成果報告書詳細
管理番号20140000000611
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 最先端研究開発支援プログラム 低炭素社会に資する有機系太陽電池の開発 認証データ計測センター機能構築と要素技術の開発・評価
公開日2015/2/19
報告書年度2010 - 2013
委託先名公益財団法人神奈川科学技術アカデミー
プロジェクト番号P09026
部署名新エネルギー部
和文要約有機系太陽電池には、色素増感太陽電池(DSC)、有機薄膜太陽電池(OPV)および、両者の特徴を組み込んだペロブスカイト型ハイブリッド太陽電池も話題となっており、その変換効率の高さや全固体状態という潜在能力の高さから実用化が期待されている。これらは発電素子に有機材料を構成物質とし、動作機構がシリコン系太陽電池とは大きく異なるため、その性能評価には、従来の太陽電池にはない測定手法を取り入れる必要がある。ちなみに、DSCやOPVは有機系太陽電池特有の問題点があり、個別の評価については様々な手順・方法が検討されているが、多種類の太陽電池の性能を一括して比較検討するための統一的な方法は未だに示されていない。
 このような状況下、産業界での公平な競争やそれに伴う市場拡大に対応するため信頼性の高いデータを得るように工夫された統一的な評価方法・基準の規格作り、および評価技術の確立が求められおり、KASTは中立の第三者機関の「計測センター」として、高度計測センターを中心に各センターの持つ能力・実績を結集した「オールKAST」体制で本研究課題に取り組んだ。
 具体的には、有機系太陽電池の性能評価と素材等の基本特性評価を行う「計測センター」機能を構築するとともに、各要素技術について高い光電変換効率や耐久性をもつ素材等の開発や一連の構成要素の機能評価方法の確立にも取り組んだ。また、有機系太陽電池技術普及のための講習会や地域の企業などと協力し用途開拓のための試作品開発なども検討した。
 本研究課題は大別して6つのサブテーマ;(i) 標準状態(STC)での性能評価法、(ii) STC以外の性能評価法、(iii) 非線形応答性太陽電池への対応、(iv) 様々な環境条件での耐久性試験、(v) 太陽電池の要素技術の開発、(vi) 国際標準化を検討した。評価機能の構築のため、基本設備として認証データ計測センター機能に適う高性能ソーラシミュレータ(人工光源)を組み込んだ電流・電圧(I-V)測定装置および分光感度(IPCE)測定装置を設置した。サブテーマ(i),(ii)は本装置により性能評価を行った。なお、測定試料としては、費用対効果の観点から比較的小面積(照射面:15cm角以下)の太陽電池(単セルあるいは小面積モジュール)の性能評価に限定した。ちなみにこれら高性能装置として、定常光使用でペルチェ型温度制御付2灯式ソーラシミュレータ(Class A)と単波長光強度の高い分光感度測定装置(IPCE)を設置した。セル性能評価法の検討では、これらの高スペック測定装置を用いて、標準試験条件下での各種有機及びSi系セル測定技術の習熟と問題点の洗い出しを行った。また、太陽光スペクトルとは別に独自の照射波長分布をもつ人工光源としてLEDソーラシミュレータも設置し、スペクトル分布を変動させた場合のセル評価も行った。その結果、一般に、Si系と違って吸収波長域の狭い有機系では照射光領域の制御により見かけ上、変換効率の著しい改善が観察された。また、有機系太陽電池では国際標準化が確立していないため、第三者評価機関としてトレーサビリティのある高信頼性を持つデータを提供することに取り組んだ。有機系、特にDSCの性能評価では、光電変換速度の時定数が大きい上に、照射光強度と光電流との間には比例関係がないため、I-V測定による変換効率解析およびIPCE測定による分光感度解析・照射光校正において誤差が大きくなり高信頼性の認証データが得られない。これらを解決して標準化の早期実現を期するため、非線形応答に対応可能な「微分分光感度法(DSR法)」を用いたIPCE測定をFIRSTとは別に行っている。
 また、劣化解析については、用いる試料の作製を東京理科大学に、その電気化学的な解析は神奈川県産業技術センターに委託した。
英文要約Organic solar cells, in particular dye-sensitized solar cells (DSC), have been under continuous development since Gerischer, Tributsch et al. initially reported an organic photovoltaic cell in 1968, although the light-to-electricity conversion efficiency (was yet rather low. In 1985, Gretzel et al. developed dye-sensitized solar cells (DSCs) composed of Ru-complexed dyes, TiO2 particles, and I- with a relatively high efficiency (ca.7%). Indeed, the findings of such high performance DSCs by Gretzel have opened the path to next-generation DSC solar cells which, unlike conventional Si-type solar cells, possess such advantageous characteristics as: (i) flexibility; (ii) transparency in the visible light region; (iii) low preparation cost by a printing technique; (iv) light and mobile handling; and (v) colorful design.
In spite of these favorable features, however, DSCs still exhibit problems that need to be resolved since they generally include a volatile liquid electrolytic solution which may easily leak, lowering the cell function during long-term use. Although the application of an ionic liquid as the electrolyte improves the durability of DSC and OPV performance, slow response upon light irradiation has made accurate evaluation of their performance difficult. That is, their large time constants in photon-to-current conversion efficiencies (IPCE) and non-linear relationship between incident light intensity and the generate current (Isc) have made reliable data collection on energy conversion efficiencies (in I-V analysis and spectral sensitivities difficult.
Some guidelines have been tentatively proposed by the Optoelectronic Industry and Technology Development Association (OITDA, Japan), however, a standardized evaluation or procedural method for DSC performance has yet to be officially established. Also, the IEC60904 international standards mainly apply to inorganic photovoltaics such as Si or CIGS photo- semiconductors. DSC evaluation methods are, thus, presently carried out independently by various solar cell manufacturers.
In order to address these concerns, the Kanagawa Academy of Science & Technology (KAST), within the framework of the FIRST research project, has undertaken the development of methods for the measurement and evaluation of organic solar cells such as DSCs and OPVs (organic thin film PVs) in order to establish international standards for their performance. Our research consists of the following six subtopics: (i) to establish performance evaluation methods under standardized conditions (STC); (ii) to establish performance evaluation methods not defined under STC; (iii) to establish a method applicable to non-linearly responsive solar cells; (iv) to conduct durability tests under various environmental conditions; (v) to develop elemental materials for high performance solar cells; and (vi) to promote recognition of such international standards and protocols for organic solar cells.
KAST has installed a high-spec solar simulator equipped with both Xenon and halogen lamps (Class A type) and a high power instrument to analyze the IPCE for performance analysis of DSCs and OPVs. In addition to analysis under STC conditions, a LED light source has been employed to evaluate the performance of DSCs under non-STC conditions by changing the spectral intensity distributions of the LED solar simulator. Evaluation of the DSC performance resulted in quite improved values under non-STC for narrower visible light regions.
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