JP5208431B2 - Manufacturing method of electrode substrate, manufacturing method of photoelectric conversion element, manufacturing method of dye-sensitized solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、色素増感太陽電池に代表される光電変換素子などに好適に用いられる電極基板の製造方法に関するものであり、特に金属配線層と透明導電層とを有し、金属配線から電解液への漏電や金属配線層の腐食による特性の劣化を抑制することができる電極基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode substrate suitably used for a photoelectric conversion element typified by a dye-sensitized solar cell, and particularly has a metal wiring layer and a transparent conductive layer. The present invention relates to a method for manufacturing an electrode substrate that can suppress deterioration of characteristics due to electrical leakage to the metal and corrosion of a metal wiring layer.
色素増感太陽電池は、スイスのグレッツェルらにより開発されたものであり、光電変換効率が高く、製造コストが安いなどの利点をもち、新しいタイプの太陽電池として注目を集めている(例えば、特許文献1、非特許文献1を参照)。
Dye-sensitized solar cells were developed by Gretzell et al. In Switzerland, and have advantages such as high photoelectric conversion efficiency and low manufacturing costs, and are attracting attention as a new type of solar cells (for example, patents)
色素増感太陽電池は、電極基板上に酸化物半導体微粒子からなる光増感色素が担持された酸化物半導体多孔膜を有する作用極と、この作用極に対向して設けられた対極と、作用極と対極との間に電解液が充填されることにより形成された電解質層とを備えている。
この種の色素増感太陽電池は、太陽光などの入射光を吸収した光増感色素により酸化物半導体微粒子が増感され、光エネルギーを電力に変換する光電変換素子として機能する(例えば、特許文献1、非特許文献1など参照)。
The dye-sensitized solar cell has a working electrode having an oxide semiconductor porous film in which a photosensitizing dye composed of oxide semiconductor fine particles is supported on an electrode substrate, a counter electrode provided opposite to the working electrode, and an action And an electrolyte layer formed by filling an electrolyte between the electrode and the counter electrode.
This type of dye-sensitized solar cell functions as a photoelectric conversion element that converts oxide energy into electric power by sensitizing oxide semiconductor particles with a photosensitizing dye that absorbs incident light such as sunlight (for example, patents).
上述のような色素増感太陽電池で用いられる透明電極基板としては、スズ添加酸化インジウム(ITO)やフッ素添加酸化スズ(FTO)などの透明導電膜を基板の表面に成膜したものが一般的である。しかしながら、ITOやFTOの比抵抗は、10−4[Ω・cm]オーダー程度と、銀や金などの金属の比抵抗に比べて、約100倍もの値を示すことから、特に大面積のセルとした場合に、光電変換効率の低下を招く一因となる。
透明電極基板の抵抗を下げる手法として、透明導電膜(ITO,FTOなど)の形成厚さを厚くすることが考えられるが、抵抗値が十分に下がるほどの厚さで膜形成すると、透明導電層による光吸収が大きくなってしまう。そのため、入射光の透過効率が著しく低下するので、やはり光電変換効率の低下が生じやすい。
As the transparent electrode substrate used in the dye-sensitized solar cell as described above, a transparent conductive film such as tin-added indium oxide (ITO) or fluorine-added tin oxide (FTO) is generally formed on the surface of the substrate. It is. However, the specific resistance of ITO and FTO is about 10 −4 [Ω · cm], which is about 100 times the specific resistance of metals such as silver and gold. In such a case, the photoelectric conversion efficiency is reduced.
As a technique for reducing the resistance of the transparent electrode substrate, it is conceivable to increase the formation thickness of the transparent conductive film (ITO, FTO, etc.), but if the film is formed with such a thickness that the resistance value is sufficiently reduced, the transparent conductive layer The light absorption due to increases. For this reason, since the transmission efficiency of incident light is significantly reduced, the photoelectric conversion efficiency is easily lowered.
この問題に対する解決策として、透明電極基板の表面に、開口率を著しく損なわない程度に金属配線を設けることにより、電極基板の抵抗の低下を図る検討がなされている(例えば、特許文献2を参照)。この場合、電解液による金属配線の腐食や、金属配線から電解液への漏電を防止するため、少なくとも金属配線の表面部分が、何らかの遮蔽層により保護されている必要がある。この遮蔽層は、回路基板を緻密に被覆でき、電解質層を構成する電解液などに対する耐薬品性に優れることが要求される。このような要求を満たす材質としては、絶縁樹脂やガラスなどが挙げられるが、酸化物半導体多孔膜を形成する際などに、基板が熱履歴を経る場合があるため、絶縁樹脂よりも耐熱性に優れるガラスを用いることが望ましい。 As a solution to this problem, studies have been made to reduce the resistance of the electrode substrate by providing metal wiring on the surface of the transparent electrode substrate to such an extent that the aperture ratio is not significantly impaired (see, for example, Patent Document 2). ). In this case, at least a surface portion of the metal wiring needs to be protected by some shielding layer in order to prevent corrosion of the metal wiring due to the electrolytic solution and leakage of electric current from the metal wiring to the electrolytic solution. The shielding layer is required to be capable of densely covering the circuit board and to have excellent chemical resistance against the electrolyte solution constituting the electrolyte layer. Insulating resin, glass, etc. can be cited as materials that meet such requirements, but the substrate may undergo a thermal history when forming an oxide semiconductor porous film. It is desirable to use excellent glass.
