(57)【要約】【課題】電気化学セルのぶれ（にじみ）およびグレースケール（コントラスト）に関する画像品質を向上させ、その製作の効率を向上させコストを低下させる。【解決手段】電気化学セルは、第１の導電層；第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層；金属酸化物層の上に設けられた機能色素層；第２の導電層；および機能色素層と第２の導電層との間に設けられた電解質：を含み、第１および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であり；および機能色素層が有機溶媒インクから形成されることを特徴とする。別の実施形態において電気化学セルは、第１の導電層；第１の導電層の上に設けられた金属酸化物層；金属酸化物層の上に設けられた機能色素層；第２の導電層；および機能色素層と第２の導電層との間に設けられた電解質：を含み、第１および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であり；および機能色素層が、第１の溶媒および第２の溶媒を含む二成分溶媒インクから形成されることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電層と、
前記第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層と、
前記金属酸化物層の上に設けられた機能色素層と、
第２の導電層と、
前記機能色素層と第２の導電層との間に設けられた電解質と、を含み、
前記第１の導電層および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であり、
前記機能色素層が有機溶媒を含むインクからから形成された
ことを特徴とする電気化学セル。
【請求項２】
第１の導電層と、第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層と、金属酸化物層の上に設けられた機能色素層と、第２の導電層と、前記機能色素層と前記第２の導電層との間に設けられた電解質と、を含む電気化学セルの製造方法であって、
前記機能色素層を、有機溶媒を含む第１のインクを用いて形成すること、
を特徴とする電気化学セルの製造方法。
【請求項３】
第１の導電層と、第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層と、金属酸化物層の上に設けられた機能色素層と、第２の導電層と、前記機能色素層と前記第２の導電層との間に設けられた電解質と、を含む電気化学セルの製造方法であって、
前記機能色素層を、第１の溶媒と第２の溶媒とを含む第１のインクを用いて形成すること、
を特徴とする電気化学セルの製造方法。
【請求項４】
第１の溶および第２の溶媒が異なる沸点を有することを特徴とする請求項３に記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項５】
前記第１の溶媒が前記第２の溶媒の沸点よりも高い沸点を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項６】
前記第１の溶媒が略１５０℃よりも高い沸点を有することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項７】
前記第１の溶媒は、前記第１のインクに体積で５％含まれ、
前記第２の溶媒は、前記第１のインクに体積で９５％含まれることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項８】
前記第１の溶媒は、前記第１のインクに体積で４０％未満含まれることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項９】
前記第１の溶媒が１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンであり、
前記第２の溶媒が３−メチル−２−オキサゾリジノンであることを特徴とする請求項３から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】
前記機能色素層を、前記第１のインクに加えて、前記第１のインクに含まれる第１の色素とは異なる色を呈する第２の色素を含む第２のインクを用いて形成する、請求項３から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】
前記第１の色素及び前記第２の色素のうち少なくとも一つが電気化学セルの発電に寄与することを特徴とする請求項１０に記載の電気化学セルの製造方法。
【請求項１２】
機能色素層の色の深度は、前記第１のインクの滴の大きさを調製することにより設定されることを特徴とする請求項２から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】
前記機能色素層の色の深度は、前記第１のインクの液滴の数を調製することによって設定されることを特徴とする請求項２から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】
前記機能色素層の色の深度は、前記第１のインクに含まれる色素の濃度を調整することにより設定されることを特徴とする請求項２から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作方法に関する。さらに好ましくは、本発明は色の電気化学セル構造の生成に使用されるインクに関する。
【背景技術】
【０００２】
国際エネルギー機関の「世界のエネルギー展望」は、世界の一次エネルギーの需要は２０００年から２０３０年までに毎年１．７％増加するであろうと予測している。同展望はまたこの需要の９０％が化石燃料によって満たされるであろうと予測している。その結果、２０００年から２０３０年までに二酸化炭素が毎年１．８％増加し、２０３０年には３８０億ドルに達するであろう。この高まる汚染傾向への対抗策として、太陽電池を初めとするよりクリーンで再生可能なエネルギー源が長い間歓迎されてきた。一方現在は、高度なシリコン系太陽電池が広く商業的に利用可能であるが、その取り込みは高い生産コスト、堅牢性の欠如および関連する大表面の露出要件に起因する外観上の汚染を理由に、遅いものであった。
【０００３】
色素増感型太陽電池（ＤＳＳＣ）は、結晶性太陽電池の代替法であり、結晶性太陽電池よりも生産コストが安い。しかしながら、ＤＳＳＣは結晶性太陽電池よりも効率が低い。したがってＤＳＳＣは、有効な発電ジェネータとなるためには大幅な対象面積を必要とする。以下、従来のＤＳＳＣ構造について説明する。
【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の透明な絶縁層１；第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２；透明な二酸化チタン（Ｔｉ０2）の金属酸化物層３；増感剤（色素）４の分子単層；電解質層５；第２の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層６；および第２の透明な絶縁層７を含む。  
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，９２７，７２１号、「光電気化学セル」、Ｍ  Ｇｒａｔｚｅｌら。
【０００６】
ＤＳＳＣは可視光を直接吸収することによって電荷を生成する。大部分の金属酸化物は光を主として電磁スペクトルの紫外光領域で吸収するため、増感剤（色素）４が金属酸化物層３の表面に吸収され、太陽電池の光吸収領域を可視光領域まで拡大する。
【０００７】
金属酸化物層３および増感剤（色素）層４が吸収できる光の量を増加させるため、金属酸化物層３の少なくとも一部が多孔性とされ、金属酸化物層３の表面積を増加させる。この増加した表面積は増加した量の増感剤（色素）４を担持することができ、その結果光吸収が増加し、およびＤＳＳＣのエネルギー変換効率が１０％を超えるよう改善する。
