JP7693364B2 - Metal oxide paste composition for photoelectric conversion element and method for producing same - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements and a method for producing the same.
色素増感太陽電池やペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子の負極は、酸化チタン等の金属酸化物ペースト組成物を導電性基板の上に塗布し、焼成したのち、色素を担持して作製する方法が最も一般的である。 The most common method for producing negative electrodes for photoelectric conversion elements such as dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells is to apply a metal oxide paste composition such as titanium oxide onto a conductive substrate, sinter it, and then load the dye onto the substrate.
この金属酸化物ペースト組成物について、より高性能な(変換効率が高い)もの、より塗布性が良好で均質な膜が得られるものが望まれている。この際、金属酸化物ペースト組成物を構成する溶媒としては、通常α-テルピネオール等のアルコール性OH基を有する溶媒が使用されている(特許文献1等)。 There is a demand for metal oxide paste compositions with higher performance (higher conversion efficiency) and better coatability to produce homogeneous films. In this case, the solvent that constitutes the metal oxide paste composition is usually a solvent having an alcoholic OH group, such as α-terpineol (Patent Document 1, etc.).
しかしながら、色素担持量を増やすために、粒径の小さい金属酸化物ナノ粒子を用いた場合、従来の金属酸化物ペースト組成物においては、上記のようにアルコール性OH基を有する溶媒を使用しているため、ペーストの焼成後、割れやすいという問題があった。 However, when small-particle metal oxide nanoparticles are used to increase the amount of dye carried, conventional metal oxide paste compositions use solvents with alcoholic OH groups as described above, which creates the problem that the paste is prone to cracking after firing.
このようなクラックの問題を解決するため、簡易且つ環境負荷の低い金属酸化物ペースト組成物を作製する方法として、金属酸化物に水と硝酸等の酸、アセチルアセトン等の表面改質剤、Triton X-100等の界面活性剤、ポリエチレングリコール等の高分子バインダを加え、ボールミル等で均一化する方法も知られている(非特許文献1)。 To solve this problem of cracks, a method for producing a metal oxide paste composition that is simple and has a low environmental impact is known in which water, an acid such as nitric acid, a surface modifier such as acetylacetone, a surfactant such as Triton X-100, and a polymer binder such as polyethylene glycol are added to the metal oxide, and the mixture is homogenized using a ball mill or the like (Non-Patent Document 1).
しかしながら、エネルギー変換効率の高い水ベースの金属酸化物ペースト組成物を作製するためには、水熱合成法によって合成された金属酸化物ナノ粒子を用いることが多いが、バインダとして最も用いられるエチルセルロースは水に溶けない。よって、溶媒をα-テルピネオールに置換することが行われているが、α-テルピネオールは非水溶性溶媒であるため、水からエタノールに置換し、次いで、エタノールからα-テルピネオールに置換する手法が用いられる。このように、複数回の溶媒置換が行われる一方で、水熱合成法によって合成された金属酸化物ナノ粒子は非常に粒子が小さく分散性がよいことから、ろ過で溶媒置換をすることは不可能で、遠心分離による溶媒置換もスケールアップが困難である。 However, to produce a water-based metal oxide paste composition with high energy conversion efficiency, metal oxide nanoparticles synthesized by hydrothermal synthesis are often used, but ethyl cellulose, which is most often used as a binder, is not soluble in water. Therefore, the solvent is replaced with α-terpineol, but since α-terpineol is a water-insoluble solvent, a method is used in which water is replaced with ethanol, and then ethanol is replaced with α-terpineol. In this way, while multiple solvent replacements are performed, metal oxide nanoparticles synthesized by hydrothermal synthesis have very small particles and good dispersibility, so solvent replacement by filtration is impossible, and solvent replacement by centrifugation is difficult to scale up.
一方、上記に挙げた水ベースで金属酸化物ペースト組成物を作製する方法は、水熱合成法によって合成されたものから直接金属酸化物ペースト組成物を作製することができるが、水の沸点が低いために保存や印刷中に粘度上昇等状態が変わりやすい問題、保存中に不均一化しやすい問題、硝酸の有害性や周囲の腐食の問題等があり、工業的には使用できない。 On the other hand, the above-mentioned method of producing a water-based metal oxide paste composition allows the production of a metal oxide paste composition directly from the composition synthesized by hydrothermal synthesis, but it has problems such as the low boiling point of water, which makes the state prone to change during storage or printing, such as an increase in viscosity, the tendency for the composition to become non-uniform during storage, the harmfulness of nitric acid, and corrosion of the surroundings, and therefore cannot be used industrially.
そこで、本発明は、簡易且つ環境負荷の低い方法で作製することができ、焼成時の割れが生じにくく、保存中に不均一化しにくく、エネルギー変換効率の高い電極を形成することができる金属酸化物ペースト組成物を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a metal oxide paste composition that can be produced using a simple method with low environmental impact, is less likely to crack during firing, is less likely to become non-uniform during storage, and can form electrodes with high energy conversion efficiency.
上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、本発明者らは、金属酸化物と、水溶性又は水分散性バインダと、特定の有機溶媒とを特定量使用したペースト組成物を使用することで、上記課題を解決し、簡易且つ環境負荷の低い方法で作製することができ、焼成時の割れが生じにくく、保存中に不均一化しにくく、エネルギー変換効率の高い電極を形成することができることを見出した。そして、さらに研究を重ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下の構成を包含する。 As a result of intensive research in consideration of the above object, the inventors have found that the above problem can be solved by using a paste composition using specific amounts of a metal oxide, a water-soluble or water-dispersible binder, and a specific organic solvent, and that it is possible to form an electrode that is easy to prepare with a low environmental impact method, is less likely to crack during firing, is less likely to become non-uniform during storage, and has high energy conversion efficiency. After further research, the present invention has been completed. In other words, the present invention includes the following configurations.
項1.金属酸化物、バインダ及び有機溶媒を含有する光電変換素子用ペースト組成物であって、
前記バインダは、水溶性又は水分散性バインダを含み、
前記有機溶媒は、沸点120℃以上の水溶性有機溶媒を含み、且つ、
前記光電変換素子用ペースト組成物の総量を100質量%として、前記金属酸化物の含有量が5~25質量%であり、前記有機溶媒の含有量が60~92.5質量%であり、
前記金属酸化物の総量を100質量%として、前記バインダの含有量が30~70質量%である、ペースト組成物。
Item 1. A paste composition for a photoelectric conversion element, comprising a metal oxide, a binder, and an organic solvent,
the binder comprises a water-soluble or water-dispersible binder;
The organic solvent includes a water-soluble organic solvent having a boiling point of 120° C. or higher, and
the content of the metal oxide is 5 to 25 mass % and the content of the organic solvent is 60 to 92.5 mass % relative to 100 mass % of the total amount of the paste composition for photoelectric conversion elements;
The paste composition has a binder content of 30 to 70 mass % relative to 100 mass % of the total amount of the metal oxides.
項2.前記バインダが、水溶性セルロース化合物である、項1に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 2. The paste composition for photoelectric conversion elements according to Item 1, wherein the binder is a water-soluble cellulose compound.
項3.前記バインダが、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、カルボキシメチルセルロースカリウム塩、カルボキシメチルセルロースアンモニウム塩、アルギン酸、キサンタンガム、タマリンドシードガム、ローカストビーンガム、ジェランガム、ペクチン、カラギナン、グァーガム、寒天、カラヤガム、サクシノグリカン、セルロースナノファイバー、デキストリン、キトサン、カードラン、アガロース、デキストラン、グルカン、グルコマンナン、キシラン及びキシログルカンよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1又は2に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 3. The paste composition for photoelectric conversion elements according to item 1 or 2, wherein the binder is at least one selected from the group consisting of hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, sodium salt of carboxymethyl cellulose, potassium salt of carboxymethyl cellulose, ammonium salt of carboxymethyl cellulose, alginic acid, xanthan gum, tamarind seed gum, locust bean gum, gellan gum, pectin, carrageenan, guar gum, agar, karaya gum, succinoglycan, cellulose nanofiber, dextrin, chitosan, curdlan, agarose, dextran, glucan, glucomannan, xylan, and xyloglucan.
項4.前記バインダの数平均分子量が15万以下である、項1~3のいずれか1項に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 4. A paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 3, in which the number average molecular weight of the binder is 150,000 or less.
項5.前記有機溶媒が、一般式(1):
R1(OR2)nOH
[式中、R1は水素原子、アルキル基又はアシル基を示す。R2はアルキレン基を示す。nは0~5の整数を示す。nが2以上の場合、複数のR2は同一でも異なっていてもよい。]
で表される有機溶媒を含有する、項1~4のいずれか1項に記載の光電変換素子用ペースト組成物。
Item 5. The organic solvent is represented by the general formula (1):
R 1 (OR 2 ) n OH
[In the formula, R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, or an acyl group. R 2 represents an alkylene group. n represents an integer of 0 to 5. When n is 2 or more, multiple R 2s may be the same or different.]
Item 5. The paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 4, containing an organic solvent represented by the formula:
項6.前記有機溶媒が、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、1,3-プロパンジオール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、2,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、並びにこれらのモノアルキル誘導体及び酢酸エステルよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、項1~5のいずれか1項に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 6. The paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 5, wherein the organic solvent contains at least one selected from the group consisting of ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, 1,3-propanediol, propylene glycol, dipropylene glycol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, 1,5-pentanediol, and monoalkyl derivatives and acetate esters thereof.
項7.前記金属酸化物が、酸化チタン及び/又は酸化亜鉛を含有する、項1~6のいずれか1項に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 7. The paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 6, wherein the metal oxide contains titanium oxide and/or zinc oxide.
項8.色素増感太陽電池又はペロブスカイト太陽電池用である、項1~7のいずれか1項に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 8. A paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 7, for use in dye-sensitized solar cells or perovskite solar cells.
