色素増感型太陽電池の開発技術


色素増感型太陽電池の開発技術　プラスチック化，大面積化，耐久性・変換効率向上
編集：早瀬　修二（九州工業大学）・藤嶋　昭（(財)神奈川科学技術アカデミー）

【税込価格】52,500円《税別価格50,000円》
【体裁】 B5　229頁
【版元】技術教育出版社
【発行年月】 2003年06月
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色素増感太陽電池はセルの透過性、色の多様性といった従来の太陽電池と異なる特徴を有し、その特徴を最も生かせるのがフレキシブルプラスチック基板を用いて作製したものである。この技術発展により、低コスト化、高強靭化、軽量化、大面積化など新しい応用用途・市場が見えてくる。

【執筆者詳細・内容等】

執筆者一覧（執筆順）
早瀬　修二（九州工業大学大学院生命体工学研究科）
箕浦　秀樹（岐阜大学大学院工学研究科）
吉田　　司（岐阜大学大学院工学研究科）
宮坂　　力（桐蔭横浜大学大学院工学研究科）
今井　宏明（慶應義塾大学理工学部）
藤嶋　　昭（(財)神奈川科学技術アカデミー理事長）
田口　武人（(財)神奈川科学技術アカデミー光科学重点研究室）
徳弘　憲一（東京大学大学院工学系研究科）
スタント・イルワン（東京大学大学院工学系研究科）
張　昕丹彡（東京大学大学院工学系研究科）
角野　裕康（(株)東芝・研究開発センター）
御子柴　智（(株)東芝・研究開発センター）
村井　伸次（(株)東芝・研究開発センター）
錦谷　禎範（新日本石油(株)中央技術研究所）
昆野　昭則（静岡大学工学部）
G.R.　アソカ　クマラ（静岡大学工学部）
奥谷　昌之（静岡大学工学部）
金子　正治（静岡大学工学部）
渡邉　正義（横浜国立大学大学院工学研究院）
川野　竜司（横浜国立大学大学院工学研究院）
金子　正夫（茨城大学理学部）
韓　　礼元（シャープ(株)エコロジー技術開発センター）
James R. Durrant（Imperial College of Science Technology and Medicine , UK）
Emillio J. Palomares（Imperial College of Science Technology and Medicine , UK）
吉川　　暹（京都大学エネルギー理工学研究所）
K. Tennakone（Institute of Fundamental Studies , Sri Lanka）
伊藤　省吾（大阪大学(現EPFL)）
柳田　祥三（大阪大学大学院工学研究科）
P. M. Sommeling（ECN Solar Energy , Netherlands）
M. Spath（ECN Solar Energy , Netherlands）
J. A. M. van Roosmalen（ECN Solar Energy , Netherlands）
H. J. P. Smit（ECN Solar Energy , Netherlands）
N. P. G. van der Burg（ECN Solar Energy , Netherlands）
D. R. Mahieu（ECN Solar Energy , Netherlands）
N. J. Bakker（ECN Solar Energy , Netherlands）
J. M. Kroon（ECN Solar Energy , Netherlands）
荒川　裕則（(独)産業技術総合研究所光反応制御研究センター）
原　浩二郎（(独)産業技術総合研究所光反応制御研究センター）

