成果報告書詳細
管理番号20160000000048
タイトル平成22年度ー平成26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/三層協調界面構築による高効率・低コスト・量産型色素増感太陽電池の研究開発(高効率・高耐久性モジュールに関する研究開発)」
公開日2016/5/20
報告書年度2010 - 2014
委託先名シャープ株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約本テーマでは、色素増感太陽電池において2020年における発電コスト14円/kWh(モジュール製造コスト75円/W)の目標達成に必要な要素技術の開発、並びに2030年における発電コスト7円/kWh(モジュール製造コスト50円/W)の目標実現に必要と予測される要素技術の抽出を行った。本テーマにおいて、シャープ株式会社はモジュール化技術開発、信頼性向上技術開発を担当した。低コストと量産性を考慮した色素増感太陽電池モジュールに最適な構造の検討を行い、モノリシック型構造が最適であることを見出した。さらに、選定したモノリシック型構造における材料、デバイスの課題を抽出し、両方の観点から解決を試みた。結果として5cm角モノリシック型色素増感太陽電池モジュールにおいて変換効率9.2%を達成することができた。次に、モノリシック型色素増感太陽電池モジュールのスケールアップ検討を行った。5cm角モジュールで培った技術を10cm角、15cm角、20cm角モジュールに適用し、それぞれ、スケールアップに対して選定したモジュール構造が適応していることを示すことができた。さらに、富士フイルム株式会社と共同で開発した新規色素を適用してモジュールの高効率化検討を行い、5cm角モジュールで変換効率10.65%(AIST測定)、プロジェクト目標値である20cm角で10.0%(自社測定)を達成することができた。信頼性向上技術開発としては、モノリシック型色素増感太陽電池モジュールに対し1000時間後の相対効率低下10%以下を目標として、JIS規格 C8938における温湿度サイクル試験、光照射試験、耐熱性試験、耐湿性試験を行った。目標達成のために、最初に劣化メカニズムの解析に取り組んだ。光照射による劣化と熱負荷による劣化に関して詳細に解析を行い、モジュールの高信頼性化技術へフィードバックした。また、色素増感太陽電池の信頼性に大きく影響する電解液の添加剤の開発において、従来にはない、新たなスクリーニング手法を確立し、材料探索の迅速化により研究開発の加速を行った。モジュール信頼性向上技術開発においては、最初に、モノリシック型セルの信頼性評価に取り組み、従来のサンドイッチセルと同等の信頼性を有することを確認した。さらに、作製環境の制御や新規色素及び新規添加剤の採用により、変換効率10%の性能を有する5cm角モノリシック型モジュールにおいて、温湿度サイクル試験、耐光性試験、耐熱性試験における1000時間後の相対効率低下10%以内を実証することができた。また、耐湿性試験では、同じく変換効率10%の5cm角モジュールにおいて相対効率低下率10%以内(500時間)を達成することができた。これは保持率と経過時間を考慮すると、1000時間後の性能保持率90%以上を見込むことができる。
太陽電池市場拡大のための開発では、色素増感太陽電池の特長(低照度発電特性、散乱光発電特性など)の定量化とアプリケーションを想定した使用環境および必要電力などの検討をおこない、住宅用太陽電池システム以外での太陽電池の市場拡大の可能性について示すことができた。
英文要約Introduction: During our investigations from FY2010 to FY2012, we demonstrated conversion efficiency loss less than 10 % after environmental tests under JIS standards (C8938) for a module with 7% conversion efficiency. Moreover, during FY2013 and FY2014, we demonstrated conversion efficiency loss less than 10 % after environmental tests under JIS standards (C8938) for a module with 10% conversion efficiency. The following gives the outline of the results obtained for each task. For research on module technologies, after examining dye-sensitized solar module structures and considering cost and mass-production parameters, we selected the monolithic integrated structure. We highlighted the issues associated with the selected structure, and solved them from the materials and device points of view. This allowed us to reach a conversion efficiency of 9.2% for a 5cm square dye-sensitized monolithic module. We then investigated scaling-up the size of the dye-sensitized monolithic module. By applying the knowledge acquired from the 5cm square monolithic module, and this demonstrated that the selected monolithic structure was suitable for size scaling-up. Moreover, we investigated ways to improve the conversion efficiency, and by using new dyes co-developed with Fujifilm Corporation, we achieved a conversion efficiency of 10.65% and 10.0% for 5cm square module and 20cm square module, respectively, attaining this project’s objective. For research on the improvement of the durability, we investigated the durability of the previously selected dye-sensitized monolithic module structure, and demonstrated conversion efficiency loss less than 10 % after damp heat cycle test A-2 (10 cycles), damp heat test B-2 (1000h)and light exposure test A-5 (500h) under JIS standards (C8938). At first, we analyzed the degradation mechanisms, in particular focusing on the degradation from light exposure and from heat stress. Finally, by controlling the fabrication environment and by applying new additives, we demonstrated conversion efficiency loss less than 10 % after A-2 test, A-5 test, and B-1 test with a 5cm square monolithic module with 10% conversion efficiency. For A-5 test, we achieved this project’s goal. We demonstrated conversion efficiency loss less than 10 % afte B-2 tests (500h) with a 5cm square monolithic module with 10% conversion efficiency, and we will be able to achieve conversion efficiency loss less than 10 % at 1000h. For research on expanding the solar cell market, we researched and quantified the dye-sensitized solar cell specific properties and investigated the usage environment and necessary power for new product applications. We therefore demonstrated the potential of solar systems other than residential roof-top systems, in order to expand the solar cell market.
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