資料２　次世代太陽電池における計測機器

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

資料２

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 AI ITO 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} AI ITO 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

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 Dye TiO₂ Fermi Level 導電帯 -4.0 TCO CE S* e -Electrolyte LHS Fermi Level Vmax -4.5 e -LHS RC -5.5 -5.0 S Red _Ox e -LHS S _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 TiOp ₂₂ and electrolyte in DSCs occur separately.y p y

色素増感太陽電池の特徴-2

• Photocurrent is enhanced ( > 1000 times ) when sensitization of

nanocrystalline vs single crystal TiO

y

g

y

₂₂

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

CE TCO TiO2 Electrolyte

Ｄｙｅ‐ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ Ｓｉ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ hν I₃ -ARC n-Si Electrode I -n Si p-Si Electrode Ｉ

The experience & knowledge of Si solar cells are useful to DSCs

In the DC condition

R_s I _R s = RTCO + RCE + RELE I R_TCO C_CE C_ELE V I_{sc R} sh R_TCO R_sh R_ELE R_CE I_sc

高効率アプローチ

FF

Voc

Jsc









20 m 2)

J

1) Jsc

Development of dye 15 ty (mA /c m

_Jsc

FF

p y

Light trapping effect

2) Voc

5 10 ent Den si t Voc : 0.693 V Jsc : 18.9 mA/cm2

2) Voc

Suppression of recombination

3) FF

0 5 Cu rr e _{FF : 0.686}  : 9.0 %

_Voc

3) FF

Reduction of series resistant

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Voltage (V)

高効率化－１

１．等価回路の提案

CE

TCO TiO2 Electrolyte

3

)

2．シリーズ抵抗(Rs)の低減によるFFの向上 I₃ -I

-2

2.5

3

(

cm

2 tion _n Increase surface Decrease thickness of electrolyte I Dye

1

1.5

2

istance

optimiza t timizatio n roughness of CE y layer y

I

R

_TCO

R

C

_CE

R

C

_ELE

R

_s

I

0

0.5

1

Res

i

Befor e After op t

R

_TCO

R

_sh

R

_ELE

R

_CE

I

_sc

I

_sc

_R

V

sh

0

Total R_s R_TCO R_CE R_ELE

FF

0 68

0 72

L. 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



高効率化－２

3 光閉じ込め効果によるJ の向上





  j i j i i i T T T H , ) ( Incident light T0 Incident light T0 3. 光閉じ込め効果によるJ_scの向上 TiO₂

Introduce Haze to estimate TiO₂ film

TiO₂ Y Chib l J J A l Ph 45 L638 (2006) _{Tｊ Ti Tj} Ti 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 d en si ty (m A / 40 60 80 e rn al QE ( % Haze 76% @800nm Haze 60% 20 19 (mA/cm 2 ) 17 0 18.0 19.0 C ur rent d 0 20 Ex te Haze 60% Haze 53% Haze 36% 19 18 17 J sc 17.0 20 40 60 80 Haze factor @ 800nm (% ) 400 600 800 1000 Wavelength (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＞１

1％ （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

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

TiO

₂

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 25 TBP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 J sc ( 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 N C CH₃ H₃C CH₃ Voc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

V

J

Voc

Jsc

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

固液界面

色素 対向電極 透明電極 TiO 色素 電解液 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 N C CH₃ H₃C 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 Materials

Plan / P di ti Theory & Computational Science Modeling on Well-defined Surface & Interface

Prediction Do / Processing See / Processing Analysis Surface and Surface and Interface Interface Solar Cells Materials Research

Surface & Interface Characterization

Atomic-scale, Nano-scale, Micron-scale

ChemicalAnalysis Morphology 3 D tomography Electronic State ChemicalAnalysis, Morphology, 3-D tomography, Electronic State, …