異 業 種 と 産 業 間 のコラボレーション ー 有 機 太 陽 電 池 ー Cooperative projects of of industry/university toward innovative R&Ds of of organic solar cells 宮 坂 力 Tsutomu Miyasaka 桐 蔭 横 浜 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 Toin University of of Yokohama ペクセル テクノロジーズ 株 式 会 社 Peccell Technologies, Inc.
Overview 1. 世 界 における 日 本 の 太 陽 電 池 開 発 事 情 Present activity of the PV industries in Japan 2. 太 陽 電 池 の 低 コスト 化 の 目 標 値 太 陽 電 池 の 市 場 シェアリング Cost target of organic PVs to realize a new PV market 3. 有 機 系 色 素 増 感 系 の 光 電 変 換 素 子 のしくみと 特 徴 Characteristics of organic and dye-sensitized PVs 4. 産 学 連 携 異 業 種 の 共 同 開 発 Cooperative projects of industry/university 5.プラスチック 色 素 増 感 太 陽 電 池 の 開 発 Development of cost effective plastic dye-sensitized cells 6. 低 コスト 生 産 への 戦 略 Strategy to low cost manufacture of organic PVs 7. 新 研 究 のトピックス: 無 機 増 感 剤 量 子 ドット, 蓄 電 できる 太 陽 電 池 Topics of new researches bridging organic and inorganic tools
エネルギー 産 業 の 新 しいルネサンス Renaissance of of new energy industries USA: グリーン ニューディール(A Green New Deal) 政 策 再 生 可 能 エネルギー 産 業 が 自 動 車 産 業 に 取 って 代 わる マイクロ 発 電 グリーンジョブ( 低 炭 素 社 会 ) 自 動 車,IT 革 命 から エネルギー 革 命 の 時 代 へ 太 陽 光 電 力 買 取 り(FIT) 価 格 の 優 遇 ( 日 本 :2 倍 ) 国 を 挙 げての 太 陽 光 発 電 の 研 究 投 資 システムのなかで 太 陽 電 池 の 連 携 の 形 が 変 わる?
有 機 太 陽 電 池 のコスト 目 標 Factory cost and target for organic PVs 1. 結 晶 Si 系 Module efficiency 約 15% インゴット 原 価 $100/kg 低 コスト 化 の 水 路 困 難 製 品 コスト $200-300/m 2 ( 工 場 出 荷 ), $500-600/m 2 ( 末 端 価 格 ) 2. 薄 膜 Si 系 Module efficiency 約 8% 製 品 コスト $100-200/m 2 ( 工 場 出 荷 目 標 値 ) 3.CIS(CIGS) 系 Module efficiency 約 12% 製 品 コスト $100-200/m 2 ( 工 場 出 荷 目 標 値 ) USベンチャー 企 業 では 印 刷 型 CIGSも 開 発 中 4. 色 素 増 感 (DSC) 系 Module efficiency 6~8% 製 品 コスト <$100/m 2 ( 目 標 値 ) 理 想 的 には $50/m 2
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama 民 間 生 活 での 電 力 消 費 I T 社 会 が 大 量 消 費 する 乾 電 池 二 次 電 池 単 三 乾 電 池 ( 1.5V, 2000mAh)の 電 力 価 値 は 系 統 電 力 料 金 24 円 /kwh に 当 てはめると 70 銭 家 電 製 品 の 待 機 電 力 の 消 費 量 ( 総 電 力 の10%) その 総 量 は 原 子 力 発 電 1 機 に 相 当 例 : 携 帯 電 話 の 待 機 電 力 は 効 率 3%の 色 素 増 感 PVの 光 発 電 でまかなえる
光 発 電 の 産 業 用 途 PV markets 大 型 モジュール 型 Large integrated module 小 型 携 帯 型 Small module 透 明 シースルー 型 Semi-transparent PV 意 匠 創 作 型 Aesthetic design for faςad applications, etc. 従 来 Si 有 機 PV DSC 高 コスト ( 高 温 真 空 ) 寿 命 >10 年 施 設 用 電 力 低 コスト ( 印 刷 法 ) 寿 命 3~5 年 High End 消 費 者 エレクトロニクス Low End