しかしながら、ガラスからなる遮蔽層は、変形に弱く、遮蔽層を形成する際や遮蔽層形成後の熱処理に伴う体積変化により容易に亀裂を生じやすい。遮蔽層に生じた亀裂が金属配線に達すると、金属配線から電解液への漏電や、電解液による金属配線の腐食により、セルの機能が損なわれる虞がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電極基板の抵抗の低下を図ることができ、しかも、金属配線から電解液への漏電や金属配線層の腐食による特性の劣化を抑制することができる電極基板および光電変換素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, can reduce the resistance of the electrode substrate, and suppresses deterioration of characteristics due to leakage from the metal wiring to the electrolyte and corrosion of the metal wiring layer. It is an object of the present invention to provide an electrode substrate and a photoelectric conversion element that can be used.
本発明の請求項1に係る電極基板の製造方法は、ガラスからなる基材上に、透明導電層、金属配線層、及び前記金属配線層を被覆する低融点ガラスからなる絶縁層を順に重ねて配する電極基板の製造方法であって、前記基材の熱膨張率をα、前記絶縁層の熱膨張率をβと定義した場合、前記βを前記αで除した値が0.8以上1.44以下となる材料を、前記基材、前記絶縁層として用いることを特徴とする。
本発明の請求項2に係る電極基板の製造方法は、請求項1において、前記絶縁層を構成する材料として、鉛元素を含有しない前記低融点ガラスを用いることを特徴とする。
本発明の請求項3に係る電極基板の製造方法は、請求項1又は2において、前記基材を構成する材料として、高歪点ガラスを用いることを特徴とする。
本発明の請求項4に係る光電変換素子の製造方法は、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電極基板の製造方法を用いて製造することを特徴とする。
本発明の請求項5に係る色素増感太陽電池の製造方法は、請求項4に記載の光電変換素子の製造方法を用いて製造することを特徴とする。
In the method for manufacturing an electrode substrate according to
Method of manufacturing an electrode substrate according to claim 2 of the present invention, Oite to claim 1, as a material constituting the insulating layer, which is characterized by using the low-melting glass containing no lead element.
Method of manufacturing an electrode substrate according to
The manufacturing method of the photoelectric conversion element which concerns on Claim 4 of this invention is manufactured using the manufacturing method of the electrode substrate as described in any one of
Method for manufacturing a dye-sensitized solar cell according to
本発明に係る電極基板は、基材上に、透明導電層、金属配線層、及び前記金属配線層を被覆する絶縁層を順に重ねて配してなり、絶縁層の熱膨張率βを基材の熱膨張率αで除した値が0.5以上1.8以下の範囲を満たす構成を採用したことにより、電極基板の低抵抗化を図ることができるとともに、金属配線から電解液への漏電や金属配線層の腐食による特性の劣化を抑制することができる。 The electrode substrate according to the present invention comprises a transparent conductive layer, a metal wiring layer, and an insulating layer covering the metal wiring layer, which are sequentially stacked on the base material, and the thermal expansion coefficient β of the insulating layer is determined as the base material. By adopting a configuration in which the value divided by the coefficient of thermal expansion α is in the range of 0.5 to 1.8, the resistance of the electrode substrate can be reduced, and leakage from the metal wiring to the electrolyte And deterioration of characteristics due to corrosion of the metal wiring layer can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る電極基板の一例を示す模式的な断面図である。図1に示す電極基板1は、基材10の一方の面(以下、「表面」とも呼ぶ)上に、透明導電層11、金属配線層12、及び前記金属配線層を被覆する絶縁層14を順に重ねて配したものであり、基材10の熱膨張率をα、絶縁層14の熱膨張率をβと定義した場合、前記βを前記αで除した値が0.5以上1.8以下の範囲を満たす構成とされている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrode substrate according to the present invention. An