【０００８】
エレクトロクロミック表示素子（ＥＣＤ）は比較的新しい電気化学的、双安定性表示素子である。その用途はＤＳＳＣとは異なるものの、これらデバイスは図１に示す多くの物理的特性を共有し、増感剤（色素）層４をエレクトロクロミック材料層で交換し、該エレクトロクロミック材料層は電流または電圧がデバイス全体に印加されると可逆的な色の変化を受け、酸化した状態では透明でありおよび還元された状態では着色されている。
【０００９】
十分な負の電位が第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２に印加される場合、第２の透明な導電性電極酸化物（ＴＣＯ）層６が接地電位に保たれる一方、電子は金属酸化物半導体層３の導電性結合へと注入され、および吸着された分子を還元する（着色工程）。正の電位が第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２に印加される場合は逆の工程が発生し、および分子は漂白される（透明になる）。
【００１０】
平面基板の上の単一のエレクトロクロミック分子単層は、漂白された状態と漂白されていない状態との間に強い色のコントラストを提供するほどには、十分な光を吸収しないであろう。したがって、多孔性が高く表面積が大きいナノ結晶性の金属酸化物層３を使用して、電子発色団の上に結合するより大きな有効表面積を提供することによって、漂白されていない状態での光吸収を促進する。光が厚い金属酸化物層３を通過する際、増感剤（色素）４によって着色された何百という分子の単層を通過し、強力な吸収を行う。
【００１１】
両方の電気化学的デバイス構造は類似しているため、出願人らは例としてＤＳＳＣの製造方法のみを記載する。同様に、この工程はほとんど修正することなくＥＣＤ製造に適用することができるであろう。
【００１２】
図１に示すＤＳＳＣ１０を製造するために、スクリーン印刷、ドクターブレーディング、スパッタリングまたは高粘性ペーストのスプレーコーティングなどいくつかの技法のうち任意の一つを使用して、数ミクロンの厚さの金属酸化物層３を、第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２の上に蒸着する。典型的なペーストは水または有機溶媒系の金属酸化物のナノ粒子懸濁液（直径５〜５００ｎｍ）、典型的には二酸化チタン（Ｔｉ０2）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）など粘性修飾結合剤、およびトリトン−Ｘなど界面活性剤から成る。蒸着の後、ペーストを乾燥させて溶媒を除去し、および次に４５０℃までの温度で焼結させる。この高温工程は金属酸化物の粒径および密度を変更し、およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）など有機結合剤構成物の除去を確実に行って、全体にわたって良好な導電性経路および明確に定義された材料の多孔性を提供する。また焼結も、金属酸化物粒子３と第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２との間の良好な電気的接触を提供する。
【００１３】
乾燥および冷却の後、多孔性の金属酸化物層３を低濃度の（＜１ｍＭ）増感剤（色素）溶液に長時間、典型的には２４時間、浸漬することによって、増感剤（色素）４で被覆し、多くの場合、カルボン酸誘導体を含む機能的リガンド構造を介して、増感剤（色素）４の金属酸化物層３への吸収を可能にする。この工程で使用され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。その理由は、水性溶液は増感剤（色素）４の金属酸化物層３の表面への吸収を阻害するからである。
【００１４】
第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層２の上に、多孔性の金属酸化物層３および増感剤（色素）層４を形成した後、次に第２の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層６を組み付ける。両電極層２、６を周辺スペーサ誘電性カプセル材料とともにサンドイッチして少なくとも１０μｍの電極間ギャップを作成し、その後電解質層５で充填する。スペーサ材料は最も一般的には封止シールを提供する熱可塑性プラスチックである。最も一般的には有機溶媒中のヨウ化物／三ヨウ化物塩である電解質層５がひとたび導入されると、ＤＳＳＣは、水の進入およびしたがってデバイスの劣化を防止するために、熱可塑性ガスケット、エポキシ樹脂またはＵＶ硬化樹脂のいずれかで残存する開口部をすべて封止ことによって完成する。
【００１５】
ＤＳＳＣを製作するために使用されたすべてでないとしても大部分の材料は、空気中でおよび大気圧条件下で取り扱うことができ、結晶性太陽電池の製作に関連する高価な真空工程の必要性を除去することができる。その結果、ＤＳＳＣは結晶性太陽電池よりも低いコストで製造することができる。
【００１６】
ＥＣＤの製作工程はいくつかの例外があるがＤＳＳＣの製作工程に非常に類似している。多孔性の金属酸化物層３は多くの場合スクリーン印刷によってパターン化され、所望の電極画像を提供することによって、デバイスは選択された領域を着色または漂白することによって情報を伝えることができる。さらに、増感剤（色素）層４は吸収された電子発色団材料層に置換される。さらに、浸透性の拡散性反射体層、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の電極層２、６の間に配置し、見た目の画像コントラストを増大させることができる。
【００１７】
特許文献２も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製の第１の基板１０１；第１の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）層１０２；二酸化チタン（ＴｉＯ2）層１０３、色素層１０４；電解質層１０５；第２の透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）層１０６；ガラスまたはプラスチック製の第２の基板１０７；および絶縁ウェブ１０８、１０９を含む。絶縁ウェブ１０８、１０９を使用して、ＤＳＳＣ１００中に各セル１１０を形成する。
【００１８】
【特許文献２】米国特許第５，８３０，５９７号、「光化学セルの生成方法および装置」、Ｈ  Ｈｏｆｆｍａｎｎ
【００１９】
絶縁ウェブ１０８と絶縁ウェブ１０９との間に形成された個別のセル１１０は、絶縁ウェブ１０９と絶縁ウェブ１０８との間に形成された隣接する個別のセル１１０とは異なる。その理由は、Ｔｉ０2層１０３および電解質層１０５はそれぞれの隣接する個別のセル１１０において交換可能であるからである。このように、隣接する個別のセル１１０の電気的極性は反対である。異なる層のこの交互の分割の結果、電気的に導電性の層１０２および１０６から導電性の層を形成し、各導電性の層１１１は、ある個別のセル１１０の正の（負の）極を隣接する個別のセル１１０の負の（正の）極に接続する。結果生じる構造は、多層構造を組み入れる必要なしに、ＤＳＳＣ全体の出力電圧を増加させる方法を提供する。
【００２０】
特許文献３は多色型ＤＳＳＣ２００を開示する。図３に示すように、多色型ＤＳＳＣ２００は、第１の透明な電極層２０１；透明なＴｉ０２の半導体層２０２、透明な半導体層２０２の表面に吸収された４色の感作色素吸収部２０３、２０４、２０５、２０６；キャリア輸送層２０７；第２の透明な電極層２０８；および第１および第２の電極層２０１、２０８に取り付けられた補助電極２０９を含む。
【００２１】
【特許文献３】米国特許第６，３１０，２８２Ｂ１号、「光起電力変換素子および色素−増感光起電力電池」、Ｓａｋｕｒａｉら。
【００２２】
