2015 Fiscal Year Research-status Report
二酸化チタンの階層的構造構築による色素増感太陽電池の高機能化
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26810101
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
冨田 恒之 東海大学, 理学部, 講師 (00419235)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 色素増感太陽電池 / 二酸化チタン / アナターゼ / ルチル / ブルカイト / 粒子形態制御 / 水溶性チタン錯体 / 水熱法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、色素増感太陽電池の高効率化を目的として、色素増感太陽電池の光活性電極として用いられる二酸化チタンをミクロ(原子配列)・メソ(粒子界面)・マクロ(膜の成層構造)の階層的構造構築を行い、太陽エネルギーの変換効率向上を目的とする。ミクロ構造制御では、最適な二酸化チタンの原子配列、すなわち結晶多形としてアナターゼ、ルチル、ブルカイト、ブロンズの4種類を合成し調査する。メソ構造制御では、二酸化チタン粒子同士の接触界面をナノメートルスケールで制御し、最適なネッキングを構築することで二酸化チタンの伝導帯中の電子移動を最適化する。マクロ構造制御では、針状や棒状など一次元的に成長させた二酸化チタン粒子の利用や、二酸化チタンによる光の散乱を抑制するためのナノ粒子光吸収層の配置、異なるサイズの粒子の共存による充填率向上と吸着色素量増大など、ナノメートルからマイクロメートルスケールの構造を制御する。最終目標として、色素増感太陽電池におけるもっとも理想的な二酸化チタンの階層的構造構築を実現することを目指す。
2015年度にはアナターゼ型二酸化チタンの粒子形態制御のメカニズム解明と、形態制御されたアナターゼ型二酸化チタンを用いた色素増感型太陽電池の特性評価を行った。様々なアミン化合物を用いることで長さや太さの異なる粒子を合成し、最大で7.7%のエネルギー変換効率を示す電極の作製に成功した。
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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
アナターゼ型、ルチル型、ブルカイト型、ブロンズ型の4種類の結晶多形を用いた色素増感太陽電池電極の評価を行った。ルチル型は微粒子合成はできたが、均一に成膜することが難しく、電極材料としての正しい評価ができていない。ブロンズ型は均一に成膜・電極化できたが、抵抗が高くエネルギー変換効率は低かった。ブルカイト型はアナターゼ型に匹敵する優れた電極特性を示したことを確認した。アナターゼ型はニードル型粒子の形態制御に十分な進展が得られ、熱処理条件や種々のアミン化合物を用いることで、200nmや350nmなどの長さの調整に成功した。またジエチレントリアミンを用いることで細く比表面積の大きなニードルアナターゼ粒子が得られた。これらの粒子形態制御のメカニズムに対し、アナターゼ型二酸化チタン結晶の100面と102面にジアミン化合物やトリアミン化合物がキレート状に配位することで、この2つの結晶面の成長を抑制し、その結果一次元方向に伸張したニードル形状に成長するという機構を明らかにした。350nm以上の長いニードル状粒子はスキージ法で成膜すると粒子が電極面に平行に並んでしまうことが確認されたが、あらかじめニードル状粒子をスプレードライ法で球状に凝集させ、この球状粒子を成膜に用いることで配向してしまう問題を解決した。電極に平行に並んだ試料では電流が流れる方向に対して粒界が増えエネルギー変換効率が5.4％程度であったのに対し、球状粒子を経由することで粒子が並ばずにランダム状となり、エネルギー変換効率は5.8％に改善した。
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| Strategy for Future Research Activity |
アナターゼ型二酸化チタンの粒子形態制御は2014年度と2015年度までに十分な成果が得られた。2016年度にはニードル状粒子と10nm以下の超微粒子とを組み合わせ、吸着できる色素量を確保しつつ、電気伝導性を向上し、より優れた光活性電極を構築する。また光入射側の背面に大きな粒子を成膜し、透過した光を散乱によって再吸収させることでさらなるエネルギー変換効率の向上を狙う。
また10nm以下のアナターゼ型ナノ粒子を用いることで光散乱を抑制し透明な太陽電池を構築できる見込みが生じた。ナノ粒子特有の高い表面エネルギーを利用することで低温焼結・電極化が可能と考えられ、ガラス基板だけでなく熱に弱いプラスチック基板への成膜を実施し、発電に利用しない波長の光を透過し、曲げられる太陽電池を作製する。これにより、発電に利用できない赤外線領域の有効利用が可能となる。パラボラ型ミラーの表面にこの太陽電池を構築することで、可視光を太陽電池で電力にし、赤外光を集光して熱電変換材料等を通じてエネルギー回収を行う。このような複合的太陽エネルギー変換システムを構築するための要素技術である、透明で曲げられる太陽電池の電極を作製し、発電効率と赤外線集光能力を調査する。
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