(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電層の上に第１の金属酸化物層と第２の金属酸化物層とを分離する分離手段を設ける第１の工程と、
前記分離手段の第１の開口部であって、前記第１導電層の上に前記第１の金属酸化物層を形成する第２の工程と、
前記第１の金属酸化物層を加熱する第３の工程と、
前記分離手段の第２の開口部であって、前記第１導電層の上に前記第２の金属酸化物層を形成する第４の工程と、
を含むことを特徴とする電気化学セルの金属酸化物層の製造方法。
【請求項２】
前記第３の工程において、マイクロ波照射を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法。
【請求項３】
前記第３の工程において、２８ＧＨｚのマイクロ波照射を行うことを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法。
【請求項４】
前記第３の工程において、レーザー光線の照射を行うことを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法。
【請求項５】
前記レーザー光線が３６０ｎｍの波長の光を有することを特徴とする請求項４に記載の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法により前記第１の金属酸化物層を形成する工程と、
色素を前記第１の金属酸化物層の上に形成する工程と、
第２導電層を形成する工程と、
前記色素と前記第２導電層の間に電解質を設ける工程と、
を含むことを特徴とする電気化学セルの製造方法。
【請求項７】
前記第１導電層および前記第２導電層の少なくとも１つが透明であることを特徴とする請求項６に記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項８】
前記分離手段は、前記第１の金属酸化物層を囲むことを特徴とする請求項６または７に記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項９】
前記第２の工程において、前記第１の金属酸化物層を前記第１導電層の上にインクジェットプリントすることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項１０】
前記分離手段の第２の開口部であって、前記第１導電層の上に、前記第２の金属酸化物層をインクジェットプリントすることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項１１】
電極触媒層を前記電解質と前記第２導電層の間に設ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項１２】
さらに、前記第１導電層及び前記第２導電層のうち少なくとも１つに対して前記色素の反対側に反射層を設ける工程を含むことを特徴とする、請求項６乃至１１のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項１３】
前記第１導電層を第１絶縁基板の上に形成する工程をさらに含み、前記第１絶縁基板と前記第１金属酸化物層が前記第１導電層を挟むように配置されることを特徴とする請求項６乃至１２のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項１４】
前記第２導電層を第２絶縁基板の上に形成する工程をさらに含み、前記第２絶縁基板と前記電解質が前記第２導電層を挟むように配置されることを特徴とする請求項６乃至１３のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学セル構造および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際エネルギー機関の「Ｗｏｒｌｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｏｕｔｌｏｏｋ」の予想では、全世界の一次エネルギー需要は２０００年から２０３０年に１年で１．７％増加するという。また、この需要は９０％が化石燃料によってまかなわれるとも予想している。従って、２０００年から２０３０年に１年で１．８％の二酸化炭素の増加が見込まれ、２０３０年には３８０億トンに達する。太陽電池を含む、よりクリーンで新しいエネルギー源は、増加する汚染の傾向に対抗するものとして長く期待されている。進化したシリコン系太陽電池が広く商用化されているが、製造コストが高く、堅強さに欠け、大きな面積の露出を必要とするため視覚的公害があるなどの理由で、シリコン系太陽電池使用の上昇は遅い。
【０００３】
色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）は、結晶太陽電池に代わるものであり、結晶太陽電池よりも安価に製造できる。しかし、ＤＳＳＣは結晶太陽電池より効率が劣る。そのため、ＤＳＳＣは、効果的発電機であるためには十分な領域範囲を必要とする。
