三次元的配置による高変換効率を持つ色素／プラズモニック増感太陽電池の開発

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K04730
• 研究機関: 首都大学東京
• 研究代表者: 芝本 幸平 首都大学東京, 理学研究科, 助教 (50457834)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 太陽電池 / 表面プラズモン / 色素増感 / ナノ薄膜 / 疑似太陽光

研究実績の概要

三次元的配置による高変換効率を持つ色素／プラズモニック増感太陽電池の開発において、当初の計画どおり、薄層酸化チタン膜による太陽電池を作製した。本手法は既に研究遂行者が開発した技術を用いているが、本遂行課題に適合するように技術改良した。その結果、その膜厚は1マイクロメートル以下に制御し、太陽電池に適する単層の酸化チタン粒子膜の作製に成功した。また、酸化チタン粒子のサイズを変えることで膜厚を任意に制御可能とし、数10ナノメートルから1マイクロメートルまで作製可能である。
初年度で購入した疑似太陽光源を用いて太陽光の再現と、疑似太陽光源から分光し任意の波長を抽出する光学系の構築も行った。その抽出領域は10ナノメートル以下となるように光学系を調整し、任意の照射が可能となった。これにより作製する太陽電池表面に任意の波長と強度で光照射可能となり、それぞれ作製した太陽電池の電池性能に対する波長特性を得られるようになった。
太陽光の吸収を大幅に向上させるために粒子径が20から100ナノメートル金ナノ粒子を作製した酸化チタンナノ薄膜に展開し、金ナノ粒子の特異的は光応答現象である表面プラズモン共鳴領域である500から600ナノメートルの光照射において太陽電池性能の向上が確認できた。また、同様にエオシンＹなどの色素を用いて色素増感太陽電池とし、その波長性能を確認し、それぞれの増感剤の波長依存性のデータを収集始めた。また、金ナノ粒子と色素という複数の増感剤が共存する太陽電池の作製にも取り掛かった。

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

申請書では初年度において、三項目遂行することを予定していた。まずは、酸化チタンナノ薄膜を作製し、ベースとなる太陽電池の性能を発揮できるかの検証である。この項目に関しては、すでに多数の報告例がありその検証であるため、特に問題なく遂行した。
次に、作製した電池性能の波長依存性を取得するための光学系の構築を行った。疑似太陽光の購入から納入までの時間的なロスがあったものの、既に疑似太陽光から任意の波長を抽出し、作製した太陽電池へ任意の強度で照射できる光学系の構築を終了した。また、太陽電池性能を取得するための電流電圧特性が得られるシステムの構築にも着手した。この項目においても申請書の予定に従って遂行している。
次に、金ナノ粒子や色素を酸化チタン膜表面に吸着展開することで、吸収できる光量を増幅し、太陽電池性能を向上させるためのデータベース作りに着手した。本項目は、次年度も継続して行うため、初年度の進行は特に問題がないと考えている。
現段階では、想定外な問題が発生していないが、その場合も対応できるように準備をしておく予定である。

今後の研究の推進方策

次年度以降も申請書の予定を踏まえて遂行する。初年度の基礎的な項目と違い次年度以降は応用的な要素が強くなるため、遂行に支障をきたす可能性もある。そのため、できるだけ増感剤の種類を豊富にして大量のデータ収集に努める。二年目の計画では、データ収集によるデータベースの構築であるため、最終年度にむけて地盤固めを行う予定である。
太陽電池の変換効率を議論できる程度に研究が進んだ時点で、その機構解明にある程度の労力を割いていく。各波長における変換効率を系統的に調べるとともにその変換効率を生み出すポイントを理論的に明らかにすることで、より効率的に最適解を模索する。
現時点では大きな問題が生じていないが、予定の研究進度に及ばない場合は、研究協力者を増やして対応する予定である。