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色素増感太陽電池材料

色素増感太陽電池用有機色素

はじめに

近年、高性能・低コスト製造の可能性がある次世代太陽電池の候補の一つとして色素増感型太陽電池(DSC:dye sensitized solar cell)が注目されており1-4、最近では、実験室レベルの小面積セルではありますが、11%を越える太陽エネルギー変換効率が報告されています(AM1.5G条件下)5-7。色素増感太陽電池では、光吸収材料である光増感剤の吸収波長領域により太陽電池の分光感度特性が決まることや、最初の光吸収ならびにそれに起因する電子移動素過程に寄与することから、光増感剤が太陽電池特性を決める最も重要な構成要素のうちの一つであるといえます。一般的には、N3やN719色素などのルテニウム錯体が色素増感太陽電池の光増感剤として用いられています4,5。一方で、金属を含まない有機色素も色素増感太陽電池の光増感剤として用いることが可能であり、最近では有機色素を用いた色素増感太陽電池の太陽電池特性が大幅に向上しています8-14,20。より高い太陽電池特性を得るためには、より複雑で戦略的な有機色素の分子設計が必須です19

<有機色素の主な特長>

  1. ルテニウム錯体に比べて資源的制約が少ない
  2. π-π*遷移による高いモル吸光係数を有する
  3. 構造が多様で、修飾や改良がしやすい

MK-2色素

MK-2728705)は、アルキル基により機能化した新規のカルバゾール系有機色素です15-17。電子供与性(ドナー)部位であるカルバゾール骨格と電子吸引性(アクセプター)部位であるシアノアクリル酸基をオリゴチオフェン骨格で結合し、π電子共役系を拡張した構造を有しています。このようなドナー・アクセプター構造により、可視光領域を中心に分子内のπ-π*遷移による強い吸収を示すようになります。例えば、トルエン/テトラヒドロフラン(THF)の混合溶液(80:20)中の紫外・可視吸収スペクトルでは、480 nmに吸収ピークを示し、モル吸光係数は38,400 M-1 cm-1でした16,17。また、酸化チタン電極上に吸着するためのアンカー基としてカルボキシル基を有し、さらには、オリゴチオフェン骨格に長鎖アルキル基であるヘキシル基を有するのがMK-2色素の大きな特徴です。このヘキシル基により、分子間のπ-πスタッキングによる会合体形成を抑制する効果があり、これにより、色素から酸化チタン電極への電子注入効率を向上させる狙いがあります。加えて、ヘキシル基によりI3-イオンを立体的にブロックすることにより、酸化チタン電極中の電子とI3-イオンとの再結合を抑制するねらいもあります。このような分子設計は、酸化チタン・有機色素分子・電解液のナノ界面構造を、色素の分子構造の観点から戦略的に制御することが太陽電池の高効率化には極めて重要であるといえます19

MK-2 (2-Cyano-3-[5’’’-(9-ethyl-9H-carbazol-3-yl)-
3’,3’’,3’’’,4-tetra-n-hexyl-[2,2’,5’,2’’,5’’,2’’’]-
quarterthiophen-5-yl]acrylic acid)

<Aldrich製品番号>
728705-100MG

<純度>
95 %

<溶解性>
Soluble in THF, toluene

MK-2色素を用いたDSCの光電変換特性

MK-2を吸着させた酸化チタンナノ結晶薄膜電極とヨウ素レドックス電解液を用いた有機色素増感太陽電池の分光感度特性(外部量子効率、またはIncident photon-to-current conversion efficiency(IPCE)の波長依存性)と、MK-2を用いた太陽電池の光電流電圧曲線を図2に示しました。酸化チタン電極や電解液などの最適化をおこなった結果16,17、MK-2を用いた太陽電池で8.3%(Jsc = 15.2 mA cm-2、Voc = 0.73 V、FF = 0.75、AM1.5Gの100 mW cm-2、アパーチャーマスクあり、反射防止膜なし)の高い太陽エネルギー変換効率が得られています(電解液は、0.6 M 1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide - 0.1 M LiI(450952)- 0.2 M I2451045) - 0.5 M 4-tert-butylpyridine(142379)のアセトニトリル溶液)。

MK-2のIPCE スペクトルと光電流電圧曲線

MK-2を用いた有機色素増感太陽電池のIPCEスペクトル()、光電流電圧曲線(、AM 1.5G、100 mW cm-2条件下)

なお、揮発性のアセトニトリル電解液の代わりに、難揮発性のイオン液体をベースとする電解液を用いた場合でも、7.6%(Jsc = 13.9 mA cm-2、Voc = 0.73 V、FF = 0.75)の高い太陽電池特性が得られています18。また、連続光照射2,000時間以上においても、変換効率の低下は見られず、良好な耐久特性を示しました19

