量％である。上記光酸発生剤の含有量が０．００２５重量％未満であると、光酸発生剤を添加することによる有機物分解効果が不充分となることがあり、２．５重量％を超えると、例えば、上記光吸収化合物の割合も多くなり、悪影響を及ぼすことがある。より好ましい下限は０．０２５重量％、より好ましい上限は１．２５重量％である。
上記酸化チタンペーストは、粘度の好ましい下限が１５Ｐａ・ｓ、好ましい上限が５０Ｐａ・ｓである。上記粘度が１５Ｐａ・ｓ未満であると、印刷時の形状保持が困難となることがある。上記粘度が５０Ｐａ・ｓを超えると、得られる酸化チタンペーストが塗工性に劣るものとなることがある。上記粘度のより好ましい下限は１７．５Ｐａ・ｓ、より好ましい上限は４５Ｐａ・ｓである。
なお、上記粘度は、Ｅ型粘度計を用いて２５℃、１０ｒｐｍせん断時における動粘度を測定したものである。
上記酸化チタンペーストは、チキソ比の好ましい下限が２である。上記チキソ比が２未満であると、印刷後の形状保持が難しく、膜厚の不均一化や端部形状の崩壊、また、微細配線状に印刷した際には配線同士の合着が起こることがある。上記チキソ比のより好ましい下限は２．２５、好ましい上限は５である。なお、上記チキソ比は、Ｅ型粘度計を用いて２５℃、０．５ｒｐｍせん断時の動粘度を５ｒｐｍせん断時の動粘度で割ることによって求めることができる。
上記酸化チタンペーストは、常温、大気雰囲気下において、スキージ操作を２５回繰り返した場合の粘度変化率が１０５％以下であることが好ましい。上記粘度変化率が１０５％を超えると、印刷性が変化してしまうことがあり、安定した生産が難しくなる。
なお、上記粘度変化率は、酸化チタンペーストをガラス上に乗せ、ゴム製スキージを用いてガラス表面に酸化チタンペーストを薄く延ばし、また擦り取るという操作を２５回繰り返した前後の粘度の比率であり、粘度は、Ｅ型粘度計を用いて２５℃、１０ｒｐｍせん断時における動粘度を測定したものである。
上記酸化チタンペーストは、大気雰囲気下において２５℃から３００℃まで１０℃／分の昇温速度で加熱した後の（メタ）アクリル樹脂及び有機溶媒の含有量が１重量％以下であることが好ましい。
上記酸化チタンペーストは、加熱後の表面不純物が少ないことから、微粒子間の結合（ネッキング）が起こりやすく、その結果、粒子間抵抗を低減することが可能となることから、色素増感太陽電池の材料として用いた場合に、高い光電変換効率を実現することができる。
上記含有量が１重量％を超えると、酸化チタン微粒子表面に不純物が残ってしまうため増感色素を吸着することが出来ない。なお、上記含有量は、酸化チタン微粒子に対する含有量である。
上記酸化チタンペーストは、印刷性に優れるだけでなく、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を好適に製造することが可能となる。
また、上記酸化チタンペーストは、スクリーン版の洗浄に一般的に使用される有機溶剤との相溶性に優れ、使用後に充分に洗浄除去することができることから、スクリーン版の目詰まりを低減することができ、スクリーン印刷を安定して長期間行うことが可能となる。
更に、上記酸化チタンペーストは、色素増感太陽電池の材料として用いた場合、短時間で増感色素を充分に吸着させることが可能となり、得られる色素増感太陽電池は、高い光電変換効率を実現することができる。
上記酸化チタンペーストを製造する方法としては、酸化チタン微粒子と、（メタ）アクリル樹脂と、有機溶媒とを混合する混合工程を有する方法を用いることができる。上記混合の手段としては、例えば、２本ロールミル、３本ロールミル、ビーズミル、ボールミル、ディスパー、プラネタリーミキサー、自転公転式攪拌装置、ニーダー、押し出し機、ミックスローター、スターラー等を用いて混合する方法等が挙げられる。
本発明の多孔質酸化チタン積層体の製造方法は、上記酸化チタンペースト層を焼成する工程を有する。
上記酸化チタンペースト層の焼成は、塗工する基板の種類等により、温度、時間、雰囲気等を適宜調整することができる。
例えば、大気下又は不活性ガス雰囲気下、５０～８００℃程度の範囲内で、１０秒～１２時間程度行うことが好ましい。
また、乾燥及び焼成は、単一の温度で１回又は温度を変化させて２回以上行ってもよい。
本発明の多孔質酸化チタン積層体の製造方法は、上記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程を有する。このような工程を行うことで、酸化チタンの触媒活性効果により、酸化チタンペースト層中の微量の有機残渣を酸化分解することができる。その結果、例えば、色素増感太陽電池等に使用する場合に、更なる性能の向上に寄与することができる。また、このような紫外線照射工程の効果は、有機バインダとして（メタ）アクリル樹脂を用いた場合に特に顕著に発現される。加えて、本発明では、平均粒子径の小さい酸化チタン粒子を用いることで、有機バインダとの接触面積を増加させることができる。その結果、酸化チタンの触媒活性効果を更に高めることができる。