【０００４】
特許文献１は、典型的なＤＳＳＣを開示している。図１に示すように、ＤＳＳＣ１０は、第１透明絶縁層１、第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２、二酸化チタン（ＴｉＯ2）の透明金属酸化物層３、増感剤（色素）４の分子単層、電解質層５、第２透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層６、第２透明絶縁層７から成る。
【０００５】
ＤＳＳＣは、可視光線を直接吸収することにより電荷を生成する。ほとんどの金属酸化物は、主に電磁スペクトルの紫外線領域において光を吸収するため、増感剤（色素）４は金属酸化物層３の表面に吸着され、太陽電池の光吸収範囲を可視光線領域へ拡大する。
【０００６】
金属酸化物層３および増感剤（色素）４が吸収できる光量を増大させるため、少なくとも金属酸化物層３の一部が多孔にされ、金属酸化物層３の表面積を増加させている。この表面積の増加により、増感剤（色素）４の量を増加させることができ、その結果ＤＳＳＣの光吸収が増え、エネルギー変換効率が１０％以上向上している。
【０００７】
エレクトロクロミックディスプレイ（ＥＣＤ）は、比較的新しいエレクトロクロミックな双安定性ディスプレイである。ＤＳＳＣと用途は異なるが、これらのデバイスは、図１で説明したような多くの物理的特性を共有している。増感剤（色素）層４を、電流または電圧がデバイス全体に印加されると可逆的色変化を受けるエレクトロクロミック材料層と置き換えたもので、酸化状態では透明で、還元状態では着色する。
【０００８】
第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２に十分な負電位を印加すると、第２透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層６が接地電位に保持され、一方、金属酸化物半導体層３の伝導帯に電子が注入され、吸収された分子が減少する（着色プロセス）。第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２に正電位を印加すると逆のプロセスが起こり、分子が消色する（透明になる）。
【０００９】
平面基板上の単一のエレクトロクロミックな分子単層は十分に光を吸収せず、消色状態と非消色状態の間のはっきりとした色対比を与えない。従って、高度に多孔質で大きな表面積の、ナノ結晶金属酸化物層３を使用し、電子系発色団が結合するための、より大きく効果的な表面積を設けることによって、非消色状態での光吸収を促進する。光は、厚い金属酸化物層３を通過する際に、増感剤（色素）４により着色した分子の数百もの単層を通り抜け、強く吸収される。
【００１０】
双方のエレクトロクロミックデバイスの構造は類似しているので、ＤＳＳＣの製造方法のみを例として記載する。同様に、このプロセスはほとんど変更を加えずにＥＣＤ製造に適用できる。
【００１１】
図１に示すＤＳＳＣ１０を製造するには、厚さ数ミクロンの金属酸化物層３を第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２上に堆積する。高粘度のペーストをスクリーン印刷、ドクターブレード、スパッタリング、またはスプレーコートするなどのさまざまな技術のいずれかを利用する。典型的なペーストは、水または有機溶媒ベースの金属酸化物ナノ粒子懸濁液（直径５から５００ｎｍ）から成り、典型的には、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の粘度改良バインダー、Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘ等の界面活性剤などである。堆積させた後、ペーストを乾燥し溶媒を除去し、４５０℃以下の温度で焼結させる。この高温プロセスで、金属酸化物の粒子サイズと密度を変更し、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機バインダー構成物質を確実に除去して、良好な導電性パスを完全に形成し、良好に画成された材料多孔性を与える。焼結によってまた、金属酸化物粒子３と第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２の間の電気接続が良好になる。
【００１２】
多孔性金属酸化物層３は、乾燥、冷却した後、低濃度（１ｍＭ以下）増感剤（色素）溶液に長期間、典型的には２４時間浸漬することによって、増感剤（色素）４で被覆する。そして、カルボン酸誘導体を含むことが多い機能的リガンド構造を介して、金属酸化物層３上に増感剤（色素）４を吸着させる。水溶液は金属酸化物層３表面への増感剤（色素）４の吸着を阻害するので、このプロセスで使用する典型的な溶媒はアセトニトリルまたはエタノールである。
