Transcript カプロン酸
① 2006年9月14日(木) 2006年電気化学秋季大会（同志社大学） 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 ② 【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 呼び名 期待する効果 ・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. ③ ■短絡防止層に関する代表的な特許出願 ④ ■短絡防止層に関する代表的な特許出願 ⑤ ■短絡防止層の導入と効果 Current density / mA·cm-2 8.0 ・多くの場合 トレードオフ の関係 6.0 4.0 JSC vs VOC 2.0 無 有 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Voltage / V Nb2O5 vs SnO2 ・SnO2 は効果 が無い？ ⑥ ■カプロン酸について 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 O OH 油脂 加水分解・分留 カプロン酸 エタノール 化学合成 ・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 ⑦ ■電極界面のカルボン酸処理について カプロン酸：様々な金属と塩を形成 Sn 溶解・塗布・焼成 金属・金属酸化物を形成 カプロン酸金属塩 ＋溶媒 ガラス カプロン酸スズの分子構造 溶媒 CO2,H2O 塗布 乾燥 焼成 塗布装置 乾燥機 焼成炉 金属酸化膜形成 ⑧ 【実験】 スピンコーター ■酸化スズ膜の塗布 5000 rpm (or 2500 rpm) 10s 20s 10s ■酸化スズ膜の焼成 500°C 80°C 25°C 5°C/min 0.5h 5°C/min 1h 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 ⑨ 【実験】 ■ナノ結晶酸化チタン膜の調製 ・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 → TiCl4 処理 ■光電変換特性評価 ・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 ⑩ ■カプロン酸Sn処理の結果 Ta bl e 1 Phot ovol t a i c pr ope r t i e s of s ol a r c e l l s wi t h/ wi t hout Sn f a t t y a c i d t r e a t me nt -------------------------------------------------Sn c onc . t Voc Å@ Jsc FFÅ@ ÉÅ@/ % 0.1wt% 1.0wt% 5.0wt% /É m / mV / mA· c m- 2 - /% -------------------------------------------------16. 88 711 17. 28 0. 70 8. 55 17. 49 717 18. 36 0. 69 9. 13 -------------------------------------------------0. 03 18. 99 716 18. 44 0. 72 9. 47 0. 03 18. 67 718 18. 90 0. 72 9. 75 -------------------------------------------------0. 33 17. 10 724 18. 75 0. 69 9. 35 0. 33 18. 32 723 18. 31 0. 70 9. 29 -------------------------------------------------1. 66 16. 69 713 19. 19 0. 70 9. 58 1. 66 18. 05 722 18. 93 0. 69 9. 44 -------------------------------------------------- ⑪ ■カプロン酸Sn処理の結果(2) 750 2 0 .0 1 9 .5 VOC 740 JSC 1 9 .0 1 8 .5 730 1 8 .0 720 1 7 .5 1 7 .0 710 1 6 .5 700 1 6 .0 0 1 2 3 4 5 0 1 Sn wt% 2 3 4 5 4 5 Sn wt% 1 0 .0 0 .7 4 η FF 0 .7 2 9 .5 0 .7 0 9 .0 0 .6 8 0 .6 6 8 .5 0 1 2 3 Sn wt% 4 5 0 1 2 3 Sn wt% ⑫ ・平滑性が向上 ■カプロン酸Sn処理後の表面観察 before after (Sn 5.0wt%) ⑬ ■カプロン酸Sn処理後の表面観察 ・処理液の濃度 （＝Sn 酸化物膜厚） の増加と共に平滑化 Roughness (Ra) / nm ・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 none 0.1wt% 1.0wt% 5.0wt% ⑭ なぜSn？ ■各種元素とTiO2との反応性について (ICDD Card 調べ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1 H 18 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 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc 6 Cs Ba La Hf Ta W 戦略 ・TiO2と化合しない ・化学的安定性、対腐食性 ・低毒性 Mn Fe Re Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ti 複合酸化合物あり C, Ge, Sn Mo, Ru, W Ti 固溶体、 Ti 塩形成 Ti 複合酸化合物なし 0 .1 wt% 0 .1 wt% 0 .1 wt% 1 .0 wt% 1 .0 wt% 5 .0 wt% 5 .0 wt% 0 .1 wt% 0 .1 wt% 1 .0 wt% 1 .0 wt% 5 .0 wt% 5 .0 wt% 0 .1 wt% 0 .1 wt% 1 .0 wt% 1 .0 wt% 5 .0 wt% 5 .0 wt% Sn Sn Sn Sn Sn Sn Sn Nb Nb Nb Nb Nb Nb Ge Ge Ge Ge Ge Ge no ne no ne no ne no ne η/ % ⑮ ■カプロン酸 Sn vs Nb vs Ge 処理の結果 1 0 .0 Sn Nb Ge 9 .5 無し 9 .0 8 .5 8 .0 ⑯ 【まとめ】 ・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）