成果報告書詳細
管理番号20160000000675
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 低炭素社会構築に向けたオフグリッドエネルギーハーベストデバイスの開発
公開日2016/9/21
報告書年度2014 - 2015
委託先名有機系太陽電池技術研究組合 公益財団法人神奈川科学技術アカデミー 国立大学法人東京大学大学院工学系研究科
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約低炭素社会構築に向けたオフグリッドエネルギーハーベストデバイスの開発では、2030年に向けたオフグリッドユビキタスエネルギー供給デバイスの創成をめざし、既存の2倍の発電性能をもつ太陽電池、既存の7倍の蓄電容量の新型二次電池・キャパシタなどを組み合わせた次世代高性能エネルギー供給デバイスの開発を目指し、4つの研究項目(A:有機系太陽電池の高機能化、B: 高性能二次電池・キャパシタの開発、C:完全固体型色素増感太陽電池を用いたデバイスの開発、D国家プロジェクト化の検討)について研究を進めてきたが、その内で、神奈川科学技術アカデミーは、研究項目Aのサブテーマ「近赤外光を有効利用するセルの開発」を実施し、有機系太陽電池技術研究組合では、「高性能太陽電池の大型セル作製」と「蓄電機能内蔵太陽電池の高機能化」を実施した。さらに、東京大学大学院工学系研究科は、研究項目Bのサブテーマ「理論エネルギー密度が既存の7倍に達する新型次電池・キャパシタの実用化開発」を実施した。
近赤外光を有効利用するセルの開発では、近赤外領域での高透過性と低抵抗率を両立させるために、Ta:SnO2に着目し、高性能化を行った。本系において、アナターゼ型TiO2シード層上に、Ta:SnO2をPLD法により擬エピタキシャル成長させることで高移動度化をめざした。SnO2中のTa置換量や成膜条件を最適化することで、10-20Ω程度のシート抵抗を有する太陽電池応用に適した低い値が得られた。一方、波長1500nmにおいて85%の高透明性を達成した。
高性能太陽電池の大型セル作製では、大型化セルに適した酸化チタンナノ粒子およびスクリーン印刷法に用いるペーストの研究を行った。従来の酸化チタンペーストは、水熱合成法により、簡便に高性能な酸化チタンペーストを調製する技術(粉体分散法)の研究に取り組んだ。酸化チタンの合成条件や粉砕や分散条件などを整えることで、スクリーン印刷法に適した酸化チタンペーストを調製することができた。この酸化チタンペーストで作製した色素増感太陽電池で、最高レベルの約11%を実現できた。
蓄電機能内蔵太陽電池の高機能化では、発電層と蓄電層を同一基板に形成することで、構成部材の削減と小型化が可能な2極式蓄電機能内蔵太陽電池に着目し、発電層と蓄電層の高密度集積化を行った。従来のスクリーン印刷法よりも高密度化が可能なフォトリソグラフィー技術を活用した。鋳型レジスト材料の選定や、酸化タングステンや酸化チタンペーストの調製、鋳型レジストへの充填方法や条件を検討することで、数十ミクロンメートルサイズの発電層と蓄電層を同一基板上に形成することができた。
理論エネルギー密度が既存の7倍に達する新型次電池・キャパシタの実用化開発では、酸化物と過酸化物との間のレドックスを利用した新しい二次電池の開発のために2つのテーマに取り組んだ。(i)正極材料の開発においては、現状リチウムイオン電池のコバルト酸リチウム正極(130ー150 mAh/g)の2倍を目標として、270 mAh/gを達成した。安価で毒性も低い鉄をドープした場合においても,250 mAh/gという高容量での充放電が可能な電極を開発した。(ii)充放電反応メカニズム解明に向けた反応経路の把握を目標とし、電極中の過酸化物定量,ドーパント金属の状態分析,また電池セル内の圧力分析によって過充電時に発生する酸素の定量を行い通電電気量との関係を詳細に検討し、様々な充電状態での反応経路を明らかにした。
英文要約Title : Advanced Research Program for Energy and Environmental Technologies / De-velopment of Off-grid energy harvesting devices towards a low-carbon society (FY2015-FY2016) Final Report

Four research topics were performed as parts of a project of “Development of Off-grid energy harvesting devices towards a low-carbon society”.
1. Development of solar cells efficiently utilizing near infrared light.
The present study aims to synthesize a high mobility and near IR transparent conductive oxides. A Ta-doped Tin oxide has been selected. The Ta-doped Tin oxide films were deposited on anatase-TiO2 seed layers by pulsed laser deposition technique under various deposition conditions. The conductive films deposited under an optimal condition yielded a sheet resistance of 10-20 ohm/sq, and a higher transparency in the near IR regions, i.e., transmittance of 85% at 1500nm.
2. Development of large-area solar cells with high efficiency.
In this research topic, we developed TiO2 nanoparticles and TiO2 pastes suitable for screen printing to construct high efficiency large-area dye-sensitized solar cells (DSSCs). Although colloidal TiO2 nanoparticles are conventionally synthesized by a hydrothermal method, preparation processes are tedious and lengthy. We then developed a simple and cost-effective TiO2 synthesis method, which yields high performance TiO2 pastes. DSSCs fabricated with the TiO2 paste successfully yielded a power conversion efficiency of approximately 11%.
3. Development of high performance energy storable solar cells.
In this topic, we focused on two-electrode energy storable solar cells, wherein the photoanode and charge-storage electrode are integrated on one electrode substrate. We developed densely integrated electricity generation/charge-storage grid electrodes by photolithography, with the aim of achieving small but high performance energy storable solar cells. We explored new resist materials and optimized fabrication conditions, and were successful in constructing highly integrated electrodes composed of several tens of micrometer width electricity generation/charge-storage grids.
4. Feasible development of novel secondary batteries and capacitors with seven times higher theoretical energy density than the conventional cases.
In this research, new batteries that operate using a redox reaction between oxide and peroxide have been developed. The specific objectives of this research were set on the following two points: One was development of high specific capacity cathode materials, which are two times or higher than that of a conventional lithium ion battery.
We developed Co-doped lithium oxide with a doping level of 0.09 (CDL), yielding a high specific capacity of 270 mAh/g (130-150 mAh/g of widely used lithium cobalt oxide). We also clarified charge-discharge reaction mechanisms through investigation of change in chemical and coordination states of oxygen and metal atoms during charge and discharge.
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