【００１３】
第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２上には、多孔性金属酸化物層３および増感剤（色素）層４が形成され、第２透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層６と共に組み立てられる。両電極層２および６を一緒に、周囲スペーサ誘電性カプセル材料と共に挟み、少なくとも１０μｍの電極と電極のギャップを作り、その後電解質層５で充填する。スペーサ材料は、ほぼ共通してカプセル封止を付与する熱可塑性プラスチックである。電解質層５は、ほぼ共通して有機溶媒中のヨウ化物／三ヨウ化物の塩であり、一旦導入されると、他の残留した開口部を、熱可塑性プラスチックガスケット、エポキシ樹脂または紫外線硬化樹脂のいずれかで封止することにより、ＤＳＳＣが完成し、水の侵入を防ぎ、それによってデバイスの劣化を防ぐ。
【００１４】
全てではないが、ＤＳＳＣの作製に使用する材料のほとんどは空気中、また大気圧下の条件で扱うことができ、結晶太陽電池作製に伴う高価な真空プロセスの必要性を取り除くことができる。その結果、ＤＳＳＣは結晶太陽電池よりも低コストで製造できる。
【００１５】
ＥＣＤ作製プロセスは幾つかの点を除いてＤＳＳＣ作製プロセスと非常に似ている。多孔性金属酸化物層３をスクリーン印刷によりパターン化し、所望の電極イメージを設け、選択した領域を着色または消色することにより、デバイスは情報を伝達する。加えて、増感剤（色素）層４を、吸着された電子系発色団材料層と置き換える。さらに、透過性分散反射層、典型的には焼結した金属酸化物の大きな粒子を、第１および第２電極２、６間に位置させ、視覚的イメージコントラストを強めることができる。
【００１６】
特許文献２は、ＤＳＳＣ１００を開示している。図２に示すように、ＤＳＳＣ１００は、ガラスまたはプラスチックの第１基板１０１、第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層１０２、二酸化チタン（ＴｉＯ2）層１０３、色素層１０４、電解質層１０５、第２透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層１０６、ガラスまたはプラスチックの第２基板１０７、絶縁ウェブ１０８、１０９から成る。絶縁ウェブ１０８、１０９はＤＳＳＣ１００内に個別電池を形成するために使用される。
【００１７】
絶縁ウェブ１０８と絶縁ウェブ１０９の間に形成された個別電池１１０は、この絶縁ウェブ１０９とこれに続く絶縁ウェブ１０８の間に形成された隣接する個別電池１１０とは異なっている。これは、ＴｉＯ2層１０３および電解質層１０５がそれぞれの隣接する個別電池１１０内で入れ替っているからである。したがって、隣接する個別電池１１０の電気極性は逆になる。このように異なる層を交互に分断することによって、導電層１０２および１０６から導体層１１１が形成される。各導体層１１１によって、１つの個別電池１１０の正（負）極が隣接する個別電池１１０の負（正）極に接続する。その結果得られた構造によって、多層構造を組み込む必要なしに全ＤＳＳＣ出力電圧を増加させる方法を提供される。
【００１８】
非特許文献１は、色素増感太陽電池内での使用のために２８ＧＨｚのマイクロ波照射を利用して、ＴｉＯ2ナノ結晶を透明導電性酸化物ガラス電極上で高速に合成することを開示している。
【００１９】
入射する光子を電流変換効率に対して向上させ、ＤＳＳＣ性能の安定性／再生性を制御するためには、金属酸化物層の物理的性質、したがって増感剤（色素）分子の吸着を正確に制御することが重要である。しかし、スクリーン印刷を利用する金属酸化物層作製では、しばしば±５％の膜厚のばらつきがあり、これは残留して詰まったまたは汚れたスクリーンセル、基板表面から分離する際のスクリーンへの付着、粘性ペーストから気体を完全に抜くことができないことによる、閉じ込められた気泡の乾燥時の膨張、が原因である。ドクターブレード等の他の方法でも、良好に規定された厚さの金属酸化物層を、かなりの空間的ずれが無いように設けることはできない。したがって、その結果生じる多孔率および膜品質の偏りは、そのような金属酸化物層全体で起きやすく、ＤＳＳＣの効率およびＥＣＤの画像品質の劣化につながる。
【００２０】
ＥＣＤの場合、スクリーン印刷の需要は、高品質画像のための、より微細な金属酸化物層外形作成への要求、すなわちピクセル表示のためのドットパーインチ（ｄｐｉ）増大の要求によりさらに激増する。ｄｐｉが増加すると、スクリーンメッシュのサイズがメッシュの区画幅に近づくにつれて、最小加工寸法が制限されることになる。
【００２１】
【特許文献１】米国特許４，９２７，７２１号、表題「Ｐｈｏｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌｓ（光電化学電池）」ミカエル・グレーツエルら
