成果報告書詳細
管理番号20160000000087
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・高耐久性電解質材料の研究開発)」
公開日2016/5/20
報告書年度2010 - 2014
委託先名メルク株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 従来から最高効率の色素増感太陽電池(DSSC)にはヨウ素電解液が必ず用いられていたが、これを超える光電変換効率をもたらす材料としてコバルト錯体を酸化還元対に用いた電解液が近年スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)など欧州勢から報告された。また、コバルト錯体材料は全固体のペロブスカイト太陽電池の有機電解質層のドーパントとしても用いることができることもごく最近報告された。一方で、コバルトには安全性(発がん性)による規制対象および資源調達の懸念が最近指摘されている。そこで、これらの懸念事項が無い銅を代替として用いた電解液も新規開発した。
 まず、電解液構成成分の組成を入力することで電解液の物理化学的性質を速やかに予測する科学計算システムを導入し、イオン液体をベースとした各種ヨウ素電解液の摂氏85度の加速条件下での蒸気圧予測計算をした。その結果、水の添加で蒸気圧が上昇し、水の分圧にほぼ等しい値となると予測された。つまり、水の混入によって蒸気圧上昇が起こるとセルの封止が物理的に破壊されるリスクが上昇する、ということである。このことから、DSSCの耐久性を維持するためには、DSSC材料の水分量を出来るだけ低減することが重要であるという結果を得て、対策を行った。また、不純物低減材料を安定的に供給する前提として、電解液を分析したところ不純物を同定し、こちらも対策を立てることができた。
 次に、上記の計算システムを活用して、コバルト錯体塩および有機色素の溶解度および高濃度非水系溶媒中での電離度予測に用いた。コバルト錯体塩の溶解度は対イオンの種類によって変わり、最近開発した対イオンをもつ新規錯体塩では濃度を高くできるため、電解液に適していることが分かった。これらコバルト錯体塩の溶液濃度が電解液の濃度とほぼ等しい条件下で、錯体塩の電離度を計算したところ、イオン半径の増加に従い電離度が上昇してほぼ一定の値となった。次に電離度計算に用いた錯体塩を電解液に用いたDSSCの光電変換効率の実測値を比較すると、イオン半径の増加、すなわち電離度の上昇と変換効率の向上は良い相関を示した。ただし、対イオンの半径が大きくなりすぎると変換効率が低下したが、これは対イオンが大きくなることで拡散抵抗が大きくなり、それが律速過程となって効率低下に繋がったものと推測している。その知見を基にコバルト電解液と有機色素を用いたDSSCの各種条件を最適化したところ、産総研での標準測定で8.40%の効率を示した。
 さらに、新規開発した銅電解液と有機色素を用いたDSSCは、コバルト電解液を用いたものと同等の効率を達成した。銅電解液については近日中にサンプル出荷する予定である。
 コバルト錯体材料をはじめとする弊社開発の有機電解質材料を用いた全固体ペロブスカイト太陽電池の作製条件を検討した。ペロブスカイト層とそれに接した有機電解質層界面のEDX分析を行ったところ、絶縁層が形成され効率低下の原因となり得ることが分かった。これらの結果を参考に有機電解質層作製条件を最適化し、開放起電圧1.11 V、AM1.5照射下での変換効率16.7%(自社測定)を達成した。
 以上より今回の委託事業では、セル効率15%以上を達成するための開放起電圧1.0 V以上を達成するとともに、高信頼性モジュール向けの電解液を出荷するという最終目標を達成することができた。
英文要約Part I. Ionic Liquid-based Robust Electrolyte Development with Sharp corporation. The project focuses on the use of purely Ionic Liquid-based electrolyte that excludes any volatile component to establish a technology that enables a robust dye-sensitised solar cell (DSSC) over a broad range of operation and storage conditions. It is considered that a trace amount of water content affects the thermal stability of DSSC. We managed to measure accurately the water content in the electrolyte mixtures up to a level of below 10 ppm. We have been focusing on ionic liquid based electrolyte in order to pursue high durability and low module processing cost at the same time. On the other hand, combination of large number of possible cations and anions makes enormous number of possibilities, making it virtually impossible to screen. Therefore, we have set up a computational chemistry system that predicts properties of electrolyte from electronic structure of compounds taking into account electronic interaction between compounds with COSMO-RS method. Thus obtained big data were analysed with Design for Sixsigma methodologies for efficient optimization. We could identify key parameters and relevant evaluation condition to better understand how electrolyte component contribute to the diode characteristics of DSSC. Next, we analysed low frequency response by employing 3D microscopic observation so as to minimise technical error generated due to cell-to-cell variation and dimensional non-uniformity. As a result we could achieve nearly 100% efficiency retention in JIS B-1 test.
Part II. Alternative redox couples
In response to reports on the use of cobalt complex in DSSC electrolyte we also pursued redox alternative to iodide-based conventional materials. We prepared various cobalt and copper complexes and combine them with organic dye supplied by Soken Chemical and Chemicrea and confirmed over 8% efficiency and 0.9 volts open circuit voltage. We also discovered that the use of cyclodextrin in photoanode makes the device stabilised by preventing dye aggregation and suppressing leakage current as clarified by AC impedance measurements with using a transmission line model. Furthermore, we developed a method to scale up synthessise Cobalt complexes reproducibly because we found a quality reliability problem to solve.
Part III Cobalt dopant development for Perovskite Solar Cell
In order to further increase photovoltage and power conversion efficiency and device lifetime at the same time we have worked on both solid-state DSSC and Perovskite Solar Cell (PSC). It is known that dopants based on Cobalt complexes provide high and stable performance for hole selective contacts (HSC) used in both the technologies. By interface management between HSC and Perovskite layer and by applying a titania paste supplied from Osaka Gas, we could achieve an open circuit photovoltage of 1.11 V and a power conversion efficiency of as much as 16.7% under AM1.5 in-house measurement.
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