成果報告書詳細
管理番号20110000000787
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 フィルム型軽量低価格色素増感太陽電池の研究開発(低温製膜印刷材料を用いるフィルム型色素増感太陽電池の開発)
公開日2011/9/28
報告書年度2010 - 2010
委託先名学校法人桐蔭学園桐蔭横浜大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 プラスチックの耐熱温度以下で強固に密着した高性能多孔質酸化物光電極を形成する製膜技術とこれに適合した色素、電解液、対極触媒等の高性能部材開発により、設置形態の自由度が高い軽量低価格なフィルム型色素増感太陽電池の高性能化を推進する。また、将来的な圧倒的低価格化を約束するためにはRoll to Rollプロセスによる高スループット製造技術によってこれらを達成することが必要であり、全ての製造工程のRoll to Roll処理を実現するための技術開発を推進する。当事業では低温製膜印刷材料を用いるフィルム型色素増感太陽電池の開発をおこなう。
1.印刷法による酸化チタン半導体フィルム光電極の作製
(1)低温成膜酸化チタンペーストの新調製法の開発
フィルムの機械的変形に対する靱性を高めた新規な低温成膜法を開発した。樹脂バインダーを添加せずにTiO2ナノ粒子を強酸存在下低pHで特殊分散して調製した水性ペーストを、スクリーン印刷によってITO-PEN(ポリエチレンナフタレート)フィルムにパターン印刷し、150℃以下の加熱乾燥(脱水縮合反応)によって、発電層のTiO2ナノ多孔膜を成膜した。この発電層はITO導電膜に対して強い密着強度を持つことが特徴であり、かつITO膜との接合で低い抵抗値を示す。
(2)印刷塗布法によるバッファー層の成膜
逆電子移動を抑制し高効率化をもたらすバッファー層としてチタニアの超薄膜を、前駆体溶液をスプレー塗布する方法により150℃以下でITO-PEN表面に成膜した。このバッファー層をITOフィルム基板に設置する方法によって、太陽電池の電圧と電流を向上させた。
2.印刷法による高性能フィルム対極の作製
対極用の触媒として白金蒸着膜の代替えとして、白金ナノコロイドと導電性ポリマーのポリチオフェン(PEDOT)を複合化させた材料薄膜を低温下で塗布成膜することで高効率の対極を作製する方法を開発した。
3.高耐久性固体電解質材料の開発
これまで様々なDSSCの電解質固体化のための素材が研究機関で検討されているが、低コスト化に向けては安価で扱いやすい素材が求められる。そこで水溶性ポリビニルアルコール(PVA)をバインダーとする固体電解質を使った完全固体型のフィルム色素増感太陽電池の制作に着手した。 この固体電解質層を有機色素で増感したTiO2電極と向き合わせたセルの光電変換特性を計測した。 成膜方法の違いにより、1.2%から最大で3.6%の変換効率が得られた。PVAはヨウ素と相互作用することが知られることから、PVA中でヨウ素のポリイオンが三次元的な電子交換反応のパスを形成している可能性が考えられる。最適な成膜方法を引き続き検討する。
英文要約Title:
High Performance PV Generation System for the Future. R & D on Film-type Lightweight Low cost Dye-sensitized Solar Cells. (R & D of Film-type Dye-sensitized Solar Cells by Use of Low-temperature Coating and Printable Materials) (FY2010) Annual Report
Contractor of the research: Toin University of Yokohama
The purpose of the R&D is to develop low-cost, film-type, dye-sensitized solar cell (DSSC) of high photovoltaic performance by using printable materials that form electrochemically active layers at low temperatures on flexible plastic film substrates.
To this goal following investigations were conducted.
(1) Fabrication of TiO2 film photoelectrodes by low-temperature printing method.
New TiO2 mesoscopic coating paste was developed by dispersing nanocrystalline TiO2 in low pH aqueous medium in the presence of strong acid. The coating of the paste on ITO-PEN (polyethylene naphthalate) film yielded a mesoporous layer with high adhesion strength to the ITO. The TiO2 layer showed low electrical resistance as photoelectrode for improving the photoelectric performance. With this paste, N719-sensitized cell yielded nearly 5% conversion efficiency at a TiO2 thickness of 4.6 ~m, which is the highest value achieved by such a thin film. The use of thin TiO2 is preferable in the aspects of low resistance (high FF) and mechanical toughness on the flexible substrate. It was found that coating of a thin buffer layer in between ITO and TiO2 improves the cell performance by suppressing wasteful back electron transfer (dark current). With use of organic sensitizer (D205), having higher extinction coefficient than N719, 5.2% efficiency was obtained for a film-type DSSC bearing an even thinner 3.5 ~m TiO2 layer. The sinterless low-temperature fabrication processes and less amount of TiO2 required contribute to minimizing the DSSC manufacture cost.
(2) Fabrication of high-performance counter electrode by printing method.
Low cost alternative to fabrication of platinum-based counter electrode was developed by applying a conductive polymer, PEDOT-PSS, as an electrochemical cathode catalyst on ITO-PEN film electrode. A thin and optically transparent composite film comprising PEDOT-PSS and platinum nano-colloid was spin-coated on ITO-PEN film to form a film-type counter electrode. In comparison with vacuum-deposited platinum electrodes, the film electrode showed high performance in I-V characteristics with high FF and large photocurrent. Combination of this film counter electrode with dye-sensitized film photoelectrode enables fabrication of a bifacial solar cell, which utilizes incident light on the both side of the film DSSC and generates more power in practical use.
(3) Development of high durability solid-state electrolyte materials.
Preliminary experiments were conducted to prepare polyvinylalcohol (PVA)-based solid-state or semi solid-state ion-conductive layer that replaces organic liquid electrolytes. PVA of various molecular weights were mixed with iodide/iodine redox couple in aqueous solution and the aqueous paste was printed on the electrode substrate followed by vacuum drying to eliminate solvents. Conversion efficiency up to 3.6% was obtained for cells sensitized by N719 and organic dyes.
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