10) 太陽電池電極と光触媒用酸化チタンの開発
釘島裕洋、一ノ瀬弘道
色素増感太陽電池の性能向上を目指し、光触媒用 TiO2 コーティング剤の技術を応用して、150℃以下での製膜が可能な材料と電極作製方法について検討した。本年度は、TiO2 ゾルを用いて FTO 透明電極と TiO2 多孔質電極間にバッファー層として TiO2 薄膜を形成した光電極を作製し、電池性能評価を行った。また、TiO2 多孔質電極膜内部における TiO2 粒子間の接合性向上のため、多孔質電極膜を TiO2 ゾルで修飾した電池セルを作製し、電池性能を評価した。

（I−）に戻る。これらのサイクルを繰り返すことで発電する。

1. はじめに太陽電池は発電時の環境負荷が無く、地球温暖化物

色素増感太陽電池の特徴として、室内光や蛍光灯など質である二酸化炭素も排出しないため、今後さらなる利用弱い光の下での発電性能が高いことが挙げられ、従来の拡大が予想される。太陽電池には、現在最も一般的なシ太陽電池では利用が困難であった環境下で利用できるとリコン系に加え、化合物半導体型、有機半導体型、色素考えられる。さらに、プラスチック基板を用いることで、軽増感型など様々なタイプが存在する。色素増感太陽電池

量かつフレキシブルな太陽電池を作製できる特徴を持つ。

は、1991 年にスイスの M. Grätzel 教授らによってグレッツ

一方、プラスチック基板を用いる場合、基板の耐熱温度

ェルセルと呼ばれる変換効率 7％の太陽電池セルが報告(150℃)以下で基板との密着性に優れた電極膜を作製し1)され 、世界的に脚光を浴びた。現在も実用化に向けてなければならない。さらに、高い性能を得るためには電極国内外で活発な研究開発がなされており 2-6)、次世代の太界面や電極膜内部における TiO2 粒子間の接合性を向上陽電池として期待されている。

させ、良好な電子伝導パスを形成することが重要となる。

色素増感太陽電池の発電メカニズムは、図 1 に示すよ

本研究は、光触媒用 TiO2 コーティング技術を利用し、うに①太陽光を吸収した色素の電子が励起され、②その150℃以下での成膜が可能な材料と電極作製方法を開発

電子が TiO2 の伝導帯に注入された後、③TiO2 電極中をすることを目的としている。本年度は、TiO2 電極作製時に拡散して外部回路へと運ばれる。④酸化された色素は、微細かつ高結晶性の TiO2 ゾルを利用することで、TiO2 粒−電解液中の電解質（I ）から電子を受け取り基底状態の色子間や電極界面における密着性等を改善し、電池性能向素に戻る。一方、⑤色素で酸化された電解質（I3−）は対極上の可能性について検討した。

まで拡散し、対極から電子を受け取り還元状態の電解質
2. 実験方法
2.1 TiO2 材料の調製
既報 7)に従い、PTA(Ti 濃度 0.12mol/dm3)を 180℃で 2.5
分間マイクロ波水熱処理して TiO2 ゾル(アナタース、粒子径 7～8nm)を調製した。
TiO2 粉末(アナタース、粒子径30nm)は、既報 8)に従い、市販の TiO2 粉末である P25（日本アエロジル社製）にアンモニア水と過酸化水素水を添加（NH4OH / Ti = 1 モル比）して粒子を部分的に溶解させた後、酸処理と遠心分離でTiO2 微粒子のみを分離、乾燥後、150℃で 1 時間加熱処
図 1 色素増感太陽電池セルの模式図.

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理して調製した。

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2.2 TiO2 電極膜の作製製)を用いて、疑似太陽光照射下(AM1.5G、100mW/cm2)

TiO2 ペーストは、PTA(Ti 濃度0.12 mol/dm3)と tert-ブチにおける電流密度(J)-電圧(V)曲線および出力密度(J)-電ルアルコールを混合したものに TiO2 粉末を重量比（バイ

圧曲線(V)を測定して評価した。各測定点におけるサンプンダー/TiO2 粉末）=4 となるように混合・撹拌して調製した。

リング遅延時間は 400ms、印加電圧の間隔は 10mV とした。

得られたペーストをスキージ法により FTO 膜付ガラス上測定した J-V 曲線からセルの短絡電流密度（JSC）、開放電に塗布し、130℃で 2 時間熱処理して TiO2 多孔質電極膜圧（VOC）、出力密度（P=V×J）、変換効率（η）およびフィ（面積：0.25cm2、膜厚約 10μm）を作製した。

ルファクター（FF）を算出した。

TiO2 バッファー層は、FTO 膜付ガラス基板上に TiO2 ゾ
ルを 0.25～0.50mg/cm2 となるように塗布・乾燥して作製し3 結果と考察た。また、TiO2 ゾルによる多孔質電極膜の修飾は、密閉3.1 TiO2 バッファー層が電池性能に与える影響

