次世代太陽電池における計測機器 · 色素増感太陽電池の現状...
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2010年11月24日第9回先端計測分析技術・機器開発小委員会
次世代太陽電池における計測機器
韓 礼元
（独）物質・材料研究機構
次世代太陽電池センター
1
太陽電池の分類
結晶系
単結晶
多結晶シリコン
薄膜系（ｱﾓﾙﾌｧｽ ﾏｲｸﾛｸﾘｽﾀﾙ等）
多結晶
太陽電池
単結晶( GaAs系)
（ｱﾓﾙﾌｧｽ、ﾏｲｸﾛｸﾘｽﾀﾙ等）
化合物
多結晶多結晶(CdS,CdTe,CulnGaSe2 など)
色素増感型
新材料 有機薄膜
色素増感型
量子ドット
2(独）物質・材料研究機構
次世代有機系太陽電池
色素増感太陽電池（DSC） 有機薄膜太陽電池（OPV） 量子ドット太陽電池
概略図
色素 対向電極透明電極 TiO2 電解液共役ﾎﾟﾘﾏｰ ﾌﾗｰﾚﾝ
ホール
光I3‐
I‐
ガラス
AIITO
ホール輸送材料
量子ﾄﾞｯﾄ
TiO2
e‐h+
e‐
h+
共通点 発電層に大きな界面が存在する
AIITO対極透明電極
特長 低コスト（高温・真空プロセスが不要） 超高効率
セル
効率11.2 % 8% ー
ﾓｼﾞｭｰﾙ
効率8-9% <2% ー
•試行錯誤的な物質探索や、input、outputの評価が主流•メカニズムが完全に解明されていない
時間制限のため、色素増感太陽電池を中心に説明していく3
(独）物質・材料研究機構
色素増感太陽電池
対極電解液(I-/I3-）
透明電極
TiO2 電極色素
光
I3-
I-
外部回路
電子
1 安 価メリット 1.安 価
2 カラ 化
メリット
2. カラー化
4(独）物質・材料研究機構
色素増感太陽電池の特徴-1
Device Concept: “Artificial Photosynthesis”
LHS
DyeTiO2
Fermi Level導電帯-4.0
TCO CE
S*e-
Electrolyte
LHSFermi Level
Vmax-4.5e-
LHS
RC
-5.5
-5.0
S
Red Oxe-
LHSS e-
The principles of DSCs are different from those that conventional solar cells and are more similar to the plant photosynthesis, as light absorption (dye) and carrier transportations in both TiO2 and electrolyte in DSCs occur separately.p 2 y p y
5(独）物質・材料研究機構
色素増感太陽電池の特徴-2
• Photocurrent is enhanced ( > 1000 times ) when sensitization of nanocrystalline vs single crystal TiO2y g y 2
Single crystal Nanocrystalline
SEM図
この広い表面積を有する界面はメカニズム研究に困難をもたらすこの広い表面積を有する界面はメカニズム研究に困難をもたらす
6(独）物質・材料研究機構
等価回路
CETCO TiO2 Electrolyte
Ｄｙｅ‐ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ Ｓｏｌａｒ ＣｅｌｌｓＳｉ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ
hν
I3-
ARC
n-Si
Electrode
I-n Si
p-Si
Electrode ＩThe experience & knowledge of Si solar cells are useful to DSCs
In the DC conditionRs I Rs = RTCO + RCE + RELE I
RTCO
CCECELE
VIsc Rsh
RTCO
Rsh
RELE RCEIsc
L. Han et el, Appl. Phys. Lett. 84, 2433(2004) 7(独）物質・材料研究機構
高効率アプローチ
FFVocJsc 20
m2)
J
1) JscDevelopment of dye
15
ty (m
A/cm Jsc
FFp y
Light trapping effect
2) Voc
5
10
ent D
ensi
t
Voc : 0.693 VJsc : 18.9 mA/cm2
2) VocSuppression of recombination
3) FF
0
5
Curr
e FF : 0.686 : 9.0 % Voc
3) FFReduction of series resistant
00 0.2 0.4 0.6 0.8
Voltage (V)
Typical I-V curve of the cell 8
高効率化－１
１．等価回路の提案
CETCO TiO2 Electrolyte
3)
2．シリーズ抵抗(Rs)の低減によるFFの向上
I3-
I- 22.5
3
(cm
2
tion
n
Increase surface
Decrease thickness of electrolyte I
Dye 11.5
2
ista
nce
optim
izat
timiz
atio
nroughness of CE
ylayer
y
IRTCOR
CCE
R
CELE Rs I
00.5
1
Res
i
Bef
ore
Aft
er o
p t
RTCORshRELE RCEIsc VIsc Rsh
0Total RsRTCO RCE RELE
