2015 Fiscal Year Research-status Report
次世代太陽電池電極用ナノ粒子集積薄膜の最適構造設計
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15K06549
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
森 康維 同志社大学, 理工学部, 教授 (60127149)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ハイブリッド型太陽電池 / チタニア粒子 / 電極構造 / 薄膜作製プロセス / 電気泳動堆積法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代太陽電池として注目されているハイブリッド型太陽電池は，半導体ナノ粒子を集積した多孔質電極と電荷輸送を担う有機化合物からなる。半導体ナノ粒子集積薄膜は，ドクターブレード法やスクリーン印刷法などで作製されるが，作製された粒子集積薄膜の電極構造を最適化する試みはほとんどなされていない。そこで，化学工学および粉体工学の観点から，粒子集積薄膜構造の評価技術を確立すると共に，ハイブリッド型太陽電池の光電変換効率を高めるために，用いる粒子の形状も考慮した粒子集積薄膜作製方法およびその操作条件を見出すことを目的とした。
粒子集積薄膜の作製方法に関しては，ドクターブレード法と比較するために電気泳動法による粒子集積薄膜の作製を検討した。粒子集積薄膜を構成するチタニア粒子凝集体の平均粒子径の集積膜への影響を検討するために，粒子分散液調製のためのビーズミルのミリング時間を変え，チタニア粒子径が72，93，116 nmの3種類の懸濁液を調製した。印加した電流のすべてが粒子の堆積に使われると仮定すると，理論的に計算可能な式（Hamakerの式）で粒子堆積量を表現できることが判明した。懸濁液中のチタニア粒子の平均粒子径が小さいほど，粒子薄膜の空隙率を小さくできることを明らかにした。
粒子集積薄膜の構造が光電変換効率におよぼす影響を調べるために，空隙率測定法の開発を行った。ポリエチレングリコールを添加することで，粒子集積薄膜の空隙率を45～70％と幅広く変え，添加するポリエチレングリコールの分子量を変えることで細孔径分布の異なるチタニア電極を作製して，同様な解析を実施し，チタニア電極の空隙率が，電解質中のイオン拡散抵抗，チタニア電極中の電子の拡散抵抗，イオンとの再結合による逆電子移動抵抗に影響を与えていることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
粒子集積薄膜の作製方法として電気泳動法を取り上げ，研究成果の一部を学術会議で発表し，学術論文としてまとめることができた。発表論文：Materials Chemistry and Physics, 169, 28-39 (2016)，口頭発表：8th Meeting of Kyoto International Forum for Environment and Energy (KIFEE-8), Trondheim (Norway), 2015年9月，および化学工学会第47回秋季大会，北海道大学（札幌市），2015年9月
粒子集積薄膜の構造評価に関しては，薄膜中のチタニア粒子量を実測できる手法を開発したことにより，膜厚測定と合わせることで，薄膜中のチタニア粒子の平均充填率を算出することができた。口頭発表：European PV Solar Energy Conference (EU PVSEC 2015), Hamburg, Germany, 2015年9月，および粉体工学会2015年度秋期研究発表会, 大阪南港ATC（大阪市）, 2015年11月
さらに，Kelvin probe Force Microscopy（KPFM）を用いて局所的な電気特性分布を明らかにするための基礎的研究を，Max Plank Institute for Polymer Research, Mainz, Germanyとの共同研究として開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
「粒子集積薄膜構造の評価技術を確立と，ハイブリッド型太陽電池の光電変換効率の向上」が最終目標であるが，成膜条件と光電変換効率の関係がまだ明確とは言えないことから，研究の重点を粒子集積薄膜の成膜条件と光電変換効率の関係を明らかにすることとする。
そのために，粒子集積薄膜の作製方法として電気泳動堆積法に注目し，その特徴を明らかにするため，別途シリカ粒子やアルミナ粒子を使用した粒子集積薄膜作製を実施する。
光電変換効率の測定と共に，その効率上昇を妨げている要素を明らかにするために，インピーダンスとKPFM測定を推進することに注力する。
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| Causes of Carryover |
本年度検討を始めるはずであったペロブスカイト型太陽電池は，作製環境条件が整わず，余り進展が見られなかったため，試薬等の消耗品費が残存した。また，海外出張費を他の予算から計上したことから，旅費を予定金額まで使用しなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
各種の実験用消耗品に使用すると共に，研究調査費，研究成果発表旅費，および学生の謝金（実験補助）に使用する。
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Research Products
(7 results)
