特許 5898895 溶液濃度調節方法、溶液濃度調整装置、色素増感型太陽電池の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5898895

(24)【登録日】2016年3月11日

(45)【発行日】2016年4月6日

(54)【発明の名称】溶液濃度調節方法、溶液濃度調整装置、色素増感型太陽電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 61/00 20060101AFI20160324BHJP

   H01M 14/00 20060101ALI20160324BHJP

   H01L 31/18 20060101ALI20160324BHJP

【ＦＩ】

   B01D61/00 500

   H01M14/00 P

   H01L31/04 400

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-210644(P2011-210644)

(22)【出願日】2011年9月27日

(65)【公開番号】特開2013-71036(P2013-71036A)

(43)【公開日】2013年4月22日

【審査請求日】2014年2月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002174

【氏名又は名称】積水化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100146835

【弁理士】

【氏名又は名称】佐伯 義文

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100119091

【弁理士】

【氏名又は名称】豊山 おぎ

(72)【発明者】

【氏名】藤沼 尚洋

【審査官】 目代 博茂

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１０２７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２２５４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６６００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２０４６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０７１４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０２９９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−１３７０３７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０３−２４５５２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ６１／００−７１／８２

Ｃ０２Ｆ１／４４

Ｈ０１Ｍ１２／００−１６／００

Ｂ４１Ｊ２／０１−２／２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半透膜を介して飽和溶液と低濃度溶液を容器に収容し、前記低濃度溶液の濃度を調節する方法であって、
前記飽和溶液と前記低濃度溶液の圧力差、並びに、前記飽和溶液および前記低濃度溶液の温度を調節することにより、前記低濃度溶液の濃度を調節することを特徴とする溶液濃度調節方法。

【請求項2】

前記飽和溶液および前記低濃度溶液は、色素増感型太陽電池に用いられる増感色素を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶液濃度調節方法。

【請求項3】

半透膜を介して飽和溶液と低濃度溶液を収容する容器を備えた溶液濃度調整装置であって、
前記飽和溶液と前記低濃度溶液の圧力差を調節する手段と、前記飽和溶液および前記低濃度溶液の温度を調節する手段と、を有することを特徴とする溶液濃度調整装置。

【請求項4】

前記飽和溶液および前記低濃度溶液は、色素増感型太陽電池に用いられる増感色素を含むことを特徴とする請求項３に記載の溶液濃度調整装置。

【請求項5】

対向する一対の基板と、これらの基板の間に対向配置された一対の電極膜と、これらの電極膜の間に形成された光電変換層および電解質層と、を備えた色素増感型太陽電池の製造方法であって、
前記光電変換層を、請求項３または４に記載の溶液濃度調整装置によって濃度調節された色素溶液に浸漬し、前記光電変換層に増感色素を担持させる工程を有することを特徴とする色素増感型太陽電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶液濃度調節方法、溶液濃度調整装置、色素増感型太陽電池の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

色素増感型太陽電池は、多孔質半導体層の表面に増感作用を有する増感色素を吸着させることによって、幅広い波長領域を光電変換することが可能である。
多孔質半導体層に増感色素を吸着させる方法としては、一般的に、増感色素を含む色素溶液に、多孔質半導体層を浸漬する方法が用いられている。この方法では、色素溶液に多孔質半導体層を浸漬する時間に応じて、多孔質半導体層に吸着する増感色素の量が変化する。そして、多孔質半導体層に吸着した増感色素の量は、発電効率に大きく影響するため、同一プロセスで再現性よく、性能のばらつきが少ない色素増感型太陽電池を製造するためには、色素溶液の濃度を一定に保つ必要がある。

【0003】

従来、色素溶液の濃度を一定に保つ方法としては、色素濃度検出装置により色素溶液の濃度を測定し、その情報に基づいて、色素濃度調節装置により色素溶液の濃度を調節する方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
しかしながら、上記の方法では、色素濃度検出装置や色素濃度調節装置に加えて、色素濃度制御装置などの複数の装置が必要になり、装置が煩雑になったり、ランニングコストが増加したりするという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６−２０４６２３号公報