多色型ＤＳＳＣ２００は、透明な半導体層２０２を赤色の増感色素吸収部２０３とのみ合致する開口部を有するマスクで覆い、透明な半導体層２０２を赤色の増感色素に所定時間浸し、赤色の増感色素から透明な半導体層２０２を除去し、およびマスクを除去する。次に、透明な半導体層２０２を緑色の増感色素吸収部２０４とのみ合致する開口部を有するマスクで覆い、透明な半導体層２０２を緑色の増感色素に所定時間浸し、緑色の増感色素から透明な半導体層２０２を除去し、およびマスクを除去する。次に、透明な半導体層２０２を青色の増感色素吸収部２０５とのみ合致する開口部を有するマスクで覆い、透明な半導体層２０２を青色の増感色素に所定時間浸し、青色の増感色素から透明な半導体層２０２を除去し、およびマスクを除去する。最後に、透明な半導体層２０２を黒色の増感色素に所定時間浸し、および黒色の増感色素から透明な半導体層２０２を除去する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、従来の多色型ＤＳＳＣ２００にあっては、別々の色素吸収部２０３、２０４、２０５、２０６および透明な半導体層２０２を介した色のにじみに関して画像品質が低いこと、およびグレースケール（コントラスト）制御にかけるという問題点を有していた。
【００２４】
入射光子の電流への変換効率を向上させるために、およびＤＳＳＣの性能の安定性／再現性を制御するために、金属酸化物層の物理的特性、およびしたがって増感剤（色素）分子の吸収を精密に制御することが重要である。しかしながら、スクリーン印刷を使用する金属酸化物層の製作の結果、残存する閉塞したまたは汚れたスクリーンセル、基板表面からの分離中のスクリーンへの密着による±５％の膜厚のばらつき、および粘性のペーストを完全に除去できないことによる捕捉された泡の膨張をきたす。ドクターブレーディングなど他の方法もまた、大幅な空間的な逸脱をきたさなければ、明確に画成された厚い金属酸化物層を提供できないという問題点がある。したがって、引き続き生じる多孔性および膜質のばらつきはこのような金属酸化物層全体にわたって発生する可能性があり、その結果、ＤＳＳＣおよびＥＣＤのそれぞれに対して、効率および画像品質の劣化をきたす。
【００２５】
ＥＣＤの場合、より高い画質すなわちピクセル構成されたディスレイのドット／インチ（ｄｐｉ）を増加させるためにさらに細かい金属酸化物層の機構を作成する要求によって、スクリーン印刷の需要はさらに激化する。ｄｐｉが増加すると、最も小さい機構の寸法は、スクリーンメッシュの大きさがメッシュ分割幅に近づくにつれ限定される。
【００２６】
したがって、ＤＳＳＣおよびＥＣＤに関して、上述の製作技法を使用して、機能的に増感した多孔性の厚い金属酸化物層に基づく電気化学的デバイスの製作は、デバイスの再現性および大型のデバイス生産への適合性の観点からみて、不適切である。
【００２７】
そこで、本発明に係るいくつかの態様は、上述した先行技術の電気化学セル（ＤＳＳＣおよびＥＣＤ）を製造する問題点に対処し、これらを製作する効率を向上させ、およびしたがってコストを低下させることを目的とする。さらに本発明は、先行技術よりもぶれ（にじみ）およびグレースケール（コントラスト）に関する画像品質が向上した多色型電気化学セルを生産することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係る電気化学セルは、第１の導電層と、前記第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に設けられた機能色素層と、第２の導電層と、前記機能色素層と第２の導電層との間に設けられた電解質と、を含み、前記第１の導電層および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であり、前記機能色素層が有機溶媒を含むインクからから形成されたことを特徴とする。
本発明に係る電気化学セルの製造方法は、第１の導電層と、前記第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層と、前記金属酸化物層の上に設けられた機能色素層と、第２の導電層と、前記機能色素層と前記第２の導電層との間に設けられた電解質と、を含む電気化学セルの製造方法であって、前記機能色素層を有機溶媒を含む第１のインクを用いて形成することを特徴とする。
本発明に係る他の電気化学セルの製造方法は、第１の導電層と、前記第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層と、金属酸化物層の上に設けられた機能色素層と、第２の導電層と、前記機能色素層と前記第２の導電層との間に設けられた電解質と、を含む電気化学セルの製造方法であって、前記機能色素層を、第１の溶媒と第２の溶媒とを含む第１のインクを用いて形成することを特徴とする。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の溶媒および前記第２の溶媒が異なる沸点を有するようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の溶媒が前記第２の溶媒の沸点よりも高い沸点を有するようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の溶媒が略１５０℃よりも高い沸点を有するようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の溶媒は、前記第１のインクに体積で５％含まれ、前記第２の溶媒は、前記第１のインクに体積で９５％含まれるようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の溶媒は、前記第１のインクに体積で４０％未満含まれるようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の溶媒が１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンであり、前記第２の溶媒が３−メチル−２−オキサゾリジノンであるようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記機能色素層を、前記第１のインクに加えて、前記第１のインクに含まれる第１の色素とは異なる色を呈する第２の色素を含む第２のインクを用いて形成するようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記第１の色素及び前記第２の色素のうち少なくとも一つが電気化学セルの発電に寄与するようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、機能色素層の色の深度は、前記第１のインクの滴の大きさを調製することにより設定されるようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記機能色素層の色の深度は、前記第１のインクの液滴の数を調製することによって設定されるようにしてもよい。
上記の電気化学セルの製造方法において、前記機能色素層の色の深度は、前記第１のインクに含まれる色素の濃度を調整することにより設定されるようにしてもよい。
本発明の第１の実施形態では、電気化学セルを提供する。電気化学セルは、第１の導電層；第１の導電層の上に設けられた、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層；金属酸化物層の上に設けられた機能色素層；第２の導電層；および機能色素層と第２の導電層との間に設けられた電解質：を含み、第１および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であり；および機能色素層が有機溶媒インクから形成されることを特徴とする。
【００２９】