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama 有 機 太 陽 電 池 のしくみと 特 長 Unique characteristics of organic PVs Dye-sensitized & Organic solar cell
Toin University of Yokohama 色 素 増 感 太 陽 電 池 (DSC) A e - e - TiO2 Dye monolayer 3I - e - Light I 3 - Highest power efficiency, 12% using glass electrodes >500 particles (10µm thick) Redox electrolyte Transparent electrode Mesoporous layer Counter-electrode
Photocurrent and voltage generation at dye-sensitized semiconductor electrode N-type semiconductor (TiO2) electrolyte Counter-electrode Photocurrent C.B. Ef e - S* LUMO hv Potential Photovoltage S 0 HOMO e - Adsorbed dye Redox agent I - / I 3 - V.B. 0.6~0.8V
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama 大 気 中 で 作 れる 印 刷 塗 布 でつくれる 色 素 増 感 太 陽 電 池 (DSC) 色 素 が 発 電 体 カラフル 性 Colorful ナノ 粒 子 層 が 受 光 体 柔 軟 な 多 孔 膜 が 電 極 電 気 化 学 素 子 ( 電 池 ) Electrochemical device シースルー 性 transparent フレキシブル flexible 蓄 電 能 力 Chargeability
有 機 太 陽 電 池 と 色 素 増 感 太 陽 電 池 15 Conversion Efficiency / % 10 5 DSC (Dye-sensitized cell) (glass type) DSC (plastic type) Organic PV 12.3% 8.0% 6.5% 0 1990 1995 2000 2005 2010
μ= 5~6%
有 機 太 陽 電 池 と 色 素 増 感 太 陽 電 池 発 電 層 の 厚 み Thickness 有 機 太 陽 電 池 Organic film type <100 nm >10 µm 色 素 増 感 太 陽 電 池 Dye-sensitized type 成 膜 工 程 Preparation 溶 液 塗 布 (ホ リマー 型 ) 真 空 蒸 着 ( 低 分 子 ) 溶 液 塗 布 ( 乾 燥 加 熱 ) 湿 式 工 程 なし あり( 電 解 液 ) 耐 水 性 の 確 保 Stability against water 発 電 特 性 Performance 水 分 透 過 率 <10-6 g / m 2 24h V oc =0.5-0.6V 波 長 <700 nm 低 光 量 でVoc 水 分 透 過 率 <10-4 g / m 2 24h V oc =0.6-0.85V 波 長 <900 nm 低 光 量 でも 性 能 維 持
メソポーラスTiO 2 膜 を 用 いるDSCの 性 能 Current durability of DSCs: glass and plastic cells 基 板 ガラス 型 glass type プラスチック 型 (フレキシブル) Plastic, flexible type エネルギー 変 換 効 率 Conversion efficiency 11.3%*~12.2% 耐 久 寿 命 lifetime ( 加 速 条 件 >60 ) 6,000~12,000 hr 8% 200~1,000 hr *Gao, F. Wang, Y.; Shi, D.; Zhang, J.; Wang, M.; Jing, X.; Humphry- Baker, R.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Graẗzel, M., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10720.
Sunlight durability of DSC modules A report by H. Desilvestro (Dyesol Ltd.), 新 コンセプト 太 陽 電 池,シーエムシー 出 版,2009 9 8 Efficiency (%) 7 6 5 4 3 2 1 0 0.33 sun, N719 0.33 sun, Z907 1 sun, N719 1 sun, Z907 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 Time (hours) AM1.5 ( 1 sun ) and 0.33 AM1.5 ( 0.33 sun ) efficiencies of N719 (--) and Z907 ( ) based cells as a function of light soaking time. Active area: 8 11 mm. Cell temperature: 55-60 o C.