【００２２】
【特許文献２】米国特許５，８３０，５９７号、表題「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ａ  Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ（光化学電池の製造の方法と装置）」Ｈ．ホフマン
【００２３】
【非特許文献１】内田聡ら著「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＴｉＯ2  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｆｏｒ  Ｄｙｅ−Ｓｅｎｓｉｔｉｓｅｄ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ  ｂｙ  ２８ＧＨｚ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ（色素増感太陽電池のための２８ＧＨｚのマイクロ波照射によるＴｉＯ2ナノ結晶電極の作成）」Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ  ８１、２００４年、ｐ．１３５−１３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
その結果、前述の作製技術を使用する、機能的感作性の厚い多孔性金属酸化物層に基づくエレクトロクロミックデバイスの作製は、ＤＳＳＣおよびＥＣＤに関しては、デバイスの再生性および適合性の観点から、大きなサイズのデバイス生産には不適切である。
【００２５】
本発明の目的は、従来技術の電気化学セル（ＤＳＳＣおよびＥＣＤ）の製造における上述の問題点に対処し、これらの製作効率を向上し、さらにそのコストを削減することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の一態様の電気化学セルの金属酸化物の製造方法は、第１導電層の上に第１の金属酸化物層と第２の金属酸化物層とを分離する分離手段を設ける第１の工程と、前記分離手段の第１の開口部であって、前記第１導電層の上に前記第１の金属酸化物層を形成する第２の工程と、前記第１の金属酸化物層を加熱する第３の工程と、前記分離手段の第２の開口部であって、前記第１導電層の上に前記第２の金属酸化物層を形成する第４の工程と、を含むことを特徴とする。
上記の本発明に係る電気化学セルの金属酸化物の製造方法は、第１導電層の上に第１の金属酸化物層と第２の金属酸化物層とを分離する分離手段を設ける第１の工程と、前記分離手段の第１の開口部であって、前記第１導電層の上に前記第１の金属酸化物層を形成する第２の工程と、前記第１の金属酸化物層を加熱する第３の工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の一態様の電気化学セルの製造方法は、上記の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法により前記第１の金属酸化物層を形成する工程と、色素を前記第１の金属酸化物層の上に形成する工程と、第２導電層を形成する工程と、前記色素と前記第２導電層の間に電解質を設ける工程と、を含むことを特徴とする。
上記の本発明に係る電気化学セルの製造方法は、上記の電気化学セルの金属酸化物層の製造方法により前記第１の金属酸化物層を形成する工程と、色素を前記第１の金属酸化物層の上に形成する工程と、第２導電層を形成する工程と、前記色素と前記第２導電層の間に電解質を設ける工程と、を含むことを特徴とする。
上記の本発明に係る電気化学セルの金属酸化物の製造方法は、第１導電体の上に分離手段を設ける第１の工程と、前記分離手段の第１の開口部であって、前記第１導電体の上に第１の金属酸化物を形成する第２の工程と、前記第１の金属酸化物を加熱する第３の工程と、を含むことを特徴とする。
また、上記の本発明に係る電気化学セルの製造方法は、上記の電気化学セルの金属酸化物の製造方法により前記金属酸化物を形成する工程と、色素を前記金属酸化物の上に形成する工程と、第２導電体を形成する工程と、前記色素と前記第２導電体の間に電解質を設ける工程と、を含むことを特徴とする。
本発明の第１実施形態では、電気化学セルの金属酸化物層の形成方法を提供する。該方法は、お互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを形成する工程と、複数の隣接する金属酸化物セルの局所過熱を行う工程、とから成る。
【００２７】
一実施形態では、局所加熱を行うためにマイクロ波照射を利用する。別の実施形態では、２８ＧＨｚのマイクロ波照射を適用する。別の実施形態では、局所加熱を行うためにレーザー光線の照射を利用する。別の実施形態では、レーザー光線はほぼ３６０ｎｍの波長光を含む。