項9.色素増感太陽電池又はペロブスカイト太陽電池の負極用である、項1~8のいずれか1項に記載の光電変換素子用ペースト組成物。 Item 9. A paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 8, which is for use in the negative electrode of a dye-sensitized solar cell or a perovskite solar cell.
項10.項1~9のいずれかに記載の光電変換素子用ペースト組成物の製造方法であって、
(1)前記金属酸化物を含む水分散液と、前記バインダと、前記有機溶媒とを、同時又は逐次的に混合する工程
を備える、製造方法。
Item 10. A method for producing a paste composition for photoelectric conversion elements according to any one of items 1 to 9, comprising:
(1) A production method comprising a step of simultaneously or sequentially mixing the aqueous dispersion containing the metal oxide, the binder, and the organic solvent.
項11.前記工程(1)が、前記金属酸化物を含む水分散液と前記有機溶媒とを混合した後に、前記バインダと混合する工程である、項10に記載の製造方法。 Item 11. The manufacturing method according to item 10, in which the step (1) is a step of mixing the aqueous dispersion containing the metal oxide with the organic solvent and then mixing the mixture with the binder.
項12.さらに、
(2)前記工程(1)で得られた分散液を濃縮する工程
を備える、項10又は11に記載の製造方法。
Item 12. Furthermore,
(2) The method according to item 10 or 11, further comprising a step of concentrating the dispersion obtained in the step (1).
項13.導電性基板上に、項1~9のいずれかに記載の光電変換素子用ペースト組成物の乾燥物からなる多孔質塗膜が形成された、光電変換素子用負極。 Item 13. A negative electrode for a photoelectric conversion element, in which a porous coating film made of a dried product of the paste composition for a photoelectric conversion element described in any one of items 1 to 9 is formed on a conductive substrate.
項14.色素増感太陽電池又はペロブスカイト太陽電池用負極である、項13に記載の光電変換素子用負極。 Item 14. The negative electrode for a photoelectric conversion element according to Item 13, which is a negative electrode for a dye-sensitized solar cell or a perovskite solar cell.
項15.項13又は14に記載の光電変換素子用負極を備える、光電変換素子。 Item 15. A photoelectric conversion element comprising the negative electrode for a photoelectric conversion element according to item 13 or 14.
項16.色素増感太陽電池又はペロブスカイト太陽電池である、項15に記載の光電変換素子。 Item 16. The photoelectric conversion element according to item 15, which is a dye-sensitized solar cell or a perovskite solar cell.
本発明によれば、簡易且つ環境負荷の低い方法で作製することができ、焼成時の割れが生じにくく、保存中に不均一化しにくく、エネルギー変換効率の高い電極を形成することができる金属酸化物ペースト組成物を提供することができる。 The present invention provides a metal oxide paste composition that can be produced using a simple method with low environmental impact, is less likely to crack during firing, is less likely to become non-uniform during storage, and can form electrodes with high energy conversion efficiency.
本明細書において、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」、及び「のみからなる(consist of)」のいずれも包含する概念である。 In this specification, "containing" is a concept that encompasses all of "comprise," "consist essentially of," and "consist of."
また、本明細書において、数値範囲を「A~B」で示す場合、A以上B以下を意味する。 In addition, in this specification, when a numerical range is indicated as "A to B," it means A or more and B or less.
以下、本発明の実施形態を説明するが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能である。 The following describes an embodiment of the present invention, but various changes in form and details are possible without departing from the spirit and scope of the claims.
1.光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物
本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物は、金属酸化物、バインダ及び有機溶媒を含有する光電変換素子用ペースト組成物であって、前記バインダは、水溶性又は水分散性バインダを含み、前記有機溶媒は、沸点120℃以上の水溶性有機溶媒を含み、且つ、前記ペースト組成物の総量を100質量%として、前記金属化合物の含有量が5~25質量%であり、前記バインダの含有量が2~15質量%であり、前記溶媒の含有量が60~92.5質量%である。
1. Metal oxide paste composition for photoelectric conversion element The metal oxide paste composition for photoelectric conversion element of the present invention is a paste composition for photoelectric conversion element containing a metal oxide, a binder, and an organic solvent, wherein the binder contains a water-soluble or water-dispersible binder, the organic solvent contains a water-soluble organic solvent having a boiling point of 120°C or higher, and the content of the metal compound is 5 to 25 mass%, the content of the binder is 2 to 15 mass%, and the content of the solvent is 60 to 92.5 mass%, relative to 100 mass% of the total amount of the paste composition.
(1-1)金属酸化物
金属酸化物としては、光半導体であることが好ましい。具体的には、チタン、亜鉛、スズ等の酸化物が挙げられ、チタン、亜鉛等の酸化物が好ましい。つまり、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ等が好ましく、酸化チタン、酸化亜鉛等がより好ましく、酸化チタンがさらに好ましい。
(1-1) Metal oxide The metal oxide is preferably an optical semiconductor. Specific examples include oxides of titanium, zinc, tin, etc., and oxides of titanium, zinc, etc. are preferred. In other words, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, etc. are preferred, titanium oxide, zinc oxide, etc. are more preferred, and titanium oxide is even more preferred.
本発明において、「酸化チタン」とは、二酸化チタン(TiO2)のみを指すものではなく、三酸化二チタン(Ti2O3);一酸化チタン(TiO);Ti4O7、Ti5O9等に代表される二酸化チタンから酸素欠損した組成のもの等も含むものである。また、末端OH基に代表されるように一部酸化チタンの合成に起因するTi-O-Ti以外の基を含んでいてもよい。また同様に、「酸化亜鉛」も、ZnOだけでなく、アンチモン酸亜鉛等も含む概念である。さらに、「酸化スズ」についても同様に、二酸化スズ(SnO2)だけでなく、一酸化スズ(SnO)等も含む概念である。 In the present invention, "titanium oxide" does not only refer to titanium dioxide (TiO 2 ), but also includes titanium trioxide (Ti 2 O 3 ); titanium monoxide (TiO); and titanium dioxide with oxygen deficiency, such as Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9. In addition, titanium oxide may contain groups other than Ti-O-Ti, such as terminal OH groups, which are partially derived from the synthesis of titanium oxide. Similarly, "zinc oxide" is a concept that includes not only ZnO but also zinc antimonate. Similarly, "tin oxide" is a concept that includes not only tin dioxide (SnO 2 ) but also tin monoxide (SnO).
上記の金属酸化物は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。また、上記の金属酸化物は、公知又は市販品を使用することができる。 The above metal oxides can be used alone or in combination of two or more. In addition, the above metal oxides can be publicly known or commercially available products.
酸化チタンを用いる場合は、活性が高いアナターゼ型酸化チタンを含むことが好ましい。より詳細には、酸化チタンのうち50%以上、特に70%以上がアナターゼ型酸化チタンであることが好ましい。ただし、ルチル型、ブルッカイト型等の酸化チタン結晶の他、アモルファス酸化チタン等を含んでいてもよい。 When titanium oxide is used, it is preferable that it contains anatase-type titanium oxide, which has high activity. More specifically, it is preferable that 50% or more, and particularly 70% or more of the titanium oxide is anatase-type titanium oxide. However, in addition to titanium oxide crystals such as rutile type and brookite type, amorphous titanium oxide, etc. may also be contained.
金属酸化物のサイズとしては、平均粒子径が5~100nmのナノサイズ、つまり、金属酸化物ナノ粒子であることが好ましく、その平均粒子径は10~50nmであることがより好ましい。ただし、光を散乱させるために、上記の平均粒子径5~100nmの金属酸化物ナノ粒子以外に、平均粒子径100nm以上の金属酸化物粒子や、アスペクト比を有する金属酸化物(酸化チタンナノチューブ、酸化チタンナノワイヤ等の繊維状又はチューブ状金属酸化物)を含有していてもよい。なお、金属酸化物のサイズ(平均粒子径)は、BET法により測定される比表面積から平均粒子径を計算により算出する。 The size of the metal oxide is preferably a nano-size with an average particle diameter of 5 to 100 nm, i.e., metal oxide nanoparticles, and more preferably an average particle diameter of 10 to 50 nm. However, in order to scatter light, in addition to the metal oxide nanoparticles with an average particle diameter of 5 to 100 nm, metal oxide particles with an average particle diameter of 100 nm or more and metal oxides with an aspect ratio (fibrous or tubular metal oxides such as titanium oxide nanotubes and titanium oxide nanowires) may be contained. The size (average particle diameter) of the metal oxide is calculated from the specific surface area measured by the BET method.
本発明においては、ペースト組成物を乾燥又は焼成させるときに、割れやすくなる小さい(平均粒子径が5~100nm程度である)金属酸化物を使用した場合であっても、割れを抑制できる点で有用である。このため、本発明では、色素担持量を増やすために、金属酸化物の平均粒子径を小さくすることが可能である。 The present invention is useful in that it can suppress cracking even when using small metal oxides (average particle size of about 5 to 100 nm) that tend to crack when the paste composition is dried or fired. For this reason, the present invention makes it possible to reduce the average particle size of the metal oxide in order to increase the amount of dye carried.
本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物中の金属酸化物の含有量は、光電変換素子用ペースト組成物の総量を100質量%として、5~25質量%、好ましくは7~23質量%、より好ましくは10~20質量%である。金属酸化物の含有量が5質量%未満では、必要な膜厚を確保するための印刷回数が増え、効率的ではない。また、金属酸化物の含有量が25質量%をこえると、粘度が上がりすぎて印刷が困難になる。なお、金属酸化物を複数使用する場合は、合計含有量が上記範囲内となるように調整することが好ましい。また、ペロブスカイト太陽電池用にペーストを希釈する場合、希釈後の金属酸化物の濃度は上記の限りではなく薄くてもよい。 The content of the metal oxide in the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention is 5 to 25% by mass, preferably 7 to 23% by mass, and more preferably 10 to 20% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the paste composition for photoelectric conversion elements. If the content of the metal oxide is less than 5% by mass, the number of printing operations required to ensure the required film thickness increases, which is not efficient. If the content of the metal oxide exceeds 25% by mass, the viscosity increases too much, making printing difficult. When multiple metal oxides are used, it is preferable to adjust the total content so that it is within the above range. When diluting the paste for perovskite solar cells, the concentration of the metal oxide after dilution is not limited to the above and may be low.