一実施形態において、有機溶媒インクは第１の溶媒および第２の溶媒を含む。別の実施形態において、第１の溶媒および第２の溶媒は異なる沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は第２の溶媒の沸点よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒が略１５０℃よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は体積比５％の有機溶媒インクであり、および第２の溶媒は体積比９５％の有機溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒は体積比４０％未満の有機溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒が１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンであり、および第２の溶媒が３−メチル−２−オキサゾリジノンである。
【００３０】
別の実施形態において、機能色素層は少なくとも異なる２色の有機溶媒インクを含むことによって、複数の隣接する金属酸化物セルのうち少なくともいくつかが異なる色を有する。別の実施形態において、少なくとも異なる２色の有機溶媒インクのうち少なくとも一つが電気化学セルの発電に寄与する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度が金属酸化物層の厚さを変化させることによって変化する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度がその上に形成される有機溶媒インクの滴の大きさを変化させることによって変化する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度がその上に形成される有機溶媒インクの滴の数を変化させることによって変化する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度がその上に形成される有機溶媒インクの濃度を変化させることによって変化する。
【００３１】
一実施形態において、電気化学セルは、第１の導電層の上に形成され、および複数の隣接する金属酸化物セルのそれぞれを囲繞する分離手段：をさらに含む。別の実施形態において、分離手段は、ポリマーパターンまたはポリイミドパターンである。別の実施形態において、分離手段の少なくとも一部が疎水性および／または疎油性であり、および第１の導電層が親水性および／または親油性である。別の実施形態において、分離手段が第１の導電層の上にセルのマトリクスを形成する。別の実施形態において、金属酸化物セルのそれぞれが略正方形、略円形、略六角形、または略長方形である。別の実施形態において、分離手段はバンクである。
【００３２】
一実施形態において、電気化学セルは機能色素層の第１の導電層とは反対側に設けられた反射体層：をさらに含む。別の実施形態において、電気化学セルは電解質と第２の導電層との間に形成された電極触媒層：をさらに含む。別の実施形態において、電極触媒層は、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のいずれかである。
【００３３】
一実施形態において、電気化学セルは、第１の導電層の金属酸化物とは反対側に第１の絶縁基板：をさらに含む。 別の実施形態において、電気化学セルは第２の導電層の電解質とは反対側に第２の絶縁基板：をさらに含む。別の実施形態において、第１の絶縁基板がガラスまたはプラスチックである。別の実施形態において、金属酸化物層が二酸化チタン層である。別の実施形態において、金属酸化物層が金属酸化物の粒子を含み、および機能色素層が金属酸化物の粒子の表面上に形成されたことを特徴とする。別の実施形態において、第１および第２の導電層は連続層である。別の実施形態において、第１の導電層が透明な導電性酸化物層である。別の実施形態において、第２の導電層が透明な導電性酸化物層である。別の実施形態において、電気化学セルが色素増感型太陽電池である。別の実施形態において、電気化学セルがエレクトロクロミック表示素子である。別の実施形態において、機能色素層が電子発色団層である。
【００３４】
本発明の第２の実施形態では、電気化学セルを提供する。電気化学セルは第１の導電層；第１の導電層の上に設けられた金属酸化物層；金属酸化物層の上に設けられた機能色素層；第２の導電層；および機能色素層と第２の導電層との間に設けられた電解質：を含み、第１および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であり；および機能色素層が、第１の溶媒および第２の溶媒を含む二成分溶媒インクから形成されることを特徴とする。
【００３５】
一実施形態において、第１の溶媒および第２の溶媒は異なる沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は第２の溶媒の沸点よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒が略１５０℃よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は体積比５％の二成分溶媒インクであり、および第２の溶媒は体積比９５％の二成分溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒は体積比４０％未満の二成分溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒が１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンであり、および第２の溶媒が３−メチル−２−オキサゾリジノンである。
【００３６】
別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度が金属酸化物層の厚さを変化させることによって変化する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度がその上に形成される有機溶媒インクの滴の大きさを変化させることによって変化する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度がその上に形成される有機溶媒インクの滴の数を変化させることによって変化する。別の実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物セル中の機能色素層の色の深度がその上に形成される有機溶媒インクの濃度を変化させることによって変化する。別の実施形態において、第１の導電層が透明であり、および機能色素層の第１の導電層とは反対側に設けられた反射体層：をさらに含む。
【００３７】
一実施形態において、電気化学セルは電解質と第２の導電層との間に形成された電極触媒層：をさらに含む。別の実施形態において、電極触媒層は、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のいずれかである。別の実施形態において、電気化学セルは第１の導電層の金属酸化物とは反対側に第１の絶縁基板：をさらに含む 。別の実施形態において、電気化学セルは第２の導電層の電解質とは反対側に第２の絶縁基板：をさらに含む。別の実施形態において、第１の絶縁基板がガラスまたはプラスチックである。別の実施形態において、金属酸化物層が二酸化チタン層である。
【００３８】
別の実施形態において、金属酸化物層が金属酸化物の粒子を含み、および機能色素層が金属酸化物の粒子の表面上に形成されることを特徴とする。別の実施形態において、第１および第２の導電層が連続層である。別の実施形態において、第１の導電層が透明な導電性酸化物層である。別の実施形態において、第２の導電層が透明な導電性酸化物層である。別の実施形態において、電気化学セルが色素増感型太陽電池である。別の実施形態において、電気化学セルがエレクトロクロミック表示素子である。
【００３９】
本発明の第３の実施形態では、 電気化学セルを形成する方法を提供する。該方法は、第１の導電層を形成する；第１の導電層の上に、互いに離間した複数の隣接する金属酸化物セルを含む金属酸化物層を形成する；金属酸化物層の上に有機溶媒インクから形成された機能色素層を形成する；および機能色素層と第２の導電層との間に電解質を提供する：ことを含み、第１および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であることを特徴とする。
