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れんかおおかわち
5 years ago
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1 研究分野紹介色素増感太陽電池太陽光発電工学研究センター革新材料チーム佐山和弘

2 発表内容色素増感太陽電池の研究背景色素増感太陽電池分野全体の最近の動向 ( ペロブスカイト構造の化合物の新型太陽電池 ) 色素増感太陽電池の高効率化と実用化の研究をどのように進めるべきか

http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.

3 REL の Best Research Cell Efficiency のグラフに反映の方法による混乱ペロブスカイト太陽電池は色素増感太陽電池の一種として延伸 EPFL η sun =14.14% ewport Technology :TAC-PV にて評価 2013 年 5 月 2014 年 5 月現在では異なる技術として別チャートで掲載

4 色素増感型太陽電池の一般的な構造導電性ガラス基板色素 /TiO 2 多孔質膜レドックス媒体ホール輸送剤触媒 ( 金属やカーボン高分子 ) 導電性基板多孔質 TiO 2 ナノ微粒子電極簡単な製造設備と少ない製造エネルギー製造コストの著しい削減が期待

5 色素増感太陽電池の特徴利点半導体 - 色素界面で電荷分離しレドックス媒体により電子移動する光合成の機能を模倣した電池 p-n 接合型電池と大きく異なる簡単な製造設備少ない製造エネルギー製造コスト低い (50 円 /Wp 以下の可能性 ) デザイン性 : 様々な色の色素を用いることで電池を多様な色彩 ( カラフル太陽電池 ) 曲面やフレキシブルな太陽電池製造材料の資源的制約が少ない性能を落とさない電解液の擬固体化技術もほぼできている拡散光の有効利用 : 朝夕の斜めからの微弱な太陽光に対して高い光電変換性能発電素子のオンサイト再生電極のリサイクル色素や溶液のバージョンアップ可能 3R 型太陽電池 ( 再使用 (Reuse Repair) リサイクル (Recycle) 改良 (Reform)) 次世代型太陽電池として期待

6 色素増感太陽電池の動作原理電解液導電性ガラス TiO 2 色素導電性ガラス触媒 e - S + /S * (LUMO) 光伝導帯 Voc e - I - I 3 - S + /S(HOMO) electron flow e - 外部負荷

7 Prog. Photovolt: Res. Appl. 2014; 22:1 Solar cell efficiency tables (version 43) Table I. Confirmed terrestrial cell and submodule efficiencies measured under the global AM1.5 spectrum (1000W/m 2 ) at 25 C (IEC : 2008, ASTM G global). Classification Efficiency Area Voc Jsc Fill factor Test centre Description % cm 2 V ma/cm 2 % Dye sensitized 11.9 ± (da) AIST (9/12) Sharp Dye (minimodule) 9.9 ± (ap) AIST (8/10) Sony, eight parallel cells Dye (submodule) 8.8 ± (da) AIST (9/12) Sharp, 26 serial cells * 大きな面積の Submodule の項目が追加 *DSSC の公認値は日本勢が健闘

8 色素増感太陽電池を用いた製品応用例 G24 Power LTD.( 英国 ): フレキシブル基板 DSC * 電圧が照度で変わりにくい特性小型電子機器の電源用途 ( センサー電源空気清浄機 ) * 軽量フレキシブルな特性モバイル電源用途 ( ソーラーキーボード等 ) Glass 2 Energy Ltd.: ガラス基板 DSC ( スイスのベンチャー企業 ) * スイスジュネーブ空港の欄干に設置

9 EDO プロジェクトの色素増感太陽電池の実証試験内容助成先実施概要デザインソーラーランタン独立電源型広告掲示板日本写真印刷 ( 株 ) 絵柄をデザインした色素増感太陽電池と蓄電池 LED ライトを組み合わせ発電量や耐久性を検証 ( 京都市内 ) シースルー性がありカラフルな色素増感太陽電池と蓄電池 LED ライトを組み合わせ発電量や耐久性を検証 ( 島根県内 ) 壁面設置型太陽電池シャープ ( 株 ) ( 株 ) フジクラ少ない光でも発電する色素増感太陽電池の特長を活かし日射量の少ない場所での利用を想定した発電量検証を実施 ( 奈良県千葉県内 ) 実際の使用環境での色素増感太陽電池の長所が明確化できる EDO プレスリリース 2013 年 7 月 16 日