基材10の材料としては、その熱膨張率αと絶縁層14の熱膨張率βとが、関係式「0.5≦(β/α)≦1.8」を満たし、かつ、光透過性を有するものであれば、特に限定されるものではないが、用途上、光透過性ができるだけ高いことが好ましい。なお、関係式「0.8≦(β/α)≦1.5」を満たす構成がより好ましい。具体例としては、高歪点ガラス、ソーダライムガラス、白板ガラス、硼珪酸ガラスなどを用いることができる。高歪点ガラスは、熱処理による変形が少なく、耐熱性に優れているため好ましい。例えば、熱膨張率が86×10−7のものを用いることができる。
As the material of the
透明導電層11は、基材10の表面上に、金属配線層12の形成領域より広い領域に亘って形成されている。透明導電層11は、1層(単層)または複数層(積層)とすることができる。透明導電層11の材料としては、光透過率や導電性などを考慮して用途に応じて選択できる。
また、透明導電層11の厚みは、0.05〜5μmとすることが望ましい。透明導電層11の厚みが0.05μm未満であると、厚みが0.05〜5μmの透明導電層11と比較してシート抵抗が大きくなり、光電変換効率の低下を招く虞が生じる。また、透明導電層11の厚みが5μmを越えると、光透過率が著しく低下して光電変換効率の低下を招くことから芳しくない。
The transparent
The thickness of the transparent
透明導電層11としては、具体例には、スズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化インジウム、酸化スズ(SnO2 )、フッ素添加酸化スズ(FTO)などの導電性金属酸化物からなる1層または複数層とすることができる。スズ添加酸化インジウム(ITO)は、フッ素添加酸化スズ(FTO)と比較して、光透過性および導電性に優れているが、耐熱性に劣る。また、フッ素添加酸化スズ(FTO)は、スズ添加酸化インジウム(ITO)と比較して、耐熱性に優れているが、光透過性および導電性に劣る。透明導電層11として、フッ素添加酸化スズ(FTO)とスズ添加酸化インジウム(ITO)との複合膜を用いた場合、両者の欠点が相殺され両者の長所を兼ね備えた優れた透明導電層11となる。
透明導電層11を形成する方法としては、透明導電層11の材料に応じた公知の適切な方法を用いればよいが、例えば、スパッタ法、蒸着法、SPD法、CVD法などが挙げられる。
Specific examples of the transparent
As a method for forming the transparent
金属配線層12は、金、銀、白金、アルミニウム、ニッケル、チタンなどの金属を、配線として形成したものであり、透明導電層11に電気的に接続され、絶縁層14により絶縁被覆されている。金属配線層12の配線パターンは、特に限定されるものではなく、図2に示すように格子状にしたり、この他、縞状、短冊状、櫛型、又はこれらの組合せなどのパターンにしたりすることができる。
電極基板1の光透過性を著しく損ねないためには、例えば、各配線の幅を1000μm以下と、細くすることが望ましい。また、金属配線層12の各配線の厚さ(高さ)は、特に制限されないが、0.1〜50μmとすることが好ましい。
The
In order not to significantly impair the light transmittance of the
金属配線層12を形成する方法としては、例えば、導電粒子となる金属粉とガラス微粒子などの結合剤を配合してペースト状にし、これをスクリーン印刷法、メタルマスク法、インクジェット法などの印刷法を用いて所定のパターンを形成するように塗膜し、加熱、焼成によって導電粒子を融着させる方法が挙げられる。焼成温度としては、例えば、基材10がガラスである場合には600℃以下、より好ましくは550℃以下とすることが好ましい。この他、スパッタ法、蒸着法、メッキ法、ディスペンス法などの形成方法を用いることもできる。
金属配線層12の表面は滑らかであることが好ましいが、これよりも、高い導電性を有することが優先され、多少の起伏や凹凸などの存在は差し支えない。
金属配線層12の比抵抗は、少なくとも9×10−5[Ω・cm]以下、より好ましくは、5×10−5[Ω・cm]以下であることが望ましい。
As a method for forming the
Although the surface of the
The specific resistance of the
絶縁層14は、非晶質あるいは結晶性、更には複合系の低融点ガラス層からなる。絶縁層14は、PbO−P2O5−SnF2やPbO−SiO2−B2O3などの酸化鉛を含む低融点ガラス、あるいは、硼珪酸ビスマス塩系、硼酸ビスマス亜鉛系、アルミノリン酸塩系、リン酸亜鉛系、硼珪酸塩系などの非鉛系の低融点ガラスからなる低融点ガラス層を1層または複数層、金属配線層12が形成された領域の上に印刷法などによって成膜することにより、金属配線層を絶縁被覆するものである。絶縁層14は環境上または安全上、鉛を含まないものが特に好ましい。絶縁層14を複数層からなるものとする場合には、例えば、溶融温度の異なる2種以上の低融点ガラスで形成することができる。
The insulating
本実施形態の電極基板1によれば、透明導電層11上に金属配線層12が設けられているので、電極基板1の抵抗の低下を図ることができる。また、本実施形態の電極基板1によれば、基材10の熱膨張率αと絶縁層14の熱膨張率βとが、関係式「0.5≦(β/α)≦1.8」を満たし、透明導電層11の厚みが0.05〜5μmであるのものとされているので、熱処理に伴う体積変化に起因する亀裂が生じにくく、金属配線から電解液への漏電や金属配線層の腐食による特性の劣化を抑制することができる。しかも、本実施形態の電極基板1は、絶縁層14が低融点ガラス層であるので、金属配線層12を緻密に被覆でき、電解質層を構成する電解液などに対する耐薬品性に優れたものとなる。
According to the
以下、本発明の電極基板の改変例を説明する。以下の改変例の電極基板において、図1と同一の符号を付したものは、図1に示す電極基板と同一または同様の構成によることを示し、重複する説明を省略することがある。 Hereinafter, modified examples of the electrode substrate of the present invention will be described. In the following modified example of the electrode substrate, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or similar configuration as the electrode substrate shown in FIG. 1, and redundant description may be omitted.