【００４０】
一実施形態において、有機溶媒インクは第１の溶媒および第２の溶媒を含む。別の実施形態において、第１の溶媒および第２の溶媒は異なる沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は第２の溶媒の沸点よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒が略１５０℃よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は体積比５％の有機溶媒インクであり、および第２の溶媒は体積比９５％の有機溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒は体積比４０％未満の有機溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒が１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンであり、および第２の溶媒が３−メチル−２−オキサゾリジノンである。
【００４１】
一実施形態において、第１の導電層の上に形成され、および複数の隣接する金属酸化物セルのそれぞれを囲繞する分離手段を形成する：ことをさらに含む。別の実施形態において、金属酸化物層が第１の導電層の上にインクジェット印刷される。別の実施形態において、金属酸化物層が第１の導電層の上に１ステップでインクジェット印刷される。別の実施形態において、有機溶媒インクが金属酸化物層の隣接する金属酸化物セルの上にインクジェット印刷される。別の実施形態において、第１の導電層が透明であり、および該方法は機能色素層の少なくとも１つの透明な導電層とは反対側に反射体層を提供する：ことをさらに含む。
【００４２】
一実施形態において、該方法は：電解質と第２の導電層との間に電極触媒層を提供する：ことをさらに含む。別の実施形態において、該方法は、第１の導電層を第１の絶縁基板の上に形成することによって、第１の絶縁基板と金属酸化物層とが第１の導電層の反対側にある：ことをさらに含む。別の実施形態において、該方法は、第２の導電層を第２の絶縁基板の上に形成することによって、第２の絶縁基板と電解質とが第１の導電層の互いに反対側にある：ことをさらに含む。
【００４３】
本発明の第４の実施形態では、電気化学セルを形成する方法を提供する。該方法は、第１の導電層を形成する；第１の導電層の上に金属酸化物層を形成する；金属酸化物層の上に、第１の溶媒および第２の溶媒を含む二成分有機溶媒インクから形成された機能色素層を形成する；第２の導電層を形成する；および機能色素層と第２の導電層との間に電解質を提供する：ことを含み、第１および第２の導電層のうち少なくとも一つが透明であることを特徴とする。
【００４４】
一実施形態において、第１の溶媒および第２の溶媒は異なる沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は第２の溶媒の沸点よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒は略１５０℃よりも高い沸点を有する。別の実施形態において、第１の溶媒が体積比５％の二成分溶媒インクであり、および第２の溶媒が体積比９５％の二成分溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒が体積比４０％未満の二成分溶媒インクである。別の実施形態において、第１の溶媒が１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノンであり、および第２の溶媒が３−メチル−２−オキサゾリジノンである。
【００４５】
別の実施形態において、金属酸化物層が第１の導電層の上にインクジェット印刷される。別の実施形態において、金属酸化物層が第１の導電層の上に１ステップでインクジェット印刷される。別の実施形態において、二成分溶媒インクが金属酸化物層の隣接する金属酸化物セルの上にインクジェット印刷される。別の実施形態において、第１の導電層が透明であり、および機能色素層の少なくとも１つの透明な導電層とは反対側に反射体層を提供する：ことをさらに含む。
【００４６】
一実施形態において、該方法は電解質と第２の導電層との間に電極触媒層を提供する：ことをさらに含む。別の実施形態において、該方法は第１の導電層を第１の絶縁基板の上に形成することによって、第１の絶縁基板と金属酸化物層とが第１の導電層の反対側にある：ことをさらに含む。一実施形態において、第２の導電層を第２の絶縁基板の上に形成することによって、第２の絶縁基板と電解質とが第１の導電層の互いに反対側にある：ことをさらに含む。
【発明の効果】
【００４７】
上記構成によれば、インクジェット印刷を使用する本発明の電気化学セルの製作方法は、フォーマットのスケーリング（拡大または縮小）に機械的ハードウェアへの再投資を必要としないため、スクリーン印刷による製作よりも有利である。この理由は、インクジェットの製作がソフトウェア制御され、および新しいスクリーンを発注する費用を伴わずにソフトウェアを再構成できるからである。さらに、パターンスクリーンは約１００回の使用しか持続しないため、インクジェットヘッドはパターンスクリーンよりも大幅に耐久性が高いという効果がある。
【００４８】
さらに、インクジェットの製作によって可能となるドロップオンデマンドの配列は、スクリーン印刷よりは無駄が少ない。蒸着したそれぞれの層を乾燥させ次にその上に印刷して厚い蒸着を生成する従来のインクジェット上書きとは異なり、閉じ込めた領域に大量の液体をドーズして所要の蒸着厚さを提供するインクジェット塗りつぶし技法は、破壊のない金属酸化物を生成することが、これまで示されてきた。さらに、塗りつぶしを可能にするために使用されるバンク構造の使用を介した表面の閉じ込めによって、長い範囲にわたる均一な材料分布を、およびしたがって均一および再現可能な性能を確保する。さらに、バンク構造の使用を介した表面の閉じ込めによって、色分解による異なる色に着色されたセル間の画質を向上させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の実施形態を、さらに細かく例示する目的のためのみに、および図面に基づいて説明する。本発明は、色素増感型太陽電池（ＤＳＳＣ）またはエレクトロクロミック表示素子（ＥＣＤ）などの電気化学セルに関する。図４を参照にすると、本発明のある電気化学セル４００は、第１の透明な絶縁基板層４０１；第１の透明な導電性酸化物（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２のＴＣＯ電極層４０６；および第２の透明な絶縁基板層４０７を含む。
【００５０】
第１および第２の透明な絶縁基板層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（Ｔｉ０2）および半導体である。
【００５１】
金属酸化物層４０３は好ましくは、その表面上への増感剤（色素）／エレクトロクロミック材料層４０４の密着を促進する材料であることが望ましい。加えて、金属酸化物４０３の粒子は合理的に光透過性でなければならない。５００ｎｍよりも大きい粒子は不透明であると予測され、および一般的には本発明における用途において適切とみなされない。このような大きな粒子もまた、インクジェットノズルの閉塞を起こしうる。
【００５２】
本発明の第１の実施形態において、金属酸化物層４０３を塗布する前に、第１のＴＣＯ層４０２の上にバンク構造４１０が形成され、そのため、金属酸化物層４０３は絶縁されたセルから形成される。一実施形態において、バンク構造４１０はポリマーまたはポリイミドから形成されてもよい。
【００５３】
