2021 Fiscal Year Research-status Report
Modularization of dye-sensitized solar cells with a non-equilibrium plasma induced in a small cavity in a liquid phase
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20K03916
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
奥谷 昌之 静岡大学, 工学部, 准教授 (00293605)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 非平衡平面プラズマ / 色素増感太陽電池 / 液中プラズマ / 誘電体バリア放電 / 酸化チタン / 酸化スズ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、大気圧非平衡平面プラズマを利用して独自に開発した製膜技術を液中製膜法へ発展させる。具体的には、平板状の放電用電極と製膜用基板の間に前駆体溶液を毛細管現象で注入後、電極に高バイアスを印加して局所的に微小空洞を形成し、この空洞に閉じ込めた平面プラズマを前駆体へ照射する新規製膜技術である。さらに、プラズマの発生方式に関し、従来の製膜法で採用した誘電体板表裏へのバイアス印加に対し、本研究では市販のレジストを利用した微細な金属グリッド上に誘電体板を設置し、その面内にバイアスを印加する新方式を採用する。これにより、液中におけるプラズマ発生領域の空間的安定性、およびナノレベルでの微細制御が確保される。このように、本研究では液相を利用した製膜でありながら、従来法とは全く異なり、基板上へ塗布された前駆体液膜へプラズマを照射して前駆体を高速分解するだけでなく、２次元プラズマの局所的な照射による低融点基板上へのパターニング製膜、およびその電子デバイスへの応用を目的としている。
本研究により液中におけるプラズマ発生領域の空間的安定性、およびナノレベルでの微細制御が確保される。さらに、この手法をダイレクトパターニング製膜へ展開するとともに、新エネルギー源として期待されている色素増感太陽電池の集積化（モジュール化）に対する実用的技術へと進展させる。このため、本研究がもたらす技術革新は、単なる製膜技術にとどまらず、エネルギー・環境問題の社会的ニーズに応えることになる。
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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
液中に発生させるプラズマの安定性を確保するため、誘電体板の表裏にバイアスを印加する従来型に対し、レジストの金属グリッド上に誘電体板を設置し、その面内にバイアスを印加する方式を新規に採用した。さらに、高精密なダイレクトパターニングを実現するために、金属グリッドのデザインの微細化だけでなく、磁場印加によるプラズマの３次元的な制御も液中製膜に有効であると考える。そこで、電極ホルダーを永久磁石がセットできる形式に改造し、各雰囲気ガス下で発生するプラズマに磁場を印加してローレンツ力を誘引し、プラズマの軌道制御を行った。
さらに、上記技術を液中の空洞に閉じ込めたプラズマへ応用し、基板への効率的な照射により多孔質TiO2膜の形成に成功した。特に昨年度は、ペルオキソチタン錯体のTiO2への結晶化に最適なプラズマ活性種の導出に成功したことにより、色素増感太陽電池に適した形状のTiO2膜の作成手順を見出すことができた。また、太陽電池特性としては、AM-1.5、100 mW/cm2の擬似太陽光下で3.8%の変換効率を得た。ここまでの成果は、学会発表だけでなく、学術論文に投稿・出版されている。
上記手法に基づいたプラズマ照射技術により、本年度も引き続き、多孔質酸化チタン層を積層と色素増感太陽電池セルの作製に取り組むことで、当初の研究目標に達する見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
高精密なダイレクトパターニングを実現するために、金属グリッドのデザインの微細化だけでなく、磁場印加によるプラズマの３次元的な制御も液中製膜に有効であると考える。そこで、電極ホルダーを永久磁石がセットできる形式に改造し、各雰囲気ガス下で発生するプラズマに磁場を印加してローレンツ力を誘引し、プラズマの軌道制御を行う。
前年度までは、プラズマの空間的な拡張を中心に、製膜時に基板への効率的なプラズマ照射を試みていた。その結果、一定の知見が得られたので、本年度はさらにこれを発展させ、液中のプラズマ自体を二次元的に制御することで製膜時のダイレクトパターニングを実施する。同時に、ステッピングモータをゴニオメータ上の基板に組み込んで10～5 mmのライン状にダイレクトパターニング製膜を実施する。
次に、上記の手法を多孔質TiO2膜の表面処理に利用し、これをもとに２×２型の色素増感太陽電池モジュールを作成する。この際、直列セルと並列セルの要素をそれぞれを組み込み、モジュール特性を評価する。このモジュールでは、パターニング製膜の精度が重要であることから、モジュールの評価データをさらにフィードバックしていく予定である。
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