2014 Fiscal Year Annual Research Report
スピン反転励起の解明と広帯域色素増感太陽電池への応用
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26708022
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
木下 卓巳 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (60635168)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光エネルギー変換 / 近赤外光電変換 / 色素増感太陽電池 / タンデム型太陽電池 / スピン軌道相互作用 / 相対論的量子化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、色素増感太陽電池の大幅な広帯域化を可能にするために、スピン反転励起のメカニズムを明らかにし、広帯域・超高効率色素増感太陽電池の実現へと展開するためのデバイス設計を確立することが目的である。そのために今年度は、I.スピン反転励起の起源解明と制御、II.酸化チタンへの電子移動の最適化、III.広帯域色素を用いた高効率タンデムセルを目標とし、それぞれ研究を行った。以下に本年度の概要を示す。
I.分子軌道法と有機合成を駆使したスピン反転励起の起源解明と制御法の開拓―(1)分子軌道論と相対論を組み合わせた検証を行うことにより、特定の構造を持つRu錯体の励起状態でスピンが反転する機構が明らかになった。 (2)スピン反転励起を利用する広帯域色素増感太陽電池において、分子構造の最適化を行うことにより従来に比べて電圧ロスが少なくなる分子構造を新たに見出した。
II.励起三重項状態の色素から酸化チタンへの電子移動の解析と最適化―(3)酸化チタン表面処理の最適化によりデバイス性能の高性能化が可能となり、外部機関での測定で色素増感太陽電池として世界最高の光電流値を得ることに成功した。
III.広帯域色素を用いた高効率タンデムセルの作製―(4)可視光を吸収する有機ハライドペロブスカイトセルと広帯域色素増感太陽電池を用いた分光タンデムセルを構築することにより、シリコン系太陽電池やCIGS太陽電池に匹敵する20％以上のエネルギー変換効率を実現することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画において今年度は、分子軌道法と有機合成を駆使したスピン反転励起の起源解明と制御法の開拓、及び励起三重項状態の色素から酸化チタンへの電子移動の解析と最適化について重点的に計画を進める予定であったが、当初の計画以上の成果が得られた。スピン反転励起の起源解明については、分子軌道計算をベースに、摂動論および相対論を考慮した解析によりそのメカニズムを明らかにし、構造有機化学、物理化学の双方の観点から遷移に必要な条件を見出すことができた。また、電子移動の最適化については、新たな酸化チタンの表面修飾方法の開拓により高性能化を進め、作成した広帯域色素増感太陽電池を外部機関で評価したところ世界最高の光電流値(～30mAcm-2)を達成した。また、来年度以降に予定されていたタンデム化に関する計画も前倒しで実施し、広帯域色素増感太陽電池と有機ハライドペロブスカイトセルを組み合わせた分光タンデム型太陽電池で>20%のエネルギー変換効率の実現に成功するなど、当研究における数値目標を大幅に超える成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の当初の目標である、I.スピン反転励起の起源解明と制御、II.酸化チタンへの電子移動の最適化、III.広帯域色素を用いた高効率タンデムセルについては，既に当初の計画以上の成果が得られている。今後は、広帯域色素増感太陽電池の更なる長波長化に向けた分子設計を進めると同時に、時間分解測定による励起状態の諸物性の解明、光学的ポテンシャルを考慮したタンデム型太陽電池設計と高性能化、というさらに高い目標を設定して研究を進めていく。太陽光スペクトルとの一致まで考慮した分子設計や、デバイス構築など、有機系太陽電池の更なる高効率化において重要な要素技術の開発を進める予定である。
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| Causes of Carryover |
当初購入予定であった発光量子収率測定装置(浜松ホトニクス、C113472-02)について、メーカーから近日性能面でアップグレードがあるとの情報を得たため、当該年度での購入を先送りした。一方で、本来2～3年目以降に実施予定であった分光タンデムセルの構築について前倒しして実施したため、ダイクロイックミラー等の消耗品を別途購入した。よって、本来の計画に比べて使用額に誤差が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
測定機器メーカーとの連絡を密に取り、発光量子収率測定装置の次のモデルがリリースされ次第購入する予定である。
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