(1-2)バインダ
本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物には、光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物の粘度を増大させてチキソ性を持たせ、且つ、焼成後に粒子間に空隙を与え多孔質化を促進し、焼成時の割れを抑制するバインダが含まれている。
(1-2) Binder The metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention contains a binder that increases the viscosity of the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements to impart thixotropy, and that promotes porosity by providing voids between particles after firing, thereby suppressing cracking during firing.
バインダとしては、上記のとおり、エチルセルロース等の水に溶解しないバインダを使用する場合は、溶媒をα-テルピネオールに置換するために複数回の溶媒置換を行うことが必要である一方、金属酸化物ペースト組成物においてはろ過で溶媒置換をすることは不可能で、遠心分離による溶媒置換もスケールアップが困難であることから、本発明では、水溶性又は水分散性バインダを使用する。なかでも、本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物には有機溶媒(沸点120℃以上の水溶性有機溶媒)も含まれているため、本発明で使用するバインダは、有機溶媒中にも溶解又は分散する(有機溶媒溶解性又は有機溶媒分散性)であることが好ましい。 As described above, when using a binder that is not soluble in water, such as ethyl cellulose, it is necessary to perform solvent replacement multiple times to replace the solvent with α-terpineol. However, in the case of a metal oxide paste composition, solvent replacement by filtration is impossible, and solvent replacement by centrifugation is difficult to scale up. Therefore, in the present invention, a water-soluble or water-dispersible binder is used. In particular, since the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention also contains an organic solvent (a water-soluble organic solvent with a boiling point of 120°C or higher), it is preferable that the binder used in the present invention is soluble or dispersible in an organic solvent (organic solvent soluble or organic solvent dispersible).
なお、本明細書において、「水溶性」又は「有機溶媒溶解性」とは、それぞれ、水又は有機溶媒に溶解する性質を意味しており、具体的には、常温(25℃)において水又は有機溶媒に10g/L以上添加して均一且つ透明な状態が保持できることを意味する。ただし、その場合分子レベルまで均一であることを意味しない。例えば、一般的に「水溶性」とされているセルロース誘導体は水に添加して攪拌すると透明かつ均一な状態となるが、電子顕微鏡で観察するとナノファイバー状であるケースもある。
また、有機溶媒の水溶性については、任意の割合で水と均一にまじりあうことを意味する。
In this specification, "water-soluble" or "soluble in organic solvent" means the property of dissolving in water or organic solvent, respectively, and specifically means that a homogeneous and transparent state can be maintained when added to water or organic solvent at room temperature (25°C) at 10 g/L or more. However, in this case, it does not mean that it is homogeneous at the molecular level. For example, cellulose derivatives that are generally considered to be "water-soluble" become transparent and homogeneous when added to water and stirred, but in some cases they are nanofiber-like when observed under an electron microscope.
The water solubility of an organic solvent means that it is uniformly mixed with water in any ratio.
また、本明細書において、「水分散性」又は「有機溶媒分散性」とは、それぞれ、水又は有機溶媒に対して乳化又は分散して微粒子状態で安定化できる性質を意味しており、具体的には、室温(25℃)において水100質量部にバインダを1質量部添加した場合に、1時間以上静置しても沈殿が確認できないことを意味し、上記の水溶性、有機溶媒溶解性を包含するが、必ずしも分子レベルで均一でなくてもよく、白濁していてもよい。 In addition, in this specification, "water-dispersible" or "organic solvent-dispersible" means the property of being able to be emulsified or dispersed in water or an organic solvent and stabilized in a fine particle state, respectively. Specifically, this means that when 1 part by mass of the binder is added to 100 parts by mass of water at room temperature (25°C), no precipitation is observed even after leaving to stand for 1 hour or more. This includes the above-mentioned water solubility and organic solvent solubility, but does not necessarily have to be uniform at the molecular level and may be cloudy.
このようなバインダとしては、なかでも、金属酸化物との親和性等の観点から、水酸基を有するバインダ(好ましくは、水酸基を有する高分子化合物、特に、水酸基を有する多糖類)が好ましい。 Among such binders, from the viewpoint of affinity with metal oxides, etc., binders having hydroxyl groups (preferably polymer compounds having hydroxyl groups, in particular polysaccharides having hydroxyl groups) are preferred.
このような特性を有するバインダとして、具体的には、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、カルボキシメチルセルロースカリウム塩、カルボキシメチルセルロースアンモニウム塩、アルギン酸、キサンタンガム、タマリンドシードガム、ローカストビーンガム、ジェランガム、ペクチン、カラギナン、グァーガム、寒天、カラヤガム、サクシノグリカン、セルロースナノファイバー、デキストリン、キトサン、カードラン、アガロース、デキストラン、グルカン、グルコマンナン、キシラン、キシログルカン等の水酸基を有する多糖類が挙げられる。 Specific examples of binders having such properties include polysaccharides having hydroxyl groups, such as hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methylcellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxyethyl methylcellulose, methylcellulose, carboxymethyl cellulose, sodium salt of carboxymethyl cellulose, potassium salt of carboxymethyl cellulose, ammonium salt of carboxymethyl cellulose, alginic acid, xanthan gum, tamarind seed gum, locust bean gum, gellan gum, pectin, carrageenan, guar gum, agar, karaya gum, succinoglycan, cellulose nanofiber, dextrin, chitosan, curdlan, agarose, dextran, glucan, glucomannan, xylan, and xyloglucan.
上記したバインダは、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。上記のバインダは、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。また、上記の金属酸化物は、公知又は市販品を使用することができる。 The above-mentioned binders can be used alone or in combination of two or more. The above-mentioned binders can be used alone or in combination of two or more. The above-mentioned metal oxides can be publicly known or commercially available products.
これらのなかでも、金属酸化物との親和性や焼成時の分解しやすさ、チキソ性等の観点で、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、カルボキシメチルセルロースカリウム塩、カルボキシメチルセルロースアンモニウム塩等の水溶性セルロース化合物が好ましく、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、メチルセルロース等がより好ましく、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース等がさらに好ましく、後述の有機溶媒との親和性の観点からヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等が特に好ましい。 Among these, in terms of affinity with metal oxides, ease of decomposition during firing, thixotropy, and the like, water-soluble cellulose compounds such as hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, sodium carboxymethyl cellulose, potassium carboxymethyl cellulose, and ammonium carboxymethyl cellulose are preferred, with hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxyethyl methyl cellulose, and methyl cellulose being more preferred, with hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and hydroxyethyl methyl cellulose being even more preferred, and with hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, and hydroxypropyl methyl cellulose being particularly preferred in terms of affinity with organic solvents described below.
これら水溶性セルロース化合物を使用する場合は、その置換度は、特に制限されるわけではないが、水溶性、有機溶媒溶解性、金属酸化物との親和性、焼成時の分解しやすさ(クラックの発生しにくさ)、チキソ性、エネルギー変換効率等の観点から、0.3~5が好ましく、0.5~4がより好ましい。 When using these water-soluble cellulose compounds, the degree of substitution is not particularly limited, but is preferably 0.3 to 5, and more preferably 0.5 to 4, from the viewpoints of water solubility, solubility in organic solvents, affinity with metal oxides, ease of decomposition during firing (resistance to cracking), thixotropy, energy conversion efficiency, etc.
上記バインダの数平均分子量は特に制限されるものではなく、バインダの種類や要求される粘度によって最適な数平均分子量は異なるが、焼成時の焼け残りを抑制しやすい観点から、15万以下が好ましく、12万以下がより好ましい。なお、バインダの数平均分子量の下限値は特に制限はなく、通常1万程度である。 The number average molecular weight of the binder is not particularly limited, and the optimal number average molecular weight varies depending on the type of binder and the required viscosity. However, from the viewpoint of easily suppressing unburned residue during firing, it is preferably 150,000 or less, and more preferably 120,000 or less. There is no particular lower limit for the number average molecular weight of the binder, and it is usually about 10,000.
本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物中のバインダの含有量は、金属酸化物の総量を100質量%として、30~70質量%、好ましくは40~65質量%、より好ましくは45~60質量%である。バインダの金属酸化物に対する比率が30質量%未満の場合、細孔が十分に形成されず、印刷に必要な粘度やチキソ性が確保できない。また、バインダの金属酸化物に対する比率が70質量%をこえると、細孔が大きすぎて焼成後の多孔質構造がぜい弱になり強度が保持できず、電極の面積あたりのチタニアの表面積が確保できず、発電時の電流が低下する。なお、バインダを複数使用する場合は、金属酸化物に対する合計含有量が上記範囲内となるように調整することが好ましい。 The content of the binder in the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention is 30 to 70% by mass, preferably 40 to 65% by mass, and more preferably 45 to 60% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the metal oxide. If the ratio of the binder to the metal oxide is less than 30% by mass, the pores are not sufficiently formed, and the viscosity and thixotropy required for printing cannot be ensured. If the ratio of the binder to the metal oxide exceeds 70% by mass, the pores are too large, the porous structure after firing becomes weak, and the strength cannot be maintained, the surface area of titania per electrode area cannot be ensured, and the current during power generation decreases. When multiple binders are used, it is preferable to adjust the total content relative to the metal oxide to be within the above range.
(1-3)有機溶媒
光電変換素子用ペースト組成物に使用される有機溶媒は、水溶性且つ金属酸化物(酸化チタン等)と親和性が高く、且つ、後述の添加剤を溶解する溶媒が好ましいとされている。
(1-3) Organic Solvent The organic solvent used in the paste composition for photoelectric conversion elements is preferably a solvent that is water-soluble and has a high affinity with metal oxides (titanium oxide, etc.) and that can dissolve the additives described below.