【特許文献2】特開平８−７１４９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、簡便な設備によって、低コストで溶液濃度の調節が可能な溶液濃度調節方法および溶液濃度調整装置、並びに、その溶液濃度調整装置を用いて製造された色素増感型太陽電池または光学デバイスを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の溶液濃度調節方法は、半透膜を介して飽和溶液と低濃度溶液を容器に収容し、前記低濃度溶液の濃度を調節する方法であって、前記飽和溶液と前記低濃度溶液の圧力差、並びに、前記飽和溶液および前記低濃度溶液の温度を調節することにより、前記低濃度溶液の濃度を調節することを特徴とする。

【0007】

本発明の溶液濃度調節方法において、前記飽和溶液および前記低濃度溶液は、色素増感型太陽電池に用いられる増感色素を含むことが好ましい。

【0008】

本発明の溶液濃度調整装置は、半透膜を介して飽和溶液と低濃度溶液を収容する容器を備えた溶液濃度調整装置であって、前記飽和溶液と前記低濃度溶液の圧力差を調節する手段と、前記飽和溶液および前記低濃度溶液の温度を調節する手段と、を有することを特徴とする。

【0009】

本発明の溶液濃度調整装置において、前記飽和溶液および前記低濃度溶液は、色素増感型太陽電池に用いられる増感色素を含むことが好ましい。

【0010】

本発明の色素増感型太陽電池の製造方法は、対向する一対の基板と、これらの基板の間に対向配置された一対の電極膜と、これらの電極膜の間に形成された光電変換層および電解質層と、を備えた色素増感型太陽電池の製造方法であって、前記光電変換層を、本発明の溶液濃度調整装置によって濃度調節された色素溶液に浸漬し、前記光電変換層に増感色素を担持させる工程を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、従来の色素溶液濃度の調節方法と比べて、簡便な設備のみで溶液濃度の調節を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の溶液濃度調整装置の一実施形態を示す概略断面図である。

【図2】本発明の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法を用いた太陽電池の製造方法の基板形成工程の一部を示す概略断面図である。

【図3】本発明の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法を用いた太陽電池の製造方法の基板形成工程の一部を示す概略断面図である。

【図4】本発明の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法を用いた太陽電池の製造方法の基板貼合工程の一部を示す概略断面図である。

【図5】本発明の一実施形態として太陽電池を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施形態として、溶液濃度調節方法、溶液濃度調整装置、色素増感型太陽電池、光学デバイスについて説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

【0015】

「溶液濃度調整装置」
図１は、本発明の溶液濃度調整装置の一実施形態を示す概略断面図である。
本実施形態の溶液濃度調整装置１０は、半透膜１１と、半透膜１１を介して飽和溶液２１と低濃度溶液２２を収容する容器１２と、飽和溶液２１と低濃度溶液２２の圧力差を調節する圧力調整装置１３と、飽和溶液２１および低濃度溶液２２の温度を調節する温度調節装置１４とから概略構成されている。

【0016】

半透膜１１は、飽和溶液２１および低濃度溶液２２を構成する溶媒を透過し、飽和溶液２１および低濃度溶液２２を構成する溶質を透過しないものであれば特に限定されるものではないが、例えば、再生セルロース（セロハン）、アセチルセルロース、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステル系ポリマーアロイ、ポリスルホンなどからなる多孔質膜が用いられる。

【0017】

ここで、飽和溶液２１と低濃度溶液２２は、同一の溶媒および溶質から構成される溶液である。飽和溶液２１と低濃度溶液２２は、溶質の量（濃度）が異なっている。
本実施形態において、飽和溶液２１は、飽和または過飽和の状態にある溶液を意味しており、低濃度溶液２２は、飽和溶液２１よりも濃度が低く、所定の濃度に調節された溶液を意味している。

【0018】

飽和溶液２１および低濃度溶液２２を構成する溶媒は、特に限定されるものではなく、各種有機溶媒や水が挙げられる。
飽和溶液２１および低濃度溶液２２を構成する溶質は、特に限定されるものではなく、各種有機溶媒や水に溶解可能な物質が挙げられる。