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama Cooperative R&Ds between industry/university and chemistry/electronics/machinery will determine speed of commercialization セル 試 作 small cell ( 大 学, 研 究 所 ) Proof-of-concept module モジュール 設 計 high-voltage module ( 企 業,メーカー) 高 効 率 化 高 機 能 化 素 材 開 発 コスト 信 頼 性 三 次 元 構 造 耐 久 性 評 価 工 程 設 計 商 品 回 路 設 計 コンソーシアム 用 途 開 発 ベンチャー
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama Key issues concerned in cooperative R&Ds : 発 電 能 力 有 機 無 機 ナノ 材 料 塗 布 成 膜 方 法 反 射 防 止 膜 集 電 グリッド 耐 久 性 封 止 方 法 ガスバリア 膜 バイパス 回 路 コスト 透 明 導 電 基 板 合 成 収 率 製 造 工 程 ( 真 空 非 真 空 )
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama プリンタブル,フレキシブル プラスチック 色 素 増 感 太 陽 電 池 の 開 発 Printable, flexible, plastic-based solar cell: a solution to cost effective PV
透 明 導 電 プラスチックフィルムの 用 途 Conductive plastic films as substrates 分 野 シート 抵 抗 可 視 光 耐 熱 性 化 学 安 定 性 Ω/ 透 過 率 耐 腐 食 性 タッチパネル 300~500 > 60% > 120 耐 湿 防 湿 FPD 基 板 < 100~200 > 80% > 120 耐 湿 防 湿 電 磁 波 シールド < 100 > 60% > 120 耐 湿 防 湿 色 素 増 感 太 陽 電 池 ( 薄 膜 有 機 系 太 陽 電 池 ) <15 ( 理 想 < 1) > 80% ( 理 想 >90) > 400 (> 120 ) 耐 酸 耐 溶 剤 耐 湿 ガスバリア
High adhesion against exfoliation up to curvature of 1/5 mm -1 Pencil hardness >H r = 5 mm dying N719
Toin University of Yokohama Structure of Thin Film-type DSC Thickness 470 µm Light PEN(polyethylene naphthalate)film (200 µm) ITO conductive layer Polymer sealer (70 µm) V PEN film (200 µm) Transparent metal counter-electrode Dye-sensitized porous TiO 2 (10 µm) I - /I 3- containing electrolyte
Toin University of Yokohama Size dependence of photocurrent and IPCE (EQE) Larger than the size for the sintered TiO 2 13 2.0 1 sun 80 PEN film filters UV-light J sc / ma cm -2 12 11 10 9 8 Jsc Adsobed dye 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 Adsorbed dye / 10-7 mol cm -2 IPCE % 60 40 20 30 nm 60 nm 90 nm 150 nm 7 0 30 60 90 120 150 180 0.8 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Average particle size of TiO 2 / nm Wavelength / nm T. Miyasaka, et al J. Electrochem. Soc., 154, A455(2007)
Toin University of Yokohama 6-7% with test miniature cells Solvent:3-MPN+AN (1:1) Solvent: 3-MPN Photocurrent density / ma cm -2 16 14 12 10 8 6 4 2 0 I p :100 m W cm -2 J sc :14.1 m A cm -2 V oc :0.705V η: 5.90% I p :12.2 m W cm -2 J sc : 1.9 m A cm -2 V oc :0.647V η: 6.74% 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Voltage / V Photocurrent density / ma cm -2 2.5 2 1.5 1 0.5 0 J sc =1.9m A/cm 2 V oc =0.67V FF =0.67 η=7.00% 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Voltage / V Electrolyte: LiI (0.4 M), TBAI (0.4 M), I 2 (0.04 M), NMB (0.3M) Effective area: 0.23cm 2 TiO 2,20 g m -2
フルプラスチックモジュール Exhibited in Mitsubishi Plaza,Tokyo Parallel connection, 0.72V
Bifacial plastic DSC module, made by Dr. Masa Ikegami, 2008.7
フルプラスチックモジュール Power conversion efficiency, 4% for 27cm 20cm module Series DC connection, 7.2V T. Miyasaka, Y. Kijitori, M. Ikegami, Electrochemistry, 75, 2(2007). M. Ikegami, et al, Appl. Phys. Lett., 90, 153122 (2007).
