2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of High Performance Dye-sensitized Solar Cells by Organosilicon Concept
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15H03848
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
花屋 実 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (50228516)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤沢 潤一 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (20342842)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 色素増感太陽電池 / 光起電圧 / アルコキシシラン色素 / クマリン / 電子注入 / エネルギーオフセット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代の太陽電池として期待を集める色素増感太陽電池について、太陽光-電気エネルギー変換効率の向上に向けた高光起電圧化の検討を行った。具体的には、1.2 Vを超える光起電圧を得ることに成功しているアルコキシシリルクマリン系色素を用いたセルについて、より高い光電変換効率と、一般的な乾電池の電圧である1.5 Vを目標に、新たな色素の開発、ならびにMg-doped TiO2電極、電解液組成の検討を進めた。色素については、π共役系の拡張によるHOMOレベルの上昇のために、クマリン骨格にオリゴチオフェンを導入し、また、TiO2電極表面と電解質との接触を阻害し逆電子移動反応を抑制することを目的に、チオフェン環にアルキル鎖を導入した色素を開発した。Mg-doped TiO2については、Mg/Tiのモル比を0.20へと増大させて、伝導帯の下端レベル（ECB）の上昇を図った。さらに、Mg-doped TiO2電極に対して、酸化マグネシウムに加えて酸化アルミニウムによる表面被覆を施し、逆電子移動反応の抑制を試みた。電解液には、アルコキシシラン色素が吸着した光アノードの高い耐水性を活かして、高い配位能と分子サイズが小さいことによりECBの上昇効果が大きいと期待される水を添加剤として加えた。その結果、光電変換効率3.9%、開放電圧1.45 Vのセルを作製することに成功した。
さらに、増感色素の分子設計について指針を得ることを目的として、光励起色素からTiO2の伝導帯への効率的な電子注入に必要とされているエネルギーオフセットの起源について、密度汎関数理論に基づく電子状態計算により解析を進めた。その結果、donor-acceptor型増感色素においてはacceptor部位のπ共役系の拡張により、エネルギーオフセットの閾値を低下させ、光発電の際のエネルギーロスを減少できる可能性を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、色素増感太陽電池において、アルコキシシラン増感色素およびこれを用いたセルの高度化を進め、従来の光電変換効率の限界を打開し、色素増感太陽電池の実用化の指標である15%の光電変換効率を達成することを最終目標としている。このために本年度は、太陽光-電気エネルギー変換効率の向上に向けた高光起電圧化を目指し、アルコキシシリルクマリン系色素を用いたセルについて、新規色素の開発、ならびにMg-doped TiO2電極、電解液組成の検討を進めた。その結果、100 mWcm-2の疑似太陽光照射下において、室温で1.45 V、5 ℃では1.50 Vの開放電圧を示すセルの開発に成功した。1.4 Vを超える光起電圧は、これまでに報告されている色素増感太陽電池において最高値であるとともに、半導体、化合物型太陽電池を含めた単セル構造の太陽電池においても最高水準にある。
また、光励起色素からTiO2の伝導帯への効率的な電子注入に必要とされているエネルギーオフセットの起源に関する理論的検討から、donor-acceptor型増感色素においてはacceptor部位のπ共役系の拡張により、エネルギーオフセットの閾値を低下させることが可能であることを明らかにし、増感色素の分子設計に新たな指針を提示した。
以上の成果により、本年度の研究は、目標の達成に向けて当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者のこれまでの研究により高い光電変換特性を示すことが確認されているアルコキシシリルカルバゾール系およびクマリン系色素について、色素の吸着法によるTiO2電極表面での色素の構造、結合様式の変化を明らかにし、セルの光電変換特性との相関の解明を進める。また、色素吸着TiO2電極のアルキルカルボン酸等を用いた表面修飾について、アルキル鎖長を系統的に変化させた検討を行い、表面修飾剤の構造がセルの光発電特性に与える影響を定量的に評価する。そして、これらの結果を総合することにより、高い光電変換効率を得るための光アノードの作製法を確立する。
さらに、アルコキシシリルアントラセン類を中心に、有機π電子系からTiO2の伝導帯への界面電荷移動遷移を発現する界面錯体型増感色素の開発を進め、増感機構の異なる色素の複合化を含め、色素増感太陽電池における光発電特性のさらなる向上を目指す。
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