10 色素増感太陽電池の周辺技術と進展関連技術応用技術目的 pn 接合有機電子工学写真増感 TiO 2 光電極光触媒有機薄膜太陽電池 (OPV) ペロブスカイト色素増感太陽電池 (DSC) センサー発電蓄電光合成人工光合成 (APS) ソーラー水素エネルギー貯蔵水素製造 DSC の固体化やペロブスカイトの進展で OPV との境界が無くなっていく

11 ペロブスカイト太陽電池の効率の変遷 PCE=3.8%: I - /I 3 - 湿式セル :(CH 3 H 3 )PbX 3 増感メソ TiO 2 ( 宮坂ら J.Am.Chem.Soc.2009) PCE=8.5%: 全固体 :Ru 錯体色素 / メソ TiO 2 +CsSnI 3 ( ペロブスカイトホール輸送剤 )(Chung ら., ature, 2012) PCE=9.7%: 全固体 MPbIX 3 メソ TiO 2 増感太陽電池 (Graetzel,Park ら, Scientific Reports, 2012 ) PCE=10.9%: 全固体 MPbIX 3 メソ Al 2 O 3 太陽電池 (M. Lee, T. Miyasaka, T. Murakami, H. Snaith ら, Science, 2012 ) PCE=12.3%: 全固体 MPbIX 3 メソ TiO 2 太陽電池 (Graetzel, Seok ら,aturePhoto, 2013 ) PCE=15.0%: 全固体 MPbIX 3 逐次合成メソ TiO 2 太陽電池 (Graetzel ら,ature,2013 ) メソ多孔質酸化物膜が無くても良い DSC 分類から完全に離れる PCE=15.36%: 全固体蒸着 MPbIX 3 平板 TiO 2 太陽電池 (Snaith ら,ature, 2013 ) PCE=15.7%: 全固体 MPbIX 3 メソ ZnO 太陽電池 (T.Kelly ら, aturephoto, 2014 ) PCE=16.9%: 全固体 HC(H 2 )PbI 3 メソ TiO 2 太陽電池 (.Park 175 委員会国際会議 ) PCE=20.4%: 全固体 MPbIX 3 メソ TiO 2 太陽電池 (S.Seok HOPV14 国際会議 )

12 大規模電力用途での色素増感太陽電池の高効率化と実用化の研究をどのように進めるべきか 2013 年 2017 年 2025 年 2030 年コスト試算の精密化で本当に必要な効率目標を設定実績のあるヨウ素レドックスと Ru 錯体 : レドックス反応の素反応を明確にする ( 多電子多ヨウ素反応ならば 15% 可能 ) 高電圧の 1 電子反応レドックス (Co 錯体など ) の開発色素のモル吸光係数の向上色素カクテル全固体化新規化合物色素 ( ペロブスカイト ) の開発歩留まりの高い製造法長期安定性非 Pb 化合物近赤外線の利用 Voc 向上要因の解明劣化機構解明とその防止法開発インドア用途の早期拡充大規模発電用途 15% 以上且つ 20 年安定材料の組み合わせが多彩になるほど高性能化が加速する

13 EDO ロードマップ :PV2030+ の効率目標 75 円 /W p 50 円 /W p 9.9%(SOY) 業務用電力並み 14 円 /kwh(2020 年 ) 事業用電力並み 7 円 /kwh(2030 年 ) 2017 年にはセルで 15% 以上が目標高性能で安定な新規色素開発が非常に重要

14 ブラックダイ (BD) の HOMO と LUMO の準位最低限の G の正確な見積もり色素設計と将来の効率予測に有用 Ecb G1 I 3- /I - G2 CS Ru CS CS - LUMO HOMO Ru CS FT89 HE SCE TiO ブラックダイ (BD) 理想的な近赤外色素最低限の G2 は 0.3eV 程度で良い

15 G 2 と λ max における IPCE の関係 * 多くのターピリジン Ru 錯体を同一条件で比較 λ max の IPCE/% FT89 ブラックダイ G 2 /ev 色素の設計目標 Ru CS レッドダイ G 2 が小さくなると IPCE は低下するが閾値があるように見える上記目標の赤い楕円を目指せば将来の 15% 効率に理想的な色素を得られるはず FT89( ) は上記指針の狙い通り理想的な高 IPCE を得ることができた G 2 は 0.3eV またはそれ以下でも充分 G( G 1 + G 2 )<0.5V 将来の 15% 以上の効率の必要条件

16 過電圧 ( G) が決まれば太陽エネルギー変換効率を精度良く予測できる 100 G2=0.3eV G( G1+ G2)=0.5eV の場合 IPCE(%) 低 Voc 高 ε 17.0% 低 Voc 低 ε 15.6% 波長 :nm FF は 0.75 で統一色素のモル吸光係数 (ε): 高 ε は 10 5 低 ε は 10 4 オーダーを想定 15% 以上の効率達成には G2 で 0.3eV G で 0.5eV 程度でもよい