容器内でTiO2 ゾル中に電極膜を浸漬させ、真空ポンプで透明電極膜である FTO 表面を TiCl4 等によって被覆処脱気し 10 分間保持した後、100℃で乾燥させ、これらの作理することにより、電池特性が改善することが報告されて業を 1～3 回繰り返すことにより行った。

いる 9)。これは、TiO2 多孔質電極膜と FTO 透明電極膜界面にバッファー層と呼ばれる TiO2 透明薄膜を形成するこ2.3 太陽電池セルの作製
TiO2 への色素の吸着は、TiO2 電極膜を色素溶液に浸とにより界面における密着性を向上させるとともに、FTO透明電極膜から電解質溶液への電子の漏れを抑制する漬させ、40℃で 16 時間保持することにより行った。色素溶液（0.3 mmol/L）は、ルテニウム錯体色素である N719（ダイソル社製）をアセトニトリル/tert-ブタノールの混合液（体積比 1:1）に溶解させて調製した。図 2 に示す評価用セルは、色素を吸着させた TiO2 電極と白金(Pt)対極を向かい合わせに設置し、電極間に電解質溶液を注入して作製した。電極間のスペーサーには、厚さ70μm の高分子フィルムを用いた。また電解質溶液は、アセトニトリルに0.1 mol/L LiI、0.05 mol/L I2、0.6 mol/L 1,2-ジメチル-3プロピルイミダゾリウムヨウ素および 0.5 mol/L 4-tert-ブチルピリジンを溶解させたものを用いた。

2.4 太陽電池セルの性能評価
太陽電池セルの電池性能は、CEP-2000 (分光計器社

図 2 評価用セルの模式図.

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図3 TiO2 ゾルを用いてバッファー層を形成したセルのJ-V(a)曲線および P-V(b)曲線.

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表 1 TiO2 ゾルを用いてバッファー層を形成したセルの電池特性.

ことで、電池性能が向上するものと考えられている。そこ
で、塗布・乾燥によって容易に透明薄膜の作製が可能な
TiO2 ゾルを用いてバッファー層を作製したセルを用いて電池性能を評価した。
図3 にバッファー層作製に用いた TiO2 ゾルの塗布量を0.25、0.50mg/cm2 と変化させた場合の、各セルの J-V 曲線(a)および P-V 曲線(b)を示し、表 1 に電池性能をまとめた結果を示す。これからわかるように、バッファー層を導入したセルでは、TiO2 塗布量の増加とともに VOC、JSC が低下し、変換効率が低下する結果となった。これまでの研究
では 10)、TiO2 電極膜の熱処理を 450℃で行った場合は電池性能が向上する結果が得られており、今回の結果は、電極膜の熱処理温度が 130℃と低温であったため、界面での密着性が十分得られなかったことなどが影響していることが考えられる。
図4 TiO2 ゾルを用いて TiO2 多孔質電極を修飾したセルのJ-V(a)曲線および P-V(b)曲線.

3.2 TiO2 ゾルによる多孔質電極膜の修飾効果
プラスチック基板を用いる場合、基板の耐熱温度の関係から、TiO2 電極作製時に高温での熱処理を行うことが表2 TiO2 ゾルを用いて TiO2 多孔質電極を修飾したセルの電池特性.

できない。一方、電池性能向上のためには、TiO2 多孔質電極膜内部での粒子間の接合性向上が重要となる。そこ
で、TiO2 粒子間の接合性向上のため、TiO2 ゾルを用いて多孔質電極膜を修飾したセルを作製し、電池性能評価を行った。図4 に TiO2 ゾルによる修飾回数を 1～3 回まで変4. まとめ化させて作製した太陽電池セルの J-V（a）、P-V（b）曲線

本研究では、色素増感太陽電池の性能向上を目指し、を示し、表 2 に電池特性をまとめた結果を示す。これから低温成膜（150℃以下）が可能な TiO2 電極膜の作製方法わかるように、今回の検討では TiO2 ゾルによる明確な修について検討した。本年度は、TiO2 電極膜の作製時に飾効果は見られず、ほぼ同程度の電池特性を示す結果とTiO2 ゾルを用いることで、電極界面や TiO2 粒子間におけなった。その理由として、今回の修飾方法では、多孔質電る接合性を向上させ、電池性能の向上を試みた。しかし極の内部まで TiO2 ゾルが拡散できなかった等の理由がながら今回の結果からは、TiO2 ゾル利用による明確な修考えられ、電池性能向上のためには、修飾に用いる TiO2電池性能向上効果は見られなかった。今回の結果を踏まゾル濃度や修飾方法について検討する必要があると考ええ、今後は TiO2 材料や成膜条件などについてさらに検討られる。

を行い、電池性能の向上を目指す予定である。

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参考文献
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5) T. Funaki, M. Yanagida, N. Komatsuzaki, Y. Kawanishi,
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51-61 （2007）.
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49-64 （2009）.
9) 荒川 裕則, 表面技術, 59, 167-171 (2008) .
10) 佐賀県窯業技術センター平成 23 年度研究報告書,
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