【００２８】
本発明の第１実施形態では、電気化学セルの形成方法を提供する。該方法は、第１導電層を形成する工程と、先行請求項のいずれかに記載の金属酸化物層を第１導電層上に作製する工程と、機能性色素層を金属酸化物層上に作成する工程と、第２導電層を形成する工程と、機能性色素層と第２導電層の間に電解質を設ける工程と、から成り、第１および第２導電層の少なくとも１つが透明である。
【００２９】
一実施形態では、該方法はさらに、複数の隣接する金属酸化物セルのそれぞれを囲む第１透明導電層の第１表面上に隔離する手段を形成する工程を含む。別の実施形態では、局所加熱の前に、金属酸化物層を第１導電層上にインクジェットプリントする。別の実施形態では、局所加熱の前に１つの工程で、金属酸化物層を第１導電性酸化物層上にインクジェットプリントする。
【００３０】
別の実施形態では、該方法はさらに、電極触媒層を電解質と第２導電層の間に設ける工程を含む。別の実施形態では、該方法はさらに、少なくとも１つの透明導電層に対して機能性色素層の反対側に反射層を設ける工程を含む。別の実施形態では、該方法はさらに、第１導電層を第１絶縁基板上に形成する工程を含み、第１絶縁基板と金属酸化物層が第１導電層の反対側にある。別の実施形態では、該方法はさらに、第２導電層を第２絶縁基板上に形成する工程を含み、第２絶縁基板と電解質が第２導電層の反対側にある。
【発明の効果】
【００３１】
インクジェットプリントを使用する本発明の電気化学セルの作製方法は、フォーマットのスケーリング（アップスケーリングまたはダウンスケーリング）に機器ハードウェアへの再投資が必要ないため、スクリーン印刷作製全体に有利である。これは、インクジェット作製がソフトウェアで制御され、新しいスクリーンに費用をかけることなく、このソフトウェアを再構成することができるからである。加えて、パターンスクリーンはおよそ１００回の使用しか持たないが、インクジェットヘッドは、パターンスクリーンに比べて非常に耐久性に優れている。
【００３２】
さらに、インクジェット作製によって可能になった液滴のオンデマンド配置は、スクリーン印刷に比べて無駄が少ない。各堆積層を乾燥しその上からプリントして厚い堆積を作成する、従来のインクジェット重ね書きと異なり、インクジェット塗りつぶし技術では、閉じ込められた領域に多量の液を投入し必要な堆積厚さを与えるので、破砕の無い金属酸化物層を作成することが知られている。さらに、バンク構造を利用して、塗りつぶしを可能にするために使用される表面の閉じ込めにより、長い範囲に均一に材料が確実に分散し、したがって均一で繰り返し可能な性能が確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
ここで、本発明の実施形態を、さらなる具体的な例示のみの目的で、添付の図面を参照して記載する。
【００３４】
本発明は、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）またはエレクトロクロミックディスプレイ（ＥＣＤ）等の電気化学セルに関する。本発明の１つの電気化学セル４００は、図３を参照すると、第１透明絶縁基板層４０１、第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層４０２、金属酸化物層４０３、増感剤（色素）／エレクトロクロミック材料層４０４、電解質層４０５、第２ＴＣＯ電極層４０６、第２透明絶縁基板層４０７から成る。
【００３５】
第１および第２透明絶縁基板層４０１、４０７は好ましくはガラスまたはプラスチックである。金属酸化物層４０３は好ましくは二酸化チタン（ＴｉＯ2）で、半導体である。
【００３６】
金属酸化物層４０３は、その表面への増感剤（色素）／エレクトロクロミック材料層４０４の密着を促進するような材料であること好ましい。加えて、金属酸化物層４０３の粒子は適度に光伝送性でなければならない。５００ｎｍより大きな粒子は不透明であると予想されるので、一般に本発明の使用には適当でないと思われる。そのような大きな粒子は、インクジェットのノズル閉塞の原因になることが多い。
【００３７】
本発明の第１実施形態では、バンク構造４１０を第１ＴＣＯ層４０２上に形成し、その後に金属酸化物層４０３を堆積し、金属酸化物層４０３が隔離したセルで形成されるようにする。一実施形態では、バンク構造４１０は、ポリマーまたはポリイミドから形成しても良い。
【００３８】
好ましくは、バンク構造は、ある部分では水性および／または疎油性、一方ＴＣＯ層４０２は、水性および／または親油性であり、金属酸化物層４０３の形成に使用する金属酸化物インクの性質に依存する。
【００３９】
バンク構造４１０は、所望の形を有して個別の画素セルのマトリクスを第１ＴＣＯ層４０２上に形成することが可能である。該バンク構造の中では、隔離した金属酸化物セルを形成し、金属酸化物がバンク構造４１０を乗越えて短絡を引き起こすことが無いようにする。
【００４０】