このような観点から、本発明においては、有機溶媒としては、沸点120℃以上の水溶性有機溶媒を使用する。 From this perspective, in the present invention, a water-soluble organic solvent with a boiling point of 120°C or higher is used as the organic solvent.
有機溶媒の沸点は、使用中及び保存中の乾燥、粘度増大、不均一化防止のため120℃以上、ろ過や遠心分離を経ずに水から有機溶媒に溶媒置換を行いやすい観点から好ましくは140℃以上、有機溶媒をロスせずに水を除去して溶媒置換を行いやすい観点からより好ましくは160℃以上である。なお、有機溶媒の沸点の上限値は特に制限されないが、通常450℃である。 The boiling point of the organic solvent is 120°C or higher to prevent drying, viscosity increase, and non-uniformity during use and storage, preferably 140°C or higher from the viewpoint of facilitating solvent replacement from water to organic solvent without filtration or centrifugation, and more preferably 160°C or higher from the viewpoint of facilitating solvent replacement by removing water without losing organic solvent. The upper limit of the boiling point of the organic solvent is not particularly limited, but is usually 450°C.
また、有機溶媒の蒸気圧は、低いほうが揮発しにくく金属酸化物ペースト組成物の経時変化が少なく好ましい。具体的には、20℃における蒸気圧は0.05mmHg以下が好ましく、0.01mmHg以下がより好ましい。なお、有機溶媒の20℃における蒸気圧の下限値は特に制限されないが、通常0.00001mmHg程度である。 The lower the vapor pressure of the organic solvent, the less likely it is to volatilize, and the less change over time in the metal oxide paste composition, which is preferable. Specifically, the vapor pressure at 20°C is preferably 0.05 mmHg or less, and more preferably 0.01 mmHg or less. There is no particular lower limit for the vapor pressure of the organic solvent at 20°C, but it is usually about 0.00001 mmHg.
このような有機溶媒としては、水溶性の観点からは、水酸基を有することが好ましく、また、金属酸化物の表面に過度に強固に結合しにくくしエネルギー変換効率を向上させやすい観点から、水酸基を1つだけ有することが好ましい。 From the viewpoint of water solubility, it is preferable for such organic solvents to have a hydroxyl group, and from the viewpoint of preventing excessively strong binding to the metal oxide surface and making it easier to improve energy conversion efficiency, it is preferable for the organic solvents to have only one hydroxyl group.
このような有機溶媒としては、一般式(1):
R1(OR2)nOH
[式中、R1は水素原子、アルキル基又はアシル基を示す。R2はアルキレン基を示す。nは0~5の整数を示す。nが2以上の場合、複数のR2は同一でも異なっていてもよい。]
で表される有機溶媒が好ましい。
Such an organic solvent is represented by the general formula (1):
R 1 (OR 2 ) n OH
[In the formula, R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, or an acyl group. R 2 represents an alkylene group. n represents an integer of 0 to 5. When n is 2 or more, multiple R 2s may be the same or different.]
Preferred is an organic solvent represented by the formula:
一般式(1)において、R1で示されるアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基等の炭素数1~6(特に1~4)の直鎖状又は分岐鎖状アルキル基が挙げられる。 In general formula (1), examples of the alkyl group represented by R 1 include linear or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms (particularly 1 to 4 carbon atoms), such as a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, and a tert-butyl group.
一般式(1)において、R1で示されるアシル基としては、例えば、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基等の炭素数1~6(特に1~4)のアシル基が挙げられる。 In the general formula (1), examples of the acyl group represented by R 1 include acyl groups having 1 to 6 carbon atoms (particularly 1 to 4 carbon atoms), such as formyl, acetyl and propionyl groups.
一般式(1)において、R1としては、なかでも、水溶性、金属酸化物との親和性、焼成時の分解しやすさ(クラックの発生しにくさ)、チキソ性、エネルギー変換効率等の観点から、水素原子、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、アセチル基等が好ましく、水素原子、メチル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、アセチル基等がより好ましい。 In general formula (1), from the viewpoints of water solubility, affinity with metal oxides, ease of decomposition during firing (resistance to cracking), thixotropy, energy conversion efficiency, and the like, R 1 is preferably a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, an acetyl group, or the like, and more preferably a hydrogen atom, a methyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, an acetyl group, or the like.
一般式(1)において、R2で示されるアルキレン基としては、例えば、エチレン基、トリメチレン基、プロピレン基、プロピリデン基、イソプロピリデン基、テトラメチレン基、1-メチルトリメチレン基、2-メチルトリメチレン基、3-メチルトリメチレン基、1,1-ジメチルエチレン基、1,2-ジメチルエチレン基、1-エチルエチレン基、2-エチルエチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数2~10(特に2~6)の直鎖状又は分岐鎖状アルキレン基等が挙げられる。なかでも、水溶性、金属酸化物との親和性、焼成時の分解しやすさ(クラックの発生しにくさ)、チキソ性、エネルギー変換効率等の観点から、エチレン基、トリメチレン基、テトラメチレン基、ペンタメチレン基等の炭素数2~10(特に2~6)の直鎖状アルキレン基が好ましい。 In the general formula (1), examples of the alkylene group represented by R 2 include linear or branched alkylene groups having 2 to 10 carbon atoms (particularly 2 to 6), such as ethylene, trimethylene, propylene, propylidene, isopropylidene, tetramethylene, 1-methyltrimethylene, 2-methyltrimethylene, 3-methyltrimethylene, 1,1-dimethylethylene, 1,2-dimethylethylene, 1-ethylethylene, 2-ethylethylene, and pentamethylene. Among these, linear alkylene groups having 2 to 10 carbon atoms (particularly 2 to 6), such as ethylene, trimethylene, tetramethylene, and pentamethylene, are preferred from the viewpoints of water solubility, affinity with metal oxides, ease of decomposition during firing (resistance to cracking), thixotropy, and energy conversion efficiency.
なお、後述のnが2以上の整数である場合、複数のR2は同一でもよいし、異なっていてもよいが、複数のR2は同一であることが簡便である。 When n described below is an integer of 2 or more, a plurality of R 2 may be the same or different, but it is convenient that a plurality of R 2 are the same.
一般式(1)において、水溶性、金属酸化物との親和性、焼成時の分解しやすさ(クラックの発生しにくさ)、チキソ性、エネルギー変換効率等の観点から、nは0~5の整数が好ましく、1~4の整数がより好ましく、1~3の整数がさらに好ましい。 In general formula (1), from the viewpoints of water solubility, affinity with metal oxides, ease of decomposition during firing (resistance to cracking), thixotropy, energy conversion efficiency, etc., n is preferably an integer from 0 to 5, more preferably an integer from 1 to 4, and even more preferably an integer from 1 to 3.
このような有機溶媒の具体例としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の炭素数1~6(特に1~5、さらには1~4)のアルコール化合物;エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール等のグリコール化合物又はそのモノアルキル誘導体(モノアルキルエーテル)若しくは酢酸エステル等が挙げられる。 Specific examples of such organic solvents include alcohol compounds having 1 to 6 carbon atoms (particularly 1 to 5, and further 1 to 4), such as methanol, ethanol, and isopropyl alcohol; glycol compounds such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, butanediol, and pentanediol, or monoalkyl derivatives (monoalkyl ethers) or acetates thereof.
グリコール化合物のモノアルキル誘導体(モノアルキルエーテル)において、アルキル基としては、上記したものが挙げられる。つまり、グリコール化合物のモノアルキル誘導体(モノアルキルエーテル)としては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノプロピルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノプロピルエーテル、テトラエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノプロピルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、テトラプロピレングリコールモノメチルエーテル、テトラプロピレングリコールモノエチルエーテル、テトラプロピレングリコールモノプロピルエーテル、テトラプロピレングリコールモノブチルエーテル、ブタンジオールモノメチルエーテル、ブタンジオールモノエチルエーテル、ブタンジオールモノプロピルエーテル、ブタンジオールモノブチルエーテル、ペンタンジオールモノメチルエーテル、ペンタンジオールモノエチルエーテル、ペンタンジオールモノプロピルエーテル、ペンタンジオールモノブチルエーテル等が挙げられる。 In the monoalkyl derivatives (monoalkyl ethers) of glycol compounds, examples of the alkyl group include those mentioned above. In other words, examples of the monoalkyl derivatives (monoalkyl ethers) of glycol compounds include ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol monopropyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, tetraethylene glycol monomethyl ether, tetraethylene glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol monopropyl ether, tetraethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, Examples of the propylene glycol monobutyl ether include propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monoethyl ether, dipropylene glycol monopropyl ether, dipropylene glycol monobutyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol monopropyl ether, tripropylene glycol monobutyl ether, tetrapropylene glycol monomethyl ether, tetrapropylene glycol monoethyl ether, tetrapropylene glycol monopropyl ether, tetrapropylene glycol monobutyl ether, butanediol monomethyl ether, butanediol monoethyl ether, butanediol monopropyl ether, butanediol monobutyl ether, pentanediol monomethyl ether, pentanediol monoethyl ether, pentanediol monopropyl ether, and pentanediol monobutyl ether.
グリコール化合物の酢酸エステルとしては、例えば、エチレングリコールアセテート、ジエチレングリコールアセテート、トリエチレングリコールアセテート、テトラエチレングリコールアセテート、プロピレングリコールアセテート、ジプロピレングリコールアセテート、トリプロピレングリコールアセテート、テトラプロピレングリコールアセテート、ブタンジオールアセテート、ペンタンジオールアセテート等が挙げられる。 Examples of acetate esters of glycol compounds include ethylene glycol acetate, diethylene glycol acetate, triethylene glycol acetate, tetraethylene glycol acetate, propylene glycol acetate, dipropylene glycol acetate, tripropylene glycol acetate, tetrapropylene glycol acetate, butanediol acetate, and pentanediol acetate.
上記のとおり、一般式(1)で表される有機溶媒が好ましいが、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等、水酸基を有さなくても十分な水溶性を有する有機溶媒も存在しており、これらの有機溶媒も好ましく使用することができる。 As described above, the organic solvent represented by the general formula (1) is preferred, but there are also organic solvents that have sufficient water solubility even without a hydroxyl group, such as ethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether, and these organic solvents can also be preferably used.
