太陽電池への利用を可能とするナノサイズ酸化チタン微粒子の連続合成プロセスの開発

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11555204
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 米本 年邦 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (40125688)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 久保 正樹 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50323069) ; 北川 尚美 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00261503)
• Keywords: ナノサイズ / 微粒子 / 酸化チタン / 単分散 / 連続合成

Research Abstract

最近、粒径30〜50nmのナノサイズ酸化チタン微粒子とルテニウムの有機錯体から作製される薄膜を用いる新規の湿式太陽電池が考案されている。酸化チタン微粒子は太陽電池の必須材料であるが、高い薄膜性能を得るためには、粒径の単分酸性向上が要求されている。本研究では、金属アルコキシドの加水分解・縮合反応を利用するゾル-ゲル法を利用し、固体微細核の発生を超音波照射下の充填層で、そしてそれに引き続く微細核の数十ナノメーターサイズ微粒子への凝集成長をスラグ流れ熟成管中で行わせることにより、ナノサイズの単分散酸化チタン微粒子を連続的に合成するプロセスの構築を目指す。
連続実験に先立ち、回分実験によって粒径の小さい微粒子の生成条件について検討した。溶媒にはエタノールを、金属アルコキシドにはチタニウムテトラエトキシド(TEOT)を用いた。また、分散剤としてヒドロキシプロピルセルロース(HPC)を添加した。はじめに、TEOT濃度を一定にして、水の濃度を増加させたところ、粒径は減少したものの、幾何標準偏差は単分散性の指標を示す1.2以下とはならなかった。そこで、100nm以下で単分散性の高い微粒子を合成するために、分散剤であるHPCの濃度を増加させたところ、粒径が減少すると共に幾何標準偏差も1.2以下に減少することを見いだした。さらに、TEOT濃度を減少させることにより、粒径37nmかつ幾何標準偏差も1.15という単分散性の高い微粒子の合成に成功した。
回分実験の結果を基に、TEOT濃度0.025mol/dm^3、水濃度2.0mol/dm^3、HPC濃度2.5g/dm^3の条件で、連続合成実験を行った。その結果、回分実験に比べ単分散性は低くなるものの、粒径約40nmの微粒子を連続的に合成することができた。