成果報告書詳細
管理番号20140000000283
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 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2014/12/27
報告書年度2010 - 2013
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
和文要約本事業では、TiO2ナノ粒子分散バインダーフリーペースト塗布液に用いてITO(酸化インジウムスズ)-PEN(ポリエチレンナフタレート)透明導電プラスチックフィルム基板にTiO2ナノ多孔膜を低温製膜によって10μm以下の厚みで被覆して作製したフィルム電極基板を、Ru錯体色素ならびにインドレニン系色素によって増感してフィルム光電極を作製した。ここで、ITO導電膜表面を、真空スパッタ法によって厚さ10nm程度のTiO2の緻密層で被覆し、再結合をブロッキングするバッファー層を形成した。高沸点溶媒を用いるヨウ素イオン系酸化還元電解系をメディエイターに用い、対極には、白金コロイドを溶液塗布で低温製膜した透明導電フィルムを用いて、フレキシブルフィルム型色素増感太陽電池を作製した。バッファー層の設置によって光電変換特性は光電流密度と開放電圧(Voc)とが向上し、バッファー層の厚みと組成(Tiの酸化度合)を最適化することで、吸光係数の高いインドレン色素で増感した厚みが3.5μmのTiO2膜では5%以上の変換効率が得られ、Ru錯体色素(N719)で増感した厚みが7μm以上のTiO2膜では6%以上の変換効率が得られた。さらに効率を高めるために、TiO2膜の基板上の密着強度の改良、吸光係数の高いRu錯体系増感色素の選択、そして、ITO-PENフィルムの光透過率を高める工夫などを行った結果、最終的に変換効率は6.65%まで向上した(Voc 0.75V)。また、電解液層の固体化のためにナノシリカ粒子を分散したゲル状電解液を用いて作製した擬固体化セルでは5.5%の変換効率(Voc 0.75V)が得られ、これはフィルム型擬固体化色素増感太陽電池の効率としては最高値である。フィルム太陽電池の耐久寿命の向上のために、酸化腐食性のヨウ素(I2)の含量が極めて小さいヨウ素フリー型高沸点有機電解液を開発した。これを用いたフィルム太陽電池は、ヨウ素を含む標準のI-/I3-系電解液に比べてセルの保存安定性が大きく改善され、また、セル特性の温度依存性が小さいことが明らかとなった。このヨウ素フリー電解液を用いてフィルム色素増感太陽電池の大面積モジュールを数種作製し、その光発電能力を試験した。6セル直列のモジュール(サイズ140×55 mm、厚さ0.5mm、重量10g)の出力は0.22W(Voc≧4V)、このモジュールは、1sunから低光量1/200sun(500lux相当)までの範囲で、効率3.5%、Voc 3.5V以上を維持し、光量変動に対して安定な効率をもつことを検証した。このモジュールをサブモジュールとして直列/並列接合で集積した面積1m2以上の大型モジュールも試作し、国際太陽電池展示会(PVEXPO等)に出展し、屋内光による発電のデモンストレーションを実施した。
英文要約High efficiency flexible film-type dye-sensitized solar cells were constructed by low-temperature coating of the binder-free type mesoscopic TiO2 paste on an ITO-PEN (indium tin oxide-coated polyethylene naphthalate) transparent conductive film substrate for mesoscopic photoelectrode preparation. The surface of ITO was coated with a compact thin TiO2 layer (ca. 10 nm) as by vacuum sputtering method. The compact TiO2 functions as a buffer layer that blocks back electron transfer at the interface. Sensitization of 3.5 -m-thick TiO2 and 7-10 mm-thick TiO2 with a high extinction coefficient indolie dye (D205) and Ru complex dye (N719) yielded more than 5% and more than 6% conversion efficiency, respectively. Further enhancement of efficiency was conducted by improving the transmittance of the plastic film (PEN) as well as adhesion strength of the mesoporous TiO2 with the compact layer/ITO. The best cell yielded efficiency of 6.65% with open-circuit voltage (Voc) of 0.75V. A quasi-solidified film-type cell was fabricated with ITO-PEN by replacing the liquid electrolyte with a nano-SiO2 dispersed gel material. This cell showed efficiency up to 5.5% which is the highest efficiency ever achieved for solid-state film-type cell. To ensure higher durability of the film-type cell, iodine-free liquid electrolyte was developed for replacement of the iodide/triiodide electrolyte. This change of electrolyte led to significantly increase in the lifetime of the film dye-sensitized cell that was kept in the environment of 60oC and 85% humidity. The temperature dependence of the cell performance could be also minimized by using the iodine-free composition. Large size integrated modules, up to a size of 1 m x 1 m, were constructed by series connection of sub-module (6 cells in series connection, size 140x55 mm, thickness 0.5 mm, weight 0.5g, Voc of 4.4V). The modules show stable efficiency against light intensity variation with average efficiency of around 3.5%. They were displayed in international exhibitions to demonstrate their high performance under indoor illumination.
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