好ましくは、金属酸化物層４０３を形成するために使用される金属酸化物の特性に応じて、バンク構造はその一部が疎水性および／または疎油性であり、一方ＴＣＯ層４０２は親水性および／または親油性である。
【００５４】
バンク構造４１０は、第１のＴＣＯ層４０２上の個々の画素セルのマトリクスを形成する任意の所望の形状をとることができ、該形状内において絶縁された金属酸化物セルが形成されるため、どの金属酸化物もバンク構造４１０と架橋して短絡をきたすことはない。
【００５５】
電気化学セルがＥＣＤである場合、すべての金属酸化物セル（画素）が互いに電気的に絶縁され、画像形成を制御することが必要不可欠である。電気化学セルがＤＳＳＣである場合は金属酸化物セルの電気的な絶縁性は必要不可欠ではないが、活性デバイス領域全体にわたって金属酸化物の均一な分布を維持することが好ましい。
【００５６】
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みなすことができ、および異なるマイクロ電気化学セルは、異なる色に着色された電子発色団層４０４を有してもよい。各マイクロ電気化学セルは他のマイクロ電気化学セルとは離れており、これらはともにバンク構造４１０によってＥＣＤを形成する。各マイクロ電気化学セルの幅は好ましくは２０μｍから５００μｍである。
【００５７】
本発明の別の実施形態において、電解質層４０５と第２のＴＣＯ層４０６と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厚さが２ｍｍを超え、および電解質の再生を促進するよう選択される。ＤＳＳＣの場合有効な電極触媒性金属は、白金群の金属；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。電極触媒層の使用によって本発明の電気化学セルの全体的性能を改善する。
【００５８】
本発明は、本発明の電気化学セル４００を製作する方法にも関連する。図５は本発明の電気化学セル４００の製作のための工程フロー図を示す。
【００５９】
ＴＣＯ層４０２は、図５ａの第１の透明な絶縁基板層４０１の上に形成される。好ましくはＴＣＯ層４０２は、８〜１０Ω／ｓｑの表面抵抗率を有し、および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成る。フッ素をドープした酸化スズは、安価でありおよび高温焼結段階中に不活性であるため、好ましい。
【００６０】
次に、バンク構造４１０が図５ｂのＴＣＯ層４０２の上に製作される。本発明の第１の実施形態において、バンク構造４１０は正方形の画素セルのマトリクスを形成する。ＴＣＯ層４０２の上にバンク構造４１０を形成するために、光反応性ポリイミドソース材料がＴＣＯ層４０２の上に被覆され、および乾燥される。次に、画素セルのマトリクスの形状のマスクがＴＣＯ層４０２に塗布される。紫外（ＵＶ）光がマスクを介して照射され、曝露領域にポリイミドの架橋をきたす。非曝露領域は化学現像によって除去され、およびバンク構造４１０が３５０℃で熱硬化される。
【００６１】
次に、バンク構造４１０を有するＴＣＯ層４０２を、酸素または酸素と四フッ化炭素プラズマによって処理し、曝露領域に残存するポリイミドを除去する。次に、四フッ化炭素（ＣＦ4）プラズマ処理が加えられ、その結果、ポリイミドバンク構造４１０が疎水性となり、一方ＴＣＯ層４０２の親水特性は保持したままである。
【００６２】
次に、上方にバンク構造４１０を形成したＴＣＯ層４０２の上に、金属酸化物層４０３がインクジェット印刷される。金属酸化物インクは、分離した画素セルのそれぞれに噴射され、図５ｃの金属酸化物層４０３を形成する。好ましくは、体積分率（ｖ／ｖ）が１０％以下の濃度で、直径５００ｎｍ未満の粒子を含有する水性のコロイド二酸化チタン（ＴｉＯ2）インクが使用される。溶液とインクジェットヘッドとの適合性を確保するために、金属酸化物インクは他の添加剤を含有してもよい。蒸着の後、金属酸化物層４０３を乾燥させ、および次に３００℃以上で空気中で焼結する。
【００６３】
デバイス領域全体にわたる金属酸化物層４０３の厚さの精密制御は、ＤＳＳＣまたはＥＣＤの画像をその上に形成できる均一なキャンバスを提供するためには必要不可欠である。金属酸化物層４０３の厚さは水性コロイドＴｉ０2インクの濃度、および蒸着体積によって制御される。結果生じる金属酸化物層４０３のピーク厚さの偏差は、基板面積５０ｃｍ2に対して画素セル間で１．５％未満である。
【００６４】
次に増感剤（色素）４０４は、画素セルのそれぞれにインクジェット印刷され、その上に金属酸化物層４０３が形成される。この製作方法によって、バンク構造４１０の各画素セルが画像の画素に対応するカラー画像を作成するために、異なる色の増感剤（色素）４０４を異なる画素セルに塗布することによって、異なる色の画素セルを形成することができる。したがって、２００ドット／インチ（ｄｐｉ）以上の解像度を有する高画像品質の電気化学セルを作成することができる。異なる色の増感剤（色素）４０４は図５ｄの金属酸化物層４０３に吸収される。増感剤（色素）４０４を固定した後、完全な構造をエタノール中で洗浄し窒素中で吹き付け乾燥することによって、過剰な増感剤（色素）４０４および残存する溶媒を除去する。
【００６５】
次に、その上方に多孔性の金属酸化物層４０３および増感剤（色素）層４０４が形成された第１のＴＣＯ層４０２には、第２のＴＣＯ層４０６が組み付けられる。両電極層４０２、４０６は周辺スペーサと一緒にサンドイッチされ、電極間ギャップを形成し、その後電解質層４０５を充填する。ひとたび電解質層４０５が導入されると、残りの開口部を密封することによってＤＳＳＣが完成する。
【００６６】
本発明の電気化学セルにおいて電極触媒層が所望される場合、次に、電極層４０２、４０６が一緒にサンドイッチされる前に、電極触媒層が第２のＴＣＯ層４０６の上に形成される。
【００６７】
インクジェットヘッドは、ＴＣＯ層４０２上の精密位置に明確に定義された水性コロイド金属酸化物インク滴を±１．５％未満の体積のばらつきで提供することができる。さらにこの体積精度１．５％以下とは、市販のプリンターヘッドの精度を表している。この数値を１％以下に低下させることができるいくつかの産業用ヘッドおよび補完的技術が利用可能である。
【００６８】
インクジェット蒸着によって、所要のバンク構造４１０の各画素セル内にあるＴＣＯ層４０２の上への金属酸化物の正確な位置決めが可能である。このようにして、金属酸化物層４０３の厚さを精密に制御することができ、および均一な多孔性の金属酸化物層４０３を得ることができる。
【００６９】
バンク構造４１０の少なくとも一部が疎水性および／または疎油性であり、およびＴＣＯ層４０２の少なくとも一部が親水性および／または親油性である場合、バンク構造４１０  は蒸着した金属酸化物インクに反発し、こうして標的表面の上で蒸着した金属酸化物インク滴の最終位置を修正し、およびインクジェットノズル軸からの横方向の固有の逸脱±１５  μｍを補正する。この反発は、とりわけＥＣＤの場合、バンク構造４１０と架橋する金属酸化物４０３を原因とする画素短絡を防止するために有益である。またバンク構造４１０はＥＣＤ画素どうしの間に、そうでなければバンクレスフリー印刷に必要な３０μｍのスペーシングよりも、より狭いギャップを形成することができ、これによってＥＣＤではより高い活性領域率を得ることができるとともに、画像品質を高めることができる。
【００７０】
金属酸化物層４０３はそれが有効に機能するために数ミクロンの厚さを持つべきである。伝統的なインクジェット印刷では、蒸着した各を層乾燥および焼結し、および次に別のインクの層で上書きするなどを行う上書き技法を使用することによって、滴の厚さを所望の形状に形成し、所望の厚さに到達させることができる。
【００７１】
しかしながら、本発明の方法は塗りつぶし技法を用いており、これによって体積の大きい金属酸化物インクが１回の通過でバンク構造４１０の各画素セルへと導入される。バンク構造４１０は、金属酸化物インクが隣接する画素セルへと広がることを防止する。この工程を使用すると、所望の厚さの金属酸化物層４０３を生成するためには１回の乾燥および焼結を必要とするのみである。バンク構造４１０は、色の付いた増感剤（色素）４０４が隣接する画素セルへと広がることも防止し、したがって色のにじみも防止する。
