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完全固体型色素増感太陽電池

室内の微弱な光源からの発電性能を大幅に向上

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(集積回路)の開発などで、微弱な電力でもセンサー等のさまざま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型電源の実用化が期待されています。周辺の環境に存在する光や熱、振動等から発電する環境発電技術(エネルギーハーベスティングテクノロジー)が注目されていますが、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性能を示すことが知られています。しかしその発電力は、発電量等の観点でま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。

けれども、さらなる発電効率の向上が求められることに加え、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MFP(マルチファンクションプリンター)などの開発で蓄積されてきた有機感光体の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の特長

固体型DSSC(固体型Dye-Sensitized Solar Cell:固体型色素増感太陽電池)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型半導体を酸化チタン多孔質層に高充填することに成功しました。

この固体型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、完全固体型を実現しています。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。

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

発電効率の向上

高い発電効率を得るためには、電圧と電流の性能を向上させることと、発電ロスを低減させることが必要です。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:Open-Circuit Voltage、理論上の最大電圧)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:Short-Circuit Current density、理論上の最大電流密度)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発電ロスを抑え、高い曲線因子(FF:Fill Factor、発電ロスを示す指標)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2)

図2:発電特性(電流密度-電圧)

固体型色素増感太陽電池モジュール

固体型色素増感太陽電池である発電素子同士を直列接続することで、高い開放電圧が得られるモジュールを開発しました。低照度の光でも高い出力が得られる固体型色素増感太陽電池モジュールの製品例の代表仕様値を図3に示します。

サイズ(mm) 17×19 28×32 52×84
直列数 8 8 8
Pmax(μW) >15 >52 >300

図3:各モジュールサイズでの電気特性 / 参考値(条件:白色LED 200Lx 約25°C)

また、17×19mmサイズのモジュールにおける最大出力(Pmax)と最大出力動作電圧(Vmax)の特性例を図4に示します。

図4:17×19mmサイズのモジュールの特性例

量産化に向けて

量産化に向けて、固体型色素増感太陽電池モジュールの生産工程プロセスの構築及び、歩留まり向上を含めた品質の安定化検討を実施しています。量産時の300mm角の多面取り固体型色素増感太陽電池モジュールを図5に示します。

図5:量産時のイメージサンプル

広がる固体型色素増感太陽電池(固体型DSSC)の応用

リコーは、期待が高まるモノのインターネット(Internet of Things:IoT)社会(*3)に向けて、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が膨大に存在する場合、あるいは通常の方法では電源の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。固体型色素増感太陽電池モジュールは、発電性能の高さに加え、高い開放電圧が得られるため二次電池への効率的な充電を可能にし、低照度の光環境においても、各種センシングデバイスやLED等の発光デバイスやスイッチなどの光駆動電源とすることができます。(図6)

図6:センシングデバイス/光駆動電源の実装サンプル

リコーは環境発電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
IoT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。