(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化チタンへ加水分解し得るチタン化合物の溶液で練合した既製の酸化チタン微粒子のペーストを導電性基板に塗布し、高圧水蒸気との接触によって前記チタン化合物から生成した酸化チタン結晶が既製の酸化チタン微粒子同士を接着し、導電性酸化チタンポーラス厚膜を形成するように塗布したペースト膜を水熱反応処理することを含む導電性酸化チタンポーラス厚膜の低温合成法。
【請求項２】
前記ペースト膜の水熱反応処理は耐圧容器中で実施される請求項１の方法。
【請求項３】
前記チタン化合物は四塩化チタンであり、生成した酸化チタン結晶はルチル型である請求項１または２の方法。
【請求項４】
前記チタン化合物はオキシ硫酸チタンであり、生成した酸化チタンはアナタース型である請求項１または２の方法。
【請求項５】
前記チタン化合物はチタンアルコキシドであり、生成した酸化チタンはアナタース型である請求項１または２の方法。
【請求項６】
導電性基板上で、酸化チタンへ加水分解し得るチタン化合物の水蒸気との水熱反応によって成長させた酸化チタン結晶が既製微粒子酸化チタン同士をポーラス状に接着している導電性酸化チタンポーラス厚膜。
【請求項７】
前記チタン化合物は四塩化チタンであり、成長した酸化チタン結晶はルチル型である請求項６の導電性酸化チタンポーラス厚膜。
【請求項８】
前記チタン化合物はオキシ硫酸チタンであり、成長した酸化チタン結晶はアナタース型である請求項６の導電性酸化チタンポーラス厚膜。
【請求項９】
前記チタン化合物はチタンアルコキシドであり、成長した酸化チタンはアナタース型である請求項６の導電性酸化チタンポーラス膜。
【請求項１０】
増感色素を吸着させた請求項６ないし９のいずれかの導電性酸化チタンポーラス厚膜よりなる色素増感型太陽電池電極材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、導電性の酸化チタンポーラス厚膜、その合成法および該厚膜に増感色素を吸着させた色素増感型太陽電池電極材料に関する。
【０００２】
【従来技術と課題】
色素増感型太陽電池の電極材料に用いられる導電性のポーラス酸化チタン薄膜の作製には、酸化チタン微粒子を分散剤となる界面活性剤などと混合して調製したペーストを透明導電性ガラス基板上に均一に塗布し、これを４００から５００℃で熱処理して有機成分を燃焼、除去することで作製する、O'ReganとGratzel らが考案した手法(B. O'Regan and M. Gratzel, Nature, 353, 737 (1991).) が最も一般的に用いられている。電解合成法やゾルゲル法の他、電気泳動を用いる手法（特開平１１−３１０８９８「結晶性酸化チタン膜の形成方法」）なども知られているが、いずれの場合も４００度以上の高温での熱処理が結晶相の形成や粒子同士の焼結のために必要である。室温でコートし、乾燥させるのみで酸化チタン皮膜を作製できる光触媒用のコーティング液も製品化されているが、粒子同士のネッキングが起こらないために導電性が無く、電極材料としては使用できない。有機物を含まない酸化チタンの水性懸濁液を基板上にコートし、低温で焼成することで導電性の薄膜が得られることが報告されているが(F. Pichot, S. Ferrere, R.J. Pitts and B.A. Gregg,Langmuir, 16, 5626 (1999).) 、膜厚さが稼げないことが問題となっている。
【０００３】