【００７２】
増感剤（色素）インク溶液は毛管作用を介して多孔性の金属酸化物層４０３へと吸収される。仮にバンク構造４１０を使用して金属酸化物層４０３を分離画素セルへと分離しないとしたら、その場合、インクジェットヘッドからの噴射後ただちに増感剤（色素）４０４が金属酸化物層４０３全体に広がり、および画像品質は低下したであろう。
【００７３】
蒸着したインクは多孔性の金属酸化物層４０３全体のみに広がるため、連続する金属酸化物層４０３を使用することによって、インクジェット色素上書きによる画像の色の深度の制御が困難になる。解像度および色のコントラストを高めるため、および増感剤（色素）４０４の色の深度を制御できるようにするため、金属酸化物層４０３を分離した画素セルへと分離し、その結果あるセルに導入された増感剤（色素）４０４はそのセル内に残存する。このようにしてバンク構造４１０を使用して、横方向の液体の分散を防止する。
【００７４】
さらに、バンク構造４１０を使用することによって、金属酸化物層４０３は均一なおよび再現可能な全体の断面形状を持つことができ、画像全体にわたって色の深度を均一にすることに役立っている。所要の画像品質を提供するため、バンク構造４１０によって画成された画素セルは実行可能なかぎり小さいことが望ましい。
【００７５】
ＤＳＳＣの場合、すべてのカラー画素セルが、増感剤（色素）４０４を使用して着色されるよう要求されているわけではない。しかし、画像に使用される少なくともいくつかの色は、好ましくは増感剤（色素）４０４で着色されるべきである。画像の残りの画素セルは、画像には寄与するが電気化学セル発電には寄与しない「不活性」色素を用いて製作することができる。「不活性」色素と記載されているが、「不活性」色素は金属酸化物層４０３と化学的に結合して良好な画像安定性を提供するべきである。一色のみの着色増感剤（色素）４０４が使用される場合、黒色が好ましい。その理由は黒色の増感剤（色素）４０４はエネルギー変換効率が高いからである。
【００７６】
しかしながら、すべての画素セルを電気化学セル発電に寄与する増感剤（色素）４０４を用いて着色して、出力を最大化することが好ましい。その理由は、複数の分離した画素セルを使用すると、本発明の電気化学セルの面積あたりのエネルギー変換効率を低下させるからである。さらに、一部の画素セルのみが電気化学セル発電に寄与する増感剤（色素）４０４を用いて着色される場合、本発明の電気化学セルのエネルギー変換効率はさらに低下する。
【００７７】
増感剤（色素）４０４の色の深度は、バンク構造４１０の各画素セルに印刷された滴の大きさおよび数の調整によって制御することができる。さらに増感剤（色素）４０４の色の深度は、金属酸化物層４０３の厚さの調整によって制御することができる。
【００７８】
写真品質の画像を提供するために、少なくとも４色のインク；画像構成に応じてシアン、マゼンタ、黄および黒、または赤、緑、青および黒が必要である。これら着色された増感剤（色素）４０４の多くはすでに存在しており、すなわち、ＲｕII（ｄｍｂｐｙ）2（ｄｃｂｐｙ）Ｃ１2は公知の黄色の色素であり、Ｎ７１９は公知の紫／赤色の色素であり、およびＦｅII錯体は公知の青色の色素である。一つの画素セル内にカラーミックスを作成するために、前もって定められた量の１色を該画素セルに噴射して、その後異なる量の別の色で上書きしてもよい。
【００７９】
公知のＤＳＳＣ浸漬溶液は、金属酸化物の表面に色素の分子を固定するために、低沸点の溶媒に溶解した色素を含む。しかしながら、これら溶液はインクジェット印刷技術との併用には適していない。その理由は、インクジェットヘッドノズルのプレートで発生しうる溶媒の急速な蒸発によって、ノズル周辺に溶質が蓄積し、その結果閉塞をきたしうるからである。
【００８０】
さらに、インクジェット印刷による１回の通過でデバイスの表面上に蒸着できる液体は非常に少量であり、典型的には０．５ｎｌ／ピクセルであり、および低沸点の溶媒が使用されたとしたら室温では急速に蒸発して乾燥状態となり、完全に乾燥するまで１０秒もかからないであろう。この時間規模は、色素が金属酸化物の表面に吸収されるために必要な時間規模、典型的には２４時間と比較すると短すぎる。したがって、典型的な浸漬用の色素溶液はインクジェット蒸着には適していない。
【００８１】
あるいは、インクジェット印刷が可能なインクを、色素を高沸点の溶媒に溶解することによって形成して、ノズルの閉塞および印刷された表面の乾燥の問題点を軽減することもできるであろう。しかしながら、高沸点の溶媒は有害であることが多く、典型的には粘性がありこの溶媒のインクジェット印刷を困難にする。これらの高い粘性は、蒸着したインクの金属酸化物膜への浸透を低下させる。さらに、金属酸化物の表面に色素が固定された後は、色素分子に損害を与えうる温度まで加熱しない限り、溶媒を除去することは難しいであろう。
【００８２】
粘性が低く、除去が簡単で、沸点の高い「完全な溶媒」が特定できたと仮定すると、次に印刷した後溶媒は、色素が化学吸着するために十分長い時間、典型的には０．３ｍＭの色素濃度では２４時間、残存してなければならないであろう。この時間規模は達成可能であるが、各工程が数時間ではなく数分以内に完了すべき大量生産には有利ではない。この問題点を克服するひとつの方法は色素の濃度を上げることである。文献による報告は、色素濃度を０．３ｍＭから２１ｍＭへと増加させることによって、色素吸収時間が２４時間から１０分に減少することを示している。
【００８３】
このような高濃度のインクは蒸着表面上での色素固定時間を改善する（短縮する）が、この概念的インクは、印刷された画像のグレースケールの目盛を減少させ、０．３mＭのインク３３滴が、１０mＭの濃度１滴と同じ色素ローディングを含むまでになるであろう。
【００８４】
したがって、たとえ「完全な溶媒」を見出すことができたとしても、金属酸化物層の上での色素固定時間を短縮するために高濃度の色素を使用しなければならないことを理由にグレースケール制御が不足するため、画像品質が大幅に低下するであろう。
【００８５】
したがって、本発明の好ましい実施形態において、増感剤（色素）４０４は二成分溶媒溶液中で溶解され、低沸点のバルク溶媒および高沸点の残存溶媒を含むインクジェット印刷可能なインクを形成する。例えば二成分溶媒インクは、体積比５％のＤＭＩ（１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン）溶媒および体積比９５％のＮＭＯ（３−メチル−２−オキサゾリジノン）溶媒中の１ｍMのＮ７１９色素を含んでもよい。ＮＭＯの沸点は８８℃であり、ＤＭＩの沸点は２２６℃である。
【００８６】
好ましくは、残存する溶媒は１５０℃よりも大幅に高い沸点を有する。さらに好ましくは、残存する溶媒は体積比４０％未満の二成分溶媒インクである。
【００８７】
本発明の二成分溶媒インクがインクジェット印刷に使用される場合、ノズルからの二成分溶媒インクの噴出に引き続き、バルク溶媒は残存する溶媒を表面上に残したまま、非常に急速に蒸発する。残存する溶媒の沸点は高いため、インクは印刷された表面の上では液体のままであり、金属酸化物層と結合する時間が確実により長くなる。さらに、バルク溶媒の蒸発によって、色素濃度を約１ｍＭから１０ｍＭ超へと増加させるため、これによって色素の吸収時間を減少させる一方、インクジェットのグレースケール制御を保つ。要するに、高濃度の色素インク溶液が印刷後に標的表面の上に形成される。たとえば、上記例の体積比５％のＤＭＩおよび体積比９５％のＮＭＯ中の１ｍＭのＮ７１９は、ＨＭＯが印刷された表面から蒸発した後、ＤＭＩ中の２０ｍＭのＮ７１９へと変換されるであろう。
【００８８】
本発明の二成分溶媒インクは、インクジェットヘッドのノズルを閉塞しないという点で、インクジェット印刷に役立つ。その理由は、バルク溶媒はノズル領域から簡単に蒸発しうるが、残存する溶媒は液体のまま残り、およびノズル周辺での乾燥した溶質の形成を防止するからである。
