有機色素増感型太陽電池の作成
4 年 A 組 西本 有里
4 年 B 組 稲石 大義
4 年 C 組 大森 一生
4 年 C 組 荻野 史菜
4 年 C 組 新元 美晴
4 年 C 組 藤田 奈緒
指導教員 武曾 朋子

１．要約
私たちは有機色素増感型太陽電池の小型化と軽量化を目標として実験を行った。有機色素増感型太陽電池は低コストで作成でき、また、作成時の条件の自由度が高く、多用途に使用可能だからだ。今回は、発電量を左右するであろう焼き付け時の温度や導電性ガラスにのせる酸化チタン(TiO2)ペーストの厚みといった条件とガラスに焼き付いたTiO2微結晶の状態との関係性を調べた。また、これらを電極として作成した電池の起電力を測定することで、TiO2微結晶の状態と起電力の関係性を調べた。これら二種類の対照実験を行ったので、以下に報告する。
キーワード 有機色素増感型太陽電池 色素 焼き付け温度 TiO2ペースト TiO2微結晶起電力PEG 太陽光 LED光２．研究の背景と目的ない。加えて、色が濃く目立ってしまうた

東日本大震災以降、安全性の問題で日本め設置場所を選ぶ。そこで私たちは小型での原子力発電所は停止され、多くの地域で軽量、さらに透明な電池を作成できれば現は電力供給量に余裕がない状態が続いてい在よりももっと多くの発電量が見込めるとる。そのための新しいエネルギーの確保が考えた。透明であれば、建物の屋根だけで急がれている昨今、私たちは解決策としてなく窓や壁にも設置ができるからである。

太陽電池に着目した。太陽電池は半永久的

これらの目的を達成できる太陽電池の１つに発電が可能であり、設備を整えれば地球に、今回私たちが研究した有機色素増感型上のほぼどの地域でも発電できる。また火太陽電池が挙げられる。有機色素増感型太力発電や原子力発電とは異なり、発電時に陽電池は、希少価値の高い物質を多く必要排出するものがないため環境にも優しい。とせず、低価格で作成でき、また基盤にプ一方で、現行の太陽電池では建物の耐震性ラスチックの使用が可能なため従来の半導などの条件を満たしていなければ設置が危体を用いたものに比べて軽量化・小型化が険であるとされるため、一部の建物や古くできるメリットを持つ。そのメリットを生からある木造の日本家屋などで設置ができかすと、現在は設置できない場所にも設置が可能になる。さらに基盤を半透明にした③ 電解質溶液中の三ヨウ化物イオン（I3－）

り、吸着させる色素を変えたりすることでが対極に達した電子を受け取り、ヨウ化電池自身の色を変えることも可能なので、物イオン（I－）に変わる。

デザイン性を求めた研究も実際に行なわれ④ 一方で、電子を失い酸化した有機色素はている。例えば、透明な太陽電池を作成す

電解質中の I－から電子を受け取って再れば、窓に張り付けて使用することも可能生される。になる。今回私たちは「どのような条件下①～④の反応が連続的に起こることによで有機色素増感型太陽電池の発電効率が良り、正極から負極への直流電流が生じる。

くなるのか」について研究を行った。焼きこのように、有機色素増感型太陽電池は光つけ後のTiO2微結晶が多孔質構造となり色エネルギーを電気エネルギーへ変換する電素が吸着する表面積が増える状態が最適で池である。

ある。今回、高分子素材の一種であるポリエチレングリコール2000(以下、PEG)をTiO2ペーストに混ぜることにした。

４.研究内容
私たちは、発電に最適な TiO2 微結晶の状態をまず知る必要がある。その理想とする
TiO2 微結晶の作成方法を確立した後、異な３.発電原理る色素の比較実験などに発展させるのが適当であると考えた。今回は、TiO2 ペーストを焼き付ける際の火力と、TiO2 ペーストを透明電極にコーティングする厚みを変化させることで、透明電極に形成された TiO2微結晶を比較すると同時に、発電実験を行
図1った。

図 1 のように、有機色素増感型太陽電池
は透明電極(TCO 電極)、可視光を吸収する役割を持つ有機色素、その有機色素が化学的に結合している TiO2 微結晶、ヨウ化物イオンを含む電解質溶液、黒鉛でコートした

