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2015 Fiscal Year Research-status Report

光電デバイスの反応活性化による低コスト・高性能ポリマー触媒の開発

Research Project

Project/Area Number 15K21223
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

SEO HYUNWOONG  九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 助教 (00618499)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2017-03-31
Keywordsポリマー / 触媒 / 光電デバイス / ナノ粒子 / 反応活性化 / 太陽電池
Outline of Annual Research Achievements

白金、金などの従来の触媒は、高い触媒活性度にもかかわらず、高コスト、希少性の限界があり、代替材料の研究が必要である。本研究は代替触媒材料としてポリマーを研究する。ポリマーは低コスト材料として、様々な特性を具現できる長所があるが、低い触媒活性度が弱点である。光電デバイスでの触媒材料の低い反応活性度は電子輸送のボトルネックになり、出力電流と効率の低下をもたらす。ここでは、ポリマー触媒の反応活性度を従来の白金以上に向上させる方法を研究する。
1次年度には多様な半導体材料を用いてポリマー触媒の反応活性度を向上させる研究を行った。平坦なポリマー(PEDOT:PSS)膜の狭いポリマー/電解液の界面がポリマー触媒の低い反応活性度の主な原因の一つである。ポリマー膜の表面積を増加させるためにナノ粒子を導入した。ナノ粒子の表面にポリマーがコーティングされ、ポリマー/電解液の界面が大きく広がる。ここではAl2O3、ZrO2、TiO2、Si3N4、V2O5、WO3、ZnO、SnO2、SiO2の9種のナノ材料が適用された。強酸のPSSと激しく反応したZnOとSiO2を除いた7種のナノ材料をポリマーに適用し、対向電極材料として使用した結果、TiO2、Si3N4、SnO2がポリマー触媒の反応度を活性化し、向上した光電変換特性を示した。特に、TiO2は従来の白金対向電極の効率7.59%より高い8.27%の効率を示した。本研究成果は国際電気化学会、PVSEC、EMN meeting(招待講演)などの有名な国際学会で発表されたし、2016年3月英文ジャーナルJournal of Power Sourcesに掲載された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の申請書上の達成目標と現在の進捗状況は以下の通りである。
(1) 触媒反応による電子供給速度、電子寿命の測定、分析: ポリマーと従来の白金の触媒反応をサイクリックボルタンメトリー測定、分析によって触媒活性度の差を明確にしてインピーダンス分析から電荷移送抵抗、デバイス内部での電子寿命を測定、比較した。低い反応度のポリマー触媒は白金触媒より大きな内部抵抗を示し、電子輸送のボトルネックが確認できた。
(2) ポリマー触媒の反応活性度の向上: ナノ材料の導入によってポリマー/電解液の触媒反応の界面が増加させ、ポリマー触媒の反応が活性化されることを確認した。最終的にTiO2ナノ粒子の導入によってポリマー触媒から白金以上の触媒反応活性度が確認できた。
(3) 対向電極の構造変更による触媒反応活性化: 2次年度の研究計画として、実施予定である。
(4) ポリマー触媒を用いた色素増感太陽電池の効率向上: TiO2ナノ粒子-ポリマー触媒を用いて従来の白金触媒(7.59%)以上の効率(8.27%)を達成した。
従って、本研究は1次年度研究計画上の目標を達成することによって上記のように自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

2次年度には、ポリマーフィルムではなく、対向電極の表面改質によって反応表面積の増加及び触媒反応の活性化を研究する。1次年度の研究から効果が検証されたTiO2を基板材料として選択してナノロードあるいはナノチューブ構造を適用し、より向上された電荷移動特性を目指す。ポリマーが最も均一にコーティングできる条件のポリマー/添加物の構成比とナノ構造の長さ、幅を最適化することによって1次年度の効率以上の最高効率を達成する。
また、1次年度の研究の延長として、TiO2ナノ粒子のサイズ、相による触媒反応や光電変換特性の依存性を検証し、相関関係を導出する研究を行う。
最終的には、長期信頼性テストを実施することにより、ポリマー触媒の性能を検証し、本研究の全ての目標を達成する。
その他の適用として、色素増感太陽電池の研究以外にも、ウォータースプリット反応の触媒、量子ドット及びペロブスカイト太陽電池の酸化還元触媒としてもポリマー触媒の開発を続けていく。

  • Research Products

    (11 results)

All 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] EPFL(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      EPFL
  • [Int'l Joint Research] 釜山大学/成均館大学(韓国)

    • Country Name
      KOREA (REP. OF KOREA)
    • Counterpart Institution
      釜山大学/成均館大学
  • [Int'l Joint Research] Chulalongkorn大学(タイ)

    • Country Name
      THAILAND
    • Counterpart Institution
      Chulalongkorn大学
  • [Journal Article] Polymer Counter Electrode of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) Containing TiO2 Nano-particles for Dye-sensitized Solar Cells2016

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo, Min-Kyu Son, Naho Itagaki, Kazunori Koga, Masaharu Shiratani
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 307 Pages: 25-30

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2015.12.112

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 色素及び量子ドット増感太陽電池の電解液に適用可能なポリマー触媒2016

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      第7回薄膜太陽電池セミナー
    • Place of Presentation
      山形大学(山形・米沢)
    • Year and Date
      2016-03-13 – 2016-03-16
  • [Presentation] Hybrid counter electrode of photochemical solar cells for iodine and polysulfide redox systems2016

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      The 3rd Korea-Japan Joint Symposium on Advanced Solar Cells
    • Place of Presentation
      江原(韓国)
    • Year and Date
      2016-02-16 – 2016-02-19
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Stable and low cost polymeric catalyst for dye-sensitized solar cells2016

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      Energy, Materials, and Nanotechnology (EMN) Photovoltaics Meeting 2016
    • Place of Presentation
      香港(中国)
    • Year and Date
      2016-01-18 – 2016-01-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Photovoltaic potentials of nano-particles based on advanced plasma processes2015

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      25th Annual Meeting of MRS-J
    • Place of Presentation
      横浜開港記念会館(神奈川・横浜)
    • Year and Date
      2015-12-08 – 2015-12-10
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Catalytic Activation in Polymeric Counter Electrode of Dye-sensitized Solar Cells by Surface Modification2015

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      25st International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-25)
    • Place of Presentation
      釜山(韓国)
    • Year and Date
      2015-11-15 – 2015-11-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel polymer counter electrode of dye-sensitized solar cells2015

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      66th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • Place of Presentation
      台北(台湾)
    • Year and Date
      2015-10-04 – 2015-10-09
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Catalytic enhancement on polymeric counter electrode of Si quantum dot-sensitized solar cells2015

    • Author(s)
      Hyunwoong Seo
    • Organizer
      10th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering
    • Place of Presentation
      済州(韓国)
    • Year and Date
      2015-09-21 – 2015-09-24
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-01-06  

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