上記の有機溶媒は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。また、上記の有機溶媒は、公知又は市販品を使用することができる。 The above organic solvents can be used alone or in combination of two or more. In addition, the above organic solvents can be publicly known or commercially available products.
なかでも、有機溶媒としては、水溶性、金属酸化物との親和性、焼成時の分解しやすさ(クラックの発生しにくさ)、チキソ性、エネルギー変換効率等の観点から、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノプロピルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール等が好ましく、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等がより好ましい。 Among these, from the viewpoints of water solubility, affinity with metal oxides, ease of decomposition during firing (resistance to cracking), thixotropy, energy conversion efficiency, etc., preferred organic solvents are diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol monopropyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, butanediol, pentanediol, etc., and more preferred are diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monopropyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, etc.
本発明においては、有機溶媒の含有量は、本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物の総量を100質量%として、60~92.5質量%、好ましくは65~90質量%である。有機溶媒の濃度が60質量%未満では、粘度が高すぎてスクリーン印刷に適さない恐れがあり、細孔が小さくなりエネルギー変換効率が低下する。また、有機溶媒の濃度が92.5質量%をこえると、固形分濃度が薄すぎて製膜効率が悪く、細孔が大きくなり割れやすくなる。ただし、ペロブスカイト太陽電池の負極としてスピンコートで数100nmの厚みで製膜する場合は有機溶媒の含有量を少なくすることもできる。 In the present invention, the content of the organic solvent is 60 to 92.5% by mass, preferably 65 to 90% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention. If the concentration of the organic solvent is less than 60% by mass, the viscosity may be too high and the composition may not be suitable for screen printing, and the pores may become small, resulting in a decrease in energy conversion efficiency. If the concentration of the organic solvent exceeds 92.5% by mass, the solid concentration is too low, resulting in poor film formation efficiency, and the pores may become large and prone to cracking. However, when forming a film with a thickness of several hundred nm by spin coating as the negative electrode of a perovskite solar cell, the content of the organic solvent can be reduced.
本発明においては、溶媒として水が少量含まれることを排除するものではないが、乾燥又は焼成時の揮発等による性能の経時変化を抑制する観点から、水の含有量は極力少ないことが好ましい。このため、溶媒の総量を100質量%として、上記した有機溶媒の含有量は、95~100質量%が好ましく、98~100質量%がより好ましい。 In the present invention, the inclusion of a small amount of water as a solvent is not excluded, but from the viewpoint of suppressing changes in performance over time due to evaporation during drying or firing, it is preferable that the water content is as small as possible. For this reason, the content of the above-mentioned organic solvent is preferably 95 to 100% by mass, and more preferably 98 to 100% by mass, with the total amount of the solvent being 100% by mass.
(1-4)その他成分
本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物には、他にも、通常、色素増感太陽電池やペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物に配合される添加剤、例えば、金属酸化物を分散する分散剤、光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物の粘度を増大しチキソ性を持たせる増粘剤、塗膜の平滑性を増すレベリング剤、上記した有機溶媒と相溶性のある他の有機溶媒等を、本発明の効果を損なわない範囲で添加することができる。
(1-4) Other Components In addition, additives that are usually blended in metal oxide paste compositions for photoelectric conversion elements such as dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells, such as dispersants for dispersing metal oxides, thickeners for increasing the viscosity of the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements to provide thixotropy, leveling agents for increasing the smoothness of the coating film, and other organic solvents compatible with the organic solvents described above can be added to the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention, within a range that does not impair the effects of the present invention.
2.製造方法
本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物の製造方法は、特に制限されるわけではないが、
(1)前記金属酸化物を含む水分散液と、前記バインダと、前記有機溶媒とを、同時又は逐次的に混合する工程
を備えることが好ましい。
2. Manufacturing Method The manufacturing method of the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention is not particularly limited, but may be
(1) It is preferable to include a step of simultaneously or sequentially mixing the aqueous dispersion containing the metal oxide, the binder, and the organic solvent.
工程(1)において、工程方法は、特に制限されず、常法にしたがい行うことができる。 In step (1), the process method is not particularly limited and can be carried out according to conventional methods.
混合順序は特に制限はなく、同時でも逐次的でもよいが、バインダを投入した後は高粘度化するため、バインダは後から投入することが好ましい。つまり、工程(1)は、金属酸化物を含む水分散液と有機溶媒とを混合した後に、バインダと混合する工程とすることが好ましい。 There is no particular restriction on the order of mixing, and they may be mixed simultaneously or sequentially. However, it is preferable to add the binder later, since the viscosity increases after the binder is added. In other words, it is preferable that step (1) is a step in which the aqueous dispersion containing the metal oxide is mixed with the organic solvent, and then mixed with the binder.
また、バインダがダマになることを抑制しやすくするため、あらかじめ溶媒に溶解しておくことが好ましい。この際使用できる溶媒としては、水、上記した有機溶媒、水及び上記した有機溶媒の双方に対して相溶性を有する溶媒等が使用できる。ただし、バインダをあらかじめ溶媒に溶解せずに添加することも可能である。 In order to prevent the binder from forming lumps, it is preferable to dissolve the binder in a solvent beforehand. Solvents that can be used in this case include water, the organic solvents listed above, and solvents that are compatible with both water and the organic solvents listed above. However, it is also possible to add the binder without dissolving it in a solvent beforehand.
また、作業性を考慮して、金属酸化物の濃度が低い状態で一度分散液を作製し、その後濃縮することも好ましく行われる。つまり、前記工程(1)の後、
(2)前記工程(1)で得られた分散液を濃縮する工程
を備えることが好ましい。
In addition, in consideration of workability, it is also preferable to prepare a dispersion liquid having a low concentration of the metal oxide once and then concentrate it.
(2) It is preferable to include a step of concentrating the dispersion obtained in the step (1).
濃縮の方法は特に制限されず、例えば、エバポレータ等を用いて行うことができる。 The concentration method is not particularly limited, and can be carried out, for example, using an evaporator.
3.負極
色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用の電極(特に負極)を形成する際には、本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物を用いて得られる多孔質塗膜を、樹脂基板又はガラス基板の上に形成することが好ましい。
3. Negative Electrode When forming an electrode (particularly a negative electrode) for a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell or a perovskite solar cell, it is preferable to form a porous coating film obtained by using the metal oxide paste composition for a photoelectric conversion element of the present invention on a resin substrate or a glass substrate.
樹脂基板としては、導電性の樹脂基板であれば特に制限されないが、例えば、ポリエチレンナフタレート樹脂基板(PEN樹脂基板)、ポリエチレンテレフタレート樹脂基板(PET樹脂基板)等のポリエステル;ポリアミド;ポリスルホン;ポリエーテルサルホン;ポリエーテルエーテルケトン;ポリフェニレンサルファイド;ポリカーボネート;ポリイミド;ポリメチルメタクリレート;ポリスチレン;トリ酢酸セルロース;ポリメチルペンテン等が挙げられる。 The resin substrate is not particularly limited as long as it is a conductive resin substrate, but examples include polyesters such as polyethylene naphthalate resin substrate (PEN resin substrate) and polyethylene terephthalate resin substrate (PET resin substrate); polyamide; polysulfone; polyethersulfone; polyetheretherketone; polyphenylene sulfide; polycarbonate; polyimide; polymethyl methacrylate; polystyrene; cellulose triacetate; polymethylpentene, etc.
ガラス基板としても特に制限はなく、公知又は市販のものを使用でき、無色又は有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等のいずれでもよい。 There are no particular limitations on the glass substrate, and any known or commercially available glass can be used, including colorless or colored glass, wired glass, glass blocks, etc.
この樹脂基板又はガラス基板としては、板厚が0.05~10mm程度のものを使用できる。 The resin or glass substrate can have a thickness of about 0.05 to 10 mm.
本発明では、多孔質塗膜は、樹脂基板又はガラス基板の表面上に直接形成されていてもよいが、透明導電膜を介して形成されていてもよい。 In the present invention, the porous coating film may be formed directly on the surface of the resin substrate or the glass substrate, or may be formed via a transparent conductive film.
透明導電膜としては、例えば、スズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)、フッ素ドープ酸化スズ膜(FTO膜)、アンチモンドープ酸化スズ膜(ATO膜)アルミニウムドープ酸化亜鉛膜(AZO膜)、ガリウムドープ酸化亜鉛膜(GZO膜)等が挙げられる。これらの透明導電膜を介することで、発生した電流を外部にとりだすことが容易となる。これらの透明導電膜の膜厚は、0.02~10μm程度とするのが好ましい。 Examples of transparent conductive films include tin-doped indium oxide film (ITO film), fluorine-doped tin oxide film (FTO film), antimony-doped tin oxide film (ATO film), aluminum-doped zinc oxide film (AZO film), and gallium-doped zinc oxide film (GZO film). By passing through these transparent conductive films, it becomes easy to extract the generated current to the outside. The film thickness of these transparent conductive films is preferably about 0.02 to 10 μm.
本発明の電極(特に負極)としては、例えば、以下に示す2態様が挙げられる。 The electrode (particularly the negative electrode) of the present invention may have the following two forms, for example:
(3-1)態様1
樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物を用いて得られる多孔質塗膜を、透明導電膜を介して形成し、本発明の色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用電極とすることができる。なお、樹脂基板、ガラス基板及び透明導電膜は上述したとおりのものである。
(3-1) Aspect 1
A porous coating film obtained by using the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention is formed on a resin substrate or a glass substrate via a transparent conductive film, and can be used as an electrode for photoelectric conversion elements of the present invention, such as dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells. The resin substrate, glass substrate, and transparent conductive film are as described above.
具体的には、以下のように、本発明の色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用電極を形成することができる。 Specifically, the electrodes for photoelectric conversion elements such as dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells of the present invention can be formed as follows.
