ナノ結晶酸化チタン電極界面のカプロン酸　　　　処理と色素増感太陽電池への応用ナノ結晶酸化チタン電極界面のカプロン酸　　　　処理と色素増感太陽電池への応用

東北大学　多元物質科学研究所 　　　　○内田 聡・実平 義隆

2006 年 9 月 14 日 ( 木 ) 2006 年電気化学秋季大会（同志社大学）①

【はじめに】■ FTO 基板の表面処理【はじめに】■ FTO 基板の表面処理

・古くて新しい課題・いろいろな思惑・性能向上における　様々な説明

・古くて新しい課題・いろいろな思惑・性能向上における　様々な説明

②

・バリア層・中間膜・絶縁層　・短絡防止層・ブロッキングレーヤー・アンダーレーヤー　　 etc.

・バリア層・中間膜・絶縁層　・短絡防止層・ブロッキングレーヤー・アンダーレーヤー　　 etc.

・機械的接触の確保・電気的接触の改善・逆電子移動過程の抑制　　 etc.

・機械的接触の確保・電気的接触の改善・逆電子移動過程の抑制　　 etc.

呼び名 期待する効果

■ 短絡防止層に関する代表的な特許出願■ 短絡防止層に関する代表的な特許出願

③

■ 短絡防止層に関する代表的な特許出願■ 短絡防止層に関する代表的な特許出願

④

■ 短絡防止層の導入と効果■ 短絡防止層の導入と効果

⑤

・多くの場合　トレードオフ　の関係

・多くの場合　トレードオフ　の関係

0 0.2 0.4 0.6 0.8

8.0

6.0

4.0

2.0

0

Voltage / V

Cur

rent

den

sity

/ m

A·c

m-2

有無

Nb2O5 vs SnO2

JSC vs VOC

・ SnO2 は効果　が無い？・ SnO2 は効果　が無い？

カプロン酸： 代表的な中鎖脂肪酸の一つ。脂肪酸誘導体として様々な分野に利用

油脂

化学合成

加水分解・分留

カプロン酸・無色透明液体・特異臭あり

合成香料　（エステル）合成潤滑油（エステル）増稠剤　　（金属塩）化学触媒　（金属塩）　　　　　　　　など

O

OH

■ カプロン酸についカプロン酸についてて■ カプロン酸についカプロン酸についてて

エタノール

⑥

カプロン酸スズの分子構造

カプロン酸：様々な金属と塩を形成

溶解・塗布・焼成

金属・金属酸化物を形成

CO2,H2O溶媒

金属酸化膜形成塗布 乾燥 焼成

乾燥機 焼成炉塗布装置ガラス

カプロン酸金属塩＋溶媒

■ 電極界面のカルボン酸処理につい電極界面のカルボン酸処理についてて■ 電極界面のカルボン酸処理につい電極界面のカルボン酸処理についてて

Sn

⑦

【実験】【実験】

⑧

■ 酸化スズ膜の塗布

■ 酸化スズ膜の焼成

10s 20s 10s

5000 rpm(or 2500 rpm)

500°C

5°C/min1h 自然放冷

カプロン酸 Sn 溶液 or カプロン酸 Nb 溶液 or カプロン酸 Ga 溶液　　　　↓0.1wt%, 1.0wt%, 5.0wt%／エタノール溶液

カプロン酸 Sn 溶液 or カプロン酸 Nb 溶液 or カプロン酸 Ga 溶液　　　　↓0.1wt%, 1.0wt%, 5.0wt%／エタノール溶液

スピンコーター

80°C

0.5h25°C

5°C/min

【実験】【実験】

⑨

■ ナノ結晶酸化チタン膜の調製

■ 光電変換特性評価

・ FTO ガラス：日本板硝子 ( 株 ) 製 （ 10Ω/□, t=1.1mm ）・酸化チタン： Soralonix SA （ Nanoxide T/SP, 300 ）　　→ 500 , 30min → TiCl℃ 4 処理

・電解液： 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.5M TBP, 0.6M DMPII・ Solar simulator ：山下電装 ( 株 ) YSS-80 （ AM1.5, 100mW•cm-2 ）・セルサイズ： 4×4mm, マスク無し

