一般化された酸化物半導体／有機分子／電解液界面の電子移動モデルの構築と応用

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03099
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 森 正悟 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (10419418)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西井 良典 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (40332259) ; 木村 睦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (60273075) ; 舩木 敬 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80450659)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 電子移動 / ホールホッピング / 電荷再結合

Outline of Annual Research Achievements

現在、高い変換効率を示す色素増感太陽電池は酸化チタンを用いた多孔質電極、有機色素、コバルト錯体または銅錯体をレドックス対として用いた電解液から作製されている。一方で酸化亜鉛や酸化スズでも電極を作製することができるが変換効率が低い。そこでその原因を理解し制御するために、様々な酸化物、有機色素、レドックス対を組み合わせた太陽電池を作製し、電子移動速度を測定した。今年度は主に、色素の吸着角度と酸化物の関係について検討した。有機色素の形状は一般的に細長い、または円盤状であり、吸着密度を上げるために酸化物の表面に対して垂直に吸着するように設計する。酸化物から酸化状態色素への電荷再結合速度は、一般的に色素が並行に吸着している方が速いと考えられている。今回電解質にLiClO4を用い、4-tert-ブチルピリジン（tBP）の影響も調べた。垂直に吸着する色素では、酸化チタンと酸化スズではt B Pを含む電解液を用いた方が再結合速度が遅くなり、酸化チタンはその影響が大きかった。また酸化亜鉛ではその効果は小さかった。色素間でホールがホッピングすることで再結合速度が速くなると考えられるが、tBPが酸化チタンの表面に吸着することでホッピングの効果が小さくなったためと解釈できる。また前年度の成果で酸化チタンは他の酸化物よりも電解質が吸着しやすいことが分かっており、今回の結果とも一致する。酸化亜鉛と酸化スズを用いた場合では色素の吸着角度による再結合速度の影響は小さいか無かったが、酸化チタンではtBPがある場合では垂直吸着色素の方が遅かった、酸化亜鉛と酸化スズの結果はホールホッピングでは説明できず、酸化物の誘電率との関係が考えられる。
昨年度に行ったRu錯体色素に対しても色素構造と電解質の電子寿命に対する影響が明らかになった。またCu錯体を用いた電解質と、異なる酸化物、色素の組み合わせで太陽電池を作製した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Imperial College London
• [Int'l Joint Research] Univ Wollongong(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: Univ Wollongong
• [Int'l Joint Research] CINVESTAV IPN(メキシコ)
  • Country Name: MEXICO
  • Counterpart Institution: CINVESTAV IPN
• [Int'l Joint Research] Autonomous University of Madrid(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: Autonomous University of Madrid
• [Journal Article] The effect of bulky electron-donating thioether substituents on the performances of phthalocyanine based dye sensitized solar cells (2021)
  • Author(s): Ince, Mine; Kuboi, Ren; Ince, Tuncay; Yoshimura, Kuon; Motoyoshi, Daiki; Sonobe, Masahiro; Kudo, Ryota; Mori, Shogo; Kimura, Mutsumi; Torres, Tomas
  • Journal Title: SUSTAINABLE ENERGY & FUELS Volume: 5 Pages: 584-589
  • DOI: 10.1039/d0se01277g
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Effect of the Dielectric Environment on Electron Transfer Reactions at the Interfaces of Molecular Sensitized Semiconductors in Electrolytes (2020)
  • Author(s): Moia, Davide; Abe, Masato; Wagner, Pawel; Saguchi, Hiromu; Koumura, Nagatoshi; Nelson, Jenny; Barnes, Piers R. F.; Mori, Shogo
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 124 Pages: 6979-6992
  • DOI: 10.1021/ACS.JPCC.9B11860
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 3D Structural Optimization of Zinc Phthalocyanine-Based Sensitizers for Enhancement of Open-Circuit Voltage of Dye-Sensitized Solar Cells (2020)
  • Author(s): Ikeuchi, Takuro; Kudo, Ryota; Kitazawa, Yu; Mori, Shogo; Kimura, Mutsumi
  • Journal Title: Energies Volume: 13 Pages: 2288
  • DOI: 10.3390/EN13092288
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of the loss mechanisms in TiO2 and ZnO solar cells based on blue, piperidinyl-substituted, mono-anhydride perylene dyes (2020)
  • Author(s): Canto-Aguilar, Esdras J.; Gutierrez-Moreno, David; Sastre-Santos, Angela; Morikawa, Dai; Abe, Masato; Fernandez-Lazaro, Fernando; Oskam, Gerko; Mori, Shogo
  • Journal Title: ELECTROCHIMICA ACTA Volume: 355 Pages: 136638
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136638
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research