成果報告書詳細
管理番号20140000000610
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 サブテーマ1・3・5・9・11 新1-1,2,3,5,6・新3-2,5,6,7・新4-1
公開日2015/3/5
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人東京大学
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 サブテーマ 1・3・5・9・11 新1-1,2,3,5,6・新3-2,5,6,7・新4-1

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」では、次世代低コスト太陽電池の本命である有機系太陽電池を産官学のオールジャパン体制で開発した。東京大学先端科学技術研究センター内に集中研を設置し、参加各機関が連携して研究を推進した。中でも桐蔭横浜大学、九州工業大学、産業技術総合研究所、ソニー株式会社は、東京大学の共同実施先として、共同で開発を進めた。有機系太陽電池の実用化に向けて光エネルギー変換効率向上を図る上で近赤外光の利用が重要である。本研究では、基底状態から三重項励起状態へのスピン反転励起により、近赤外領域でスピン交換エネルギー分の損失なく励起エネルギーを利用できる画期的色素を開発した。このスピン反転励起を利用するホスフィン配位ルテニウム錯体色素DX1を用いた色素増感太陽電池は、有機系太陽電池史上最高の短絡電流密度を与えた。さらに改良した色素DX3では短絡電流密度が30.3mA/cm2に達し、単セルでの光電変換効率も10.2%となった。このDX3を用いたセルとN719色素を用いたセルで分光タンデムセルを構築したところ、0.36sunでη=15.0%となり、本プログラムの色素増感太陽電池における変換効率の目標値を達成した。このほか、シクロメタル化ルテニウム錯体色素やポルフィリン系色素も開発するとともに、新たな色素精製手法を確立した。一方、耐久性向上に向けた取り組みとして、ナノクレイを用いた電解液の擬固体化を行なった。大型セルを量産できるように製造ラインを整備し、ODFと呼ばれる真空貼り合せ技術を応用した約10cm角の色素増感太陽電池を提供できるようになった。これまで色素増感太陽電池は主にラボスケールの研究対象であり、製造ラインの設計は手探り状態から出発したが、このラインそのものが、量産化に向けた重要な成果となった。本プログラムでは、色素増感太陽電池と有機薄膜太陽電池の長所を併せ持つハイブリッド型の太陽電池の開発を目指した。その中でペロブスカイト構造の金属ハライド化合物の光吸収能に着目し、世界に先駆けて有機系太陽電池に適用した。さらに、ヨウ化メチルアンモニウムと塩化鉛の混合溶液から作製したペロブスカイト層を用いた全固体セルで、最高値として17.3%の光電変換効率が得られた。また、安定化効率12%のペロブスカイト太陽電池を、DX3を用いた色素増感太陽電池と分光タンデムで組み合わせ、16.2%の光電変換効率を得た。この他、正孔輸送層の工夫により高出力電圧を示す全固体セルや、透明導電電極を必要としない縦型タンデムセルなどを開発した。これらの実験による開発研究を支援するため、理論計算による機構解析を行なった。従来の研究では色素と半導体が個別に検討されており、有機系太陽電池の変換効率決定因子の同定や、発電機構の解明から遠い状況であったが、本研究を通じて、色素分子-酸化チタンの相互作用などの詳細な理解を深めた。理論と実験の協同による新型太陽電池の機構解明にもつながった。蓄電機能内蔵太陽電池については、インジケーター機能を有するデザインパネルを新しく開発した。蓄電材料である酸化タングステンのエレクトロクロミズムにより、放電時には白く、充電時には青くなることをデザインに取り込み、意匠性を高めた。有機系太陽電池の国際標準化に関しては国際機関における検討が進行中であり、本プロジェクトを通じてこれにコミットした。
英文要約Title: Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology (FIRST program) on the development of organic photovoltaics toward a low-carbon society. Sub-theme 1, 3, 5, 9, 11; New 1-1,2,3,5,6, 3-2,5,6,7, 4-1

In the FIRST program "Development of Organic Photovoltaics toward a Low-Carbon Society", organic photovoltaics as a promising candidate of the next generation low-cost solar cells were developed by all-Japan regime with the cooperation of industry-academia-government. A central laboratory was prepared at RCAST, The Univ. of Tokyo, and the member institutes gathered therein. Among them, Toin Univ. of Yokohama, Kyushu Institute of Technology, AIST, and SONY Corp. joined the group under The Univ. of Tokyo. For the enhancement of photo-energy conversion efficiency toward the practical applications of organic photovoltaics, the utilization of near-infrared light is important. In this study, epoch-making dyes were developed to utilize excitation energy without a loss of spin-exchange energy, by the use of spin-flip excitation from the ground state to the triplet excited state. The dye-sensitized solar cell using the phosphine-coordinated ruthenium complex dye DX1, afforded the highest value of Jsc among organic photovoltaics. The improved dye DX3 afforded Jsc of 30.3 mA/cm2, exhibiting efficiency 10.2% by a single cell. The spectrum-splitting tandem solar cell composed of the cells using DX3 or N719 as the sensitizers exhibited efficiency 15.0% under 0.36 sun, achieving the objective for dye-sensitized solar cells in this program. In addition, cyclomatalated ruthenium complex dyes and porphyrin-based dyes were developed, and novel method for the purification of dyes was established. To improve the durability, quasi-solid electrolytes were developed using nano-cray. Manufacturing facilities were installed to provide ca. 10 cm square dye-sensitized solar cells, adopting fabrication-under-vacuum technique (ODF). These facilities became a milestone for mass production. In this program, the development of hybrid-type solar cells having both advantages of dye-sensitized solar cells and organic thin-film solar cells has been intended. We adopted perovskite-structured metal-halide compound for organic photovoltaics for the first time in the world. The all-solid solar cell using a perovskite layer composed of mixed methylammonium iodide and lead chloride exhibited efficiency 17.3% at the highest case. The spectrum-splitting tandem solar cell composed of a perovskite solar cell with a stabilized efficiency 12% and a dye-sensitized solar cell using DX3 exhibited 16.2% efficiency. In addition, all-solid cell with high Voc and vertical tandem cell without TCO were developed. To support these experimental studies, theoretical analyses were also performed. Through this study, the interaction between dyes and titania has been revealed in detail. The mechanism of novel solar cell based on surface complex was clarified by the cooperation of theory and experiment. A designer panel of photo-rechargable solar cell with indicator function was developed. The color of electrochromic tungsten oxide turns from white to blue by charging.
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