【0019】

溶液濃度調整装置１０が、色素増感型太陽電池の多孔質半導体層に、増感色素を吸着させるために用いられる場合、飽和溶液２１および低濃度溶液２２は、増感色素を含む色素溶液である。
色素溶液を構成する溶媒としては、水、メタノール、エタノール、アセトニトリル、プロパノール、ｔ−ブタノール、アセトン、酢酸エチル、ヘキサン、シクロヘキサン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メチルエチルケトン、ジクロロメタン、クロロホルムなどが挙げられる。
色素溶液を構成する溶質である増感色素は、有機色素または金属錯体色素で構成されている。
有機色素として、例えば、クマリン系、ポリエン系、シアニン系、ヘミシアニン系、チオフェン系などの各種有機色素が挙げられる。
金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム錯体などが挙げられる。

【0020】

容器１２は、飽和溶液２１を収容する飽和溶液収容部１２Ａと、低濃度溶液２２を収容する低濃度溶液収容部１２Ｂとから構成されている。
容器１２の形状や大きさは特に限定されるものではなく、例えば、溶液濃度調整装置１０が、色素増感型太陽電池の多孔質半導体層に、増感色素を吸着させるために用いられる場合、低濃度溶液収容部１２Ｂは、多孔質半導体層を収容可能な形状や大きさとされる。

【0021】

容器１２の材質は、飽和溶液２１および低濃度溶液２２によって腐食されない、安定な材質であれば、特に限定されるものではなく、例えば、ガラス、石英、ステンレス、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーンなどが挙げられる。

【0022】

圧力調整装置１３としては、例えば、飽和溶液２１の液面２１ａを押圧する押圧部１５と、押圧部１５を加圧する加圧部（図示略）と、加圧部に加える力を制御する制御部（図示略）とを備えたものが用いられる。
押圧部１５は、飽和溶液２１の液面２１ａを均一に押圧することができるものであれば、特に限定されるものではなく、飽和溶液２１および低濃度溶液２２によって腐食されない材質からなる板状のものが用いられる。
加圧部としては、スプリング、空気圧を利用したピストン、油圧を利用したピストンなどが用いられる。
制御部としては、飽和溶液収容部１２Ａに配管を接続し、圧力計をモニタリングしながら、圧力調整バルブによって加圧部への圧力を制御するものが用いられる。また、制御部による圧力制御は、マスフローコントローラーを利用した自動制御も可能である。

【0023】

温度調節装置１４としては、飽和溶液２１および低濃度溶液２２を加熱するための加熱装置（ヒータ）と、飽和溶液２１および低濃度溶液２２を冷却するための冷却装置とを備えたものが用いられる。
冷却装置による低濃度溶液２２の冷却方法としては、例えば、容器周辺に冷却水を循環させる方法、エアーコンディショナーのような空冷による冷却方法が挙げられる。
また、温度調節装置１４は、飽和溶液２１と低濃度溶液２２を一括して温度調節可能であっても、飽和溶液２１と低濃度溶液２２を個別に温度調節可能であってもよい。

【0024】

「溶液濃度調節方法」
次に、溶液濃度調整装置１０の使用方法を説明することにより、本実施形態の溶液濃度調節方法を説明する。
ここでは、溶液濃度調整装置１０が、色素増感型太陽電池の多孔質半導体層に、増感色素を吸着させるために用いられる場合を例にとって説明する。

【0025】

まず、容器１２の低濃度溶液収容部１２Ｂに、所定の濃度に調整された低濃度溶液２２を注入する。
ここで、所定の濃度の低濃度溶液２２とは、低濃度溶液２２が色素溶液である場合、その色素溶液の濃度が、色素増感型太陽電池の多孔質酸化物半導体層に担持させるために必要な量の増感色素を含んでいる溶液のことである。

【0026】

一方、容器１２の飽和溶液収容部１２Ａに、飽和溶液２１を注入する。
飽和溶液２１は、飽和または過飽和の状態にある増感色素溶液であり、過飽和の状態にある場合には溶媒に溶解していない固体状の増感色素を含む溶液である。
固体状の増感色素とは、飽和溶液２１に溶解せずに、粉末として沈殿または分散している増感色素、あるいは、塊となって沈殿している増感色素のことである。