図3に示す電極基板が図1に示す電極基板と異なるところは、透明導電層11の上に遮蔽層13が設けられているところである。金属配線層12と比較すれば問題は小さいが、透明導電層11からの漏電も指摘されていることから、透明導電層11の上を覆うように遮蔽層13を設けることにより、より高い遮蔽効果を得ることができる。
The electrode substrate shown in FIG. 3 is different from the electrode substrate shown in FIG. 1 in that a
遮蔽層13の材料としては、酸化還元種を含む電解液との電子移動反応速度が低く、かつ光透過性や光電子の移動能が高い化合物が選択され、酸化チタン(TiO2 )、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化スズ(SnO2 )などの酸化物半導体が例示される。
遮蔽層13は、透明導電層11への電子移動を妨げない程度に薄く形成されていることが必要であり、1〜1000nm程度の厚さとすることが好ましい。
As the material of the
The
遮蔽層13を形成する方法としては、特に限定はなく、例えば、目的化合物である酸化物半導体またはその前駆体をスパッタ法、蒸着法、CVD法などの乾式法(気相法)により製膜する方法が挙げられる。例えば金属などの前駆体を製膜した場合には、加熱処理または化学処理などにより酸化させることにより、遮蔽層13を得ることができる。湿式法の場合、目的化合物またはその前駆体を含有する液をスピンコート法、ディッピング法、ブレードコート法などの方法により塗布したのち、加熱処理や化学処理などにより目的の化合物に化学変化させることにより、遮蔽層13を得ることができる。前駆体としては、目的化合物の構成金属元素を有する塩類、錯体などが例示される。緻密な膜を得るためには、分散液よりも、溶液のほうが好ましい。遮蔽層13を形成する他の方法として、例えば、スプレー熱分解法を用い、透明導電層11を有する基材10を加熱した状態で、この基材10に向けて遮蔽層13の前駆体となる物質を噴霧して熱分解させ、目的とする酸化物半導体に変化させることにより、遮蔽層13を形成する方法を用いることもできる。
このようにして、透明導電層11を遮蔽するための遮蔽層13を設けることにより、透明導電層11からの漏電を抑制することができるので、より光電変換効率の高い光電変換素子を作製することができる。
The method for forming the
In this way, by providing the
次に、本発明の光電変換素子について説明する。
図4に、色素増感太陽電池を構成する光電変換素子の一例を示す。この光電変換素子6は、図1に示す電極基板1上に酸化物半導体多孔膜2を有する作用極3と、作用極3に対向して設けられた対極4とを備える。そして、作用極3と対極4との間には、電解液などの電解質などからなる電荷移送層5が形成されている。図4に示す光電変換素子6において、電極基板1の表面上には、増感色素が担持された酸化物半導体多孔膜2が形成されており、電極基板1と酸化物半導体多孔膜2とにより、光電変換素子6の作用極3が構成される。
なお、図4において、電極基板1は、図1に示す構成の電極基板1を図示したが、特にこれに限定されるものではない。
Next, the photoelectric conversion element of the present invention will be described.