実験Ⅰ～作成方法の違いによるTiO2 微結晶の状態の比較～(１)この実験の目的と概要

触媒機能を持つ対極から構成されている。

導電性ガラスにコーティングするTiO2ペ

この有機色素増感型太陽電池の発電原理

ーストの厚み、および焼き付けを行う際のは次のようになっている[1]。

火力を変化させて対照実験を行い、形成さ① 有機色素が可視光を吸収することで色れたTiO2微結晶の状態を調べた。TiO2ペー

素内部の電子が励起し、TiO2 コート電ストの厚みはメンディングテープの枚数を極へ注入される。

1枚、2枚、3枚の三段階、火力は強・弱の二② 透明電極へ達した電子は外部の回路を通って対極へと移動する。

段階で比較を行った。なお、焼き付け時の温度について測定を試みたが、確証のあるデータが取れなかった。なお現在の方法で分がエタノールとともに蒸発することは450～600℃の高温の状態で焼き付けるを確認した。

方法が主流だが、なるべく少ないエネルギ③①②と同手順でガラス棒とピンセットーで作成するという目標ももって実験を行を洗浄した。っているため、今回は100℃前後の比較的低導電性ガラスへの TiO2 ペーストの塗布温の状態で焼き付けをしている。

①(２)仮説

洗浄後の導電性ガラスの導電面を上にし、図２の斜線部にメンディングテー

高温で急激に加熱すると亀裂が多く発生プを貼った。このとき、ピンセットをする。また、TiO2 ペーストの厚みが薄いほ使用することで、指の皮脂が導電面にど均一に熱が加わり、焼き付けた後の TiO2付着しないようにした。

微結晶の厚みのムラや亀裂は少ない。

(３) TiO2 ペーストの焼き付け方法[材料]
TiO2 粉末(8g)・PEG(4g)・純水(16g)・台所用洗剤(42%の界面活性剤を含む)・エタ
ノール

図２②ってから導電性ガラスの端に TiO2 ペ[手順]実験前に、小分けにした PEG をホットバ
スで温め、融かしておいた。

ペーストの入った保管容器をよく振るーストをのせた。

③TiO2 ペーストの作成

洗浄したガラス棒を横にしてガラスの上を軽く滑らせて、気泡が入らないよ①20%PEG 水溶液 10g を作成した。

②TiO2 パウダー8g と 20%PEG 水溶液

TiO2 ペーストの焼き付け10g を 30 分間撹拌した。そのとき、ビ①③う TiO2 ペーストを均一に広げた。
TiO2 ペースト膜を塗布した導電性ガラーカーの口をサランラップで覆うことスを、火が直接当たらないようステンで液体の蒸発を防いだ。

レス板(厚さ:2mm)の上に置いた。ま液体状のペーストをスポイトで取り、た、加熱部分の熱が逃げないよう風防保管容器へ入れた。

を設置した。

導電性ガラスの洗浄②

ガスバーナーで 20 分間加熱した。

① 以下の三種の液体をビーカーに用意し③

高温のガラスを、約 15 分間かけてゆった。
a)台所用洗剤の５倍希釈水溶液b)純水②くり室温まで冷却した。

(４)比較実験について
図 3 に示すように、「TiO2 ペーストの塗c)エタノール布」の手順①においてメンディングテープ

導電性ガラスをピンセットで持ち、の枚数を変えることで TiO2 ペーストの厚a)→b)→c)の容器内で揺らすことで洗み変化させたものと、「焼き付け」の手順②浄した。このとき導電面に付着した水において火力を変化させたもので、6 個の焼き付けを実施し、出来上がった TiO2 微結晶の状態を観察した。

図３(５)結果
自然乾燥と焼き付けをするに従って、亀裂がすべての条件で発生した。その大きさと状態を光学顕微鏡で観察した。TiO2 微結

図５晶のスケッチを図４、亀裂の大きさを測定した結果を図 5 に示す。

これらの結果から、TiO2 ペーストの厚みが薄いほど亀裂が小さくなる傾向にあることがわかった。しかし、E はこの傾向に反し、亀裂は小さ目であった。また、温度と亀裂の大きさの関係は、厚みが最も薄い A、B を除いて低温のほうが小さくなっている。
高温のほうが亀裂の大きさにばらつきがみられた。

(６)考察
亀裂の発生原因については、焼き付け面に TiO2 ペーストの収縮したような跡があったことから、TiO2 が結晶化する際、ペースト中に含まれる水分や PEG が蒸発することでペーストが収縮し、亀裂が生じたのではないかと考えられる。TiO2 が結晶化するためだと考えられる。そのため、塗布したペーストが薄いほどペースト内で蒸発し図４た物質の総量は少なくなり、亀裂が小さくなった。また、ガラス棒を使用しペースト塗布する方法では、厚みを均一にするのが困難であった。そのため E では予期せずペーストの厚みが薄くなり、亀裂が小さ目になったと考えられる。