はじめに

色素増感太陽電池はシリコン系太陽電池と全く異なったセル構造をしており，環境負荷が少ない次世代太陽電池の切り札として注目を集めている。色素増感太陽電池は背景が透けて見える，セルの色を変えることができるという従来のシリコン系太陽電池にはない特徴がある。これらの特徴が最も生かせるのはフレキシブルプラスチック基板を使った色素増感太陽電池である。プラスチック化すれば低コスト化，高強靭化，軽量化が可能となりファッショナブルな太陽電池を携帯するという用途が見えてくる。また大面積化すれば，壁や窓に貼ったりすることができるようになり，新しい応用用途，市場が見えてくる。基板をプラスチック化するためには，低温でナノポーラスなチタニア層を透明基板上に形成する技術が必須である。また，窓，壁などに貼り付けるためには色素増感太陽電池を大面積化するプロセス技術やセル化技術が必要である。大面積のプラスチック基板の中では電解液の流動性を止めるためには電解液の固体化や擬固体化，不揮発化が要求される。さらに，プラスチック基板色素増感太陽電池といえども高効率化が必須である。ここではプラスチック型太陽電池作製に必要な技術課題に挑む最新技術を紹介する。具体的には低温チタニア膜作製技術，電解液の固体化技術，電解液の不揮発化技術，高効率化のための色素開発，界面制御技術及び新酸化薄膜作製技術，高導電性透明導電膜，カラフル色素増感太陽電池の作製方法を網羅する。本書から，最近のプラスチック色素増感太陽電池に関する最新研究開発動向を把握し，新市場の開拓，新技術の開拓，新技術の開発のための一助となれば幸いである。

2003年5月
九州工業大学　早瀬　修二

【目次】

はじめに

第1章　プラスチック基板色素増感太陽電池の研究開発動向　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　プラスチック基板型色素増感太陽電池製造プロセスがガラス基板太陽電池と異なる点　　　　　　
3.　チタニア膜の低温作製プロセス　　　　　　
3-1　チタニアペースト塗布後150℃で単に過熱するプロセス　　　　　　
3-2　圧力による方法　　　　　　
3-3　水熱合成による方法　　　　　　
3-4　電気泳動による方法　　　　　　
4.　チタニア基板作製以外のプロセス，材料　　　　　　
4-1　耐久性　　　　　　
4-2　電解液　　　　　　
4-3　プラスチック基板　　　　　　
5.　応用用途　　　　　　
6.　まとめ

第2章　水蒸気処理を利用したチタニア厚膜の低温作製と太陽電池特性　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　水熱反応を利用する酸化チタン厚膜の低温形成法の概略　　　　　　
3.　得られる酸化チタン厚膜の評価　　　　　　
4.　得られた酸化チタン厚膜電極を用いる色素増感太陽電池特性　　　　　　
5.　電池出力の光強度に対するリニアリティとさらなる性能向上の可能性　　　　　　
6.　おわりに

第3章　泳動電着法による色素増感プラスチックフィルム電極の作製と光電変換特性　　　　　　
1.　はじめに―プラスチック化技術の背景―　　　　　　
2.　プラスチックセル作製技術に必要な要素は何か　　　　　　
(1)曲げに耐える導電性プラスチックの開発　　　　　　
(2)半導体膜の密着性を確保する　　　　　　
(3)短絡を防止する　　　　　　
(4)電解液のイオン伝導度を高めて擬固体化する　　　　　　
(5)対極カソードを設計する　　　　　　
3.　泳動電着法によるプラスチックフィルムTiO2電極の作製　　　　　　
3-1　泳動電着膜の形成　　　　　　
3-2　電着膜の後処理工程　　　　　　
4.　プラスチック色素増感電極の光電変換特性　　　　　　
4-1　セルの構成　　　　　　
4-2　泳動電着法による非焼成型TiO2膜の光電変換特性　　　　　　
(1)ガラス電極上の泳動電着非焼成膜　　　　　　
(2)ITO-PETプラスチック電極上の泳動電着膜　　　　　　
5.　オールプラスチックセルの作製　　　　　　
5-1　対極の設計とオールプラスチック化　　　　　　
5-2　イオン性液体電解層を用いるオールプラスチックセルへ向けて　　　　　　
6.　技術の展望

第4章　低温焼成によるチタニア薄膜の作製と太陽電池特性　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　焼結の一般論　　　　　　
3.　低温焼成による電極作製例と太陽電池特性　　　　　　
3-1　研究例1　　　　　　
3-2　研究例2　　　　　　
3-3　研究例3　　　　　　
3-4　研究例のまとめ　　　　　　
4.　低温焼成の検討　　　　　　
4-1　加熱の効果　　　　　　
4-2　pHの効果　　　　　　
4-3　低温焼成のメカニズム　　　　　　
5.　低温焼成の改善の可能性　　　　　　
5-1　水溶液中におけるチタニア結晶の生成　　　　　　
5-2　結晶析出による低温焼成電極の改善