【0027】

溶液濃度調整装置１０では、飽和溶液２１と低濃度溶液２２の圧力差、並びに、飽和溶液２１および低濃度溶液２２の温度を調節することにより、低濃度溶液２２の濃度を調節し、低濃度溶液２２の濃度を一定に保つ。すなわち、予め多孔質酸化物半導体層に担持させるために必要な増感色素量となるように調製された低濃度溶液２２の濃度を一定に保つ。

【0028】

本発明では、「溶質（増感色素）＋飽和溶液２１（飽和状態）」と、「溶質（増感色素）＋低濃度溶液２２（不飽和状態）」との接触から発現する圧力差を調節している。
ここで、溶液の浸透圧π［ａｔｍ］は、下記のファントホッフの式（１）で表される。
π＝ＭＲＴ （１）
上記の式（１）において、Ｍはモル濃度［ｍｏｌ／ｄｍ^３］、Ｒは気体定数［ａｔｍ・ｄｍ^３／Ｋ・ｍｏｌ］、Ｔは温度［Ｋ］を表す。

【0029】

上記の式（１）から、温度Ｔが一定の場合、飽和溶液２１のモル濃度と低濃度溶液２２のモル濃度は、それぞれの浸透圧に比例することが分かる。したがって、飽和溶液２１および低濃度溶液２２の温度を一定に保つとともに、飽和溶液２１と低濃度溶液２２の圧力差を一定に保つことによって、飽和溶液２１のモル濃度と低濃度溶液２２のモル濃度との差が一定に保たれ、結果として、低濃度溶液２２の濃度を一定に保つことができる。

【0030】

飽和溶液２１および低濃度溶液２２の温度を一定に保つには、温度調節装置１４により、飽和溶液２１および低濃度溶液２２を加熱および／または冷却する。

【0031】

飽和溶液２１と低濃度溶液２２の圧力差を一定に保つには、圧力調整装置１３の押圧部１５により、飽和溶液２１の液面２１ａを押圧する。
低濃度溶液２２の圧力は、上述したように予め調整された濃度と、低濃度溶液２２の温度によって算出される。低濃度溶液２２と飽和溶液２１の圧力差が常に一定になるように、圧力調整装置１３の押圧部１５により、飽和溶液２１の液面２１ａを押圧する力（圧力）を調整する。
あるいは、飽和溶液２１の濃度を紫外可視吸光分析により測定しながら、飽和溶液２１の濃度が一定になるように、圧力調整装置１３の押圧部１５により、飽和溶液２１の液面２１ａを押圧する力（圧力）を調整する。

【0032】

溶液濃度調整装置１０を用いて、色素増感型太陽電池の多孔質半導体層に、増感色素を吸着させるには、所定の濃度に調節された低濃度溶液２２に、多孔質半導体層を所定の時間、浸漬する。
このように低濃度溶液２２への多孔質半導体層の浸漬を行うと、多孔質半導体層に増感色素が吸着されて、低濃度溶液２２に含まれる増感色素の量が減少する。すると、飽和溶液２１および低濃度溶液２２の温度が一定に保たれているとともに、飽和溶液２１と低濃度溶液２２の圧力差が一定に保たれているので、低濃度溶液収容部１２Ｂから飽和溶液収容部１２Ａへと溶媒が移動（浸透）して、低濃度溶液２２の濃度は一定に保たれる。
このとき、飽和溶液収容部１２Ａ内の溶媒量は増加するが、飽和溶液２１は、予め溶媒に溶解していない固体状の増感色素を含んでいるので、増加した溶媒にその固体状の増感色素が溶解して、飽和溶液２１の濃度が一定に保たれる。

【0033】

一方、低濃度溶液２２を構成する溶媒の量が減少した場合、飽和溶液２１および低濃度溶液２２の温度が一定に保たれているとともに、飽和溶液２１と低濃度溶液２２の圧力差が一定に保たれているので、飽和溶液収容部１２Ａから低濃度溶液収容部１２Ｂへと溶媒が移動（浸透）して、低濃度溶液２２の濃度は一定に保たれる。
このとき、飽和溶液２１中の溶媒は減少するが、飽和溶液２１は元々飽和溶液であるため、過飽和となって増感色素が固体化し、沈殿または分散するだけであり、飽和溶液２１中の濃度も一定に保たれる。

【0034】

本実施形態の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法によれば、従来の色素溶液濃度の調節方法と比べて、簡便な設備のみで溶液濃度の調節を行うことができる。

