第 9 回 先 端 計 測 分 析 技 術 機 器 開 発 小 委 員 会 2010 年 11 月 24 日 次 世 代 太 陽 電 池 における 計 測 機 器 韓 礼 元 次 世 代 太 陽 電 池 センター 1
太 陽 電 池 の 分 類 太 陽 電 池 シリコン 化 合 物 単 結 晶 結 晶 系 多 結 晶 薄 膜 系 (アモルファス マイクロクリスタル 等 ) 単 結 晶 ( GaAs 系 ) 多 結 晶 (CdS,CdTe,CulnGaSe 2 など) 新 材 料 色 素 増 感 型 有 機 薄 膜 量 子 ドット 2
次 世 代 有 機 系 太 陽 電 池 色 素 増 感 太 陽 電 池 (DSC) 有 機 薄 膜 太 陽 電 池 (OPV) 量 子 ドット 太 陽 電 池 概 略 図 光 透 明 電 極 TiO 2 電 解 液 共 役 ホ リマー フラーレン ガ ラ ス 色 素 3 対 向 電 極 TO A ホール 輸 送 材 料 e e TiO 2 h+ h+ 量 子 ト ット 透 明 電 極 対 極 共 通 点 発 電 層 に 大 きな 界 面 が 存 在 する 特 長 低 コスト( 高 温 真 空 プロセスが 不 要 ) 超 高 効 率 セル 効 率 11.2 % 8% ー モシ ュール 効 率 8-9% <2% ー 試 行 錯 誤 的 な 物 質 探 索 や input outputの 評 価 が 主 流 メカニズムが 完 全 に 解 明 されていない 時 間 制 限 のため 色 素 増 感 太 陽 電 池 を 中 心 に 説 明 していく 3
色 素 増 感 太 陽 電 池 透 明 電 極 TiO 2 電 極 色 素 電 解 液 (-/3-) 対 極 光 - 3 - 外 部 回 路 電 子 メリット 1. 安 価 2. カラー 化 4
色 素 増 感 太 陽 電 池 の 特 徴 -1 Device Concept: Artificial Photosynthesis TCO TiO 2 Dye Electrolyte CE -4.0 導 電 帯 e - S* Fermi Level LHS -4.5 Vmax e - -5.0 e - Red Ox RC -5.5 S e - LHS The principles of DSCs are different from those that conventional solar cells and are more similar to the plant photosynthesis, as light absorption (dye) and carrier transportations in both TiO 2 and electrolyte in DSCs occur separately. 5
色 素 増 感 太 陽 電 池 の 特 徴 -2 Photocurrent is enhanced ( > 1000 times ) when sensitization of nanocrystalline vs single crystal TiO 2 Single crystal Nanocrystalline SEM 図 この 広 い 表 面 積 を 有 する 界 面 はメカニズム 研 究 に 困 難 をもたらす 6
等 価 回 路 Si Solar Cells hν Dye sensitized Solar Cells TCO TiO 2 Electrolyte CE ARC Electrode - 3 n-si p-si - The experience & knowledge Electrode of Si solar cells are useful to DSCs R s n the DC condition R s = R TCO + R CE + R ELE C ELE C CE R TCO R sc R V R TCO ELE R CE sh sc R sh L. Han et el, Appl. Phys. Lett. 84, 2433(2004) 7
高 効 率 アプローチ Jsc Voc FF Curre ent Densit ty (ma/cm m2) 20 15 10 5 0 Jsc FF Voc : 0.693 V Jsc : 18.9 ma/cm 2 FF : 0.686 : 9.0 % Voc 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Voltage (V) 1) Jsc Development of dye Light trapping effect 2) Voc Suppression of recombination 3) FF Reduction of series resistant Typical -V curve of the cell 8
高 効 率 化 -1 1. 等 価 回 路 の 提 案 2.シリーズ 抵 抗 (Rs)の 低 減 によるFFの 向 上 sc TCO TiO 2 Electrolyte Dye CE 3-3 2.5 ncrease surface - y 2 roughness of layer CE 1.5 1 C ELE C CE R s 0.5 R R TCO ELE R CE 0 V R sc R TCO R CE sh RR sh ELE ) ( cm 2 Resi istance Decrease thickness of electrolyte L. Han et el, Appl. Phys. Lett. 84, 2433(2004) FF : 068 0.68 072 0.72 tion n optimizat timization Before After opt Total R s L. Han et al., Applied Physics Letters, 86, 213501 (2005) 9