第5章　全固体色素増感太陽電池の研究開発　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　全固体型色素増感太陽電池の製法　　　　　　
3.　全固体型色素増感太陽電池の問題点　　　　　　
4.　酸化チタンバリアレイヤーによる微短絡防止　　　　　　
4-1　スピンコート法　　　　　　
4-2　スプレー噴射法　　　　　　
5.　溶融塩によるヨウ化銅の結晶サイズの制御　　　　　　
6.　絶縁体薄膜による再結合の防止　　　　　　
7.　ヨウ化銅を用いた全固体型色素増感太陽電池の寿命評価　　　　　　
8.　おわりに

第6章　化学ゲルを使った色素増感太陽電池　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　固体化へのアプローチ　　　　　　
3.　物理的なコンタクトをいかにとるか　　　　　　
4.　化学架橋ゲルを使ったプロセス　　　　　　
5.　ミクロ相分離の役割　　　　　　
6.　ゲル化剤の不思議　　　　　　
7.　おわりに

第7章　擬固体化ゲル電解質フィルムを使った色素増感太陽電池　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　擬固体化ゲル電解質とは　　　　　　
2-1　擬固体化ゲル電解質の種類と特徴　　　　　　
2-2　イオン伝導性ポリマーの種類と特徴　　　　　　
3.　高分子ゲル電解質のエレクトロクロミック調光ガラスへの応用　　　　　　
4.　高分子ゲル電解質を用いた色素増感太陽電池の開発動向　　　　　　
5.　PVDF系高分子ゲル電解質フィルムを用いた色素増感太陽電池の研究開発　　　　　　
5-1　PVDF系高分子ゲル電解フィルムの調整　　　　　　
5-2　PVDF系高分子ゲル電解フィルムの作製　　　　　　
6.　おわりに

第8章　CuIを使った固体型色素増感太陽電池　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　なぜ，CuIか？　　　　　　
3.　CuIをp-型半導体層とする全固体型色素増感太陽電池　　　　　　
3-1　TiO2電極の作製法と短絡防止層の効果　　　　　　
(1)TiO2電極作製法1　　　　　　
(2)TiO2電極作製法2　　　　　　
(3)TiO2電極作製法3　　　　　　
(4)TiO2電極作製法4　　　　　　
3-2　ヨウ化銅層の形成とチオシアン酸イミダゾリウム添加効果　　　　　　
4.　おわりに

第9章　イオン性液体の電気化学的性質と色素増感太陽電池への応用　　　　　　
1.　イオン性液体とイオンゲル　　　　　　
2.　イオン性液体中でのイオン輸送　　　　　　
3.　イオン性液体の色素増感太陽電池への適用　　　　　　
4.　イオン性液体中でのヨウ素レドックスカップルの平衡電位と電荷輸送機構

第10章　p-CuSCN／色素複合体薄膜の電気化学的作製と色素増感光カソードへの応用

第11章　水系における半導体増感と高分子含水擬固体の応用　　　　　　
1.　緒言　　　　　　
2.　水溶液系における半導体の増感　　　　　　
3.　高分子擬固体の電気／光化学的特性と応用　　　　　　
3-1　含水擬固体中の電気化学と分子拡散　　　　　　
3-2　含水擬固体中の光化学　　　　　　
3-3　酸化チタン多孔質薄膜増感への含水擬固体の応用　　　　　　
4.　結言

第12章　高分子電解質を用いる擬固体化色素増感太陽電池　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　高分子電解質を用いるセル　　　　　　
2-1　ポリマー材料　　　　　　
2-2　高分子電解質セルの作製方法　　　　　　
2-3　イオン伝導度のポリマー濃度・温度の依存性　　　　　　
2-4　セル特性におけるポリマー濃度の影響　　　　　　
2-5　電解質組成の検討　　　　　　
3.　おわりに

第13章　Conformally depisited metal oxide blocking layers for dye sensitized nanocrystalline solar cells.　　　　　　
1.　Introduction　　　　　　
2.　Film Deposition　　　　　　
3.　Influence on Interfacial Electron Transfer Processes.　　　　　　
4.　Dye Sensitized Solar Cells.