まず、樹脂基板又はガラス基板上に、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、ゾルーゲル法、ナノ粒子コンポジット等により透明導電膜を形成する。これにより得られる基板の表面抵抗は、50Ω/□以下とすることが好ましい。 First, a transparent conductive film is formed on a resin or glass substrate by vacuum deposition, ion plating, CVD, sputtering, sol-gel, nanoparticle composite, or the like. The surface resistance of the substrate thus obtained is preferably 50 Ω/□ or less.
そして、その上に、本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物を塗布し、乾燥又は焼成することが好ましい。樹脂基板を使用する場合には、加熱条件は、150℃以下とすることが好ましい。 Then, it is preferable to apply the metal oxide paste composition for photoelectric conversion elements of the present invention thereon, and dry or bake it. When using a resin substrate, the heating conditions are preferably 150°C or less.
この際、得られる塗膜の膜厚が2~40μm程度となるように塗布することが、割れ抑制及び基板との密着性の観点から好ましい。 In this case, it is preferable to apply the coating so that the resulting coating film has a thickness of about 2 to 40 μm from the viewpoints of preventing cracking and adhesion to the substrate.
(3-2)態様2
樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の光電変換素子用金属酸化物ペースト組成物を用いて得られる多孔質塗膜を直接形成し、さらにその上に、多孔質金属膜を形成して本発明の色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用電極としてもよい。なお、樹脂基板及びガラス基板は上述したとおりのものである。また、樹脂基板又はガラス基板上に多孔質塗膜を形成する際には、上記態様1と同様の方法を採用することができる。
(3-2) Aspect 2
A porous coating film obtained by using the metal oxide paste composition for photoelectric conversion element of the present invention may be directly formed on a resin substrate or a glass substrate, and a porous metal film may be further formed thereon to form an electrode for photoelectric conversion element of the present invention, such as a dye-sensitized solar cell or a perovskite solar cell. The resin substrate and the glass substrate are as described above. When forming a porous coating film on a resin substrate or a glass substrate, the same method as that of the above-mentioned embodiment 1 may be adopted.
態様2で使用できる多孔質金属膜としては、ヨウ素イオン、臭素イオン等の電解液中に含まれるイオンに侵されない(反応しない)金属であれば特に限定されないが、例えば、チタン、タングステン、白金、金等が挙げられる。これらの多孔質金属膜を形成することで、発生した電流を外部にとりだすことがより容易となる。これらの多孔質金属膜の表面抵抗率は、特に限定されないが、10Ω/□以下が好ましく、膜厚も特に限定されないが、150nm以上とするのが好ましい。 The porous metal film that can be used in aspect 2 is not particularly limited as long as it is a metal that is not corroded (does not react) with ions contained in the electrolyte, such as iodine ions and bromine ions, and examples include titanium, tungsten, platinum, and gold. By forming these porous metal films, it becomes easier to extract the generated current to the outside. The surface resistivity of these porous metal films is not particularly limited, but is preferably 10 Ω/□ or less, and the film thickness is also not particularly limited, but is preferably 150 nm or more.
樹脂基板又はガラス基板上に形成された多孔質塗膜のさらに上に、多孔質金属膜は、スパッタ法等の薄膜形成法により形成できる。 A porous metal film can be formed on top of the porous coating film formed on a resin substrate or glass substrate by a thin film formation method such as sputtering.
4.光電変換素子(色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等)
本発明の光電変換素子(特に色素増感太陽電池)は、本発明の色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用電極の多孔質塗膜の上に対向電極(対極)を形成し、これら電極間を電解液で満たすことにより得られる。
4. Photoelectric conversion elements (dye-sensitized solar cells, perovskite solar cells, etc.)
The photoelectric conversion element of the present invention (particularly the dye-sensitized solar cell) can be obtained by forming a counter electrode (counter electrode) on the porous coating film of the electrode for a photoelectric conversion element such as the dye-sensitized solar cell or perovskite solar cell of the present invention, and filling the space between these electrodes with an electrolyte.
電解液としては、ヨウ素イオン等の電解質をより多く溶解できるよう、誘電率の高いものが好ましく、また、溶解したイオンが移動し易いよう、粘度が低いものが好ましい。このような溶媒としては、特に制限されるわけではないが、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル化合物;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物;ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル化合物;エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等の鎖状エーテル類;メタノール、エタノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等のアルコール類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類;3-メチル-2-オキサゾリジノン等の複素環化合物;ジメチルスルホキシド、スルホラン等の非プロトン極性物質;水等の1種又は2種以上を用いることができる。 As the electrolyte, a high dielectric constant is preferable so that a larger amount of electrolytes such as iodine ions can be dissolved, and a low viscosity is preferable so that the dissolved ions can move easily. Such a solvent is not particularly limited, but one or more of the following can be used: nitrile compounds such as acetonitrile, propionitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, and benzonitrile; carbonate compounds such as ethylene carbonate and propylene carbonate; ether compounds such as dioxane and diethyl ether; chain ethers such as ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, and polypropylene glycol dialkyl ether; alcohols such as methanol, ethanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, and polypropylene glycol monoalkyl ether; polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, and glycerin; heterocyclic compounds such as 3-methyl-2-oxazolidinone; aprotic polar substances such as dimethyl sulfoxide and sulfolane; and water.
対極は、導電性材料からなる単層構造でもよいし、導電層と基板とから構成されていてもよい。基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、無色又は有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、樹脂でも良い。かかる樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテン等が挙げられる。また、電荷輸送層上に直接導電性材料を塗布、メッキ又は蒸着(PVD、CVD)して対極を形成してもよい。 The counter electrode may be a single layer structure made of a conductive material, or may be composed of a conductive layer and a substrate. The substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, etc. can be appropriately selected according to the purpose. For example, metal, colorless or colored glass, wire glass, glass block, etc. can be used, and resin may also be used. Examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamides, polysulfones, polyethersulfones, polyetheretherketones, polyphenylene sulfide, polycarbonates, polyimides, polymethyl methacrylates, polystyrenes, cellulose triacetate, polymethylpentenes, etc. Alternatively, the counter electrode may be formed by applying, plating, or vapor-depositing (PVD, CVD) a conductive material directly onto the charge transport layer.
導電性材料としては、白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属や、炭素材料、導電性有機物等の比抵抗の小さな材料が用いられる。 Conductive materials include metals such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver, and tungsten, as well as materials with low resistivity such as carbon materials and conductive organic substances.
また、対極の抵抗を下げる目的で金属リードを用いても良い。金属リードは白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属からなるのが好ましく、アルミニウム又は銀からなるのが特に好ましい。 A metal lead may also be used to reduce the resistance of the counter electrode. The metal lead is preferably made of a metal such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver, or tungsten, and is particularly preferably made of aluminum or silver.
本発明では、対極を形成する前に、本発明の電極の光吸収効率を向上すること等を目的として、多孔質塗膜に色素を担持(吸着、含有など)させることが好ましい。 In the present invention, it is preferable to support (adsorb, contain, etc.) a dye in the porous coating film before forming the counter electrode, for the purpose of improving the light absorption efficiency of the electrode of the present invention, etc.
色素は、可視域や近赤外域に吸収特性を有し、半導体層の光吸収効率を向上(増感)させる色素であれば特に限定されないが、金属錯体色素、有機色素、天然色素、半導体等が好ましい。また、多孔質塗膜への吸着性を付与するために、色素の分子中にカルボキシル基、ヒドロキシル基、スルホニル基、ホスホニル基、カルボキシルアルキル基、ヒドロキシアルキル基、スルホニルアルキル基、ホスホニルアルキル基等の官能基を有するものが好適に用いられる。 The dye is not particularly limited as long as it has absorption characteristics in the visible or near infrared range and improves (sensitizes) the light absorption efficiency of the semiconductor layer, but metal complex dyes, organic dyes, natural dyes, semiconductors, etc. are preferred. In addition, in order to impart adsorption to the porous coating film, dyes having functional groups in the molecule such as carboxyl groups, hydroxyl groups, sulfonyl groups, phosphonyl groups, carboxylalkyl groups, hydroxyalkyl groups, sulfonylalkyl groups, and phosphonylalkyl groups are preferably used.
金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム、オスミウム、鉄、コバルト、亜鉛、水銀の錯体(例えば、メリクルクロム等)や、金属フタロシアニン、クロロフィル等を用いることができる。また、有機色素としては、例えば、シアニン系色素、ヘミシアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、金属フリーフタロシアニン系色素等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。色素として用いることができる半導体としては、i型の光吸収係数が大きなアモルファス半導体や直接遷移型半導体、量子サイズ効果を示し、可視光を効率よく吸収する微粒子半導体が好ましい。通常、各種の半導体や金属錯体色素や有機色素の一種、又は光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ変換効率を上げるため、二種類以上の色素を混合することができる。また、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように、混合する色素とその割合を選ぶことができる。 Examples of metal complex dyes that can be used include complexes of ruthenium, osmium, iron, cobalt, zinc, and mercury (e.g., mercury chrome, etc.), metal phthalocyanines, and chlorophyll. Examples of organic dyes include, but are not limited to, cyanine dyes, hemicyanine dyes, merocyanine dyes, xanthene dyes, triphenylmethane dyes, and metal-free phthalocyanine dyes. Semiconductors that can be used as dyes are preferably amorphous semiconductors with a large i-type light absorption coefficient, direct transition semiconductors, and fine particle semiconductors that exhibit quantum size effects and efficiently absorb visible light. Usually, various semiconductors, metal complex dyes, organic dyes, or two or more dyes can be mixed to widen the wavelength range of photoelectric conversion as much as possible and increase the conversion efficiency. In addition, the dyes to be mixed and their ratio can be selected to match the wavelength range and intensity distribution of the desired light source.