DSC と 結 晶 Si 太 陽 電 池 の 拡 散 光 利 用 能 力 Power is more for DSC than for Si-based PV with diffused sunlight Incident angle Relative photocurrent 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Plastic DSSC Polycryst. Si cell 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Incidennt angle Incident angle C u rrent / arb.u. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 DSC Poly. Si Oblique incidence Vertical incidence 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 Time
Full-plastic flexible DSC module Thickness: 0.5 mm,lightweight: 0.8 kg/m 2 Output: >110V indoor
床 面 の 反 射 光 に 感 じる 出 力 の 変 化 115 114 モジュールの 下 を 人 が 通 ると 出 力 が 下 がる 113 出 力 電 圧 / V 112 111 110 9:00 1904/01/01 12:00 15:00 18:00 dat
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama 新 しい 研 究 のトピックス ( 無 機 増 感 剤 量 子 ドット) A new field of research: Inorganic quantum-dot sensitizers for organic/inorganic hybrid PVs
Inorganic sensitizers with sharp band-gap absorption Perovskite nano-compounds
Inorganic sensitizers with sharp band-gap absorption IPCE [%] CH 3 NH 3 PbBr 3 -sensitized TiO 2 solar cell CH 3 NH 3 PbBr 3 -sensitized TiO 2 solar cell 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Photon energy [ev] 3 2.5 2 1.5 400 500 600 700 800 Wavelength [nm] With I-/I 3 - electrolyte in acetonitrile:isobutyronitrile mixed solvent. Conversion eff. 3.1% Electrolyte: 0.2M LiI, 0.1M I 2
FE-SEM image for TiO 2 / CH 3 NH 3 PbBr 3
Inorganic sensitizers with sharp band-gap absorption CH 3 NH 3 PbI 3 -sensitized TiO 2 solar cell CH 3 NH 3 PbI 3 -sensitized TiO 2 solar cell Photon energy [ev] 3 2.7 2.4 2.1 1.8 1.5 Conversion eff. 3.8% IPCE [%] 40 35 30 25 20 15 10 5 0 400 500 600 700 800 Wavelength [nm] With I-/I 3 - electrolyte in acetonitrile:isobutyronitrile mixed solvent.
桐 蔭 横 浜 大 学 Toin University of Yokohama IPCE /% 70 60 50 40 30 20 10 IPCE 0 400 500 600 700 800 W avelength / nm IPCE action spectra for photoelectrochemical cells using CH 3 NH 3 PbBr 3 /TiO 2 (solid line) and CH 3 NH 3 PbI 3 /TiO 2 (dashed line) photoelectrodes. Current Density / macm 2 12 10 8 6 4 2 I-V 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Voltage / V Photocurrent-voltage characteristics for photo- Electronchemical cells using CH 3 NH 3 PbBr 3 /TiO 2 (solid line) and CH 3 NH 3 PbI 3 /TiO 2 (dashed line) photoelectrodes under 100mW cm- 2 irradiation. Photovoltaic characteristics for perovskite-sensitized mesoscopic TiO 2 cells. Perovskite composition J sc V oc FF Eff. (ma / cm 2 ) (V) (%) CH 3 NH 3 PbBr 3 5.57 0.96 0.59 3.13 CH 3 NH 3 PbI 3 11 0.61 0.57 3.81 A. Kojima, et al. J, Am. Chem. Soc., 131, 6050-6051(2009).