上記紫外線を照射する工程において、紫外線照射の積算光量は１００Ｊ／ｃｍ２以上である。上記積算光量が１００Ｊ／ｃｍ２未満であると、有機残渣の除去を充分に行うことができない。上記積算光量の好ましい下限は１５０Ｊ／ｃｍ２であり、好ましい上限は１００００Ｊ／ｃｍ２である。
なお、積算光量は照射強度（ｍＷ／ｃｍ２）×照射時間（秒）にて簡易的に算出することが出来る。
また、上記紫外線を照射する工程において、紫外線の照射強度は０．５～１０００ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましい。
更に、紫外線の照射時間は１秒～３００分間であることが好ましく、より好ましくは１秒～６０分間照射である。照射強度が小さすぎたり、照射時間が短すぎたりすると、有機残渣の除去が部分的にしか進行しないため充分な効果を得ることが出来ず照射強度が大きすぎたり、照射時間が長すぎたりすると、透明基板の紫外線劣化や熱的劣化を及ぼすことがある。
上記紫外線を照射する方法としては特に限定されず、例えば、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、水銀－キセノンランプ等を用いる方法が挙げられる。
上記紫外線を照射する工程では、上記焼成後の酸化チタンペースト層の表側（基材と反対側）及び裏側（基材側）の両方から紫外線を照射することが好ましい。これにより、酸化チタンペースト層の内部まで充分に紫外線を照射することができる。その結果、少ない積算光量でも充分に、紫外線照射の効果を得ることができ、製造工程全体の時間短縮に繋げることが可能となる。なお、表側からの照射、及び、裏側からの照射は、同時に行ってもよく、複数回に分けて順次行ってもよい。
本発明では、上記紫外線を照射する工程を行った後、更にパルス幅の小さいパルス白色光を照射する工程を行うことが好ましい。上記パルス白色光を照射することで、酸化チタンペースト層における酸化チタン粒子間の表面の溶融による緻密化が起こり、その結果、表面抵抗を低下させることが可能となる。
上記パルス光は、パルス幅が０．１～１０ｍｓであることが好ましい。これにより、瞬間的に強力な光エネルギーを照射することができる。
上記パルス光の積算光量としては特に限定されないが、４Ｊ/ｃｍ２以上であることが好ましい。これにより、粒子間の融合に充分なエネルギーを加えることが出来る。より好ましくは、１５～４０Ｊ/ｃｍ２である。更に、照射回数は１～５回であることが望ましい。
上記パルス光を照射するための手段としては、ハロゲンフラッシュランプ、キセノンフラッシュランプ、ＬＥＤフラッシュランプ等が挙げられるが、特にキセノンフラッシュランプを用いることが好ましい。
本発明の多孔質酸化チタン積層体の製造方法では、上述した工程を行うことで、上記基材上に多孔質酸化チタン層が形成された多孔質酸化チタン積層体が得られる。
このようにして得られた多孔質酸化チタン積層体に増感色素を吸着させる工程を行い、対向電極と対向させて設置し、これらの電極の間に電解質層を形成することで、色素増感太陽電池セルを製造することができる。このようにして得られた色素増感太陽電池は、高い光電変換効率を達成することができる。上記増感色素を吸着する方法としては、例えば、増感色素を含むアルコール溶液に、上記多孔質酸化チタン積層体を浸漬した後、アルコールを乾燥除去する方法等が挙げられる。
上記増感色素としては、ルテニウム－トリス、ルテニウム－ビス型のルテニウム色素、フタロシアニンやポルフィリン、シアニジン色素、メロシアニン色素、ローダミン色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン色素等の有機色素が挙げられる。
本発明によれば、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を製造することが可能な多孔質酸化チタン積層体の製造方法、及び、該多孔質酸化チタン積層体を用いた色素増感太陽電池を提供できる。
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
（酸化チタンペーストの作製）
平均粒子径が２０ｎｍの酸化チタン微粒子、有機バインダとしてイソブチルメタクリレート重合体（重量平均分子量５００００）、有機溶媒としてα－テルピネオール（沸点２１９℃）を用い、表１の組成となるようにビーズミルを用いて均一に混合することにより酸化チタンペーストを作製した。
（多孔質酸化チタン層の形成）
得られた酸化チタンペーストを、２５ｍｍ角のＦＴＯ透明電極形成済みガラス基板上に、５ｍｍ角の正方形状に印刷し、３００℃で１時間焼成した。
