次世代太陽電池電極用ナノ粒子集積薄膜の最適構造設計

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K06549
• 研究機関: 同志社大学
• 研究代表者: 森 康維 同志社大学, 理工学部, 教授 (60127149)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: ハイブリッド型太陽電池 / チタニア粒子 / 電極構造 / 薄膜作製プロセス / 電気泳動堆積法

研究実績の概要

次世代太陽電池として注目されているハイブリッド型太陽電池は，半導体ナノ粒子を集積した多孔質電極と電荷輸送を担う有機化合物からなる。半導体ナノ粒子集積薄膜は，ドクターブレード法やスクリーン印刷法などで作製されるが，作製された粒子集積薄膜の電極構造を最適化する試みはほとんどなされていない。そこで，化学工学および粉体工学の観点から，粒子集積薄膜構造の評価技術を確立すると共に，ハイブリッド型太陽電池の光電変換効率を高めるために，用いる粒子の形状も考慮した粒子集積薄膜作製方法およびその操作条件を見出すことを目的とした。
粒子集積薄膜の作製方法に関しては，ドクターブレード法と比較するために電気泳動法による粒子集積薄膜の作製を検討した。粒子集積薄膜を構成するチタニア粒子凝集体の平均粒子径の集積膜への影響を検討するために，粒子分散液調製のためのビーズミルのミリング時間を変え，チタニア粒子径が72，93，116 nmの3種類の懸濁液を調製した。印加した電流のすべてが粒子の堆積に使われると仮定すると，理論的に計算可能な式（Hamakerの式）で粒子堆積量を表現できることが判明した。懸濁液中のチタニア粒子の平均粒子径が小さいほど，粒子薄膜の空隙率を小さくできることを明らかにした。
粒子集積薄膜の構造が光電変換効率におよぼす影響を調べるために，空隙率測定法の開発を行った。ポリエチレングリコールを添加することで，粒子集積薄膜の空隙率を45～70％と幅広く変え，添加するポリエチレングリコールの分子量を変えることで細孔径分布の異なるチタニア電極を作製して，同様な解析を実施し，チタニア電極の空隙率が，電解質中のイオン拡散抵抗，チタニア電極中の電子の拡散抵抗，イオンとの再結合による逆電子移動抵抗に影響を与えていることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

粒子集積薄膜の作製方法として電気泳動法を取り上げ，研究成果の一部を学術会議で発表し，学術論文としてまとめることができた。発表論文：Materials Chemistry and Physics, 169, 28-39 (2016)，口頭発表：8th Meeting of Kyoto International Forum for Environment and Energy (KIFEE-8), Trondheim (Norway), 2015年9月，および化学工学会第47回秋季大会，北海道大学（札幌市），2015年9月
粒子集積薄膜の構造評価に関しては，薄膜中のチタニア粒子量を実測できる手法を開発したことにより，膜厚測定と合わせることで，薄膜中のチタニア粒子の平均充填率を算出することができた。口頭発表：European PV Solar Energy Conference (EU PVSEC 2015), Hamburg, Germany, 2015年9月，および粉体工学会2015年度秋期研究発表会, 大阪南港ATC（大阪市）, 2015年11月
さらに，Kelvin probe Force Microscopy（KPFM）を用いて局所的な電気特性分布を明らかにするための基礎的研究を，Max Plank Institute for Polymer Research, Mainz, Germanyとの共同研究として開始した。

今後の研究の推進方策

「粒子集積薄膜構造の評価技術を確立と，ハイブリッド型太陽電池の光電変換効率の向上」が最終目標であるが，成膜条件と光電変換効率の関係がまだ明確とは言えないことから，研究の重点を粒子集積薄膜の成膜条件と光電変換効率の関係を明らかにすることとする。
そのために，粒子集積薄膜の作製方法として電気泳動堆積法に注目し，その特徴を明らかにするため，別途シリカ粒子やアルミナ粒子を使用した粒子集積薄膜作製を実施する。
光電変換効率の測定と共に，その効率上昇を妨げている要素を明らかにするために，インピーダンスとKPFM測定を推進することに注力する。

次年度使用額が生じた理由

本年度検討を始めるはずであったペロブスカイト型太陽電池は，作製環境条件が整わず，余り進展が見られなかったため，試薬等の消耗品費が残存した。また，海外出張費を他の予算から計上したことから，旅費を予定金額まで使用しなかった。

次年度使用額の使用計画

各種の実験用消耗品に使用すると共に，研究調査費，研究成果発表旅費，および学生の謝金（実験補助）に使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Composite thin films of titanium dioxide nanoparticles with particle size distribution prepared by electrophoresis (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kawakami, Yuuki Sato, Yasushige Mori, Shinzo Yoshikado
  • 雑誌名: Materials Chemistry and Physics 巻: 169 ページ: 28-39
  • DOI: 10.1016/j.matchemphys.2015.11.023
• [雑誌論文] Titania Nanoparticle Film Prepared by Electrophoretic Deposition with DC Constant Current Condition (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasushige Mori, Kenta Yamada, Yuuya Hattori, Yuuki Sato, Shinzo Yoshikado, Katsumi Tsuchiya
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 654 ページ: 208-212
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.654.208
  • 査読あり
• [学会発表] 水平方向移流集積操作による微粒子単層配列膜の作製方法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 北川 莉帆，森 康維，土屋 活美
  • 学会等名: 粉体工学会2015年度秋期研究発表会
  • 発表場所: 大阪市
  • 年月日: 2015-10-13
• [学会発表] 内部構造の異なるチタニア粒子電極を用いた色素増感太陽電池の光電変換特性評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 荒谷 心，土屋 活美，森 康維
  • 学会等名: 粉体工学会2015年度秋期研究発表会
  • 発表場所: 大阪市
  • 年月日: 2015-10-13
• [学会発表] Titania Nanoparticle Films Prepared by Electrophoretic Deposition and Their Application for Solar Cells (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Mori
  • 学会等名: 8th Meeting of Kyoto International Forum for Environment and Energy (KIFEE-8)
  • 発表場所: Trondheim, Norway
  • 年月日: 2015-09-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of Porosity of Titania Particle Porous Film for Electrode on Performance of Dye-sensitized Solar Cell (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Mori, S. Aratani, K. Hatano, K. Tsuchiya
  • 学会等名: European PV Solar Energy Conference (EU PVSEC 2015)
  • 発表場所: Hamburg, Germany
  • 年月日: 2015-09-15
  • 国際学会
• [学会発表] 電気泳動で作製したチタニア粒子薄膜に及ぼす懸濁液中の粒子径の影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 信実 祐多，土屋 活美，森 康維
  • 学会等名: 化学工学会第47回秋季大会
  • 発表場所: 札幌市
  • 年月日: 2015-09-10