色素増感型太陽電池の電極材料や光触媒として重要な酸化チタンの皮膜形成は通常高温での熱処理を必要とする。光触媒用には室温で乾燥させるのみで薄い膜を形成できるゾルなどが開発されているが、これらによって得られる膜は全く導電性が無く、電極材料としては用いることが出来ない。また、色素増感型太陽電池用の材料としては、十分な量の増感色素を担持できるよう、多孔質な厚膜（厚さ10ミクロン以上）が必要となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、例えば水性無機チタン塩と酸化チタン微粒子の混合によって調製したペーストを基板上に塗布し、これを１００℃前後で水熱処理することにより、機械的強度と導電性に優れた酸化チタンポーラス厚膜の作製に成功したものである。ペースト中のチタン塩が水熱処理によって加水分解され、結晶性酸化チタンを生成することにより、酸化チタン微粒子同士が強固に連結されるとともに、膜中での電荷輸送が可能となる。
【０００５】
得られた酸化チタンポーラス膜は色素増感型太陽電池の光電極としてきわめて優れた性能を有する。同等の性能を確保するためには従来４００℃以上での熱処理が必要であり、透明導電性基板としては従来ガラスを用いることが必須であったが、本発明によって、より安価で軽量なITO膜付きPETフィルムなどを基板として用いることが可能となる。
【０００６】
このため、本発明は、酸化チタンへ加水分解し得るチタン化合物の溶液で練合した既製の酸化チタン微粒子のペーストを導電性基板に塗布し、高圧水蒸気との接触によって前記チタン化合物から生成した酸化チタン結晶が既製の酸化チタン微粒子同士を接着し、導電性酸化チタンポーラス厚膜を形成するように塗布したペースト膜を水熱反応処理することを含む導電性酸化チタンポーラス厚膜の低温合成法を提供する。
【０００７】
さらに本発明は、導電性基板上で、酸化チタンへ加水分解し得るチタン化合物の水蒸気との水熱反応によって成長させた酸化チタン結晶が既製微粒子酸化チタン同士をポーラス状に接着している導電性酸化チタンポーラス厚膜を提供する。
【０００８】
また本発明は、上記導電性酸化チタンポーラス厚膜に吸着によって担持させた増感色素を含む色素増感型太陽電池電極材料にも関する。
【０００９】
【好ましい実施態様】
低コスト、低環境負荷な次世代太陽電池として注目される色素増感型太陽電池は、酸化チタン微粒子から成る多孔質電極の作成法が確立されたことによって実現された。一般的に用いられる有機分散剤を添加した酸化チタンコロイドのペーストを原料とする膜作製は、手法的には低コストであるものの、高温での熱処理を要するがゆえに基板材料をガラスに限定してしまう。コスト試算によれば、導電性ガラスの価格は電池全体の価格の７割以上を占めることになると考えられている。従って、高性能な多孔質酸化チタン厚膜を低温で合成することが可能となれば、導電性プラスチックフィルムを基板に用いて、太陽電池の価格と重量を低減することが可能となる。導電性プラスチックフィルムは液晶ディスプレイなどの用途に限られているため、現在のところ決定的に安価とは言えないが、PETフィルムは板ガラスよりはるかに低価格なので、将来的には大幅なコストダウンが見込まれる。
【００１０】
本発明はまさにこの低温での導電性ポーラス酸化チタン厚膜合成に成功したものである。溶液として比較的安定で、水熱条件下で加水分解されて酸化チタン結晶を生じるチタン塩を既に結晶化した酸化チタン微粒子と混合し、これを水熱処理することで新たに生じた酸化チタンが酸化チタン微粒子同士を接着するという、従来の手法とは異なる発想によってこれを実現したことは本発明の技術的特色である。
【００１１】
水熱反応により酸化チタンへ加水分解されるチタン化合物は、安定な溶液として既製の酸化チタン粒子を練合するのに用いられるので、四塩化チタンやオキシ硫酸チタンのような無機塩の場合は水溶液として用いる。またチタンアルコキシド、例えばチタンのテトライソプロポキシドの場合はアルコール溶液例えばエタノール溶液として用いる。また加水分解により生成する酸化チタンの結晶形がルチル型であることを望む場合は四塩化チタンを用い、アナタース型を望む場合はオキシ硫酸チタンまたはチタンアルコキシドを用いればよい。ＩＴＯを基板として用いる場合はチタンアルコキシドアルコール溶液で練合したペーストを用いるのが好ましい。