In FIG. 4, an example of the photoelectric conversion element which comprises a dye-sensitized solar cell is shown. This
In addition, in FIG. 4, although the
酸化物半導体多孔膜2は、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化タングステン(WO3 )、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニオブ(Nb2O5)などの1種または複数種を複合させた酸化物半導体微粒子からなる多孔質の薄膜である。酸化物半導体微粒子の平均粒径は、1〜1000nmの範囲内が好ましい。また、酸化物半導体多孔膜2の厚さは、0.5〜50μm程度が好ましい。 The oxide semiconductor porous film 2 includes one or more of titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), zinc oxide (ZnO), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and the like. Is a porous thin film made of oxide semiconductor fine particles. The average particle diameter of the oxide semiconductor fine particles is preferably in the range of 1 to 1000 nm. The thickness of the oxide semiconductor porous film 2 is preferably about 0.5 to 50 μm.
酸化物半導体多孔膜2を形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、市販の酸化物半導体微粒子を所望の分散媒に分散させた分散液、あるいは、ゾル−ゲル法により調整できるコロイド溶液を、必要に応じて所望の添加剤を添加した後、スクリーンプリント法、インクジェットプリント法、ロールコート法、ドクターブレード法、スピンコート法、スプレー塗布法など公知の塗布により塗布する方法が挙げられる。このほか、コロイド溶液中に電極基板1を浸漬して電気泳動により酸化物半導体微粒子を電極基板1上に付着させる泳動電着法、コロイド溶液や分散液に発泡剤を混合して塗布した後、焼結して多孔質化する方法、ポリマーマイクロビーズを混合して塗布した後、このポリマーマイクロビーズを加熱処理や化学処理により除去して空隙を形成させ多孔質化する方法などを適用することができる。
The method for forming the oxide semiconductor porous film 2 is not particularly limited, but can be adjusted by, for example, a dispersion obtained by dispersing commercially available oxide semiconductor fine particles in a desired dispersion medium, or a sol-gel method. Examples include a method in which a colloid solution is applied by a known application method such as a screen printing method, an ink jet printing method, a roll coating method, a doctor blade method, a spin coating method, or a spray coating method after adding desired additives as necessary. It is done. In addition, after the
酸化物半導体多孔膜2に担持される増感色素は、特に制限されるものではなく、例えば、ビピリジン構造、ターピリジン構造などを配位子に含むルテニウム錯体や鉄錯体、ポルフィリン系やフタロシアニン系の含金属錯体をはじめ、クマリン、エオシン、ローダミン、メロシアニンなどの誘導体である有機色素などから、用途や酸化物半導体に適した励起挙動をとるものなどを、適宜選択して用いることができる。 The sensitizing dye supported on the oxide semiconductor porous film 2 is not particularly limited, and includes, for example, a ruthenium complex, an iron complex, a porphyrin-based or a phthalocyanine-based including a bipyridine structure, a terpyridine structure, or the like as a ligand. From metal complexes, organic dyes such as coumarins, eosin, rhodamine, merocyanine, and the like, those having an excitation behavior suitable for applications and oxide semiconductors can be appropriately selected and used.
電荷移送層5を電解質により構成する場合、例えば、酸化還元対を含む電解液を用いることができる。また、上記電解液を高分子ゲル化剤、低分子ゲル化剤、各種ナノ粒子、カーボンナノチューブなどの適当なゲル化剤によって擬似固体化したゲル状電解質を用いても良い。電解液の溶媒としては、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの有機溶媒や、イミダゾリウム系カチオンやピロリジニウム系カチオン、ピリジニウム系カチオンとヨウ化物イオン、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドアニオン、ジシアノアミドアニオン、チオシアン酸アニオンなどからなる室温溶融塩から選択して用いることができる。
When the
前記電解質に含有される酸化還元対としては、特に限定されることなく、ヨウ素/ヨウ化物イオン、臭素/臭化物イオンなどのペアを添加して得ることができる。ヨウ化物イオンまたは臭化物イオンの供給源としては、リチウム塩、四級化イミダゾリウム塩、テトラブチルアンモニウム塩などを単独または複合して用いることができる。電解質には、必要に応じて4−tert−ブチルピリジン(TBP)、N−メチルベンズイミダゾール、グアニジニウム塩、または、その誘導体などの添加物を添加しても構わない。 The redox pair contained in the electrolyte is not particularly limited, and can be obtained by adding a pair of iodine / iodide ions, bromine / bromide ions and the like. As a supply source of iodide ion or bromide ion, lithium salt, quaternized imidazolium salt, tetrabutylammonium salt and the like can be used alone or in combination. If necessary, additives such as 4-tert-butylpyridine (TBP), N-methylbenzimidazole, guanidinium salt, or a derivative thereof may be added to the electrolyte.