電気化学セルがＥＣＤの場合、画像形成を制御するために、全ての金属酸化物セル（画素）をお互いに電気的に隔離することが重要である。一方、電気化学セルがＤＳＳＣの場合、金属酸化物セルの電気的隔離は重要ではなく、アクティブなデバイス領域全体で、均一な金属酸化物の分散を維持することが好ましい。
【００４１】
ＥＣＤ電気化学セルは複数のマイクロ電気化学セルから成ると考えることが可能で、異なるマイクロ電気化学セルが異なる着色をした電子系発色団層４０４を有してもよい。各マイクロ電気化学セルは、共にＥＣＤを形成する他のマイクロ電気化学セルとはバンク構造４１０により離間している。各マイクロ電気化学セルは、好ましくは直径が２０μｍから５００μｍである。
【００４２】
本発明のさらなる実施形態では、電解質層４０５と第２ＴＣＯ層４０６の間に電極触媒層を形成することができる。電極触媒層は、好ましくは２ｎｍ超の厚さで、電解質再生を強化するために選択される。ＤＳＳＣの場合、効果的な電極触媒金属は、白金族金属、すなわち白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウムまたはオスミウムから選択することができる。電極触媒層の利用は、本発明の電気化学セルの全体性能を向上させる。
【００４３】
本発明はまた、本発明の電気化学セル４００の作製方法に関する。図４は、本発明の電気化学セル４００を作製するためのプロセスフロー図である。
【００４４】
ＴＣＯ層４０２を第１透明絶縁基板層４０１上に形成する（図４ａ）。好ましくは、ＴＣＯ層４０２は８−１０Ω．ｓｑのシート抵抗を有し、インジウムスズ酸化物またはフッ素をドープした酸化スズから作成する。
【００４５】
次に、バンク構造４１０をＴＣＯ層４０２上に作製する（図４ｂ）。本発明の第１実施形態では、バンク構造４１０は正方形画素セルのマトリクスを形成する。バンク構造４１０をＴＣＯ層４０２上に形成するために、光反応性アクリルポリマー原料をＴＣＯ層４０２上に被覆し、乾燥する。画素セルのマトリクス形状のマスクをＴＣＯ層４０２に置く。マスクを通して紫外線（ＵＶ）光を照射し、露出した領域のアクリルポリマーを架橋させる。露出していない領域を化学現像により除去し、バンク構造４１０を１３０℃で熱硬化させる。
【００４６】
バンク構造４１０を有するＴＣＯ層４０２は、その後、酸素または酸素に加えて四フッ化炭素プラズマで処理し、露出した領域に残留したポリイミドを除去する。四フッ化炭素（ＣＦ４）プラズマ処理を施し、ポリイミドのバンク構造４１０を疎水性にする一方で、ＴＣＯ層４０２の親水性表面を保持する。
【００４７】
次に、バンク構造４１０が形成されたＴＣＯ層４０２の上に、金属酸化物層４０３をインクジェットプリントする。金属酸化物インクを、それぞれの隔離した画素セルに噴射し、金属酸化物層４０３を形成する（図４ｃ）。好ましくは、濃度が１０％（ｖ／ｖ）以下の体積分率で、直径が５００ｎｍ未満の粒子を含有する、水性のコロイド状二酸化チタン（ＴｉＯ2）のインクを使用する。溶液とインクジェットヘッドとの適合を確実にするために、他の添加物を金属酸化物インクに含有させることが可能である。
【００４８】
次に、金属酸化物層４０３の各画素セルを局所加熱して、金属酸化物を乾燥し焼結するが、局所加熱の間、基板は加熱しない。金属酸化物が吸収できる波長でのレーザー照射またはマイクロ波照射を使用して局所加熱を行うことが可能である。
【００４９】
マイクロ波照射を利用して局所加熱を行う場合、２８ＧＨｚのマイクロ波を５分間１．０ｋＷの出力で照射することが好ましい。レーザー照射を利用して局所加熱を行う場合、３６４ｎｍの波長（アルゴンレーザー）で１Ｗの出力で照射することが好ましい。照射時間は、レーザービーム半径５００μｍで１分未満が好ましい。金属酸化物層は、基板の反対側からレーザーまたはマイクロ波で照射される。
【００５０】
従来の乾燥および焼結の工程と比較すると、局所加熱の利用により、プロセス時間が減少し、閉鎖型の炉の必要性がない。加えて、局所加熱の利用により、生産ラインの長さが１／３程度減少し、結果的に連続生産プロセスを可能にする。
【００５１】
金属酸化物層４０３を局所加熱する間、基板を加熱しないので、プラスチック基板を使用することが可能で、電気化学セルの柔軟性を強化できる。
【００５２】
金属酸化物層４０３の厚さは、水性のコロイド状ＴｉＯ2のインクの濃度および堆積する量によって制御する。その結果得られた、金属酸化物層４０３の最高点での厚さのばらつきは、５０ｃｍ2の基板領域に亘る画素セル間で１．５％未満である。
【００５３】
ＴＣＯ層４０２、バンク構造４１０、金属酸化物層４０３から成る基板層４０１は、次に、ある期間増感剤（色素）４０４中に浸漬する。それによって、増感剤（色素）４０４は、金属酸化物層４０３の表面に吸着される（図４ｄ）。ＤＳＳＣを例にとると、乾燥エタノールにＮ７１９（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社から入手できる）を溶かした溶液０．３ｍＭ中に、基板を２４時間浸漬した。増感剤（色素）４０４を固定化した後、基板をエタノールですすぎ、窒素を使用してブロー乾燥する。