色素を多孔質塗膜に吸着させる方法としては、例えば、溶媒に色素を溶解させた溶液を、多孔質塗膜上にスプレーコートやスピンコート等により塗布した後、乾燥する方法により形成することができる。この場合、適当な温度に基板を加熱しても良い。また、多孔質塗膜を溶液に浸漬して吸着させる方法を用いることもできる。浸漬する時間は色素が充分に吸着すれば特に制限されることはないが、好ましくは10分~30時間、より好ましくは1~20時間である。また、必要に応じて浸漬する際に溶媒や基板を加熱しても良い。溶液にする場合の色素の濃度としては、1~1000mmol/L、好ましくは10~500mmol/L程度である。 For example, the dye can be adsorbed onto the porous coating film by spraying or spin-coating a solution of the dye dissolved in a solvent onto the porous coating film, followed by drying. In this case, the substrate may be heated to an appropriate temperature. Alternatively, the porous coating film may be immersed in the solution to adsorb the dye. The immersion time is not particularly limited as long as the dye is sufficiently adsorbed, but is preferably 10 minutes to 30 hours, more preferably 1 to 20 hours. If necessary, the solvent or substrate may be heated during immersion. The dye concentration in the solution is about 1 to 1000 mmol/L, preferably about 10 to 500 mmol/L.
用いる溶媒は特に制限されるものではないが、水及び有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、t-ブタノール等のアルコール類;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル等のニトリル類;ベンゼン、トルエン、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレン等の芳香族炭化水素;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の脂環式炭化水素;アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、2-ブタノン等のケトン類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホアミド、ジメトキシエタン、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、スルホラン、ジメトキシエタン、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、ジメチルアセトアミド、メチルピロリジノン、ジメチルスルホキシド、ジオキソラン、スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸エチルジメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリペンチル、リン酸トリへキシル、リン酸トリヘプチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリノニル、リン酸トリデシル、リン酸トリス(トリフフロロメチル)、リン酸トリス(ペンタフロロエチル)、リン酸トリフェニルポリエチレングリコール、ポリエチレングリコール等が挙げられる。 The solvent used is not particularly limited, but water and organic solvents are preferably used. Examples of organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and t-butanol; nitriles such as acetonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, and glutaronitrile; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, and p-xylene; aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, and heptane; alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, and 2-butanone; ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran; ethylene carbonate, propylene carbonate, nitromethane, dimethylformamide, and dimethylsulfate. sulfoxide, hexamethylphosphoamide, dimethoxyethane, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, sulfolane, dimethoxyethane, adiponitrile, methoxyacetonitrile, dimethylacetamide, methylpyrrolidinone, dimethylsulfoxide, dioxolane, sulfolane, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, ethyl dimethyl phosphate, tributyl phosphate, tripentyl phosphate, trihexyl phosphate, triheptyl phosphate, trioctyl phosphate, trinonyl phosphate, tridecyl phosphate, tris(trifluoromethyl) phosphate, tris(pentafluoroethyl) phosphate, triphenyl phosphate, polyethylene glycol, polyethylene glycol, etc.
色素間の凝集等の相互作用を低減するために、界面活性剤としての性質を持つ無色の化合物を色素吸着液に添加し、多孔質塗膜に共吸着させてもよい。このような無色の化合物の例としては、カルボキシル基やスルホ基を有するコール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸等のステロイド化合物やスルホン酸塩類等が挙げられる。 To reduce interactions such as aggregation between dyes, a colorless compound with surfactant properties may be added to the dye adsorption solution and co-adsorbed onto the porous coating film. Examples of such colorless compounds include steroid compounds and sulfonates, such as cholic acid, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, and taurodeoxycholic acid, which have carboxyl or sulfo groups.
未吸着の色素は、吸着工程後、速やかに洗浄により除去するのが好ましい。洗浄は湿式洗浄槽中でアセトニトリル、アルコール系溶媒等を用いて行うのが好ましい。 It is preferable to remove any unadsorbed dye by washing immediately after the adsorption step. Washing is preferably performed in a wet washing tank using acetonitrile, an alcohol-based solvent, or the like.
色素を吸着させた後、アミン類、4級アンモニウム塩、少なくとも1つのウレイド基を有するウレイド化合物、少なくとも1つのシリル基を有するシリル化合物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を用いて、多孔質塗膜の表面を処理してもよい。好ましいアミン類の例としては、ピリジン、4-t-ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。好ましい4級アンモニウム塩の例としては、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらは有機溶媒に溶解して用いてもよく、液体の場合はそのまま用いてもよい。 After the dye is adsorbed, the surface of the porous coating film may be treated with amines, quaternary ammonium salts, ureido compounds having at least one ureido group, silyl compounds having at least one silyl group, alkali metal salts, alkaline earth metal salts, etc. Preferred examples of amines include pyridine, 4-t-butylpyridine, polyvinylpyridine, etc. Preferred examples of quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium iodide, tetrahexylammonium iodide, etc. These may be used by dissolving them in an organic solvent, or may be used as is if they are liquid.
色素増感太陽電池は、上記のようにして得られる光電変換素子をモジュール化するとともに、所定の電気配線を設けることによって製造することができる。 Dye-sensitized solar cells can be manufactured by modularizing the photoelectric conversion elements obtained as described above and providing the required electrical wiring.
なお、上記では、色素増感太陽電池に適用する場合について説明したが、ペロブスカイト太陽電池に適用する場合についても、本発明の色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池等の光電変換素子用電極を例えば負極として使用する他は、常法にしたがって形成することができる。 The above describes the application to dye-sensitized solar cells, but when applied to perovskite solar cells, the electrodes for photoelectric conversion elements of the dye-sensitized solar cells, perovskite solar cells, etc. of the present invention can also be formed in the usual manner, except that they are used as, for example, negative electrodes.
実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。 The present invention will be specifically explained based on examples, but the present invention is not limited to these.
実施例1
チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)に酢酸120g(2mol)を加え15分撹拌し、水を550g加えた。この分散液のpHは2.5であった。半透明の沈殿が大量に発生したが、60分間撹拌した後に加熱を行ったところ60℃で沈殿がすべて溶解した。
Example 1
120 g (2 mol) of acetic acid was added to 142.1 g (0.5 mol) of titanium tetraisopropoxide, and the mixture was stirred for 15 minutes, and 550 g of water was added. The pH of this dispersion was 2.5. A large amount of translucent precipitate was generated, but when the mixture was stirred for 60 minutes and then heated at 60°C, all of the precipitate was dissolved.
その後、常圧(0.1MPa)80℃で5時間撹拌した後、反応液に水を加え、合計800gに調製したところ半透明の分散液が得られた。この分散液には、酸化チタンは40g含まれていた。 After that, the reaction mixture was stirred at normal pressure (0.1 MPa) at 80°C for 5 hours, and water was added to the reaction mixture to make a total of 800 g, resulting in a translucent dispersion. This dispersion contained 40 g of titanium oxide.
この分散液200gをチタン製オートクレーブに入れ、さらに220℃の熱風炉内で3時間反応を行った。この液を200℃で加熱してチタニアナノ粒子を回収し、平均粒子径をBET比表面積(93m2/g)から計算により算出したところ、16nmであった。またX線回折で結晶性を解析したところ、アナターゼ100%であった。 200 g of this dispersion was placed in a titanium autoclave and reacted for 3 hours in a hot air oven at 220° C. The liquid was heated at 200° C. to recover titania nanoparticles, and the average particle size was calculated from the BET specific surface area (93 m 2 /g) to be 16 nm. In addition, crystallinity was analyzed by X-ray diffraction and found to be 100% anatase.
この分散液200gに、40.6gの1,5-ペンタンジオールを加え、超音波分散を行った。さらに、ヒドロキシプロピルセルロース(分子量10万:富士フイルム和光純薬(株)製ヒドロキシプロピルセルロース3.0-5.9)を5g加え、超音波分散を行った。 40.6 g of 1,5-pentanediol was added to 200 g of this dispersion liquid, and ultrasonic dispersion was performed. Furthermore, 5 g of hydroxypropyl cellulose (molecular weight 100,000: hydroxypropyl cellulose 3.0-5.9 manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and ultrasonic dispersion was performed.
その後、60℃50hPaで水を留去し、55gの白色のペースト組成物を得た。 Then, water was distilled off at 60°C and 50 hPa to obtain 55 g of a white paste composition.
なお、ペースト組成物の外観は1か月後も変化がなかった。 The appearance of the paste composition remained unchanged after one month.
このペースト組成物を、フッ素ドープ酸化スズ膜(FTO膜)が形成されたガラス基板(10Ω/□)上に、乾燥後の厚みが10μmとなるように塗布し、550℃で焼成したのち、5×10-4mol/LのRu色素(N719)に25℃で20時間浸漬し、色素増感太陽電池の負極を作製した。なお、焼成後、光学顕微鏡によりペースト組成物の焼成後にはクラック(割れ)が生じていないことを確認した。 This paste composition was applied onto a glass substrate (10Ω/□) on which a fluorine-doped tin oxide film (FTO film) had been formed, so that the thickness after drying would be 10 μm, and after baking at 550° C., it was immersed in 5×10 −4 mol/L of Ru dye (N719) at 25° C. for 20 hours to prepare a negative electrode for a dye-sensitized solar cell. Note that after baking, it was confirmed by optical microscope that no cracks had occurred in the paste composition after baking.
この負極を、白金をスパッタしたスズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)が形成されたガラス基板(正極)と貼り合わせ、電極間に電解液(3-メトキシプロピオニトリルにヨウ素0.15M、よう化リチウム0.1M、よう化エチルメチルイミダゾリウム0.5M、tert-ブチルピリジン0.5Mを溶解させたもの)を封入し、光電変換素子(色素増感太陽電池)を作製した。 This negative electrode was attached to a glass substrate (positive electrode) on which a tin-doped indium oxide film (ITO film) was formed by sputtering platinum, and an electrolyte (3-methoxypropionitrile containing 0.15 M iodine, 0.1 M lithium iodide, 0.5 M ethylmethylimidazolium iodide, and 0.5 M tert-butylpyridine) was sealed between the electrodes to produce a photoelectric conversion element (dye-sensitized solar cell).
