2012 Fiscal Year Annual Research Report
電界紡糸ナノファイバ不織布の光発電・蓄電デバイスへの応用
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23360042
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
堀江 雄二 鹿児島大学, 理工学研究科, 准教授 (50201760)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 色素増感太陽電池 / 光蓄電池 / 電界紡糸法 / ナノファイバ / 変換効率 / 移動度 |
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| Research Abstract |
初年度は電界紡糸法を用いて酸化チタンおよびそれにニオブをドープした直径数十ナノメートルのファイバ膜の作製条件を確立し，色素増感太陽電池の色素坦持酸化チタン多孔膜層に混入することによって，電荷移動特性と発電効率が改善されることを示した．しかし，ナノファイバはナノ微粒子から構成され粒界抵抗が大きいことから，それによって電荷移動特性が制限を受けていることが予想された．そこで，本年度はナノファイバ表面をレーザー蒸着法でコーティングし，ナノ微粒子間の空間を埋めることで，電荷移動特性を向上させることを試みた．
その結果，５分の短時間の蒸着でナノ微粒子間の空間を埋めることができ，最大で１０倍以上の拡散速度の向上が認められ，非常に有効な方法であることを示した．しかし，その副作用としてナノファイバ表面からの漏れ電流が増加することが分かったが，さらにナノファイバ全体を覆うように蒸着をすることによって漏れ電流を減少させることができ，今後の材料設計の方向性を示すことができた．
一方，蓄電材として機能する酸化タングステンナノファイバ膜の作製条件の探索を行い，安定して作製できる条件を確立した．サイクリックボルタンメトリより，多孔膜よりナノファイバ膜の方が充放電特性が優れていることを示した．また，光電変換材との複合構造を持つ光蓄電池電極を試作し，酸化タングステン多孔膜との複合膜より光蓄電量を向上させることができた．今後，光電変換材との体積比率や充填率を高めることで光蓄電性の大幅な向上が期待されることが分かった．また，複合膜の作製効率を上げるためにエレクトロスプレー法を組み合わせた方法によって複合膜を試作し，問題点を明らかにするとともに，実体積がまだ小さいにもかかわらず，従来の多孔膜光蓄電極と同等の光蓄電量が得られ，薄膜構造を最適化することによって確実に向上が見込めることを示した．
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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
年度当初には以下の３点を掲げた
①NTO=TiO2-NFs複合薄膜およびコア・シース型TiO2/NTO-NFs薄膜のDSCへの応用 ②WO3=TiO2-NFs複合薄膜の光蓄電池(PRB)への応用 ③配向ナノファイバによる基礎物性の調査
①についてはコア・シース型ナノファイバの作製を試みたものの，原料溶液同士がナノファイバ形成過程で混合し，コア・シース構造を作るのが難しいことをが分かった．そこで，実績の概要でも述べたとおり，レーザー蒸着法を用いる方法に切り替えることにより，大きな進展を得ることができ，その成果を論文にまとめているところであり，当初の目標はほぼ達成できたと考えている．
②については①と同じ理由でコア・シース型ナノファイバの作製はできなかったものの，代わりにエレクトロスプレー法や既存のスキージ法を併用した方法を使うことにより複合薄膜を試作し，その光蓄電性の評価を行った．複合膜構造の最適化はこれからだが，当初の目的は達成しており，光蓄電性向上への道筋をつけることができたため，次年度の進展につながる成果と言える．
③については，実際に配向ナノファイバ膜の作製を行ない，色素担持層に混合したときのキャリアの動特性を調べた．配向ナノファイバにすることによってキャリアの移動度が向上することを示すことができたが，逆に色素担持層が不均一になるなどの問題点を明らかにすることができた．しかし，粒界抵抗の問題から基礎物性を明らかにするという目標は達成することはできなかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
最大の目的である，電界紡糸法で作製したナノファイバ薄膜を色素増感太陽電池における集電極として用い，電荷移動特性を向上させるという点では，おおむね順調に進展している．しかし，年度当初の予想通り作製したナノファイバがナノ微粒子の集合体で，ナノ微粒子間の結合が弱いことがナノファイバー不織布として透明導電ガラス基板と完全に置き換える際の最大の障害になっている．そこで，今後はナノ微粒子間の結合をあとでコーティングするのではなく，ナノファイバ形成時の結晶成長を促進させる方策を施すことによって，この問題を解決に近づきたい．
また，電界紡糸法で作製したナノファイバ薄膜を用いた布状フレキシブル色素増感太陽電池と光蓄電池セルの作製が本研究の最終目標である．現在の電解液を用いたセル構造では，どうしてもデバイスの薄型化に困難がつきまとう．近年，有機太陽電池において優れた正孔輸送材料が開発され，それに伴いエネルギー変換効率がめざましく向上している．また，正孔輸送材料を従来の色素増感太陽電池に取り入れ，酸化チタン多孔膜とのハイブリッド構造にした固体太陽電池の研究も行われている．そこで，本研究においてもこの新しい正孔輸送材料を取り入れ固体化を行うことで，次のステップへの飛躍としてチャレンジしてみたい．
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