対極4としては、例えば、導電性基板またはガラスなどの非導電性材料からなる基板上に、各種炭素系材料や、導電性高分子、金、白金などの金属材料、ITOやFTOなどの導電性酸化物半導体からなる電極を形成したものを用いることができる。
電極は、例えば、白金膜であれば、塩化白金酸を塗布して熱処理するなどの方法が例示できる。また、蒸着法やスパッタ法によって電極を形成してもよい。
As the counter electrode 4, for example, on a conductive substrate or a substrate made of a non-conductive material such as glass, various carbon-based materials, a conductive polymer, a metal material such as gold or platinum, or a conductive material such as ITO or FTO. An electrode formed with an electrode made of an oxide semiconductor can be used.
If the electrode is a platinum film, for example, a method of applying chloroplatinic acid and heat-treating it can be exemplified. Further, the electrode may be formed by vapor deposition or sputtering.
本実施の形態の光電変換素子6によれば、電極基板1が透明導電層11に電気的に接続された金属配線層12を有しているので、電極基板1の抵抗の低下を図ることができ、セル特性を大幅に向上することができる。しかも、本実施形態の電極基板1によれば、基板10の熱膨張率をα、絶縁層14の熱膨張率をβと定義すると、関係式「0.5≦(β/α)≦1.8」を満たすものとされているので、熱処理に伴う体積変化に起因する亀裂が生じにくく、金属配線層12が電荷移送層5の電解液などから確実に遮蔽され、金属配線から電解液への漏電や金属配線層の腐食による特性の劣化を抑制することができる。
According to the
<実験例1>
本例では、以下の手順により、図1に示す電極基板を作製した。
まず、塩化スズ(IV)五水和物のエタノール溶液中にフッ化アンモニウムの飽和水溶液を加えて溶解し、FTO膜用原料液を作製した。
次いで、基材10の他方の面(以下、「裏面」とも呼ぶ)がヒータプレートに接するように設置して加熱しながら、スプレーノズルを用いてFTO膜用原料液を基材10の一方の面(以下、「表面」とも呼ぶ)上に噴霧してFTO膜(膜厚は0.05〜5μmの範囲で調整)を形成することにより、透明導電層11を得た。
ここで、基材10としては、高歪点ガラス(旭硝子社製:PD200、140mm角、厚さ2.8mm)を用いた。
<Experimental example 1>
In this example, the electrode substrate shown in FIG. 1 was produced by the following procedure.
First, a saturated aqueous solution of ammonium fluoride was added and dissolved in an ethanol solution of tin (IV) chloride pentahydrate to prepare an FTO film raw material solution.
Next, the FTO film raw material liquid is applied to the one surface of the
Here, as the
次いで、FTO膜からなる透明導電層11上に、印刷用銀ペースト(焼結後の体積抵抗率が3×10−6[Ω・cm]のもの)をスクリーン印刷し、10分間のレベリング後、130℃にて乾燥し、さらに最高温度510℃にて焼成することにより、銀回路をなす金属配線層12を得た。
ここで、金属配線層12の回路幅(設計値)は300μm、膜厚は10μmとし、集電端子から格子状に延びる形状にて形成した。続いて、CCDカメラを用いて位置合わせを行いながら、金属配線層12と重ね合わせ、スクリーン印刷により低融点ガラスを印刷塗布した後、130℃にて乾燥し、さらに最高500℃にて焼成した。この作業を複数回繰り返し、配線保護の役割を担う絶縁層14を得て、実験例1の電極基板(以下、「試料1」とも呼ぶ)とした。
ここで、絶縁層14としては、低融点ガラスA(福田金属箔粉工業社製、硼酸鉛系)を用いた。
なお、絶縁層14の形成幅(設計値)は、金属配線層12の幅方向両側に片側あたり150μm余剰に形成された600μmとした。
Next, a silver paste for printing (with a volume resistivity of 3 × 10 −6 [Ω · cm] after sintering) is screen-printed on the transparent
Here, the circuit width (design value) of the
Here, as the insulating
In addition, the formation width (design value) of the insulating
<実験例2>
本例では、基材10として、高歪点ガラスに代えて耐熱ガラス(SCHOTT社製:TEMPAX8330、140mm角、厚さ1.1mm)を用いた点のみ実験例1と異なり、他の点は実験例1と同様とし、電極基板(以下、「試料2」とも呼ぶ)を作製した。
<Experimental example 2>
This example is different from Experimental Example 1 only in that heat-resistant glass (manufactured by SCHOTT: TEMPAX 8330, 140 mm square, thickness 1.1 mm) is used as the
