成果報告書詳細
管理番号20140000000612
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 電荷分離・輸送・貯蔵ポリマーの複合機能制御と新型湿式太陽電池の創出
公開日2015/3/5
報告書年度2010 - 2013
委託先名早稲田大学
プロジェクト番号P09026
部署名新エネルギー部
和文要約 レドックスポリマーに増感色素分子を組み込んだハイブリッド系を対象として、色素増感太陽電池の多様化に必須となる電荷分離・輸送・貯蔵ポリマーを創出するとともに電池性能として完成することを目的とした。電気化学的に可逆な酸化還元を示すニトロキシドラジカル誘導体において、迅速かつ速い自己電子交換反応や電荷拡散に基づく極めて高い光電変換効率を実現するとともに、酸化還元電位の制御により高い出力電圧発現の道筋を示す。
 まず、長寿命ラジカル種であるニトロキシド誘導体およびそのポリマー、フェロセン誘導体、バナジル錯体などを一連のレドックス分子を色素増感太陽電池(DSSC)電解質における新しい有機系メディエータとして着目し合成するとともに、レドックス分子の電位、電極反応速度定数、自己電子交換速度定数など、基礎特性を明らかにし、従来にない高性能DSSCメディエータとして候補分子を絞り込んだ。
 高反応性レドックス種であるアダマンタン置換ニトロキシドラジカルを中心としてDSSCメディエータとして適用し、0.9 V近い開放電圧、0.8近い曲線因子と変換効率8.6 %を達成した。高い変換効率、極めて近いセル抵抗が、レドックスメディエータの高い反応性に基づくことを明らかにした。メディエータ濃度、支持塩濃度、添加剤、吸着剤および色素の最適化により、有機レドックスを用いた色素増感太陽電池で変換効率8.6 %を達成した。
 同メディエータをゲル電解液として液漏れない(擬)固体化したDSSCセルでも変換効率8.6 %を実現した。高出力な有機二次電池の蓄電極として開発しているレドックスポリマー対を色素増感光負極とした3極から成るDSSCセルを作製し、光発電に伴う充電と暗所での一定電圧放電を完成し、蓄電能を付加したDSSCを例示した。
 なお、以上の知見は瀬川中心研究者と共用は勿論、サブテーマ3リーダーとして密度高く意見交換するとともに、ソニー(株)へメディエータ材料の提供、リコー(株)から色素、酸化チタン供給を受けるなど共同した。
 以上、色素増感太陽電池の原理に立脚しながらも、有機薄膜太陽電池の特徴である固体構造と高電圧を取り入れ、材料設計などにより擬固体化や蓄電にも対応可能なセルを用意出来た。
英文要約 The present research aimed at development of polymers for charge separation, transport and storage required for the diversification of dye-sensitized solar cells (DSSC), focusing on molecular hybrid systems of redox polymers incorporating dye functionalities for photo-sensitization. The research also aimed at the establishment of rechargeable cell properties. The objective of the research was pursued by realizing excellent photovoltaic conversion efficiencies based on the rapid and facile electron self-exchange reactions and charge diffusion of various nitroxide radical derivatives that are characterized by their electrochemically reversible redox processes, with a view to give rise to high voltage generation based on the precise control of redox potentials.
The project was set about making a search for novel organic redox mediators in electrolytes of DSSC from a series of redox-active molecules such as nitroxides and their polymers as robust radicals, ferrocene derivatives and vanadyl complexes. Basic properties of the redox-active molecules such as redox potentials, electrode reaction rate constants and electron exchange rate constants were determined to narrow the candidate molecules down to those exhibiting highly redox-mediating properties for DSSC.
It was found that a highly redox-reactive aza-adamantyl nitroxide radical gave rise to efficient mediation effect with an open-circuit voltage near 0.9 V, a fill factor about 0.8 and photo conversion efficiency of 8.6%. The high efficiency and exceptionally small cell resistance was reasonably ascribed to the excellent reactivity of the redox mediator. Various electrolyte conditions such as the concentration of the mediators and supporting electrolytes and the effect of additives, adsorbents and dye molecules were determined and optimized, which led to the efficiency of 8.6% using the organic redox reaction.
Taking advantage of the capability of organic molecules for chemical modification, the mediator layer was carefully gelated to give a quasi-solid state DSSC to avoid electrolyte spilling, which however maintained the conversion efficiency of 8.6%. A three-electrode system utilizing a couple of redox polymers developed for a high power-density organic secondary battery was applied to the DSSC, which enabled a photo-rechargeability and discharging at a given voltage under dark conditions giving rise to the charge storage capability in DSSC.
The above results were obtained by collaboration with the core researcher Prof. Segawa through intimate discussion as the sub-theme leader 3 in the research group, with the donation and/or exchange of materials such as the mediator given to SONY and dyes and TiO2 obtained from Ricoh.
In conclusion, a new type of DSSC characterized by the capability of materials design for the quasi-solid state cell and rechargeability was fabricated, based on the mechanism of conventional DSSC and yet incorporating the solid-state and high voltage characteristics of the organic photovoltaic cells.
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