【００５４】
第１ＴＣＯ層４０２上には、多孔性金属酸化物層４０３および増感剤（色素）層４０４が形成され、第２ＴＣＯ層４０６と共に組み立てられる。両電極層４０２および４０６を一緒に、周囲スペーサと共に挟み、電極と電極のギャップを作り、その後電解質層４０５で充填する。電解質層４０５が一旦導入されると、残留した開口部を封止することによってＤＳＳＣが完成する。
【００５５】
本発明の電気化学セルに電極触媒層が必要な場合は、電極層４０２、４０６を一緒に挟み込む前に、電極触媒層を第２ＴＣＯ層４０６上に形成する。
【００５６】
インクジェットヘッドは、ＴＣＯ層４０２上の正確な位置に、±１．５％未満の量のばらつきで、水性のコロイド状金属酸化物のインクの液滴を良好に画成して付与することができる。さらに、この１．５％以下の量的な精度は、市販のプリンターヘッドの精度に相当する。この数字を１％以下に減らすことが可能な、幾つかの工業用ヘッドおよび補助的な技術を利用可能である。
【００５７】
インクジェット堆積により、必要に応じてバンク構造４１０の各画素セル内で、ＴＣＯ層４０２上に金属酸化物を正確に配置することが可能になる。したがって、金属酸化物層４０３の厚さは正確に制御することが可能で、均一な多孔性金属酸化物層４０３が得られる。
【００５８】
少なくともバンク構造４１０の一部が水性および／または疎油性で、少なくともＴＣＯ層４０２の一部が水性および／または親油性の場合、バンク構造４１０は、堆積金属酸化物インクをはじき、したがって、目的表面上の堆積金属酸化物インクの液滴の最終的な位置を修正し、±１５μｍで固有の、インクジェットノズルの軸からの液滴の横方向の散布広がりを補償する。この反発性は、特にＥＣＤの場合有益で、金属酸化物４０３がバンク構造４１０を乗越えることが原因の画素の短絡を防ぐ。バンク構造４１０はまた、バンクの無いフリープリントで必要な３０μｍまでは可能な離間よりも、より狭いギャップをＥＣＤ画素間に形成することを可能にし、ＥＣＤ内でアクティブな領域の割合をより高くすること、画像品質の向上させることを可能にする。
【００５９】
金属酸化物層４０３が効果的に機能するためには数ミクロンの厚さが必要である。旧来のインクジェットプリントでは、堆積の厚さを、重ね書きの技術を用いて所望の断面形状に作り上げる。それにおいては、各堆積層を乾燥し焼結してから所望の厚さになるまでインク等の別の層で重ね書きする。
【００６０】
しかし、本発明の方法は塗りつぶしの技術を用いて、多量の金属酸化物インクをバンク構造４１０の各画素セルにワンパスで導入する。バンク構造４１０は、金属酸化物インクが隣接の画素セルに広がるのを防止する。このプロセスを利用すると、１つの乾燥および焼結段階のみで、金属酸化物層４０３の所望の厚さを作成できる。
【００６１】
塗りつぶしの技術を利用して各画素セルを金属酸化物インクで満たす場合、正方形画素セルのマトリクスを有するバンク構造４１０は擬似ピラミッド形状の乾燥金属酸化物トポグラフィーを形成する。バンク構造４１０は、堆積した金属酸化物インクをＴＣＯ層４０２上の画素セル内の局部領域に閉じ込める役割を果たす。この閉じ込めがないと、金属酸化物インクは、堆積された後、ＴＣＯ層４０２全体に自由に分散して、連続した金属酸化物層４０３を形成してしまう。
【００６２】
本発明のバンク構造４１０は、連続した金属酸化物層４０３と比べて、破砕することなく曲げ応力を吸収する金属酸化物層４０３の能力を増大させる。これによって、プラスチックの第１絶縁基板４０１のようなフレキシブル基板４０１が利用可能になる。
【００６３】
本発明の第１実施形態では、バンク構造４１０は、正方形画素セルのマトリクスから成る。しかし、画素セルは正方形上に限られるものではない。本発明の電気化学セル４００がＥＣＤの場合は、正方形画素が好ましく、アクティブマトリクスバックプレーンの作製技術に適合する。しかし、本発明の電気化学セル４００がＤＳＳＣの場合は、三角形、長方形、円または六角形等、幾つかの異なる画素セル形状が使用可能である。
【００６４】
金属酸化物層を３００℃で焼結することによって作製するＤＳＳＣは、エネルギー変換効率（η）５．０％、開路電圧（ＶOC）０．４８Ｖ、短絡回路電流（ＩSC）１５ｍＡ／ｃｍ2、充てん比（ＦＦ）５６％を有する。
【００６５】
マイクロ波照射を利用して作製するＤＳＳＣは、η＝４．８％、ＶOC＝０．４６Ｖ、ＩSC＝１３ｍＡ／ｃｍ2、ＦＦ＝５２％であっと。さらに、レーザー照射を利用して作製するＤＳＳＣは、η＝４．６％、ＶOC＝０．４７Ｖ、ＩSC＝１３ｍＡ／ｃｍ2、ＦＦ＝５４％であった。したがって、本発明の金属酸化物層の作製に局所加熱を利用しても、ＤＳＳＣの特性が大幅に変わるものではないことが分かる。
【００６６】