蓄 電 のできる 太 陽 電 池 Direct storage of light energy in a photo-rechargeable device : Photocapacitor
Toin University of Yokohama Storage of charge (power) is necessary for stabilizing power output from the device against light variation
Toin University of Yokohama Photo-capacitor photo-rechargeable cell A Visible light Activated carbon Transparent electrode (anode) Counterelectrode (Cathode) Dye-sensitized TiO 2 Separator/electrolyte(TBA + propyl carbonate) Photoelectrode
Toin University of Yokohama Light TCO (Anode) Cathode Dye-sensitized layer Electrolyte Photoelectrode A CARBON CARBON Photocahrge - - - - - - - + + + + + + - + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - Photo-charging Photo-charge Cation Anion Discharge + + + + + + + + + + + + ++ + + + - -- - --- -- - - - - Discharge Onset of charging Onset of discharge
Toin University of Yokohama Dye-TiO 色 素 増 感 2 ナノ 半 導 体 Photoboltaic 光 発 電 層 蓄 Storage 電 層 + - Insertion 内 部 電 of 極 internal の 挿 入 electrode 光 Photoboltaic 発 電 部 蓄 電 Storage 部 + - Light 光 e - e - 炭 素 材 料 Carbon 炭 素 材 料 Carbon Light 光 e - 炭 素 材 料 Carbon 炭 素 材 料 Carbon 光 充 電 方 向 Photo-charge Discharge 放 電 方 向 SW2 SW1 h + 出 V 力 e - 光 充 電 方 向 Photo-charge Discharge 放 電 方 向 e - SW1 h + e - SW2 出 V 力 e - Two-electrode cell Three-electrode cell
Durability: 4000 cycles of charge-discharge 0.8 0.8 Voltage / V 0.6 0.4 0.2 1 cycle 2000 cycles Voltage / V 0.6 0.4 0.2 1 cycle 2000 cycles 4000 cycles 0.0 0.0 0 500 1000 1500 2000 Time / sec 0 500 1000 1500 Time / sec Resistance / Ω Charge-discharge efficiency / % Capacitance / F g -1 Energy density / µwh cm -2 1 cycle 33.0 91.3 109 (100%) 130 (100%) 2000 cycles 37.0 89.5 101 (93%) 128 (99%) 4000 cycles 42.0 87.3 101 (92%) 137 (106%)
Toin University of Yokohama Photocapacitor: power generation & storage simultaneously INPUT Light ON OFF ON OFF Power output ON
ペクセル テクノロジーズ 株 式 会 社 のご 紹 介 Peccell technologies, Inc.
社 名 の 由 来 事 業 内 容 フィルム 型 太 陽 電 池 モジュールと 関 連 部 材 の 開 発 新 型 太 陽 電 池 の 研 究 支 援 と 産 業 活 性 化 国 プロジェクトの 研 究 開 発 受 託 太 陽 電 池 用 評 価 装 置 の 開 発, 販 売 ソーラーシミュレータ 作 用 スペクトル(IPCE) 測 定 装 置 自 動 計 測 用 ソフトウエア 耐 久 性 評 価 システム など 役 員 数 5 名 社 員 数 15 名 資 本 金 1500 万 円 Photoelectrochemical Cell 光 電 気 化 学 セル
プラスチックフィルムDSCモジュールサンプルの 受 注 試 作 Efficiency 3 4% (active area) depending on incident intensity Under 1 sun intensity 90mW
Acknowledgements Dr. Masashi Ikegami Dr. Kenjiro Teshima Dr. Nobuyuki Ikeda Plastic DSC Photocapacitor Solidification of DSC Research funds Project of The Ministry of Economy, Trade and Industry: 経 済 産 業 省 : 地 域 イノベーション 創 生 研 究 事 業 JST project: Photo-rechargeable capacitor JST: 革 新 研 究 開 発 事 業