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。
今回リコーが開発した固体型DSSCは、有機P型半導体*2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、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:リコーが開発した固体型色素増感太陽電池のデバイス構造
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。
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。
大きさ | 52mm × 84mm | 28mm × 32mm |
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最大出力(Pmax)min. | 276μW | 48μW |
図3:各モジュールサイズでの電気特性 / 参考値(条件:昼白色LED200lx、気温25°C)
また、28×32mm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4:28×32mmサイズのモジュールの特性例
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、センシングデバイスの電源として使用することができます。(図5)
図5:DSSC搭載センサー
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。
本技術の分類:分野別「創エネ」「材料」|製品別「環境・エネルギー」