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完全固体型色素増感太陽電池

リコーは室内の微弱な光源における発電性能を大幅に向上させた色素増感太陽電池の電解質を、固体材料のみで構成することに成功しました。

開発の背景

近年、超低消費電力LSIの開発などで、微弱な電力でもセンサー等の様々な電子部品を駆動することが可能になり、外部電源を必要とせずに発電が可能な自立電源の実用化が期待されています。その中でも太陽電池は光があればどこでも発電できることから有望視され、特にアモルファスシリコン太陽電池(*1)は室内光のような微弱な光においても比較的良好な発電を示すことが知られています。しかしその発電力は未だ十分とはいえない状況です。
 これに対して、色素増感太陽電池は、散乱光や屋内照明等の微弱光でも効率よく発電できる次世代型太陽電池として注目されています。色素の可視光吸収を利用して発電するもので、表面に有機色素を吸着したナノ(10億分の1)メートルサイズの酸化チタン粒子からなる多孔質の膜を形成した透明導電性基板と、金属薄膜を形成したガラス基板の間にヨウ素系電解液を封入したものが一般的です。
 しかし、さらなる発電効率の向上に加え、液体の電解質を用いているため安全性(ヨウ素や有機溶媒の揮発や電解液漏れ)や耐久性(電解液による酸化チタンに吸着した有機色素剥がれ)に課題があり、実用化が困難とされてきました。
 リコーはこれらの課題を解決すべく、これまで複合機などの開発で蓄積されてきた有機感光体の技術と超臨界流体技術を応用することで、色素増感太陽電池(DSSC:Dye-Sensitized Solar Cell)の電解質を固体材料のみで構成することに成功しました。

固体型色素増感太陽電池(固体型DSSC)の特長

固体型DSSCのデバイス構造

 今回リコーが開発した固体型DSSCは、電解液部分に有機感光体材料と類似した有機P型半導体(*2)をホール輸送層として用い、さらにその有機P型半導体を超臨界流体二酸化炭素と掛け合わせることにより、酸化チタン多孔質層に高充填することに成功しました。

画像:リコーが開発した完全固体型色素増感太陽電池のデバイス構造
図1: リコーが開発した完全固体型色素増感太陽電池のデバイス構造

安全性の確保

 リコーが開発した固体型DSSCは、有機P型半導体と固体添加剤で構成されたホール輸送性材料を用いていることが特長です。これらの材料を利用する際、リコー独自の製膜技術(超臨界流体二酸化炭素:SCF-CO2(*3)下での製膜)により、従来では困難であったナノレベルの酸化チタン粒子の多孔質膜内部に上記ホール輸送性材料を高密度に充填することに成功しました。これにより、液漏れやヨウ素による腐食や人的有害性のリスクがなくなり、一般的な液体型の太陽電池のもつ技術課題を解決しました。

画像:従来工法に比べてはるかに高密度に固体電解質の充填を可能にした超臨界充填法(電子顕微鏡写真)
図2: 従来工法に比べてはるかに高密度に固体電解質の充填を可能にした超臨界充填法(電子顕微鏡写真)
※電子顕微鏡写真は、デバイス構造の模式図を反時計回りに90度回転させた向きになっています。

発電効率の向上

 リコーは微弱な光で高い発電効率を得るために、新たな技術開発を行いました。①電解液型DSSCの電解質であるヨウ素より深いエネルギー準位を有する有機P型半導体を用いることで、高い開放電圧(Voc)を得ることができました。②室内光源波長に適した有機色素を選定することで、高い短絡電流密度(Jsc)を得ることができました。③固体添加剤とデバイス構造を最適化することで、高い曲線因子(FF)を得ることができました。上記の技術開発により、室内光における高い発電性能を得ることに成功しました。(図3)。

画像:発電特性(電流密度-電圧)
図3: 発電特性(電流密度-電圧)

 また、標準的な白色LED(200lux, 0.047mW/cm2)において、市場でトップレベルの性能とされているアモルファスシリコン太陽電池(6.5μW/cm2)と比べ、新開発の固体型DSSCは、13.6μW/cm2と2倍以上の優れた発電性能を確認しました(図4、表1)。

画像:白色LED200ルクスにおける太陽電池発電特性
図4:白色LED200ルクスにおける太陽電池発電特性

画像:白色LED200ルクスにおける太陽電池発電性能値
表1:白色LED200ルクスにおける太陽電池発電性能値

耐久性の確保

 電解液型DSSCは電解液中の有機溶媒による色素剥がれがしやすく耐久性に課題がありましたが、リコーが開発した固体型DSSCは、暗所および85℃という色素剥がれが起きやすい高温環境下において、約2000時間経過しても発電性能劣化は認められないことから、高い耐久性を実証することができました(図5)。

画像:固体型DSSCの環境試験結果
図5: 固体型DSSCの環境試験結果

広がる固体型色素増感太陽電池(固体型DSSC)の応用

 私たちは、期待が高まるモノのインターネット(Internet of Things:IoT)社会(*4)に向けて、自然環境から発電する自立型電源(環境発電素子)の実現が非常に重要になってくると考えています。センシングするものの数が膨大に増え、あるいは通常の方法では電源確保が難しい場所においては、環境から電源を得る手段が必須となります。リコーは環境発電(エネルギーハーベスト)用光環境発電素子として固体型DSSCの応用を積極的に目指します。


  • *1アモルファスシリコン太陽電池:シランガスを基板上に化学気相成長させた非晶質(アモルファス)で薄いシリコン層を有する太陽電池。アモルファスシリコン太陽電池は約1.8eVのエネルギーギャップを有し、700nm以下の短波長光を吸収して発電する。結晶シリコン太陽電池に比較して微弱光における出力が高いため、室内光で利用する太陽電池にはアモルファスシリコンが主に使用されている。
  • *2有機P型半導体:広いπ共役(分子内の隣り合った原子同士の電子軌道の重なり)結合を有し、電子軌道上をホール(プラス電荷)が動いていくことで、電気を流すことができる有機材料
  • *3超臨界流体二酸化炭素:二酸化炭素が超臨界流体(臨界点以上の温度・圧力下における物質の状態であり、気体の拡散性と液体の溶解性の両方の性質を有する)状態であること。臨界温度は、31.1℃、臨界圧力は、7.37MPa。
  • *4IoT社会: あらゆるものにセンサーと通信機能が装備され、センサーが発する大量情報をビッグデータ解析し利用する近未来社会。
  • なお、本研究の一部は、 (独)日本学術振興会・最先端研究開発支援プログラム(FIRST)「低炭素社会における有機系太陽電池の開発」(プロジェクトリーダー:東京大学先端科学技術研究所・瀬川浩司教授)の支援を受けて、実施されました。
本技術の分類:分野別「基盤技術」「環境」