【００８９】
さらに、インク物理的特性はバルク溶媒によって支配され、より沸点の高い残存する溶媒よりも、沸点が低く多くの場合粘性の低いバルク溶媒によって、より簡単に合成インクをインクジェット印刷に適したものとするであろう。
【００９０】
最終的に、単一の高沸点溶媒インクに記載された場合とは異なり、二成分インク溶液は微量のインク滴を印刷することができるため正確なグレースケール目盛制御を可能にする。例えば、上記に記載された１ｍＭの二成分溶媒インクを１滴印刷することは、純粋なＤＭI中の２０ｍＭの色素０．０５滴を印刷することと等価である。
【００９１】
バルク溶媒はインクの必要な特性を提供する一方、残存する溶媒はバルク溶媒の濃度を変更するために使用することができ、および短い工程時間内で色素分子を金属酸化物の表面上に固定させることができる。二成分溶媒インクの工程時間は、単一溶媒タイプのインクと比較して、１０分の１未満とすることもできる。さらに、二成分溶媒インクの使用によって、インクジェットヘッドからの安定したインク噴出を提供する。
【００９２】
インクの色を作成するために（一剤または複数の）溶媒と混合される色素は、溶解性でなければならない。さらに、溶媒は色素と混和性および適合性でなければならない。さらに、インクの表面張力および粘性を調整するために、界面活性剤をインクに添加することができる。
【００９３】
本発明の別の実施形態において、不活性、拡散性、白色の反射体層４１２を、図６に示すように増感剤（色素）層４０４と第２のＴＣＯ層４０６との間に設けて、電気化学セルの画像品質を高めることができる。白色の反射体層４１２は、これと対比して画像を見ることができる明瞭なバックグラウンドを提供する。また、白色の反射体層４１２は増感剤（色素）層４０４を通る光経路を２倍にして、電気化学セルの効率を高めることができる。白色の反射体層４１２は大きな（ミクロン単位の）Ｔｉ０2粒子から形成してもよい。この効果を提供するために、白色の反射体層を他の位置に設けることができるのは明らかである。例えば、第２の導電層および対応する基板が透明な場合、反射体層を基板の後方または基板と導電層との間に設けてもよい。さらに、好ましいことではあるが、反射体層が白色である必要はない−代わりに、所望の画像に応じて他の色を使用することができる。
【００９４】
塗りつぶし技法を使用して金属酸化物インクで各画素セルを充填する場合、正方形の画素セルのマトリクスを有するバンク構造４１０は、図７に示す疑似ピラミッド状の乾燥した  金属酸化物形状を生成する。バンク構造４１０は、蒸着した金属酸化物インクをＴＣＯ層４０２の画素セル内の局所領域に閉じ込めるよう作用する。この閉じ込めがなければ、金属酸化物インクは、蒸着のあとＴＣＯ層４０２全体に自由に分布し、連続する金属酸化物層４０３を形成したであろう。
【００９５】
本発明のバンク構造４１０は、連続する金属酸化物層４０３と比較して、破壊なしに曲げ応力に対応する金属酸化物層４０３の力を増加させる。これによって、プラスチック製の第１の絶縁基板４０１など可撓性の基板４０１を活用することができる。
【００９６】
本発明の第１の実施形態において、バンク構造４１０は図９に示す正方形の画素セルのマトリクスを含む。しかしながら、画素セルは正方形であることに限定されない。本発明の電気化学セル４００がＥＣＤである場合、活性マトリクスバックプレーン製作技術と適合性があることから、正方形の画素が好ましい。しかしながら、本発明の電気化学セル４００がＤＳＳＣである場合、正方形、円形および六角形の画素セルなどいくつかの異なる画素セルの形状を使用することができる。
【００９７】
本発明のＤＳＳＣは、エネルギー変換効率（η）、開回路電圧（ＶOC）、短絡回路電流（ＩSC）および充填比（ＦＦ）がそれぞれ５．０  ％、０．４８Ｖ、１５ｍＡ／ｃｍ2および５６％となるよう作成された。５０ｃｍ2の基板面積に対する本発明の電気化学セルのエネルギー変換効率のばらつきは、１．５％未満である。その理由は、本発明の方法のインクジェット製作の工程安定性である。
【００９８】
より広いバンク構造４１０は、画像品質の低下によってＥＣＤの動作に、および活性領域の減少に起因した効率の低下によってＤＳＳＣの動作に有害である。したがって、バンク構造４１０の好ましい幅は０．２μｍから２０μｍである。０．２μｍは、費用効果の高いフォトリソグラフィによるバンク構造４１０の製作の限界解像度である。２０μｍは、最低の公知の表示解像度７２ｄｐｉと比較して、画像および性能の深刻な劣化が阻害的にならない、最大のバンク構造４１０の有効幅と考えられている。インクジェット技術を用いることによって、１ｍｍ2未満という親水性画素セルの大きさは簡単に達成可能であるが、数百ミクロン未満の長さが好ましい。
【００９９】
ＤＳＳＣの場合、光の吸収は多孔性の金属酸化物層４０３の厚さに比例する。薄すぎる場合、入射光の画分は金属酸化物層４０３中を制約を受けずに通過するが、電位効率の損失を伴う。厚すぎる場合は、ひとたび有用な光がすべて完全に吸収されてしまうと、残りの金属酸化物層４０３の厚さはどれも冗長となる。したがって好ましくは、蒸着した金属酸化物層４０３の厚さは０．５μｍから２０μｍの間にあるべきである。
【０１００】
さらに、インクジェット印刷によって生成された金属酸化物層４０３の厚さが、スクリーン印刷と比較して均一であることから、インクジェット印刷を使用する場合は最適な金属酸化物層４０３の厚さをより薄くすることができる。
【０１０１】
さらに、スクリーン印刷の場合、インクの粘性はインクジェット印刷に好ましい粘性よりもはるかに高くなければならない。したがって、粘性を増加させるために添加された材料は焼結工程で除去しなければならない。その結果、蒸着後で焼結前の金属酸化物層４０３の厚さは、スクリーン印刷のほうがインクジェット印刷よりも大きくならなければならない。
【０１０２】
金属酸化物インクを塗布する前に、バンク構造４１０を使用して、ＴＣＯ層４０２の上に分離した画素セルのマトリクスを形成するが、本発明はバンクに限定されない。ＴＣＯ層４０２の内部にトラフを作成するなど、分離した画素セルをＴＣＯ層４０２の上に形成する任意の方法を使用してもよい。
【０１０３】
さらに、本発明の電気化学セルを機能させるために、第１の透明な導電性酸化物層４０２を酸化物材料から形成することは必要不可欠ではない。さらに、本発明の電気化学セルを機能させるために、第２の透明な導電性酸化物層４０６が透明である、または酸化物材料から形成することは必要不可欠ではない。実際、第２の基板（または完成したデバイス中におけるいずれかの基板）を提供することは必要不可欠ではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
バンク構造には任意の適当な材料を使用することができる。しかしながら、これら材料をポリマー、およびより好ましくはポリイミドのパターンとして蒸着することが好ましい。
【０１０５】
上述の説明は例示目的のみになされ、および、当業者によっておよび本発明の範囲から逸脱することなく修正することができることが理解されるだろう。
【０１０６】
【図１】典型的な先行技術の色素増感型太陽電池（ＤＳＳＣ）を示す図。
【図２】別の先行技術のＤＳＳＣを示す図。
【図３】先行技術の多色型ＤＳＳＣを示す図。
【図４】本発明の第１の実施形態の電気化学セルを示す図。
【図５】本発明の電気化学セルの製作のための工程フロー図。
【図６】本発明の第２の実施形態の電気化学セルを示す図。
【図７】ピラミッド状の金属酸化物形状をみとめる正方形の画素セルを示す図。
【符号の説明】
【０１０７】
４００・・・電気化学セル
４０１・・・第１の絶縁基板層
４０２・・・第１の導電性酸化物（ＴＣＯ）電極層４０２
４０３・・・金属酸化物層
４０４・・・増感剤（色素）層
４０５・・・電解質層
４０６・・・第２のＴＣＯ電極層
４０７・・・第２の絶縁基板層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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