より幅の広いバンク構造４１０にすると、アクティブな領域が減少する結果、ＥＣＤは画像品質の低下により、ＤＳＳＣは効率の低下により、双方の動作に悪影響がある。したがって、バンク構造４１０は、好ましくは０．２μｍから２０μｍの幅を有する。０．２μｍは、フォトリソグラフィによりバンク構造４１０をコスト効率的に作製する解像限界である。２０μｍは、一般のディスプレイ解像度の最下位である７２ｄｐｉと比較すると、画像および性能の深刻な劣化が障害になる前の、効果的なバンク構造４１０の最大幅であると考えられる。インクジェット技術を利用すると、親水性画素セルの１ｍｍ2未満というサイズは用意に達成できるが、長さは数百ミクロン未満が好ましい。
【００６７】
ＤＳＳＣの場合、光の吸収は多孔性金属酸化物層４０３の厚さに比例する。薄すぎる場合、入射光のごく一部が妨げられずに金属酸化物層４０３を通り抜け、電圧効率の損失を招く。厚すぎる場合、全ての有用な光が一旦完全に吸収されると、残った金属酸化物層４０３の厚さは不要なものとなる。したがって好ましくは、堆積する金属酸化物層４０３の厚さは、０．５μｍから２０μｍの間である。
【００６８】
さらに、スクリーン印刷した上にインクジェットプリントすることによって製作した金属酸化物層４０３の厚さは均一なため、インクジェットプリントを利用すると、最適な金属酸化物層４０３の厚さをさらに薄くできる。
【００６９】
その上、スクリーン印刷の場合、インク粘度は、インクジェットプリントで好ましい粘度より非常に高くなければならない。したがって、粘度を高めるために追加する材料は、焼結プロセス時には取り除く必要がある。それ故、堆積時、焼結前の金属酸化物層４０３の厚さは、インクジェットプリントのものよりスクリーン印刷のもののほうが厚い必要がある。
【００７０】
バンク構造４１０を利用して、隔離した画素セルのマトリクスをＴＣＯ層４０２上に形成し、その後に金属酸化物インクを塗布したが、本発明は、バンク構造利用に限られない。隔離した画素セルをＴＣＯ層４０２上に形成する任意の方法が利用可能で、例えば、ＴＣＯ層４０２内に桶形状のものを作成する、または表面エネルギーパターンをＴＣＯ層上に形成するなどの方法がある。これらの方法および別法では、熱硬化の工程を使用しなくても良く、そのため基板として使用できる材料の数が増える。
【００７１】
加えて、増感剤（色素）４は、所定の時間、金属酸化物層４０３を増感剤（色素）４０４に浸漬することによって、金属酸化物層４０３上に形成するが、増感剤（色素）４０４は、異なる技術を利用して金属酸化物層上に形成しても良い。例えば、増感剤（色素）４０４は、金属酸化物層４０３形成後、金属酸化物層４０３上にインクジェットプリントしても良い。
【００７２】
さらに、本発明の電気化学セルが機能するためには、第１透明導電性酸化物層４０２を酸化物材料で形成することは重要ではない。加えて、本発明の電気化学セルが機能するためには、第２透明導電性酸化物層４０６を、透明であることまたは酸化物材料で形成することは重要ではない。実際、第２基板（または、完成デバイスのどちらの基板も）を設けることは重要ではない。
【００７３】
任意の適切な材料をバンク構造に使用できる。しかし、堆積には、ポリマーのパターンが好ましく、アクリルポリマーまたはポリイミドのパターンがより好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、電気化学セル（ＤＳＳＣおよびＥＣＤ）の製造における問題点に対処し、これらの製作効率を向上し、さらにそのコストを削減する為に用いられる。また前述の記載は例示のみのためになされ、本発明の範囲を逸脱することなく変更が可能であることは当業者には理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】従来技術の典型的な色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）を説明する図である。
【図２】さらなる従来技術のＤＳＳＣを説明する図である。
【図３】本発明の電気化学セルを説明する図である。
【図４】本発明の電気化学セルを作製するためのプロセスフロー図である。
【符号の説明】
【００７６】
４０１・・・第１透明絶縁基板層
４０２・・・第１透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層
４０３・・・金属酸化物層
４０４・・・増感剤（色素）
４０５・・・電解質層
４０６・・・第２透明導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層
４１７・・・        第２透明絶縁基板層
４１０・・・バンク構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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