<実験例3>
本例では、絶縁層14としては、低融点ガラスB(福田金属箔粉工業社製、珪酸亜鉛りん系)を用いた点のみ実験例1と異なり、他の点は実験例1と同様とし、電極基板(以下、「試料3」とも呼ぶ)を作製した。
<Experimental example 3>
In this example, the insulating
<実験例4>
本例では、基材10として、高歪点ガラスに代えて耐熱ガラス(SCHOTT社製:TEMPAX8330、140mm角、厚さ1.1mm)を用いた点のみ実験例3と異なり、他の点は実験例3と同様とし、電極基板(以下、「試料4」とも呼ぶ)を作製した。
<Experimental example 4>
This example is different from Experimental Example 3 only in that heat-resistant glass (manufactured by SCHOTT: TEMPAX 8330, 140 mm square, thickness 1.1 mm) is used as the
<実験例5>
本例では、絶縁層14としては、低融点ガラスC(福田金属箔粉工業社製、硼酸ビスマス系)を用いた点のみ実験例1と異なり、他の点は実験例1と同様とし、電極基板(以下、「試料5」とも呼ぶ)を作製した。
<Experimental example 5>
In this example, the insulating
<実験例6>
本例では、基材10として、高歪点ガラスに代えて耐熱ガラス(SCHOTT社製:TEMPAX8330、140mm角、厚さ1.1mm)を用いた点のみ実験例5と異なり、他の点は実験例5と同様とし、電極基板(以下、「試料6」とも呼ぶ)を作製した。
<Experimental example 6>
This example is different from Experimental Example 5 only in that a heat-resistant glass (manufactured by SCHOTT: TEMPAX 8330, 140 mm square, thickness 1.1 mm) is used as the
実験例1〜実験例6で用いた基材10と絶縁層14それぞれの材料および熱膨張率については、表1に纏めて示す。表1において、αは「基材の熱膨張率」を、βは「絶縁層の熱膨張率」を、○印は「損傷なし」を、×印は「損傷あり(Ag配線まで達する亀裂発生)」を、それぞれ表す。また、「β/α」欄から明らかなように、実験例1、3、5が本発明に係る関係式「0.5≦(β/α)≦1.8」を満たす事例であるのに対して、残りの実験例2、4、6はこの関係式から外れた事例である。
The materials and thermal expansion coefficients of the
各実験例により得た電極基板(試料1〜6)を光学顕微鏡または電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、表1の「配線保護特性」欄に示すように、本発明に係る関係式「0.5≦(β/α)≦1.8」を満たす実験例1、3、5により得た電極基板(試料1、3、5)では、絶縁層14にAg層まで達するような亀裂はなく、配線保護層として好ましい、緻密な絶縁層14が形成されていることが確認された。これに対して、本発明に係る関係式から外れた事例である実験例2、4、6により得た電極基板(試料2、4、6)では、絶縁層14にAg層まで達するような亀裂が発生することが分かった。
The electrode substrate (
<評価1:電極の耐食性>
対極となる、厚さ50μmの絶縁樹脂シートをスペーサーとして介在させた状態で、表面に白金層とFTO膜とからなる電極が形成されたガラス基板12を用意し、各実験例により作製した電極基板(試料1〜6)のそれぞれに、配線形成面が対極方向を向くようにして重ね合わせ、両基板間にヨウ素電解液を注入した後、しばらく放置する。
上記工程1の後、外観検査を行った。その結果、緻密な保護層が形成されている3つのサンプル(試料1、3、5)では外観の変化が見られなかったのに対し、保護層に亀裂が生じたサンプル(試料2、4、6)ではヨウ素電解液浸透に伴い、銀回路に腐食が発生し、また、ヨウ素電解液の退色が見られた。
<Evaluation 1: Electrode corrosion resistance>
A
After
<評価2:素子の特性>
各実験例により得た電極基板(試料1〜6)を用いて色素増感太陽電池(光電変換素子)を作製し、特性評価を行った。素子の作製法、測定条件は以下の通りである。
(1)基板上に銀回路をなす金属配線層12を形成後、TiO2 ナノ粒子を含むペーストをスクリーン印刷にて塗布し、乾燥後、500℃で焼結した。
(2)次に、配線保護層として働く絶縁層14を形成し、これをルテニウムビピリジン錯体(N719色素)のアセトニトリル/t−ブタノール溶液中に一昼夜以上浸漬して色素担持し、光電極とした。
(3)対極としては、白金層をスパッタ形成したTi箔を用意した。
(4)不活性ガスを充填した循環精製型グローブボックス内にて、光電極上にヨウ素電解質を展開し、対極と向き合わせて、両者を重ね合わせた後、周辺を紫外線硬化樹脂で封止した。
上記構成(1)〜(4)により、各実験例の電極基板(試料1〜6)を用いた色素増感太陽電池を得た。
<Evaluation 2: Element characteristics>
Dye-sensitized solar cells (photoelectric conversion elements) were prepared using the electrode substrates (
(1) After forming the
(2) Next, an insulating
(3) As a counter electrode, a Ti foil on which a platinum layer was formed by sputtering was prepared.
