成果報告書詳細
管理番号20110000000785
タイトル*平成22年度中間年報 太陽エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム次世代高性能技術の開発 三層協調界面構築による高効率・低コスト・量産型色素増感太陽電池の研究開発(高効率・高耐久性電解質材料の研究開発)
公開日2011/9/28
報告書年度2010 - 2010
委託先名メルク株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 素増感太陽電池の高効率化技術、低コスト化技術、量産化技術、信頼性向上技術に関する技術開発を実施するにあたって、色素増感太陽電池の三層(酸化物半導体、 色素、電解質)に注目し、それらの材料開発、光電変換現象、劣化機構の解析をおこなうとともに、それらを反映した高効率セル及びモジュールの試作・評価、信頼性に関する評価をおこなう。本事業では高効率・高耐久性電解質材料の研究開発を進める。
(1) イオン液体を用いた高耐久性電解液の開発
色素増感太陽電池の耐久性を確立するには、電解液の揮発成分を完全に取除くことが望ましい。常温から太陽電池の使用・保管温度範囲で蒸気圧をほとんど持たないイオン液体(常温溶融塩)を用いて開発を進めた。イオン液体材料のうち、高効率・高耐久性を両立させうるものは限られている。熱重量測定によって300℃を超える耐熱性を持つ陰イオンは四シアン化ホウ酸イオンのみであることが明らかになった。太陽電池には300℃までの耐熱性は必要無いと考えられるが、様々な陰イオン種を含む電解液をテストセルでJIS B-1 試験したところ、耐熱性との大きな相関が認められた。この結果を踏まえ、まずは四シアン化ホウ酸塩を主成分として電解液の開発に注力した。電解液の調整にあたっては、水分管理が重要であるが、微量水分量決定に良く用いられるカールフィッシャー滴定法では、その原理上ヨウ素を含む試料に対して正確な測定が困難である。この問題を解決するために、試料にトルエンを加えて共沸させる容器を接続し、蒸気に対してカールフィッシャー滴定を行うことにより正確かつ簡便に測定することが可能となった。試験結果は乾燥機を用いた場合と一致し、信頼性が確かめられた。作製した試料の水分濃度は概ね100-200 ppm の品だが、数十ppm 以下に調整することも可能である。今後、水分含量が耐熱性試験に与える影響について精査する予定である。
(2) 新規材料系を用いた高効率化電解質の検討
高効率化、特に高光電圧化を目指した新規材料系の探索を始めた。共役系高分子ポリ3-ヘキシルチオフェン(P3HT)の分子量分布が大きく異なる5種の試料を作製し、評価をおこなっている。
英文要約Title: Research and development of high-efficiency and low-cost dye-sensitized solar cells and their mass production technologies based on the three phase-harmonized interface (FY2010-2012) FY2010 Annual Report
Part 1. Ionic Liquid-based Robust Electrolyte Development (with Sharp and AIST). The project focuses on the use of purely Ionic Liquid-based electrolyte that excludes any volatile component to establish a technology that enables a robust dye-sensitised solar cell (DSSC) over a broad range of operation and storage conditions. It is considered that a trace amount of water content affects the thermal stability of DSSC. We managed to measure accurately the water content in the electrolyte mixtures. AIST focuses attention on the relation between the electron donor number of anions and their DSSC performance to reveal that an anion with the highest donor number, tetracyanoborate, results in the best electron injection efficiency from the excited dye to the photoelectrode conduction band. Therefore, we started to develop tetracyanoborate anion-based electrolyte mixtures customised for Sharp module and Sumitomo Osaka Cement electrode materials. It is generally difficult to measure accurately water content in liquid containing iodine by using Karl-Fischer method. This was solved by employing an azeotropic unit, thus enabling us to provide our collaborators with water content-controlled electrolyte mixtures. We found that when it comes to preparing electrolyte samples larger than a couple of 10 ml, a precipitation might become an issue of concern. Given that our state-of-the-art understanding of Ionic Liquid is still limited, it is difficult to predict precipitation behaviours. Therefore, whenever sample preparation was scaled up, it was necessary to place them under temperature cycles to make sure of little probability of precipitation. Thus-prepared seven samples were or are to be sent to Sharp for evaluation. It was also clarified that a great deal of attention is required to measure accurately the power conversion efficiency of purely Ionic Liquid-based DSSC because of its slow response for voltage sweep. It was agreed that the evaluation method will have to be shared so as to share the common targets. Furthermore, our 3D microscopic observation of test cells demonstrated non-destructive and accurate measurement of the cell gap, necessary to evaluate ac-impedance spectroscopic data. Part 2. Search for novel high-efficiency materials (with Shinshu Univ.). Five different batches of poly(3-hexylthiophene) were evaluated in Shishu Univ. In our lab, we fabricated test cells with a hole transport material SHT263 (SpyroMeO-TAD). It was found that there was a large correlation between the internal resistance extracted by ac impedance analysis and DSSC performance.
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