2014 Fiscal Year Research-status Report
色素増感太陽電池の高効率化を指向した色素分子間距離の評価
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25410202
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
駒口 健治 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80291483)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 電子スピン共鳴法 / 色素増感太陽電池 / スピンプローブ有機色素 / 最隣接平均分子間距離 / 凝集 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、スピンプローブ色素として、Dye-Aよりも優れた光電変換特性が期待されるDye-Bの大量合成を行い、TiO2上に化学吸着した色素の分子間距離と色素増感太陽電池(DSSC)の光電変換特性との関係を調査した。
Dye-B単独吸着およびCDCA共吸着の２つの系について、吸着用溶液の色素およびCDCA濃度を変えることで色素吸着量の異なるTiO2電極を作製し、スピンプローブESR法による分子間距離の評価とDSSC光電変換特性の測定を行った。Dye-Bを単独吸着すると凝集し、CDCAを共吸着すると均一に分散して吸着することがわかった。Dye-BはDye-AよりもTiO2上に吸着しやすい傾向を示したが、CDCA共吸着に伴う凝集緩和などの結果は初年度にDye-Aで得られた結果と本質的に同じである。このことは、本手法がTiO2上での増感色素の凝集を分子レベルで評価することに極めて有効であることを示す。
DSSCの光電変換特性の短絡電流(JSC)に注目すると、単独吸着のときは吸着量に伴い増加し、CDCA共吸着では分子間距離が約0.9 nmのとき光電流は最大値となり、エネルギー変換率として3.9%が得られた。CDCA共吸着では、色素吸着量は単独吸着よりも少ないにもかかわらずJSC は高い値を示した。また、最大のJSCを与える平均分子間距離が２種類の色素で異なることは興味深い知見であり、詳細に検討する必要がある。
Dye-Bは、スピンプローブ色素としては良好なDSSC性能を示すことが分かった。そこで、分散剤であるCDCAのDSSC光電変換特性への効果を詳細に調べる目的で、Dye-Bの骨格にn-ヘキシル基を２つ導入したDye-B6の合成を試験的に行い、合成ルートを確立した。
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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
当初の計画通り、Dye-Bの大量合成を行い、TiO2上の分子間距離の評価を行い、分子間距離と光電変換特性との関係を明らかにした。Dye-Bでは、Dye-Aで問題となった可視領域の光吸収特性を改善することに成功し、期待したようにDSSC用増感色素としてDye-Aよりも良好な光電変換特性が得られた。したがって、Dye-Bの分子間距離と光電変換特性に関する結果はDye-Aの結果よりも信頼性が高く、両者を比較することで光電流の最大値を与える分子間距離および共吸着したCDCAの役割について詳細な検討を行うことができる。
計画よりも遅れている唯一の点として、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)法によるCDCAなどの定量分析が満足に行えていないことが挙げられる。ベースラインの不安定性やチャートのピーク位置の再現性が問題となっていたが、今年度購入したカラムオーブンを使用することでこれらの問題はおおむね解決できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
Dye-AおよびDye-BのDSSC光電変換特性とCDCA共吸着の関係をさらに詳しく調べる目的で、Dye-Bの骨格(フルオレンの9,9’位)にn-ヘキシル基を２つ導入したDye-B6の大量合成を行い、単独吸着および分散剤を共吸着したときの色素の凝集状態について調査する。n-ヘキシル基の導入は、凝集を抑制するスペーサーとしての役割を期待するのもので、DSSC用の増感色素の分子設計ではよく用いられ、その有効性も実証されている。しかし、CDCA共吸着の効果と同様に、色素へのスペーサー導入によるDSSC光電変換特性向上と色素の凝集緩和との関係については不明である。この点についてもDye-B6を用いた実験結果から明らかにできると期待される。
Dye-B6について、単独吸着およびCDCA共吸着で色素の凝集状態をスピンプローブESR法で評価し、Dye-Bの結果と比較することにより、ヘキシル基が色素の凝集を緩和することを分子レベルで明らかにする。さらに、これら２つの色素について、DSSC光電変換特性を比較することにより、CDCA共吸着によるJSC増加の原因が凝集緩和であるのか、それとも暗電流抑制(TiO2に注入された電子と電解液中のレドックス対との電荷再結合)であるのかを明らかにする。必要に応じ、交流インピーダンス測定を行う。
色素の吸着量だけでなく、分散剤の吸着量を評価するため、脱着させた分散剤を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)法で定量分析し、吸着条件や分散剤濃度、分散剤の種類と色素分子間距離との関係を調査する。この測定結果とDSSC光電変換特性を比較し、Dye-B6の結果と合わせることにより、DSSCにおける分散剤添加の性能向上の原因を明らかにする。
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