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zoom RSS 色素増感太陽電池

<<   作成日時 : 2009/08/16 23:43   >>

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 今回紹介する太陽電池はこれまで説明してきた各種の太陽電池とかなり違った構造と原理をもっています。以前の分類では「湿式」という言葉を使っていますが、これは液体を使っていることを意味しています。

 これまで説明してきた固体だけでできた太陽電池では、光の吸収によって電子(正孔)を発生させ、これをそのまま固体中の電界に沿って移動させることにより、外部の回路に電流を流していました。

 太陽電池でない普通の電池では正負の電極表面での化学反応で発生した電子を外部回路に取り出して電流としていますが、電極間に電解質(イオン)を含む液体(電解液)を置いて、その液中を移動するイオンによって電極間で電荷を運んでいます。
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 もっとも身近な乾電池は取り扱いやすいように電解液を使わないように工夫していますが、古くなると液漏れが起こることからもわかるように原理的には電解液を使っているのと同じ構造をもっています。

 このようなわけですから、化学反応の代わりに光のエネルギーで電子を発生させれば、電解液を使った電池と似た構造で太陽電池ができるはずです。このような考え方の太陽電池を発明したのはスイスのローザンヌ工科大学のグレツェル(M. Graetzel)教授です。1991年に発表がなされていますが、特許も出願されているので、これをまず紹介します。

 図Aはこの太陽電池(グレツェル・セルとも呼ばれる)の基本構造です。特許は特表平5-504023号(特公平8-15097号)です。元はイギリスに1990年4月に出願された国際出願です(WO91/16719)。

 透明なガラス基板1,7の間に電解液3を封入した構造となっています。図のように電解質としては普通ヨウ素(I)が使われます。このガラス基板の内側の表面には電極2,6が設けられます。この電極は光を透過するように透明導電膜である必要があります。透明導電体としては酸化スズ(SnO)がよく使われます。

 この電池の最大の特徴は酸化物半導体電極5とその上の色素膜4です。酸化物半導体電極は表面がでこぼこに描かれていますが、これは表面積を増やし、できるだけ効率よく太陽光を吸収させるためで、多孔質あるいは微粒子を固めたものが使われます。具体的な材料としては酸化チタン(TiO)がもっともよく用いられています。

 発電の原理を説明します。太陽光が入射すると、まず色素膜に吸収され、電子が励起されます。この電子は色素膜と接している酸化物半導体の伝導帯に入り、ここを移動して電極に達します。色素膜は電子を失うので、これを電解液から補給します。電解液は不足した電子を対向する電極から補給します。これで電極間を接続すれば電流が流れ、電力が取り出せることになります。

 ここで色素膜を着ける理由は太陽光を効率よく吸収するためです。酸化チタンはバンドギャップが広く、紫外光の領域しか吸収できません。またこれまで説明してきたように単独の半導体では広い波長範囲をカバーできません。

 これに対して色素は単独で可視光から赤外光までの広い波長範囲を吸収できるものがありますが、前回説明したように固体の薄膜として使った場合は電流が流れにくいなどの難点がありました。しかし半導体と積層することにより色素の特性をうまく生かすことができます。色素によって吸収できる光の波長範囲を広げられることから色素増感という言葉が使われています。

 色素膜は太陽光を吸収するものならよいのですが、グレツェル教授のグループではこの電池に適した材料を開発しています(特表2002-512729号)。これはまず太陽光スペクトルを広く吸収し、かつ電子を効率よく酸化物半導体へ移すことができる材料です。開発された材料は、ルテニウム(Ru)という金属を含む錯体で、代表的な化学式は
   RuL(NCS)
と表されます。ここでLは図Bのような基、NCSというのは−N=C=Sという窒素、炭素、硫黄からなる基です。

 この構造で10%を越える変換効率が得られたため、単結晶シリコン太陽電池を越える効率をもつ太陽電池が比較的安価な材料を使って実現できるのではないかと期待されています。現在では多くの研究機関で開発が進められており、実用的な太陽電池が間もなく実現するように思われます。

 以上紹介したもの意外の材料を使った太陽電池の研究も行われていますが、ここではこれで個別の太陽電池の種類についての紹介は終わりにします。






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