3. 光 閉 じ 込 め 効 果 によるJ sc の 向 上 ncident light T0 高 効 率 化 -2 H i ( Ti i, j T i T ) j ncident light T0 TiO 2 ntroduce Haze to estimate TiO 2 film TiO 2 Exte ernal QE (% %) 100 80 60 40 20 0 Ti YChib Y. Chiba et al., Jpn. JA J. Appl. lphys. 45, L638 (2006) Tj Ti Tj 22.0 Haze 76% @800nm Haze 60% Haze 53% Haze 36% 400 600 800 1000 Wavelength (nm) Current density (ma/ /cm 2 ) (ma/cm 2 ) J sc 21.0 21 20.0 20 19.0 19 18.0 18 17.0 17 20 40 60 80 Haze of factor TiO 2 @800nm (%) 世 界 最 高 変 換 効 率 11.2% を 達 成 10
色 素 増 感 太 陽 電 池 の 現 状 セル 変 換 効 率 >11% ( 小 面 積 セル) モジュール 変 換 効 率 >8% 長 期 信 頼 性 : 加 速 試 験 で10 年 相 当 シリコン 系 太 陽 電 池 における 現 状 2. 高 信 頼 性 化 (20 年 ) 劣 化 メカニズムの 解 明 1. 更 なる 高 効 率 化 (15%) メカニズムの 解 明 高 性 能 材 料 開 発 デバイス 構 造 の 改 善 11
Voc 向 上 の 課 題 TiO 2 表 面 への 添 加 物 吸 着 (パシベーション)によってVoc シ 向 上 キャリア 再 結 合 の 抑 制 - 発 電 に 寄 与 しない - 3 開 放 電 圧 を 低 下 キャリア 再 結 合 25 20 TBP 濃 度 のセル 特 性 への 影 響 TBP 濃 度 : 低 トレードオフ 解 消 で 15% TiO 2 電 子 添 加 物 - 3 ホール 電 子 Jsc (ma/cm2) 15 10 高 電 子 発 電 に 寄 与 添 加 物 色 素 - H 3 C CH 3 C CH 3 e.g. ターシャリーブチルピリジン (TBP) N 5 0 低 高 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Voltage (V) TBP 濃 度 の 増 加 と 共 に Vocは 上 昇 するが Jscは 低 下 する 高 効 率 化 にはこのトレードオッフを 解 消 する 必 要 12
JscとVocのトレードオフ 解 決 に 向 けたこれまでのアプローチ Jsc Voc ピ リ ジ ン 系 の 添 加 物 未 TBP 処 理 H. Kusama and H. Arakawa, Solar Energy Materials & Solar Cells 81 (2004) 87 99. 試 行 錯 誤 的 な 材 料 探 索 では 問 題 解 決 できず 詳 細 なメカニズムの 解 明 が 必 要 13
固 液 界 面 透 明 電 極 TiO 2 色 素 電 解 液 対 向 電 極 光 ガ ラ ス 電 子 TiO 2 3 - 発 電 に 寄 与 しない - 3 開 放 電 圧 を 低 下 キャリア 再 結 合 添 加 物 ホール - 3 電 子 解 明 すべきの 課 題 1)TiO2 色 素 界 面 における 色 素 の 吸 着 状 態 2) 色 素 吸 着 によるTiO2のエネル ギー 準 位 などの 変 化 3) 添 加 物 (TBP)の) 吸 着 サイト 4) 色 素 からTiO2への 電 子 注 入 5)キャリア 再 結 合 速 度 電 子 色 素 - 発 電 に 寄 与 添 加 物 H 3 C CH 3 C CH 3 e.g. ターシャリーブチルピリジン (TBP) N 14
Role of Nanoscale nterface Characterization Origins of Functionality of Photovoltaic Cell Materials Plan / Prediction Theory & Computational Science Simulation and Modeling on Well-defined Surface & nterface Do / Processing Surface and nterface See / Analysis Solar Cells Materials Research Surface & nterface Characterization Atomic-scale, Nano-scale, Micron-scale Chemical Analysis, Morphology, 3-D tomography, Electronic State, n-situ Measurements, Time-resolved Analysis, etc 15 15