(4) In a circulating and purifying glove box filled with an inert gas, an iodine electrolyte was developed on the photoelectrode, faced with the counter electrode, overlapped with each other, and then the periphery was sealed with an ultraviolet curable resin.
With the above configurations (1) to (4), dye-sensitized solar cells using the electrode substrates (
その際、ヨウ素電解質としては、以下のものを用いた。
電解質Aは、「メトキシアセトニトリル中に0.5Mの1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム ヨウ化物と0.05Mのヨウ素とを溶解し、さらに、適量のヨウ化リチウムと4−t−ブチルピリジンを加えたもの」である。
電解質bは、「1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム ヨウ化物とヨウ素とを10:1のモル比で混合し、これに適量のN−メチルベンズイミダゾールとチオシアン酸グアニジニウムを加え、さらに、これに4wt%のSiO2 ナノ粒子を配合し、十分に混練して擬固体状としたもの」である。
At that time, the following was used as the iodine electrolyte.
Electrolyte A is “dissolving 0.5
The electrolyte b was prepared by mixing “1-hexyl-3-methylimidazolium iodide and iodine in a molar ratio of 10: 1, adding an appropriate amount of N-methylbenzimidazole and guanidinium thiocyanate to this, “4 wt% SiO 2 nanoparticles were blended and kneaded sufficiently to form a quasi-solid state”.
色素増感太陽電池の発電特性は、AM1.5,100mW/cm2 の擬似太陽光を照射して測定した。表2は、各実験例により得た電極基板(試料1〜6)を用いてなる色素増感太陽電池(光電変換素子)の発電特性を纏めたものである。
The power generation characteristics of the dye-sensitized solar cell were measured by irradiating simulated sunlight with AM 1.5, 100 mW / cm 2 . Table 2 summarizes the power generation characteristics of the dye-sensitized solar cells (photoelectric conversion elements) using the electrode substrates (
表2より、以下の点が明らかとなった。
(イ)保護層に亀裂が生じていた電極基板(試料2、4、6)を用いた電池では、測定時に既に銀配線の腐食がはじまっており、集電機能が損なわれていたため内部抵抗が上がり、低出力となる。
(ロ)これに対して、緻密な配線保護層が形成された電極基板(試料1、3、5)を用いた電池は、良好な光電変換特性をもつ。
表2には掲載しないが、(配線)保護層に(連通)亀裂が生じていた電極基板(試料2、4、6)を用いた電池では、その後も時間の経過とともに、出力低下する傾向が認められた。
以上の評価結果より、基材10の熱膨張率αと絶縁層14の熱膨張率βとが、関係式「0.5≦(β/α)≦1.8」を満たす電極基板は、金属配線から電解液への漏電や金属配線層の腐食による特性の劣化を抑制し、良好な発電特性を有する光電変換素子をもたらすことが確認された。
From Table 2, the following points became clear.
(B) In the battery using the electrode substrate (samples 2, 4, 6) in which the protective layer was cracked, the corrosion of the silver wiring had already begun at the time of measurement, and the current collecting function was impaired, so the internal resistance was Raises and lowers output.
(B) In contrast, a battery using an electrode substrate (
Although not listed in Table 2, in the battery using the electrode substrate (samples 2, 4, 6) in which the (wiring) protective layer was cracked (communication), the output tends to decrease with the passage of time thereafter. Admitted.
From the above evaluation results, the electrode substrate in which the thermal expansion coefficient α of the
1 電極基板、2 酸化物半導体多孔膜、3 作用極、4 対極、5 電荷移送層、6 光電変換素子、10 基材、11 透明導電層、12 金属配線層、13 遮蔽層、14 絶縁層、21 亀裂、31 腐食。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記基材の熱膨張率をα、前記絶縁層の熱膨張率をβと定義した場合、前記βを前記αで除した値が0.8以上1.44以下となる材料を、前記基材、前記絶縁層として用いることを特徴とする電極基板の製造方法。 A method for producing an electrode substrate, wherein a transparent conductive layer, a metal wiring layer, and an insulating layer made of low-melting glass covering the metal wiring layer are sequentially stacked on a substrate made of glass,
When the coefficient of thermal expansion of the substrate is defined as α and the coefficient of thermal expansion of the insulating layer is defined as β, a material in which the value obtained by dividing β by α is 0.8 or more and 1.44 or less is used. The electrode substrate is used as the insulating layer.
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