温度と亀裂の大きさの関係については、

まり、PEG は TiO2 微結晶の表面に孔を形

温度が高いほど水分が完全に蒸発すること成する役割をもち TiO2 微結晶は多孔質なで、ペーストがより収縮し、亀裂が大きく構造となった可能性が高い。

なったと考えられる。それに対し TiO2 ペーストの厚みが薄い A,B では低温でも十分に水分が蒸発し、高温・低温の温度差による蒸発量に変化がなく、亀裂の大きさの傾向

実験Ⅲ～太陽電池と発電実験～(１)この実験の目的と概要
実験Ⅰの６条件で作成した TiO2 コートが入れ替わったと考えられる。

電極をもとに太陽電池 A～E を作成し、発実験Ⅱ電実験を行った。作成したものが電池とし～PEG の性質について～(１)この実験の目的と概要て発電することを確認したのち、TiO2 微結晶の厚みや焼き付け時の温度、焼き付け時

本田健二氏らによる「酢酸を用いたペーに発生した TiO2 微結晶の亀裂により起電ストによる色素増感型太陽電池に関する研力にどのような違いが生じるか調べた。

究」によると常温では粘度の高い PEG には、

(２)仮説

[5]

熱すると蒸散する 。この性質を確認し、作成した電池に光を当てなければ起電力

TiO2 ペーストにおける PEG の役割を検討

は 0mV のままであり、光を当てると黒鉛塗するため、次の実験を行った。

布側が正極となって起電力が発生する。ま(２)仮説

た、最も亀裂が小さかった A,B で作成した

PEG は加熱すると熱分解し、空気中へ拡電池 A,B が、最も起電力が大きくなる。さ散していく。

らに、光が当たると TiO2 は導電体となるた(３) 実験方法

め、抵抗値は下がる。

蒸発皿に PEG を 0.5mL とり、ガスバー(３)電池の作成・発電実験

ナーで熱して変化をみた。

電池の作成

(４)結果

[材料]

20 分間加熱すると液体の PEG はなくな

マローブルー花弁(0.5g)・純水 20mL・ヨ

り、炭素とみられる濃い茶色の物体が残っウ化物イオンを含む電解質溶液(数滴)・鉛ていた。さらに加熱を続けると、その黒い筆(6B)固体も徐々に消えていった。

[手順]

(５)考察

色素の抽出

ある一定の温度で加熱し続けると PEG

マローブルーの花弁 0.5g に水 20mL を①は分解することが分かった。

加え、サランラップで落し蓋をし、10また、実験Ⅰの結果と照らし合わせると、分間放置した。

PEG を添加した TiO2 ペーストを熱したこ②とによって PEG は分解し、PEG があった

色素の吸着場所には孔が生じていると考えられる。つ

花びらを絞りながら取り出した。
色素の抽出で作成した色素抽出液をスポイトで取り、TiO2 コートのガラスの上へ３，った。

４滴かけて 10 分間放置した。

(４)結果 電池Ａ～Ｆを個別に測定

対極の作成

下の表は、個別に電池 A～F の起電力と導電ガラスをピンセットで抑えながら、抵抗を測定した結果である。抵抗値が安定導電面全体に鉛筆で塗ることで黒鉛を塗布しなかったため最大値・最小値を記録してした。

おり、左側が最小値、右側が最大値である。

太陽電池の組み立て① 色素を吸着させた TiO2 コートガラス

測定日時の上に、黒鉛を塗布したガラスをのせ

電池 A～D：2014/12/25 12:30（曇）た。

電池 E,F ：2014/12/22 15:30② その一端をクリップで止めた。
③ もう一端から電解質溶液を数滴加え、クリップで止めた。

発電実験
[方法]
電池１つ１つで測定したものからは、この太陽電池の特性について、また同日同時刻にペアで測定したものからは、条件によって発電にどんな違いが出たかを知ることができる。
①電池 A～F を個別に測定光を照射しない状態と LED を一定の距離から当てた状態、太陽光が当たった状態でそれぞれ電池 A～F の起電力と抵抗を測定した。
②電池 AB,CD,EF のペアで測定
太陽光での測定は、同日同時刻での測定が難しかったため、電池 AB,CD,EF のペアでそれぞれ別の時刻に測定した。また、電池 CD については、本来太陽光を当てる側とは逆側から光を当てた測定も行った。
電池 A,B,C,D は電解質溶液を電池に注入してから数時間以内に実験を行った。一方、光を当てないときに起電力が 0mV に近電池 E,F は３日前に電解質溶液を注入し実くなるものが多かった。一方で電池 F のみ験で使用して保管していたため、溶液は乾値が 0mV から大きくかけ離れていた。