その後、更に高圧水銀ランプ（セン特殊光源社製、ＨＬＲ１００Ｔ－２）を用いて、紫外線をガラス基板とは逆側（表側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で３０分間照射することにより多孔質酸化チタン層を得た。なお、得られた多孔質酸化チタン層の厚みが１０μｍとなるよう、印刷条件の微調整を行った。
（色素増感太陽電池の作製）
得られた多孔質酸化チタン層付き基板を、Ｒｕ錯体色素（Ｎ７１９）のアセトニトリル：ｔ－ブタノール＝１：１溶液（濃度０．３ｍＭ）中に１日浸漬することにより、多孔質酸化チタン層表面に増感色素を吸着させた。
次に、この基板上に、一方向を除いて多孔質酸化チタン層を取り囲むように厚さ３０μｍのハイミラン社製フィルムを載せ、更にその上から白金電極を蒸着したガラス基板を乗せ、その隙間にヨウ化リチウム及びヨウ素のアセトニトリル溶液を注入、封止することで色素増感太陽電池を得た。
（実施例２～８）
実施例１において、表１に示すように、有機バインダ、有機溶媒の量、焼成温度、紫外線照射時間、積算光量を変更した以外は、実施例１と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
なお、有機溶媒としては、α－テルピネオール（沸点２１９℃）のほか、２，４－ジエチル－１，５－ペンタンジオール（ＰＤ－９、沸点２６４℃）を用いた。
（実施例９）
（多孔質酸化チタン層の形成）において、高圧水銀ランプ（セン特殊光源社製、ＨＬＲ１００Ｔ－２）を用いて、紫外線をガラス基板とは逆側（表側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で１５分間照射した後、更にガラス基板側（裏側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で１５分間照射した以外は、実施例７と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（実施例１０）
（多孔質酸化チタン層の形成）において、高圧水銀ランプ（セン特殊光源社製、ＨＬＲ１００Ｔ－２）を用いて、紫外線をガラス基板とは逆側（表側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で３０分間照射した後、更にガラス基板側（裏側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で３０分間照射した以外は、実施例７と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（実施例１１、１２）
（酸化チタンペーストの作製）において、表１に示す平均粒子径を有する酸化チタン微粒子を用いた以外は、実施例７と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（実施例１３、１４）
（酸化チタンペーストの作製）において、表１に示す平均粒子径を有する酸化チタン微粒子を用いた以外は、実施例８と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（実施例１５～２０）
実施例１において、表１に示すように、有機バインダ、有機溶媒の量、光酸発生剤の量、焼成温度、紫外線照射時間、積算光量を変更した以外は、実施例７と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。なお、光酸発生剤としては、上記式（１）に示す構造を有するものを用いた。
（実施例２１～２９）
（多孔質酸化チタン層の形成）において、高圧水銀ランプを用いて、紫外線をガラス基板とは逆側（表側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で３０分間照射を行った後、キセノンフラッシュランプ（アルテック社製、Ｓｉｎｔｅｒｏｎ２０００）を用いて、表１に示す光量、照射時間、照射回数の条件で、パルス光を照射した以外は、実施例７と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（比較例１～３）
実施例１において、有機バインダとしてイソブチルメタクリレート重合体に代えて、エチルセルロース（和光純薬工業社製、４５％エトキシ、１０ｃＰ）を用い、表２に示すように焼成温度、紫外線照射時間、積算光量を変更した以外は、実施例１と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（比較例４～１２）
実施例１において、表２に示すように、有機バインダ、有機溶媒の量、焼成温度、紫外線照射時間、積算光量を変更した以外は、実施例１と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（比較例１３）