FF 0 68 0 72L. Han et el, Appl. Phys. Lett. 84, 2433(2004) FF : 0.68 → 0.72
L. Han et al., Applied Physics Letters, 86, 213501 (2005)
9(独）物質・材料研究機構
, pp y , , ( )
高効率化－２
3 光閉じ込め効果によるJ の向上
jiji
ii
TT
TH
,)(
Incident light
T0
Incident light
T0
3. 光閉じ込め効果によるJscの向上
TiO2
Introduce Haze to estimate TiO2 filmTiO2
Y Chib l J J A l Ph 45 L638 (2006) TiTｊ TjTi
21.0
22.0
/cm
2 )
80
100
%)
22
21
Y. Chiba et al., Jpn. J. Appl. Phys. 45, L638 (2006)
19.0
20.0
21.0
dens
ity (
mA
/
40
60
80
erna
l QE
(%
Haze 76% @800nmHaze 60%
20
19(mA
/cm
2 )
17 0
18.0
19.0
Cur
rent
d
0
20Ext
e Haze 60%Haze 53%Haze 36%
19
18
17
J sc
17.020 40 60 80
Haze factor @ 800nm (%)
400 600 800 1000Wavelength (nm)
17
Haze of TiO2 @800nm (%)
10世界最高変換効率 11.２% を達成
(独）物質・材料研究機構
色素増感太陽電池の現状
・セル変換効率＞１1％ （小面積セル）
・モジュール変換効率＞8％
・長期信頼性：加速試験で10年相当
シリ ン系太陽電池における現状〜シリコン系太陽電池における現状〜
2. 高信頼性化（20年） 劣化メカニズムの解明
1. 更なる高効率化（15%）・メカニズムの解明
・高性能材料開発
11
・デバイス構造の改善
(独）物質・材料研究機構
Voc向上の課題
TiO 表面 の添加物吸着（パシベ シ ン）によ てV 向上TiO2表面への添加物吸着（パシベーション）によってVoc向上
ＴＢＰ濃度のセル特性への影響キャリア再結合の抑制
20
25TBP濃度： 低 トレードオフ解消で
15%キャリア再結合
I-I3
-発電に寄与しない⇒開放電圧を低下
10
15
Jsc
(m
A/cm
2)
高
添加物
TiO2
電子
結
I3-
ホール
電子
0
5
J
低 高
TiO2
電子
色素
I-
3
TBP濃度の増加と共に、は上昇するが は低 する
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Voltage (V)発電に寄与
添加物NC
CH3H3C
CH3Vocは上昇するが、Jscは低下する
高効率化にはこのトレ ドオッフを解消する必要
e.g. ターシャリーブチルピリジン (TBP)
高効率化にはこのトレードオッフを解消する必要
12(独）物質・材料研究機構
JscとVocのトレードオフ解決に向けたこれまでのアプローチ
VJ VocJscピリリジン系の添加物
未処理TBP
物
H. Kusama and H. Arakawa, Solar Energy Materials & Solar Cells 81 (2004) 87–99.
試行錯誤的な材料探索では 問題解決できず
未処理
試行錯誤的な材料探索では、問題解決できず
詳細 ズ 解 が詳細なメカニズムの解明が必要13
(独）物質・材料研究機構
固液界面
色素 対向電極透明電極 TiO 電解液色素 対向電極
光I3‐
透明電極 TiO2 電解液
ガラ
解明すべきの課題
I‐
ラス
１）TiO2色素界面における色素の吸着状態
キャリア再結合
I-I3
-発電に寄与しない⇒開放電圧を低下
２）色素吸着によるTiO2のエネルギー準位などの変化
３）添加物（TBP)の吸着サイト
添加物
TiO
電子
キャリア再結合
I -
ホール
電子
添 ) 吸着４）色素からTiO2への電子注入５）キャリア再結合速度
TiO2
電子
色素
I-
I3
発電に寄与
添加物NC
CH3H3C
CH3添加物
e.g. ターシャリーブチルピリジン (TBP)
CH3
14(独）物質・材料研究機構
Role of Nanoscale Interface Characterization
Simulation and
Origins of Functionality of Photovoltaic Cell MaterialsPlan /
P di tiTheory &
Computational Science
Modeling on Well-defined
Surface & Interface
Prediction
Do /Processing See / Processing
AnalysisSurface and Surface and InterfaceInterface
Solar CellsMaterials Research
Surface & Interface Characterization
Atomic-scale, Nano-scale, Micron-scaleChemical Analysis Morphology 3 D tomography Electronic StateChemical Analysis, Morphology, 3-D tomography, Electronic State, …
In-situ Measurements, Time-resolved Analysis, etc …
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