燥しており改めて溶液を注入後、実験を行

また、LED 光を当てると、正極が黒鉛側から TiO2 コート側に変化したものが多い。

抵抗は極わずかだが小さくなり、太陽光が一方で、太陽光を当てると黒鉛側が正極と当たると抵抗値は大きく減少した。

なった。LED 光が当たると電池自体の内部(５)結果

同日同時刻に比較

測定日時 2014/12/25 14:45～（曇）

図６

図７

図８

図９

上の図６～９は、電池 AB,CD,EF のペア６)。電池 C,D ではどちらも起電力を生じ、でそれぞれ同日同時刻に測定した結果をま

電池 D（高温焼き付け）の方が高い値となとめたものである。電池 A,B の場合、電池った（図７）。また、実験Ⅰの亀裂の大きさ

B（高温焼き付け）はほとんど発電しないが、を鑑みると、亀裂が大きいほど大きな起電電池 A（低温焼き付け）は発電していた(図力が発生していた。さらに、光を黒鉛側から当てると正極が本来とは逆になり TiO2が経つと電解質溶液の乾燥により機能しなコート側となった（図８）。電池 E,F では光くなるため、同時刻での比較が難しいといが当たらない状態の起電力が 0mV と大きう問題があった。よって、今後の研究ではくかけ離れていた(図９)。また、電池内の電解質層の改善が課題となる。この改善に液体の電解質溶液とテスターの先端がふれより太陽電池の劣化速度が抑えられ、同時ると値が大きく変化することを確認した。

刻の太陽光での実験が容易になり、より正(６)考察確な性能比較ができるようになるだろう。

電池の内部抵抗については、（４）結果よまた、私たちが作成した太陽電池は光がり太陽光が当たると大きく減少することが当たらない状態でも起電力を生じた。発電わかった。TiO2 は紫外線が当たると導電性原理では説明できないこの問題についてもをもつ半導体であるためだと考えられる[2]。

さらに考察を深める必要がある。

また、実験Ⅰの TiO2 微結晶上に発生した亀裂と起電力の大きさの関係については、

６.参考文献、資料

亀裂が大きいほど大きな起電力が生じてい[1] 「太陽電池技術ハンドブック」、小長井る (図５、図６～７)。亀裂が大きいという

誠、植田譲著、株式会社オーム社(2013)

ことは、PEG および水分が多く蒸発し、TiO2 微結晶の表面積が大きくなっていることを示す。それにより、多くの色素が吸着したためにこのような結果となったのではないかと考えられる。
LED 光の照射時に発電原理とは逆向きの起電力が生じた現象については、太陽光と LED 光の違いが関係していると考えら[2] 「光触媒」、佐藤しんり著,株式会社ナツメ社[3] 「電池が一番わかる」、京極一樹著、株式会社技術評論社(2010)[4] 「知っておきたい太陽電池の基礎知識」、斉藤勝裕著、ソフトバンククリエ
イティブ株式会社[5] 「酢酸を用いた TiO2 ペーストによるれる。太陽光には紫外線が含まれるが、今色素増感太陽電池に関する研究」、本田回用いた LED 光には含まれない。そのため、健二、古矢賢志、松浦秀治著、

LED 光では TiO2 が導電性を持たず、３．

http://www.osakac.ac.jp/labs/matsuu

発電原理の①、②の反応が起きなかったと

ra/PDF/DyeSenstizedSolarCell/03de

考えられる。LED 光を照射した時、すべてnkikankeiHondaOHP.pdfの電池において正極・負極が発電原理とは逆向きとなった原因追究は今後の研究課題となるが、この太陽電池から電流を取り出

７.謝辞
サイエンス研究会化学班の活動において、すためには、紫外線を含む光を照射しなけ顧問の武曾先生、米田先生には丁寧なご指ればならないということが確認できた。

導をしていただきました。また、櫻井先生、矢野先生にも顕微鏡を使った検証について

５.今後の課題
今回の研究で作成した太陽電池は、時間多くのアドバイスをいただきました。この場をお借りして深く感謝申し上げます。