【００１２】
【実施例】
実施例１
原料
酸化チタン微粒子には粒径５から１００ナノメートル程度のものを用いるが、粒径が揃っている必要は必ずしも無い。結晶型はルチル型、アナターゼ型、その混合物のいずれでも良い。ここでは30%ルチル、70%アナターゼ、平均粒径25 nmのDegussa社製P25粉末を用いた。チタン塩にはルチル型酸化チタン結晶を生成する原料として四塩化チタン、アナターゼ型酸化チタン結晶を生成する原料としてオキシ硫酸チタン(硫酸チタニル)を用いる。四塩化チタンは冷水を激しく攪拌した中に徐々に滴下することで0.5−2.0%の水溶液を調製する。オキシ硫酸チタンは粉末試料を直接水に溶解し、濃度0.5−2.0%の水溶液を調製する。いずれの水溶液も冷蔵すれば半年以上安定に保存できる。
【００１３】
ペーストの調製と基板上への塗布
酸化チタン微粒子0.8gに対し、3g前後のチタン塩水溶液を混合し、メノウ乳鉢で2時間練り混ぜることで均一なペーストを得た。これをスペーサーとなるスコッチテープ2枚を一定間隔で平行に貼り付けた基板上にガラス棒を用いて均一に塗布した。本実施例ではFドープSnO2膜付ガラス板を基板として用いているが、ＩＴＯ膜付ＰＥＴフィルム基板についても同様にコートできる。
【００１４】
水熱処理と乾燥処理
ペースト塗布後の基板を図1のように耐圧容器中にセットした。テフロン製内部容器中に試料ステージ（サンプル瓶などを利用したが、水溶性が無く、１００℃程度に耐える材料ならば何でも良い）を設置し、その上に試料を概ね水平に置いた。テフロン容器底部に少量の水（容量100mlの容器の場合10ml前後）を導入した。反応中に水は沸騰するので、水が試料にかからない程度に試料位置と水の分量を加減する。SUS製外部耐圧容器を密閉後、容器をオーブン中に静置した。
温度80−200℃の範囲で4−26時間水熱反応を行った。後に示すように、チタン塩に四塩化チタンを用いた場合にはルチル型酸化チタン結晶が生成し、オキシ硫酸チタンを用いた場合はアナターゼ型酸化チタン結晶が生じる。この時考えられる反応は
TiCl4 + 2H2O→ TiO2 （ルチル） + 4HCl                (1)
TiOSO4 + H2O→ TiO2 （アナタース）+ H2SO4            (2)
の様な加水分解反応である。
反応容器を室温付近まで冷却後、試料を取り出し、オーブン中空気下、100℃で0.5−4時間乾燥処理を行った。乾燥処理は後の色素吸着のために必要なプロセスであり、乾燥しなくとも結晶性の酸化チタンは得られている。
【００１５】
生成物の同定と膜厚測定、表面形態観察
X線回折測定装置により、生成物の結晶状態を調べた。膜厚さは触針式表面粗さ計により測定した。水熱処理前後の膜表面形態変化を電子顕微鏡により観察した。
【００１６】
色素吸着
乾燥処理後の試料をオーブンから取り出した直後に（まだ熱いうちに）増感色素のエタノール溶液に浸漬し、そのまま室温で一昼夜放置して酸化チタン表面に増感色素を吸着した。増感色素には最も一般的に用いられているルテニウム錯体、cis-bis(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)bis (thiocyanato)ruthenium(II)を用い、色素溶液濃度は0.5 mMとした。色素吸着後の試料はエタノールで洗浄し、風乾した。
【００１７】
太陽電池の試作と電池特性評価
色素吸着後の試料を光電極とし、これと白金微粒子をスパッタリングにより修飾したSnO2ガラス対極を対向させた状態で厚さ約80ミクロンのスペーサーフィルムを挟み、サンドイッチ型の太陽電池を試作した。電解質溶液には0.5 M LiI, 0.05 M I2, 0.5 M t-buthylpyridineを含むメトキシプロピオニトリルを用い、毛管現象によって両電極間のギャップに導入した。