作製した光電変換素子(色素増感太陽電池)に、ソーラーシミュレータでAM1.5の条件下の100mW/cm2の強度の光を照射して、光電変換特性を評価した結果、光電変換効率は6.3%であった。 The photoelectric conversion element (dye-sensitized solar cell) thus produced was irradiated with light having an intensity of 100 mW/ cm2 under the condition of AM1.5 using a solar simulator, and the photoelectric conversion characteristics were evaluated. As a result, the photoelectric conversion efficiency was 6.3%.
なお、クラック(割れ)及び光電変換効率の測定は、以下の実施例及び比較例においても同様とした。 The same crack and photoelectric conversion efficiency measurements were performed in the following examples and comparative examples.
実施例2
1,5-ペンタンジオール40.6gの代わりにジエチレングリコールモノブチルエーテル40.6gを使用する以外は、実施例1と同様に実験を行った。
Example 2
The experiment was carried out in the same manner as in Example 1, except that 40.6 g of diethylene glycol monobutyl ether was used instead of 40.6 g of 1,5-pentanediol.
その結果、ペースト組成物焼成後にクラック(割れ)が生じず、透明な塗膜が得られた。また、光電変換効率は7.3%であった。 As a result, no cracks were generated after firing the paste composition, and a transparent coating film was obtained. In addition, the photoelectric conversion efficiency was 7.3%.
また、ペースト組成物の外観は1か月後も変化がなかった。 In addition, the appearance of the paste composition remained unchanged after one month.
実施例3
ヒドロキシプロピルセルロース(分子量10万)をヒドロキシプロピルセルロース(分子量6万:冨士フイルム和光純薬(株)製ヒドロキシプロピルセルロース2.0-2.9)にする以外は、実施例2と同様に実験を行った。
Example 3
The experiment was carried out in the same manner as in Example 2, except that hydroxypropyl cellulose (molecular weight 100,000) was replaced with hydroxypropyl cellulose (molecular weight 60,000: hydroxypropyl cellulose 2.0-2.9 manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).
その結果、ペースト組成物焼成後にクラック(割れ)が生じず、透明な塗膜が得られた。また、光電変換効率は6.7%であった。 As a result, no cracks were generated after firing the paste composition, and a transparent coating film was obtained. In addition, the photoelectric conversion efficiency was 6.7%.
また、ペースト組成物の外観は1か月後も変化がなかった。 In addition, the appearance of the paste composition remained unchanged after one month.
実施例4
ヒドロキシプロピルセルロース(分子量10万)をヒドロキシプロピルセルロース(分子量14万:富士フイルム和光純薬(株)製ヒドロキシプロピルセルロース6.0-10.0)にする以外は、実施例2と同様に実験を行った。
Example 4
The experiment was carried out in the same manner as in Example 2, except that hydroxypropyl cellulose (molecular weight 100,000) was replaced with hydroxypropyl cellulose (molecular weight 140,000: hydroxypropyl cellulose 6.0-10.0 manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).
その結果、ペースト組成物焼成後にクラック(割れ)が生じず、透明な塗膜が得られた。また、光電変換効率は6.2%であった。 As a result, no cracks were generated after firing the paste composition, and a transparent coating film was obtained. In addition, the photoelectric conversion efficiency was 6.2%.
また、ペースト組成物の外観は1か月後も変化がなかった。 In addition, the appearance of the paste composition remained unchanged after one month.
実施例5
ジエチレングリコールモノブチルエーテル40.6gを36.1gとする以外は、実施例2と同様に実験を行った。
Example 5
The experiment was carried out in the same manner as in Example 2, except that the amount of diethylene glycol monobutyl ether was changed from 40.6 g to 36.1 g.
その結果、ペースト組成物焼成後にクラック(割れ)が生じず、透明な塗膜が得られた。また、光電変換効率は6.9%であった。 As a result, no cracks were generated after firing the paste composition, and a transparent coating film was obtained. In addition, the photoelectric conversion efficiency was 6.9%.
また、ペースト組成物の外観は1か月後も変化がなかった。 In addition, the appearance of the paste composition remained unchanged after one month.
実施例6
ジエチレングリコールモノブチルエーテル40.6gを33.4gとする以外は、実施例2と同様に実験を行った。
Example 6
The experiment was carried out in the same manner as in Example 2, except that the amount of diethylene glycol monobutyl ether was changed from 40.6 g to 33.4 g.
その結果、ペースト組成物焼成後にクラック(割れ)が生じず、透明な塗膜が得られた。また、光電変換効率は6.2%であった。 As a result, no cracks were generated after firing the paste composition, and a transparent coating film was obtained. In addition, the photoelectric conversion efficiency was 6.2%.
また、ペースト組成物の外観は1か月後も変化がなかった。 In addition, the appearance of the paste composition remained unchanged after one month.
比較例1
チタニアナノ粒子ST-01(石原産業(株)製:平均粒子径7nm)18gに酢酸60g、エタノール100g、α-テルピネオール73g、エチルセルロース10質量%エタノール溶液90gを加え、40℃70hPaで濃縮を行い、ペースト組成物100gを得た。このペースト組成物を用いて実施例1と同様に実験を行った。
Comparative Example 1
60 g of acetic acid, 100 g of ethanol, 73 g of α-terpineol, and 90 g of a 10% by mass ethanol solution of ethyl cellulose were added to 18 g of titania nanoparticles ST-01 (manufactured by Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd.: average particle size 7 nm), and the mixture was concentrated at 40° C. and 70 hPa to obtain 100 g of a paste composition. An experiment similar to that in Example 1 was carried out using this paste composition.
その結果、ペースト組成物焼成後にクラック(割れ)が生じ、白濁していた。また、光電変換効率は5.8%であった。 As a result, cracks occurred and the paste composition became cloudy after firing. The photoelectric conversion efficiency was 5.8%.
また、1週間後にはペースト組成物は高粘度化し、かつ滑らかさを失い不均一な状態となっていた。 After one week, the paste composition had become highly viscous, lost its smoothness, and became non-uniform.
比較例2
チタニアナノ粒子ST-21(石原産業(株)製:平均粒子径30nm)18gに水30g、アセチルアセトン0.6g、界面活性剤(Triton X-100)0.1g、ポリエチレングリコール(数平均分子量20000:Sigma-Aldrich製)を9g加え、ペイントシェーカーで浸透した結果、ペースト組成物を得た。このペースト組成物を用いて実施例1と同様に実験を行った。
Comparative Example 2
30 g of water, 0.6 g of acetylacetone, 0.1 g of surfactant (Triton X-100), and 9 g of polyethylene glycol (number average molecular weight 20,000: manufactured by Sigma-Aldrich) were added to 18 g of titania nanoparticles ST-21 (manufactured by Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd.: average particle size 30 nm), and the mixture was allowed to penetrate using a paint shaker, resulting in a paste composition. Using this paste composition, an experiment similar to that in Example 1 was carried out.
その結果、ペースト焼成後にクラック(割れ)が生じなかったが、白濁していた。また、光電変換効率は5.7%であった。 As a result, no cracks were observed after the paste was fired, but it became cloudy. The photoelectric conversion efficiency was 5.7%.
また、1か月後にはペースト組成物は高粘度化し、かつ滑らかさを失い不均一な状態となっていた。 After one month, the paste composition had become highly viscous, lost its smoothness, and became non-uniform.
このように、バインダと溶媒とを選択することにより、高いエネルギー変換効率の金属酸化物ペースト組成物を作製することができた。また、従来の水系ペースト組成物と比較して経時安定性も優れていた。 In this way, by selecting the binder and solvent, it was possible to produce a metal oxide paste composition with high energy conversion efficiency. In addition, the composition also had superior stability over time compared to conventional water-based paste compositions.
Claims (16)
前記ペースト組成物は、金属酸化物、バインダ及び有機溶媒を含有し、
前記バインダは、水溶性又は水分散性バインダを含み、
前記有機溶媒は、沸点120℃以上の水溶性有機溶媒を含み、且つ、
前記光電変換素子用ペースト組成物の総量を100質量%として、前記金属酸化物の含有量が5~25質量%であり、前記水溶性有機溶媒の含有量が60~92.5質量%であり、
前記金属酸化物の総量を100質量%として、前記バインダの含有量が30~70質量%である、ペースト組成物。 A paste composition used for a porous coating film formed on a conductive substrate in an electrode for a photoelectric conversion element, comprising:
The paste composition contains a metal oxide, a binder, and an organic solvent,
the binder comprises a water-soluble or water-dispersible binder;
The organic solvent includes a water-soluble organic solvent having a boiling point of 120° C. or higher, and
the content of the metal oxide is 5 to 25 mass % and the content of the water-soluble organic solvent is 60 to 92.5 mass % relative to 100 mass % of the total amount of the paste composition for photoelectric conversion elements;
The paste composition has a binder content of 30 to 70 mass % relative to 100 mass % of the total amount of the metal oxides.
R1(OR2)nOH
[式中、R1は水素原子、アルキル基又はアシル基を示す。R2はアルキレン基を示す。nは0~5の整数を示す。nが2以上の場合、複数のR2は同一でも異なっていてもよい。]
で表される有機溶媒を含有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のペースト組成物。 The organic solvent is represented by the general formula (1):
R 1 (OR 2 ) n OH
[In the formula, R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, or an acyl group. R 2 represents an alkylene group. n represents an integer of 0 to 5. When n is 2 or more, multiple R 2s may be the same or different.]
The paste composition according to any one of claims 1 to 4, comprising an organic solvent represented by the formula:
を備える、製造方法。 10. A method for producing a paste composition according to claim 1, comprising: (1) a step of simultaneously or sequentially mixing the aqueous dispersion containing the metal oxide, the binder, and the organic solvent.
(2)前記工程(1)で得られた分散液を濃縮する工程
を備える、請求項10又は11に記載の製造方法。 moreover,
The method according to claim 10 or 11, further comprising: (2) a step of concentrating the dispersion obtained in the step (1).
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