有機エレクトロニクス材料 色素増感太陽電池用ルテニウム色素

Dr. Hans Desilvestro and Dr. Yanek Hebting
Dyesol Ltd., 3 Dominion Place, Queanbeyan NSW 2620 AUSTRALIA

色素増感太陽電池

色素増感太陽電池（DSC： dye sensitized solar cell）は、効率の高さと製造コストの低さを兼ね備えることが期待される第3世代の太陽電池です。今日の色素太陽電池の光‐電気変換効率は最大11％ですが、材料の最適化と新規セル・モジュール構造による大幅な改善が今後見込まれます^1-3。さらに、色素増感太陽電池は半透明であるため、ほとんどどの角度・方向からも光を集めることが可能で、建物や小型装置の発電用窓としての利用が期待されます。図1に色素増感太陽電池の基本動作の模式図を示します。

図1 色素増感太陽電池の基本動作

色素増感太陽電池はシリコンベースの太陽電池のような標準的な固体光起電力装置（solid-state photovoltaic devices）よりも光合成プロセスに非常に近いものです。光合成と同様に、色素増感太陽電池での光変換効率は反応の相対速度、つまり反応速度論的な反応速度に依存します。チタニアの導電帯への電子注入は基底状態への電子緩和プロセス、もしくは色素の励起状態に関する化学副反応より早く、さらに、I^- による酸化された色素（Ru³⁺）の還元が、注入された電子とRu³⁺の間の直接再結合反応よりも非常に早いことが重要となります⁴。

ルテニウム色素

色素増感太陽電池において高い電力変換効率を得るための重要な要素の1つはもちろん色素です。ここ数年で、システム性能を向上させる新たな色素が開発されています。特に注目されているのは先駆的なルテニウム系N-3色素（703206）の両親媒性類似化合物、たとえばZ-907（703168）です。これら両親媒性色素は、N-3色素よりいくつかの優れた特徴を持っています。

RuL₂(NCS)₂ L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid, （N-3）

特長： 推奨溶媒、濃度： ethanol or acetonitrile/tert-butanol (1:1 vol:vol)、0.2-0.3mM 色素増感太陽電池で使われる中で基本的な色素です。酸化チタンのようなバンドギャップの大きな半導体酸化物を700nmの波長まで色素増感します。 Aldrich製品番号：703206

[RuL₂(NCS)₂]:2TBA L=2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarboxylic acid TBA = tetra-n-butylammonium （N-719）

特長： 推奨溶媒、濃度： ethanol or acetonitrile/tert-butanol (1:1 vol:vol)、0.2-0.3mM 改良したN-3色素で、セル電圧が向上します。もっとも一般的なハイパフォーマンスの色素です。 Aldrich製品番号：703214

RuLL'(NCS)₂ L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid L'=4,4'-dinonyl-2,2'-bipyridine （Z-907）

特長： 推奨溶媒、濃度： ethanol or acetonitrile/tert-butanol、0.2-0.3mM 両親媒性色素で、酸化チタンのようなバンドギャップの大きな半導体酸化物を750nmの波長まで色素増感します。 Aldrich製品番号：703168

*Products of Dyesol , exclusive supplier of Sun2 products under license from EPFL.

N-719とZ-907色素の紫外可視スペクトルで観測されるように、ルテニウム色素ではLCCT（ligand-centered charge transfer）遷移（π - π^*）のほかに金属－配位子間電荷移動（MLCT： metal-to-ligand charge transfer）遷移（4d - π^*）も見られます（図2）。低いエネルギーでの吸収帯がMLCT遷移（λ₁とλ₂）であり、LCCT遷移はエネルギー的により高い遷移（λ₃とλ₄）に相当します⁶。

図2 N-719（703214）とZ-907（703168）色素の紫外可視吸収スペクトル

セルの作製

図3にN-719色素で作製した有効面積0.88 cm²（8 mm x 11 mm）の半透明色素増感太陽電池テストセルを示します。オレンジ部分は色素吸収させた酸化チタンで、黄色い部分は電解質です。

図3 N-719色素で作製したテストセル（単位はmm）

J-V曲線

図4に3つの異なる入力エネルギー（sun level、1 sun = 100 mW · cm^-2）で測定した、標準的なテストセルの典型的なJ-Vプロットを示します。電圧をV、電流密度をJ（mA · cm^-2）、それぞれの最大値をV_maxとJ_maxとした場合、変換効率ηは「η（％） = V_max × J_max / （sun level）」と計算できます。

図4 N-719（703214）とZ-907（703168）色素を用いて作製した色素増感太陽電池のJV曲線

揮発性の低い電解液でN-719とZ-907色素の色素増感太陽電池を作製した場合、典型的な短絡電流密度と入力エネルギーが1サンでの変換効率は、それぞれ15.5 mA · cm^-2、 5.7% と13.7 mA · cm^-2、 4.8% です。特徴的なのは、低い入力エネルギーのときに変換効率が高くなることです。入力エネルギーが3分の1のときと10分の1のときで、N-719色素の場合は7.8%（5.2 mA · cm^-2）と7.6%（1.5 mA · cm^-2）、Z-907色素の場合は6.9%（4.8 mA · cm^-2）と6.9%（1.4 mA · cm^-2）になります。

弊社季刊誌「Material Matters Vol.4 No.4 代替エネルギー2」にて、色素増感太陽電池についての記事がございます。ご参考ください。アルドリッチでは、金属を含まない、色素太陽電池用有機色素も取り扱っております。あわせてご利用ください。

References

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