季刊誌Material Matters Vol.4, No.4 「代替エネルギー2」に、産業技術総合研究所の原浩二郎先生と甲村長利先生によるMK色素のレビュー「高性能・高耐久性を目指した有機色素増感太陽電池」が記載されています。あわせてご覧ください。

その他の色素増感太陽電池用有機色素

D102色素, 95% 21-23 D205色素, 97% 11, 21 D358色素, 95% 24 D131色素, 97% 25
745944-200MG 745618-100MG 746606-100MG 797391-200MG
色素増感太陽電池材料の詳細については左記のページもご参考ください。
     

References

  1. O'Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737.
  2. Smestad, G.; Bignozzi, C.; Argazzi, R. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1994, 32, 259.
  3. Kay, A.; Grätzel, M. Sol. Energy. Mater. Sol. Cells 1996, 44, 99.
  4. Hagfeldt, A.; Grätzel, M. Acc. Chem. Res. 2000, 33, 269.
  5. Nazeeruddin, M. K.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; Takeru B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835.
  6. Chiba, Y.; Islam, A.; Watanabe, Y.; Komiya, R.; Koide, N.; Han, L. Jpn. J. Appl. Phys. 2006, 45, L638.
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  8. Horiuchi, T.; Miura, H.; Sumioka, K.; Uchida, S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12218.
  9. Hara, K.; Wang, Z.-S.; Sato, T.; Furube, A.; Katoh, R.; Sugihara, H.; Dan-oh, Y.; Kasada, C.; Shinpo A. Suga, S.; J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15476.
  10. Qin, P.; Yang, X.; Chen, R.; Sun, L.; Marinado, T.; Edvinsson, T.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 1853.
  11. Ito, S.; Miura, H.; Uchida, S.; Takata, M.; Sumioka, K.; Liska, P.; Comte, P.; Péchy, P.; Grätzel, M. Chem. Commun. 2008, 5194.
  12. Wang, Z.-S.; Cui, Y.; Dan-Oh, Y.; Kasada, C.; Shinpo, A.; Hara, K. J. Phys. Chem. C. 2007, 111, 7224.
  13. Choi, H.; Baik, C.; Kang, S. O.; Ko, J.; Kang, M.-S.; Nazeeruddin, Md. K.; Grätzel, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 327.
  14. Zhang, G.; Bala, H.; Cheng, Y.; Shi, D.; Lv, X.; Yu, Q.; Wang, P. Chem. Commun. 2009, 2198.
  15. Koumura, N.; Wang, Z-S.; Mori, S.; Miyashita, M.; Suzuki, E.; Hara, K. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14256 (Addition and correction, 2008, 130, 4202).
  16. Wang, Z-S.; Koumura, N.; Cui, Y.; Takahashi, M.; Sekiguchi, H.; Mori, A.; Kubo, T.; Furube, A.; Hara, K. Chem. Mater. 2008, 20, 3993.
  17. Koumura, N.; Wang, Z-S.; Miyashita, M.; Sekiguchi, H.; Cui, Y.; Mori, A.; Mori, S.; Hara, K. J. Mater. Chem. 2009, 19, 4829.
  18. Miyashita, M.; Sunahara, K.; Nishikawa, T.; Uemura, Y.; Koumura, N.; Hara, K.; Mori, A.; Abe, T.; Suzuki, E.; Mori, S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 17874.
  19. Hara, K.; Koumura, N. Material Matters 2009, 4(4), 8.
  20. Ito, S.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Liska, P.; Charvet R.; Comte, P.; Nazeeruddin, M. K.; Péchy, P.; Takata, M.; Miura, H.; Uchida, S.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2006, 18, 1202.
  21. Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Adv. Funct. Mater, 2009, 19, 1.
  22. Schmidt-Mende, L.; Bach, U.; Humphry-Baker, R.; Horiuchi, T.; Miura, H.; Ito, S.; Uchida, S.; Grätzel, M. Adv. Mater., 2005, 17, 813.
  23. Melhem, H.; Simon, P.; Beouch, L.; Goubard, F.; Boucharef, M.; Di Bin, C.; Leconte, Y.; Ratier, B.; Herlin-Boime, N.; Bouclé, J. Adv. Energy Mater., 2011, 1, 908.
  24. Premaratnea, K.; Kumaraa, G.R.A.; Rajapakseb, R.M.G.; Karunarathnea, M.L. J. Photochem. Photobiol., A 2012, 229, 29.
  25. Yum J.-H., Baranoff E., Wenger S., Nazeeruddin M. K., Grätzel M. Energy Environ. Sci., 2011,4, 842.
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