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成果報告書詳細
管理番号20170000000400
タイトル平成26年度ー平成28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2017/8/1
報告書年度2014 - 2016
委託先名国立大学法人東京大学先端科学技術研究センター、ビフレステック株式会社、株式会社リコー
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 H26年度とH27年度は、「太陽電池のエネルギー変換性能の向上」と「蓄電機能内蔵太陽電池(ES-SC)の特性向上」、「高性能二次電池・キャパシタの設計と応用」、「室内光高効率完全固体型色素増感太陽電池セル(DSSC)の開発」、「室内光高効率完全固体型色DSSCセルと2次電池による電源モジュールの開発」を実施した。H28年度は、「蓄ES-SCの高機能化」と「室内光高効率完全固体型DSSCセルと2次電池によるデバイス」の高性能化と、IoTに向けた低環境負荷電源としてのポテンシャルの検証に注力した。
1. 太陽電池のエネルギー変換性能の向上:近赤外吸収PbS量子ドットによる光電変換領域の拡張と光入射側電極の透過率向上により、EQE(@1.3μm)で1.48倍を達成した。
2. ES-SCの特性向上:発電機能の向上を目指し、金属錯体色素や電解質の検討を行った。また、蓄電性能を高めるために、金属酸化物を中心に材料探索を行った。更に、エネルギーハーベストデバイスの高機能化を目指し、発電層と蓄電層の最適なパターを設計した。これらにより、ES-SCをテーブルに組込んだエネルギーハーベストデバイスの作製に成功した。
3. 高性能二次電池・キャパシタの設計と応用(ビフレステック):LiCoOx系新規正極材料を用いた二次電池の開発を行い、従来のリチウムイオン二次電池の約1.7倍の容量密度(254 mAh/g (正極活物質当たり)を達成した。また、炭素対極を用いたラミネート型電極でも、リチウム金属対極を用いた電池に匹敵する222 mAh/gを達成した。
4. 完全固体型DSSCを用いたデバイスの開発(リコー)
4. 1 室内光高効率完全固体型DSSCセルの開発:室内照明(200Lux白色LED)における発電力をa-Si太陽電池より優れた完全固体型DSSCを開発した。その結果、有機機導電膜対極用いて作製した太陽電池(発電面積:0.18cm2)で、a-Si太陽電池同等以上の発電力(>6.5μW/cm2)を達成した。
4. 2 室内光高効率完全固体型DSSCと2次電池による電源モジュールの開発:完全固体型DSSCモジュール(25mm×53mm_8直列)により、ナノパワー昇降圧DC/DCコンバータを駆動し、二次電池の充電に成功した。
5. ES-SCの高機能化:小型エネルギーハーベストデバイスを可能とするため、発電層と蓄電層を高密度集積した一体型電極を開発し、2電極型ES-SCを構築した。蓄電機能向上には、チャネル構造を有する六方晶WOxが有望であることを明らかにした。4種類の色素とそれぞれに適した電解質を組合せて、4種類のDSSCを作製し、それらのメカニカルスタック接続で、2.9VのVocを達成した。一体型電極セルを3接合することで1.6Vを実現した。
6. 室内光高効率完全固体型DSSCセルと二次電池によるデバイスの開発(ビフレステック、リコー):DSSCで蓄電する無給電で検出とデータ通信が可能なIoTデバイスの開発を行った。振動センサで脈波波形の観測実験を行い、500lux下の10分充電で、1分間の連続計測が可能である事が分かった。
IoTに向けた低環境負荷電源としてのポテンシャルについては、DSSCと蓄電池を組合せたデバイスで検討すると共に、研究会等を実施し、ES-SCを組込んだデバイスが、市場拡大に有効であることを確認した。
英文要約 Development of off-grid energy harvesting devices towards a low-carbon society (FY2014-FY2017) Final Report
1. Improvement of solar power generation performance of solar cells (UTokyo). We focused on PbS QDs and the highly transparent conductive oxides, Ta-doped SnO2 deposited on anatase-TiO2 seed layers. PbS QD solar cells(SCs) fabricated by combining the near infrared PbS QD and Ta-doped SnO2 yielded an EQE of 30% (@1.3 ーm), which is 1.5 times higher than that of the PbS QD SCs constructed with FTO substrates.
2. Improvement of energy-storable solar cell performance (UTokyo). We studied metal complex dye molecules and electrolytes to construct high performance dye-sensitized solar cells (DSSCs), and also explore efficient charge storage metal oxides. We also designed various patterns of photovoltaic and charge storage layers to enhance the functionality of devices based energy-storable solar cells (ES-SCs). We succeeded in developing energy harvesting design tables by install ES-SCs.
3. Development of high performance secondary battery/capacitor (Bifrestec). We constructed secondary batteries using Co-added LiOx-based positive electrode materials, and a Li metal electrode, and achieved a capacity density of 254 mAh/g (per positive electrode active material) ca. 1.7 times higher than that of the conventional Li ion battery. We also developed laminate type cells with carbon counter electrodes, yielding a capacity up to 222 mAh/g.
4. Development of solid state DCCSs (Ricoh)
4.1 Development of high performance solid state DCCSs under indoor light conditions. Flexible solid state DSSCs were developed, which achieve a higher performance under indoor lighting conditions than a-Si solar cells. The DSSCs were constructed using conductive organic material-based counter electrodes. The solar cell yielded a capacity of 6.5ーW/cm2, which is higher than that of a-Si solar cells.
4.2 Development of power source modules including high performance solid state DSSCs and rechargeable batteries. Eight solid state DSSCs were connected in series to make a solar cell module (25 mm X 53 mm). The module was successful in driving a DC/DC buck-boost converter under 500 Lux white LED illumination.
5. Development of high performance energy storable solar cells (UTokyo). We developed ES-SCs with densely integrated power generation/charge-storage grid electrodes by photolithography. The highly-integrated two-electrode ES-SC produced a Voc of 0.55 V. WOx with a hexagonal crystal structure was found to give the highest charge/discharge performance. We developed the mechanically-stacked solar cells, which produced a Voc of 2.9 V.
6. Development of energy harvesting devices with solid state DSSCs (Bifrestec, and Ricoh). Wrist watch type devices were developed. It was found that 10 minute photo-charging makes 1 minute device operation possible.
We confirmed that energy harvesting devices installed with the ES-SCs were useful to expand the market size of the device for an IoT society.
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