光源に420 nm以下カットフィルターとIRカットフィルターを装着した５００Wキセノンランプを用い、光強度は太陽光強度に相当する100 mW/cm2に設定した。可変抵抗器を直列に接続し、DCの電圧−電流特性を測定し、エネルギー変換効率を算出した。
【００１８】
実施例１において得られた結果
図2にチタン塩に四塩化チタンを用いた場合の水熱処理前後の試料のX線回折パターンを示した。四塩化チタン水溶液のみをコートし、乾燥しただけで得られる皮膜(a)は全くX線回折ピークを示さず、アモルファスであるが、これを水熱処理すると(b)、ルチル型酸化チタンに帰属される回折ピークが現れ、ルチル型の結晶性酸化チタンが生成していることが分かる。P25粉末と混合したペーストを塗布した場合(c)、アナターゼ型とルチル型に帰属される回折ピークが共に現れているが、これは主としてP25自体の結晶性を反映したものである。膜は強固であり、基板に対する固着性も極めて高い。
チタン塩にオキシ硫酸チタンを用いた場合には(図3)、アナターゼ型結晶性酸化チタンに帰属される回折ピークのみが見られ、アナターゼ結晶が選択的に生成されることが分かった。P25と混合したペーストからは四塩化チタンの場合と同様に強固な膜が得られた。X線回折パターン(図4)にはアナターゼ型に加えて、ルチル型に帰属される回折ピークも見られるが、これは加えたP25に由来する。
【００１９】
以上のように用いるチタン塩を四塩化チタンかオキシ硫酸チタンとするかのみで酸化チタン微粒子を接着する酸化チタンをルチル型とするかアナターゼ型とするかを選択することが出来る。また、膜厚さはコーティング時に用いるスペーサーの厚さによってペースト量を加減することで任意に調節出来、膜厚さ15マイクロメートル以上まで厚くしてもクラックの生成や膜の剥離は全く見られなかった。
【００２０】
水熱処理の前後での膜の形態変化を図5に示した。水熱処理前はP25微粒子がアモルファス状のチタン塩で覆われているが、水熱処理後はこれが結晶化し、体積収縮が起こるためにほとんど確認できなくなって、膜中の空隙が増加している様子が分かる。水熱処理後の膜形態は通常の有機分散剤を用いて高温で熱処理を施す手法によって作製したものに酷似している。
【００２１】
水熱処理後の膜は極めて高い多孔度を有しており、色素によって濃厚に着色された。膜中に導入された膜投影面積あたりの色素吸着量は厚さ10マイクロメートルの膜で1.5 × 10 -7 mol/cm2に達し、一般的な熱処理を要する手法で作製されたポーラス膜と同等以上の高比表面積を有している。
【００２２】
試作された太陽電池の特性の一例を図6に示す。擬似太陽光照射下において短絡電流(Isc) 15.9 mA/cm2、開回路電圧(V０oc) 0.73 V、フィルファクター(F.F. ) 54%、光電エネルギー変換効率( η) 6.23%の出力が得られ、本発明の手法によって低温合成された酸化チタンポーラス膜電極が従来の高温を要する手法によって作製された材料に全く遜色ない性能を有していることが確認された。
【００２３】
酸化チタンポーラス膜は四塩化チタンとP25の混合ペーストをSnO2ガラス上に塗布後、１００℃で１２時間水熱処理し、１００℃で４時間乾燥処理を行って作製したもの。光源には420 nm以下と赤外光をカットした５００Wキセノンランプ（光強度＝100 mW/cm2）を使用した。 Isc = 15.9 mA/cm2,  Voc = 0.73V, F.F.= 54%,η= 6.23%
【００２４】
実施例２
チタンアルコキシドを用いたアルコール性チタンペーストの調製とＩＴＯコートＰＥＴフィルム電池の作製
実験方法
