2017 Fiscal Year Annual Research Report
一般化された酸化物半導体／有機分子／電解液界面の電子移動モデルの構築と応用
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17H03099
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
森 正悟 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (10419418)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西井 良典 信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (40332259)
木村 睦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (60273075)
舩木 敬 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80450659)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 還元速度 / 吸着角度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
色素増感太陽電池（DSC）は一般的に酸化チタンを用いて作製されるが、その他の酸化物半導体を用いても作製することができる。しかしその他の酸化物を用いた色素増感太陽電池の性能は一般的に低い。一方で３次元的に広がる構造を持つ特定の色素（D35）と酸化亜鉛とコバルト錯体レドックス対を用いたDSCでは酸化チタンを用いたDSCよりも開放電圧が高くなることが分かっている。またその他にも酸化物ごとに電子移動特性が異なることを示唆する結果が得られている。そこで本研究ではTiO2を比較対象にしてWO3、ZnO、SnO2、In2O3ナノ粒子から作製された半導体電極を用いたDSCにおける電子移動機構の解明を行い、酸化物全てに適用できるナノ粒子酸化物半導体/有機分子/電解液界面における電子移動モデルを構築する。H29年度ではダイオードレーザーを用いた過渡吸収測定装置の開発、酸化亜鉛と酸化スズ電極に対して様々な構造を持つ色素を用いて作製したDSCにおける色素構造と太陽電池性能の相関の確認、色素構造と酸化状態色素の還元速度の関係の解明、色素の吸着角度と酸化状態色素の還元速度の関係の解明、新規色素の設計と合成を行った。その結果、新規測定装置に関しては開発上の課題が明らかになり、高い開放電圧が得られる色素に求められる条件に関しては実験結果からいくつかの仮説が得られ、酸化状態色素の還元速度に与えるパラメータとしてはカップリングの寄与がかなり大きいことが分かり、仮説を検証するための色素の合成に成功した。
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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
酸化状態色素の還元速度を測定するためには一般的にはナノ秒パルスレーザーを用いて酸化状態色素の過渡光吸収を測定するが、装置が大掛かりである。そこで小型ダイオードレーザーを２台用いた測定方法の開発を行った。過渡吸収の測定はできることを確認したが、酸化チタン中の電子による吸収の影響が大きく、現在酸化状態色素による吸収と区別する方法を試行している。酸化亜鉛と酸化スズ電極に対しては、様々な構造を持つ色素を用いて色素増感太陽電池を作製したところ、D35を超える開放電圧は得られなかったが、酸化亜鉛電極とコバルト錯体レドックス対を用いて開放電圧が0.86V、外部量子効率が80%以上得られる色素が見つかった。また酸化チタンとは異なり、酸化亜鉛電極を用いたDSCでは色素によって酸化亜鉛の伝導帯電位が大きく変化することが示唆され、高い開放電圧と相関のあるパラメーターが見えてきた。DSCにおいて酸化状態色素の還元速度は太陽電池の性能に大きく影響を与えるが、色素構造と還元速度の関係は不明確な点が多い。そこでまず酸化チタンと系統的に構造が異なる色素を用いDSCを作製してコバルト錯体による還元速度を測定したところ、還元速度は分子間の接触可能面積の大きさに依存し、その面積は色素の構造と大きさ、また色素の吸着密度に依存することが分かった。色素の吸着角度に関しては、一般的に考えられてきた酸化物の表面に平行に吸着している色素の還元速度が速いとは限らず、電解質などに大きく影響されることが分かった。色素に関しては電解質との相互作用が異なることが期待されるルテニウム錯体とメタルフリー有機色素を合成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
測定方法の開発に対しては、現在試している測定方法を検証しつつ、他の酸化物での検証も行う。高開放電圧が得られる色素に関しては、仮説を検証するための構造を持つ色素を探しつつ、新規色素の設計と合成も行う。酸化チタンを用いたDSCでは電解液中のカチオンが酸化チタンに吸着することで太陽電池性能に大きく影響を及ぼすが、他の酸化物では吸着の仕方がかなり異なるように見える。また電解質は色素とも相互作用し、電子移動速度に影響を与える。今後、酸化チタン以外の電極に対して電解質と色素の構造と吸着状態の関係について調べる。
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