（多孔質酸化チタン層の形成）において、高圧水銀ランプ（セン特殊光源社製、ＨＬＲ１００Ｔ－２）を用いて、紫外線をガラス基板とは逆側（表側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で７．５分間照射した後、更にガラス基板側（裏側）から照射強度１００ｍＷ／ｃｍ２で７．５分間照射した以外は、実施例１と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（比較例１４、１５）
（酸化チタンペーストの作製）において、表２に示す平均粒子径を有する酸化チタン微粒子を用いた以外は、実施例７と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
（比較例１６、１７）
（酸化チタンペーストの作製）において、表２に示す平均粒子径を有する酸化チタン微粒子を用いた以外は、実施例８と同様にして、多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
＜評価＞
実施例及び比較例で得られた多孔質酸化チタン層、色素増感太陽電池について以下の評価を行った。結果を表３に示した。
（１）多孔質酸化チタン層の有機残渣量変化測定
得られた多孔質酸化チタン層について、Ｘ線光電子分法装置（アルバックファイ社製、ＰＨＩ５０００）を用いて、表面から１００ｎｍをスパッタリングし表面汚染層を除去した後、薄膜表面の炭素ピークを測定した。得られた測定値と紫外線照射前の測定値とを比較することにより、膜中に残留する有機残渣量の相対評価を行った。
紫外線照射前の炭素ピークのピーク強度に対して、ピーク強度が１００％以下で５０％を超える場合を「×」、５０％以下で２５％を超える場合を「△」、２５％以下で１０％を超える場合を「○」、１０％以下である場合を「◎」とした。
（２）多孔質酸化チタン層の色素吸着量測定
（色素増感太陽電池の作製）において、得られた増感色素を吸着させた多孔質酸化チタン層を、水酸化カリウム溶液中に浸漬することで増感色素を脱着させ、その脱着液の吸光スペクトルを分光光度計（Ｕ－３０００、日立製作所社製）を用いて測定することで、色素吸着量を測定した。なお、酸化チタンペースト及び焼成条件が同じである場合における［（紫外線を照射した場合の色素吸着量／紫外線を照射しなかった場合の色素吸着量）×１００］を相対変化率として算出した。
（３）焼結性評価
各実施例及び比較例と同様の形成方法により１０ｃｍ角の多孔質酸化チタン層を形成し、鉛筆硬度試験（ＪＩＳ　Ｋ　５６００）を行うことで酸化チタン微粒子同士の焼結度合いを測定した。
（４）色素増感太陽電池の性能評価
得られた色素増感太陽電池の電極間に、電源（２３６モデル、ＫＥＹＴＨＬＥＹ社製）を接続し、１００ｍＷ／ｃｍ２の強度のソーラーシミュレータ（山下電装社製）を用いて、色素増感太陽電池の光電変換効率を測定した。酸化チタンペースト及び焼成条件が同じである場合における［（紫外線を照射した場合の光電変換効率／紫外線を照射しなかった場合の光電変換効率）×１００］を相対変化率として算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
本発明によれば、低温焼成でも空孔率が高く不純物が少ない多孔質酸化チタン層を製造することが可能な多孔質酸化チタン積層体の製造方法、及び、該多孔質酸化チタン積層体を用いた色素増感太陽電池を提供できる。

Claims (4)

  1. 酸化チタン微粒子と、（メタ）アクリル樹脂と、有機溶媒とを含有する酸化チタンペーストを基材上に印刷し、該基材上に酸化チタンペースト層を形成する工程と、前記酸化チタンペースト層を焼成する工程と、前記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程とを有する多孔質酸化チタン積層体の製造方法であって、前記酸化チタン微粒子は、平均粒子径が５～５０ｎｍであり、前記焼成後の酸化チタンペースト層に紫外線を照射する工程において、紫外線照射の積算光量を１００Ｊ／ｃｍ２以上とすることを特徴とする多孔質酸化チタン積層体の製造方法。
  2. （メタ）アクリル樹脂は、ポリイソブチルメタクリレートであることを特徴とする請求項１記載の多孔質酸化チタン積層体の製造方法。
  3. 有機溶媒は、沸点が１００～３００℃であることを特徴とする請求項１又は２記載の多孔質酸化チタン積層体の製造方法。
  4. 請求項１、２又は３記載の多孔質酸化チタン積層体の製造方法を用いて製造された多孔質酸化チタン積層体を用いてなることを特徴とする色素増感太陽電池。
    　
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