第14章　セラミックナノチューブ・ナノワイヤーを用いた色素増感太陽電池　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　ナノ材料開発の進展　　　　　　
3.　チタニアナノチューブの調製と特性　　　　　　
3-1　チタニアナノチューブの調製法　　　　　　
3-2　電子顕微鏡写真による構造解析　　　　　　
3-3　チタニアナノチューブの窒素吸着特性　　　　　　
3-4　チタニアナノチューブの光触媒活性　　　　　　
4.　チタニアナノチューブの色素増感太陽電池への応用　　　　　　
4-1　セルの概要　　　　　　
4-2　セルの特性　　　　　　
4-3　高効率化への試み　　　　　　
4-4　他の4価金属酸化物ナノチューブ・ナノワイヤーの利用　　　　　　
5.　おわりに

第15章　Composite semiconductor oxides nanocrystalline films for dye-sensitized solar cells　　　　　　
1.　Introduction　　　　　　
2.　Preparation and Characterization of Composite Films　　　　　　
3.　Dye-sensitized PECs made from [SnO2]MgO　　　　　　
4.　Dye-sensitization of [SnO2]ZnO Films　　　　　　
5.　Dye-sensitization of Sb-SnO2 and [Sb-SnO2]MgO Films　　　　　　
6.　Dye-sensitization of [SnO2]ZnO/ZnO Films　　　　　　
7.　Composite Oxide Semiconductor Films for Dye-Sensitized Solid-State Solar Cells　　　　　　
8.　Conclusion　　　　　　
9.　Acknowledgement

第16章　TiO2/Ag/TiO2透明電極の色素増感太陽電池への適用　　　　　　
1.　金属を高屈折率材料でサンドイッチしてできる透明導電性膜　　　　　　
2.　TiO2/Ag/TiO2透明導電性膜：TAT　　　　　　
3.　TAT上に作る低温焼結多孔質TiO2電極　　　　　　
4.　TAT／多孔質TiO2電極を使用した色素増感型太陽電池　　　　　　
5.　おわりに

第17章　電析法による酸化亜鉛／色素ハイブリッド薄膜の作製とカラフル太陽電池の試作　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　酸化亜鉛／色素複合膜の作製と評価　　　　　　
3.　カラフル太陽電池の試作　　　　　　
4.　光電気化学特性評価　　　　　　
5.　おわりに

第18章　Manufacturing of Dye Sensitized Solar Cells in Larger Scale　　　　　　
1.　Introduction　　　　　　
2.　Device construction and baseline description　　　　　　
2-1　Device construction　　　　　　
2-2　Description of baseline process and equipment　　　　　　
(1)Preparation of the glass　　　　　　
(2)Screen printing　　　　　　
(3)Drying step and firing　　　　　　
(4)Sealing and foil attachment　　　　　　
(5)Coloration　　　　　　
(6)Lamination of photo- and counter electrode　　　　　　
(7)Rear side filling and hole closure　　　　　　
(8)Wiring and framing　　　　　　
3.　Experimental section　　　　　　
3-1　Materials　　　　　　
3-2　IV Characterization　　　　　　
4.　Results and discussion　　　　　　
5.　Concluding remarks　　　　　　
6.　Acknowledgement

第19章　クマリン系色素を用いた高性能太陽電池の開発　　　　　　
1.　はじめに　　　　　　
2.　新規クマリン色素の基礎物性　　　　　　
3.　クマリン色素増感太陽電池の光電変換特性　　　　　　
4.　電子移動メカニズム　　　　　　
5.　クマリン色素およびセル特性の安定性　　　　　　
6.　NKX-2311の問題点と改良型のチオフェン環導入クマリン色素　　　　　　
7.　おわりに

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