17 近赤外増感剤と有機色素を共吸着させた色素増感太陽電池 ear-ir sensitizer Organic dyes 100 IPCE スペクトル HO 2 C SC Ru CS CS CO 2 TBA OK101 TBA + D131 C CO 2 H IPCE/% OK101 D131 OK101+D OK101 と D131 を共吸着させた場合の電池性能 Wavelength/nm entry Dye J sc (ma cm -2 ) V oc (V) FF η (%) Γ comp (x10-7 Γ org (x10 mol cm -2 ) b) mol cm -2 ) c) 1 OK101 a) D131 a) OK101+D131 a) 吸収の弱い領域を共吸着により互いに補うことにより性能が向上した小野澤 : ポスター P14

18 吸収波長領域の異なる複数の色素を用いた高性能化 ( 色素のカクテル ) 吸収波長領域の異なる色素をうまく組み合わせるとそれぞれの色素の利点を取り入れることが出来る MK 色素 ( 有機色素 ) 高耐久高開放電圧 ( 大きな吸光係数 ) ( 先端産業プロセス低コスト化チームで開発 ) S COOH MK-111 T. Funaki et al., Chem. Lett., 2013, 42, 1371 カクテルのメリット有機色素による短波長領域の補填吸着状態の改善 ( 有機色素 = 共吸着体として作用 ) エネルギーロスの抑制 ( 密な色素吸着 ) 耐久性の向上 ( 疎水性 + 密な吸着 ) FT 色素 ( ルテニウム錯体色素 ) 幅広い吸収帯 ( 高電流 ) ( 革新材料チームで開発 ) FT89 Ru CS 色素 η/% J sc /ma cm -2 V oc /V ff FT FT89+MK MK-111 と FT89 のカクテルにより性能が向上し 11.1% と世界最高レベルの変換効率が得られた MK 色素により短波長吸収が補填され光電流が増加

19 色素構造と Voc との相関を計算化学により解明 O OH H. Kusama et al. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2013, 272, 80. HO O O OH Ru 4 C S C 2 3 L 2 3 F FT67 FT10 FT57 FT99 FT111 FT89 FT100 FT F 3 C FT I - CS 0.65 V oc (V) PBEPBE, L PBEPBE, CS mpw1pw91, L mpw1pw91, CS E of I - (kcal mol -1 ) 色素酸化体と I- との相互作用 (E) と開放電圧 (Voc) の関係 FT124 草間 : ポスター P16 上記の Ru 錯体群に関して計算化学手法で得られた色素とヨウ素との相互作用の大きさと実際の Voc に強い相関を確認 V oc を向上できる色素構造を計算先行で開発へ

20 色素安定性向上に関する研究化学工業日報 2013 年 6 月 5 日 8 面色素増感太陽電池にルテニウム錯体色素 η xh /η 0h 色素増感太陽電池の長寿命化と高性能化を同時に満たす指針を見出すためには高い安定性を持つ色素の開発や劣化のメカニズムを解明することが重要である光照射による変換効率の変化 Time (h) レッドダイブラックダイ FT28 FT19 色素の安定性を加速試験で評価したレッドダイとブラックダイは光照射によって色が変化し変換効率の低下も見られた FT19 は高い光安定性を持つことを確認したレッドダイ ( 基準色素 ) ブラックダイ ( 基準色素 ) FT28 FT19 色変化なし加速試験前後の色変化基準色素に含まれるイソチオシアナト (CS) 基は色素の中で最も弱い部分と言われている舩木 : ポスター P13 0 h 4 h 0 h 4 h 0 h 4 h 0 h 4 h CO 2 Bu 4 Bu 4 O 2 C Bu 4 O 2 C Bu 4 O 2 C + Bu 4 O O CS CS O O Ru CS Ru CS Ru Ru CS CS O O CO 2 Bu 4 Bu 4 O 2 C Bu 4 O 2 C Bu 4 O 2 C

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション CIGS 太陽電池の研究開発太陽光発電研究センター化合物薄膜チーム柴田肇 1 太陽電池の分類シリコン系結晶系薄膜系単結晶多結晶太陽電池化合物系有機系単結晶系 GaAs InP 系多結晶系 CIGS, CZTS, CdTe 色素増感太陽電池有機薄膜 CIGS = CuIn 1-x Ga x Se 2 CZTS = Cu 2 ZnSnS 4-x Se x 化合物薄膜太陽電池 2