【0035】

なお、本実施形態の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法は、上述の浸漬方法以外の色素増感型太陽電池の製造方法にも適用することができる。例えば、スプレー方法を用いた色素の染色方法においても、使用する色素溶液の濃度が一定に保たれることが望ましいので、本実施形態の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法により、色素溶液の濃度を一定に保つことによって、一定濃度の色素溶液を供給することができる。
さらに、本実施形態の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法は、色素増感型太陽電池の製造方法以外にも応用することができる。例えば、色素レーザー装置やスピンコーターに、一定濃度の溶液を供給することができる。

【0036】

「太陽電池およびその製造方法」
図２〜５を参照して、本実施形態の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法を用いた太陽電池の製造方法を説明する。
本実施形態の太陽電池の製造方法は、（Ｉ）光電極基板と対極基板とを形成する基板形成工程と、（ＩＩ）基板形成工程により形成された光電極基板と対極基板とを貼り合せる基板貼合工程とを備えている。

【0037】

（Ｉ）基板形成工程
光電極基板３１を作製する。
まず、スパッタリング法や印刷法などにより、第一基板３２の一方の面３２ａに、スズドープ酸化インジウム、フッ素ドープ酸化スズ、酸化亜鉛などからなる透明電極膜３３を成膜する（図２参照）。

【0038】

次いで、フォトリソグラフィ法や印刷法などにより、透明電極膜３３の一方の面３３ａに、焼成が可能な酸化チタンなどの金属酸化物を含有したペーストを塗布し、必要に応じて焼結して、多孔質の半導体からなる光電変換層３４を形成する（図２参照）。
また、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により、光電変換層３４を形成してもよい。

【0039】

次いで、上述の溶液濃度調整装置１０を用いて、低濃度溶液収容部１２Ｂ中の低濃度溶液２２に光電変換層３４を浸漬し、光電変換層３４に増感色素を担持させ、光電極基板３１を得る。
また、光電変換層３４に増感色素を担持させた後、光電変換層３４の表面を無水アルコールなどで洗浄してもよい。

【0040】

次いで、光電変換層３４と所定の間隔を置いて、かつ、光電変換層３４を囲繞するように、インクジェット法などにより、透明電極膜３３の一方の面３３ａに封止樹脂３５を形成する。
ここでは、光電極基板３１と、後述する対極基板３６を貼り合せた際、光電変換層３４と、対極基板３６の対向電極膜３８とが所定の間隔を置いて離隔し、かつ、後述する電解質層３９が必要とされる厚さとなるように封止樹脂３５の厚さを調整する。

【0041】

対極基板３６を作製する。
スパッタリング法や印刷法などにより、第二基板３７の一方の面３７ａに、白金、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、カーボンなどからなる対向電極膜３８を成膜し、対極基板３６を得る（図３参照）。

【0042】

（ＩＩ）基板貼合工程
光電極基板３１に形成された封止樹脂３５を介して、光電極基板３１と対極基板３６とを貼り合わせ、封止樹脂３５によって、光電極基板３１と対極基板３６とを接着、固定する（図４参照）。
この基板貼合工程により、光電極基板３１と対極基板３６の間に間隙が形成される。

【0043】

次いで、予め光電極基板３１または対極基板３６に形成しておいた注入口（図示略）から、光電極基板３１と対極基板３６の間の間隙に電解質を注入して、光電極基板３１と対極基板３６の間に電解質層３９を形成する。
次いで、注入口を封止して、図５に示すような太陽電池３０を得る。

【0044】

「光学デバイス」
本実施形態における光学デバイスは、本実施形態の溶液濃度調整装置および溶液濃度調節方法によって、一定の濃度に調節された溶液を用いて製造されたものである。このような光学デバイスとしては、例えば、色素レーザー、磁気記録体、有機薄膜太陽電池などが挙げられる。

【符号の説明】

【0045】

１０ 溶液濃度調整装置
１１ 半透膜
１２ 容器
１２Ａ 飽和溶液収容部
１２Ｂ 低濃度溶液収容部
１３ 圧力調整装置
１４ 温度調節装置
１５ 押圧部
２１ 飽和溶液
２２ 低濃度溶液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】