2019 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, 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 | 色素増感太陽電池 / 逆電子移動 / 電荷再結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
色素増感太陽電池は透明導電ガラス上の多孔質酸化物半導体とその表面に吸着した有機色素、レドックス対を含む電解液と対極で構成されている。酸化物は主に酸化チタンが使われているが、酸化スズなど他の酸化物でも太陽電池を作製することができる。しかし他の酸化物では一般的に性能が低く、その原因を説明する一貫したモデルは無い。そこで５種類の酸化物に対して系統的に色素と電解液の条件を変えて太陽電池を作製し、電子移動の速度を測定することで、モデル化を試みる。太陽電池は、まず光照射下では色素分子中の電子が励起し、その電子が酸化物に移動する必要がある。一方、電子は酸化物半導体から酸化状態色素へ戻る（逆電子移動する）前に外部回路に取り出されなければならない。R１年度では、新規に合成したRu錯体色素で、酸化物半導体に吸着する部位（カルボン酸）に隣接する部分のパイ共役が切れたものと切れていない色素と２種類の酸化物（酸化チタンと酸化スズ）に対して逆電子移動速度を測定した。酸化チタンでは、期待どおり共役が切れた色素の方が遅かったが、酸化スズでは共役の影響はほぼ見られず、また酸化チタンより酸化スズの方が速かった。また金属を含まない有機色素と３種類の酸化物（酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ）と２種類の電解質の組み合わせに対して逆電子移動速度を測定したところ、酸化チタンの挙動が他の酸化物と比較して異なった。酸化チタンと電解質と相互作用も他の酸化物と異なることがH３０年度での研究から分かっており、酸化チタンの特異性が明らかになってきた。また、酸化状態の色素は電解液中のレドックス対によって還元される必要がある。酸化チタン上と酸化亜鉛上での完全速度は、酸化亜鉛上の方が速い結果が多くの有機色素で見られた。これは酸化亜鉛の方が色素の被覆率が低いためであり、この場合、速い還元速度は太陽電池の効率に対して有利にならない。
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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
一般的に酸化チタンを用いた色素増感太陽電池が他の酸化物を用いた太陽電池よりもエネルギー変換効率が高いが、それは電解質との相互作用が１つのキーワードであることが分かって来た。また他の酸化物でも高い短絡電流値や開放電圧が得られる色素と電解質の組み合わせがあるが、それらの挙動を説明する取っ掛かりができた。電解液の溶媒の効果に対しても詳しく研究ができており、酸化物／色素／電解液界面の電子移動を説明するためのパーツが集まって来た。酸化物半導体上の色素の吸収スペクトルに対しても、今回合成した色素が他の色素と挙動が異なり、酸化物によって異なるスペクトルを説明するヒントが得られた。よってほぼ計画通りに進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今までに行った酸化物、色素の構造、電解質、溶媒の電子移動速度への影響について得られた全ての実験結果を説明するモデルを構築し、モデルを検証する実験を行う。具体的には酸化物表面の電場とトンネル効果について詳しく考察する。特に表面付近の電解質と溶媒分子の影響を考慮する。酸化物に対する一般モデル化に対しては酸化タングステンを用いたセルの測定が遅れており、他の酸化物に対して行ってきた一連の実験を酸化タングステンに対しても行い、今までの結果と比較する。酸化チタン以外の酸化物の問題点の１つに色素の被覆率の低さがある。本研究期間でさまざまな分子サイズの色素を合成しており、それら分子と、表面の電場を制御する分子を組み合わせて、酸化チタン以外の酸化物で高量子収率太陽電池を作製する。
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