成果報告書詳細
管理番号20140000000638
タイトル平成22年度-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 低コスト色素増感太陽電池の製造と発電実証試験(1)
公開日2015/2/19
報告書年度2010 - 2013
委託先名シャープ株式会社
プロジェクト番号P09026
部署名新エネルギー部
和文要約件名: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 低コスト色素増感太陽電池の製造と発電実証試験

平成22年度から25年度まで、シャープは透明導電膜を使用しない(TCOレス)色素増感太陽電池(DSC)の開発を担当した。【平成22年度-23年度(一部平成25年度)】1 短絡電流密度の低下メカニズムの解明 TCOレスセルの構造は、従来のDSCに比べ短絡電流密度(Jsc)が低いことが課題であった。研究開発に着手した当初、従来DSCに比べ、TCOレスセルのJscの低下率は38%であった。この要因を抽出するため、インピーダンス解析を行った結果、多孔質層の界面抵抗の影響が大きいことが判明した。また、ガラスに対する光学的解析を行った結果、反射率差に相当する低下要因も抽出した。また、多孔質層の界面を制御、ならびに色素吸着の改善により、従来DSCに比べTCOレスセルのJscは2%(低下率)に改善できた。2 集電電極構造の適正化 従来DSCとTCOレスセルの構造の差異は、透明導電膜の代わりに集電電極を適用していることである。このため、集電電極の形成条件を検討したところ、集電電極の構造がセル特性に大きく影響を及ぼしていることが明らかとなった。また、集電電極へのスクライブは、色素吸着や電解液の透過に対し有効であることを示した。3 TCOレスセルの高効率化検討 平成22年当初、本プロジェクトが開始された当初では、TCOレスセルの最高変換効率は8.9%であった。これらの技術を用い、従来の最高変換効率を凌ぐ、世界最高レベルの変換効率9.8%(in-house)を達成した。【平成24年度-25年度】4 TCOレスモジュール構造の検討 平成23年度まで行ったTCOレスセルの検討を基に、モジュール構造の検討を実施した。まず単セルでの検討結果から、集電電極の形成が重要な課題であることを抽出した。昨年度までの集電電極の作製条件とは異なる条件がモジュール構造には必要であることが判明した。集電電極作製条件検討から、検討当初は、従来のTCOレスセルに比べて低下率は70%であったが、低下率30%まで改善することができた。次に、5cm角サイズのTCOレスモジュールの検討を行った。5mm角サイズから5cm角サイズへ大面積化を行うことで、多孔質層の剥離の課題を得た。多孔質層界面の制御によりこの課題を解決することに成功し、5cm角サイズでのモジュール作製する基盤技術を確立した。5 東京大学作製色素DX1の評価 平成25年度には、タンデムボトムセル用としての開発を自主テーマとし、東京大学作製色素DX1の評価を行った。その結果、DSCで変換効率9.2%(低照度時で10.4%)、TCOレスセルで変換効率7.7%(同9.1%)を得た。
英文要約The purpose of this research from FY2010 to FY2013 was to develop a dye-sensitized solar cell (DSC) without using transparent conducting oxide (TCO) glass. A TCO-less DSC consists of a glass substrate, a TiO2/dye layer, a cathode electrode, an electrolyte, and a counter electrode. The cathode electrode is formed on the porous TiO2 layer. The major differences between the TCO-less cell and a conventional DSC are a) the absence of the TCO layer on the glass on the irradiation side, and b) the existence of the cathode electrode on the porous TiO2 layer. It was reported that the short circuit current density (Jsc) of a TCO-less cell is lower than that of a conventional DSC. We confirmed that the loss of Jsc was caused by the resistance at the interface of the porous TiO2 semiconductor and by the glass refractive index. Jsc was improved by controlling the previous two parameters, and by optimizing the cathode electrode and the dye adsorption conditions. It was found that the fabrication of the cathode electrode is important to obtain a high performance TCO-less DSC. We investigated the effects of cathode electrode fabrication conditions on the TCO less cell properties. Pores on the cathode electrode were mechanically fabricated by laser scribing. As a result, Jsc of TCO less cells with scribed cathode electrode was larger than that without scribed cathode electrode. It was found that using scribed cathode electrodes was an important technique for improving the Jsc of TCO less cells. When this project started in 2011FY, the highest conversion efficiency for TCO-less DSC was 8.9% [4]. Using the techniques obtained through this project, a world-class level conversion efficiency of 9.8% (in-house) was achieved. Since 2011FY, we had investigated a TCO-less cell structure (conventional-TCO; c-TCO), and analyzed that structure. In order to fabricate TCO-less modules, we chose a monolithic type TCO-less structure, because of the expected easy fabrication process. The monolithic-type TCO-less modules were constructed with a glass substrate, a TiO2/dye layer and an electrode as a cathode, an insulating layer, a counter electrode and an electrolyte. First of all, we attempted to fabricate monolithic type TCO-less cells (m-TCOlc) by using fabrication conditions similar to c-TCO, except for the insulating layer and counter electrode fabrication conditions. Compared to c-TCO, the short-circuit current density (Jsc) of m-TCOlc was extremely low, because of the decrease in amount of adsorbed dye and the increase of the cathode electrode resistance. In order to improve the cathode electrode resistance, the thickness of the electrode was changed. While this allowed decreasing the cathode electrode resistance, the cathode electrode layer’s pore-size measured by scanning electron microscope also decreased. From the FY2011 c-TCO investigation results, we had found the effective laser scribe process conditions. Therefore, that process was attempted with m-TCOlc as the next step. Finally, by using these techniques, we managed to improve the Jsc degradation ratio for m-TCOlc from 70% up to only 30% when compared to c-TCO. We then attempted to fabricate m-TCOlc modules in 5cm square size. The peeling off of the porous TiO2 layer from the glass substrate turned out to be a problem. We established basic technologies to solve this problem by controlling the porous layer surface, and could then produce modules in 5cm square size. In the last section, we cover the characterization of the DX1 dye that took place during 2013FY, a dye produced by Prof. Segawa’s group at the University of Tokyo. As a result, a conversion efficiency of 9.2% at 1Sun conditions and 10.4% at low light irradiation conditions were achieved, using conventional DSC. On the other hand, using TCO-less DSC, a conversion efficiency of 7.7% at 1Sun condition and 9.1% at low light irradiation condition were obtained.
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