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平成23年8月25日

独立行政法人物質・材料研究機構

独立行政法人科学技術振興機構

色素増感太陽電池で世界最高効率を5年ぶりに更新

1.独立行政法人物質・材料研究機構(理事長:潮田 資勝)(以下「NIMS」という)太陽光発電材料ユニット(ユニット長:韓 礼元)は、独立行政法人科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業(CREST)研究領域「太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出」(研究総括:山口 真史 豊田工業大学 大学院工学研究科 主担当教授)、研究課題「色素増感太陽電池におけるデバイス物性に関する研究」において色素増感太陽電池の世界最高効率を更新しました。

2.色素増感太陽電池の最高エネルギー変換効率注1)は2006年以降11.1%に留まっていましたが、今回、電池の短絡電流密度注2)開放電圧注3)をともに向上させることにより、変換効率11.4% まで向上することに成功しました。国際的な標準試験機関の公式データとして世界最高値です。

3.今回の色素増感太陽電池における世界最高変換効率の更新は、色素の増感作用を十分に発揮できる新規材料(増感促進剤)を開発したことに起因します。本増感促進剤を色素増感太陽電池に適用することにより電池の可視光領域における外部量子効率注4)が80%程度に向上し、大きな短絡電流密度を得ることができました。それと同時に、開放電圧も向上できました。従来と異なるこの増感促進剤を採用することにより、変換効率の記録更新が実現されました。

4. 今後は、増感促進剤がTiO2における色素吸着状態や電池内部の電荷移動機構に与える影響を調べ、原理の解明を行います。それに基づき、より効果的な増感促進剤を開発することで、より高い変換効率を目指します。

5.今回の研究成果は、2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会(8月29日)において発表される予定です。

<研究の背景>

地球規模での環境・エネルギー問題に加え、今年3月に起きた東日本大震災に伴う原発事故をきっかけに、クリーンかつ再生可能なエネルギーのひとつである太陽光発電が注目を集めています。シリコン太陽電池は既に商品化されていますが、従来型のエネルギー源(石油・石炭などを用いた火力発電)と比較して、製造工程において高温や高真空装置を必要とするため、その発電コストが高いという課題があります。太陽電池の飛躍的な普及拡大を実現していくためには、新材料を用いた低コスト次世代太陽電池の開発が必要不可欠です。

色素増感太陽電池は、導電性透明電極(TCO電極)、光を吸収する役割を担う色素が吸着した酸化チタン(TiO2)などの多孔質半導体層、ヨウ素系電解質、対極から構成されています(図1)。色素増感太陽電池は、TiO2、色素、ヨウ素系電解質など、資源的な制約が少ない廉価な材料を利用し、また、高温・高真空プロセスを必要とせず、スクリーン印刷で大量生産が可能であることから、発電コストを大幅に下げる可能性があります。

色素増感太陽電池がスイスローザンヌ工科大学(EPFL)で1991年に提案されて以降、色素開発や光閉じ込め効果が向上したことにより、公認効率は、1997年EPFLによる変換効率10.4%、2006年シャープによる11.1%と推移してきました(図2)。NIMSでは、3年前から色素増感太陽電池の研究をスタートし、太陽電池のセル構造や色素、多孔質半導体、電解質などの構成材料を変えながら、TiO2表面に吸着した色素の電子状態・配列状態などの原子・分子レベルの「表面科学」から、電流や電圧などの電気的挙動を含むダイオード特性、半導体物性などの「デバイス物理」に至るまでの動作原理を解明しています。さらに、その原理解明に基づいた材料開発による色素増感太陽電池の高効率化研究を行っています。

<今回の研究成果>

当ユニットにおいて、色素増感太陽電池において国際的な標準試験機関の公式データとして11.4%の世界最高効率を達成しました(図3)。色素増感太陽電池では5年ぶりの記録更新です。

当ユニットでは、TiO2表面上における色素の吸着状態をシミューレーションすることにより、より良く吸着できる状態にするための新たな増感促進剤を開発しました。その増感促進剤を用いることで400 nmから800 nmまでの可視光領域の外部量子収率を向上させることに成功し、短絡電流密度を向上させることができました。さらに、本増感促進剤によって開放電圧が向上することが分かりました。

新規増感促進剤を用いた太陽電池について疑似太陽光AM 1.5G(100 mW cm-2)の照射下で、短絡電流密度21.34 mA cm-2、開放電圧0.743 V、フィルファクター0.722を実測し、変換効率(η) 11.4%を確認しました。

<今後の展開と波及効果>

今回開発した増感促進剤による短絡電流密度と開放電圧が同時に向上することで、色素増感太陽電池の研究に新たな光が見出され、高効率化研究がより加速されると考えられます。また、増感促進剤がTiO2/色素/電解液の界面の構造や電荷移動に何らかの影響を与えることで、短絡電流密度と開放電圧が大幅に向上したと考えられます。今後、増感促進剤の役割をより明らかにし、この増感促進剤の改良を行うことによって、TiO2表面での色素吸着状態や界面電荷移動を制御していきます。そして変換効率15%の達成を目指します。さらにこれらの成果を民間企業との共同で実用化研究を積極的に推進することにより、火力発電並みのコスト(7円/kWh)を実現するとともに、太陽電池の普及に貢献します。

<参考図>

図1

図1 色素増感太陽電池の模式図

図2

図2 各種太陽電池の変換効率の推移

図3

図3 独立行政法人産業技術総合研究所(AIST)太陽光発電工学研究センター 評価・標準チームによって計測された色素増感太陽電池の電流−電圧特性

<用語解説>

注1) エネルギー変換効率
太陽電池のエネルギー変換効率は、入力となる太陽輻射光のエネルギーと、太陽電池の端子から出てくる電気出力エネルギーの比をパーセントで表したものです。
注2) 短絡電流密度
光照射時において、電池の端子が短絡した時の電流を短絡電流と呼ぶ。また短絡電流を有効受光面積で割ったものを短絡電流密度と呼ぶ。
注3) 開放電圧
光照射時において、電池の端子を開放した時の出力電圧を開放電圧と呼ぶ。
注4) 外部量子効率
入射光子数に対する流れた電流の電子数の割合と定義されています。

<本件に関するお問い合わせ先>

<研究内容に関すること>

独立行政法人物質・材料研究機構 太陽光発電材料ユニット
韓 礼元(ハン リュアン)
E-mail:
Tel:029-859-2305  Fax:029-859-2304

<JSTの事業に関すること>

独立行政法人科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
河村 昌哉(カワムラ マサヤ)
〒102-0075 東京都千代田区三番町5 三番町ビル
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Tel:03-3512-3531 Fax:03-3222-2066

<報道担当>

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