酸化チタン微粒子（Ｐ25）と0.1 Ｍのチタン（IV）テトライソプロポキシドのエタノール溶液適当量を混合し、超音波分散した後これをメノウ乳鉢中で２時間程度練り混ぜるか、５時間程度攪拌することによって均一なペーストを得た。これをＩＴＯコートＰＥＴフィルム（シート抵抗約80Ω／sq．）上にスコッチテープをスペーサーとしてガラス棒で均一に塗布した。乾燥後、水を底部に少量導入したオートクレーブに試料を封入し、100 ℃で８時間気相中で反応させた。その後100 ℃に設定したオーブン中で試料を１時間乾燥し、0.5 ｍＭのＲｕ錯体溶液に室温で一晩浸漬して色素を吸着した（ペーストの調製以外は実施例１の場合と同様）
実験結果
チタンアルコキシドは水蒸気反応によって加水分解し、アナターゼ型酸化チタンを形成する。この手法によって膜厚さ最大15ミクロン程度のポーラス膜が得られた。得られた膜にはクラックの生成は無く、基板への付着性も高い。また、TiCl4 やTiOSO4をチタン塩に用いた無機の水性チタンペーストをＩＴＯコートＰＥＴフィルムに用いると、ＩＴＯが溶解して基板の導電性が失われるが、このアルコール性チタンペーストを用いるとＩＴＯの導電性は全く変化しない。
この様にして作製された、導電性ポーラス酸化チタン厚膜付きＩＴＯコートＰＥＴフィルム電極にPt修飾SnO2ガラス対極を対向させたサンドイッチセル（電解液等は先のものと同じ）のAM1.5 擬似太陽光照射下での太陽電池特性を図７に示した。 Isc = 5.2 mA/cm2, Voc = 0.71V, F.F.=0.63%, η= 2.3%の特性が得られた。これは同種のＩＴＯコートＰＥＴフィルム基板にTiO2微粒子を高圧で押し付けて作製したポーラス膜を様いて作製された従来知られるフレキシブル電池に匹敵する高い性能であり、本手法がプラスチック基板を用いる太陽電池の作製に有効であることが証明された。
【図面の簡単な説明】
【図１】水熱反応容器中の試料の設置（反応容器の断面図で、試料ステージおよび試料の設置方法、容器中の水量の関係を表したもの）
【図２】  X線回折パターン（１）
(a) 四塩化チタン水溶液をSnO2ガラス上に塗布し、室温で乾燥させた試料
(b) (a)を100℃で12時間水熱処理した試料
(c) 四塩化チタン水溶液とP25粉末の混合ペーストをSnO2ガラス上にコートし、100度で12時間水熱処理した試料
【図３】 X線回折パターン（２）
オキシ硫酸チタン水溶液をSnO2ガラス基板上に塗布後、(a) 80℃, (b) 100 ℃, (c) 150 ℃, (d) 180 ℃で12時間水熱処理を施した試料
【図４】 X線回折パターン（３）
(a)オキシ硫酸チタンとP25混合ペーストをSnO2ガラス基板に塗布し、室温で乾燥した試料
(b)(a)を100℃、12時間水熱処理した試料
【図５】水熱処理前後の膜表面形態変化(電子顕微鏡写真)
(a) 四塩化チタンとP25混合ペーストを塗布、室温乾燥した試料
(b) (a)を100℃、12時間水熱処理した試料
【図６】試作された太陽電池の出力特性
酸化チタンポーラス膜は四塩化チタンとP25の混合ペーストをSnO2ガラス上に塗布後、100 ℃で１２時間水熱処理し、100 ℃で４時間乾燥処理を行って作製したもの。光源には420 nm以下と赤外光をカットした５００Wキセノンランプ（光強度＝100 mW/cm2）を使用した。 Isc = 15.9 mA/cm2,  Voc = 0.73 V, F.F.=54%,η= 6.23%
【図７】ＩＴＯコートＰＥＴ基板上にアルコール性チタンペーストを用いて導電性酸化チタンポーラス厚膜を作成し、増感色素にRu錯体を用いたサンドイッチセルの電池特性。光源にはAM1.5 擬似太陽を用いた。
【図１】
0003692472.tif 000002
【図２】
0003692472.tif 000003
【図３】
0003692472.tif 000004
【図４】
0003692472.tif 000005
【図５】
0003692472.tif 000006
【図６】
0003692472.tif 000007
【図７】
0003692472.tif 000008