■ カプロン酸 Sn 処理の結果■ カプロン酸 Sn 処理の結果

⑩

T a b l e 1 P h o t o v o l t a i c p r o p e r t i e s o f s o l a r c e l l s

w i t h / w i t h o u t S n f a t t y a c i d t r e a t m e n t

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

S n c o n c . t V o c Å@ J s c F F Å@ É≈

Å@ / % / É  m / m V / m A · c m- 2

- / %

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- 1 6 . 8 8 7 1 1 1 7 . 2 8 0 . 7 0 8 . 5 5

- 1 7 . 4 9 7 1 7 1 8 . 3 6 0 . 6 9 9 . 1 3

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

0 . 0 3 1 8 . 9 9 7 1 6 1 8 . 4 4 0 . 7 2 9 . 4 7

0 . 0 3 1 8 . 6 7 7 1 8 1 8 . 9 0 0 . 7 2 9 . 7 5

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

0 . 3 3 1 7 . 1 0 7 2 4 1 8 . 7 5 0 . 6 9 9 . 3 5

0 . 3 3 1 8 . 3 2 7 2 3 1 8 . 3 1 0 . 7 0 9 . 2 9

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

1 . 6 6 1 6 . 6 9 7 1 3 1 9 . 1 9 0 . 7 0 9 . 5 8

1 . 6 6 1 8 . 0 5 7 2 2 1 8 . 9 3 0 . 6 9 9 . 4 4

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

0.1wt%

1.0wt%

5.0wt%

■ カプロン酸 Sn 処理の結果(2)■ カプロン酸 Sn 処理の結果(2)

⑪

Sn wt%

700710720730740750012345 16.016.517.017.518.018.519.019.520.0012345

0.660.680.700.720.740123458.59.09.510.0012345

Sn wt%

Sn wt% Sn wt%

VOC JSC

FF η

■ カプロン酸 Sn 処理後の表面観察■ カプロン酸 Sn 処理後の表面観察

⑫

before after (Sn 5.0wt%)

・平滑性が向上・平滑性が向上

■ カプロン酸 Sn 処理後の表面観察■ カプロン酸 Sn 処理後の表面観察

⑬

5.0wt%

05101520253035R

ough

ness

(R

a) /

nm

1.0wt%0.1wt%none

・処理液の濃度（＝ Sn 酸化物膜厚）　の増加と共に平滑化

・未処理と 0.1wt%濃度　処理では平均粗さに　違いが見られない

・処理液の濃度（＝ Sn 酸化物膜厚）　の増加と共に平滑化

・未処理と 0.1wt%濃度　処理では平均粗さに　違いが見られない

■各種元素と TiO2 との反応性について■各種元素と TiO2 との反応性について

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1 H He

2 Li Be B C N O F Ne

3 Na Mg Al Si P S Cl Ar

4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

6 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Ti ï°çáé_âªçáï®Ç†ÇËTi å≈ónëÃÅATi âñå`ê¨

Ti ï°çáé_âªçáï®Ç»Çµ

戦略・ TiO2 と化合しない・化学的安定性、対腐食性・低毒性

戦略・ TiO2 と化合しない・化学的安定性、対腐食性・低毒性

なぜ Sn？

(ICDD Card 調べ )

C, Ge, SnMo, Ru, WC, Ge, SnMo, Ru, W

⑭

■ カプロン酸 Sn vs Nb vs Ge 処理の結果■ カプロン酸 Sn vs Nb vs Ge 処理の結果

⑮

【まとめ】【まとめ】

QuickTime˛ Ç∆GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

⑯

・新たに有機溶媒に易溶解性の特殊な脂肪酸金属塩を用いることで、光電変換パラメータの一部を犠牲にすることなく効率が最大で

+7% （ 9.13%→9.75% ）ほど向上することを見出した。 *Sn 系

→ 機能発現の機構？（今後の検討課題）

・新たに有機溶媒に易溶解性の特殊な脂肪酸金属塩を用いることで、光電変換パラメータの一部を犠牲にすることなく効率が最大で

+7% （ 9.13%→9.75% ）ほど向上することを見出した。 *Sn 系

→ 機能発現の機構？（今後の検討課題）