色素増感太陽電池

色素増感太陽電池（DSSC、DSC、DYSC ^[1]またはグレッツェルセル）は、薄膜太陽電池のグループに属する低コストの太陽電池です。^[2]これは、光増感アノードと電解質の間に形成された半導体、つまり光電気化学システムに基づいています。 グレッツェルセルとしても知られる色素太陽電池の現代版は、もともと1988年にカリフォルニア大学バークレー校のブライアン・オレガンとマイケル・グレッツェルによって共同発明され^[3]、この研究は後に前述の科学者らによってローザンヌ連邦工科大学（EPFL）で開発され、1991年に最初の高効率DSSCが発表されました。^[4]マイケル・グレッツェルはこの発明により2010年のミレニアム技術賞を受賞しました。 ^[5]

DSSCには魅力的な特徴が数多くある。従来のロール印刷技術を使用して簡単に製造できること、半柔軟で半透明なためガラスベースのシステムには適用できないさまざまな用途に使用できること、そして使用される材料のほとんどが低コストであることなどである。実際には、プラチナやルテニウムなど、いくつかの高価な材料を排除することは困難であることが判明しており、液体電解質は、あらゆる天候での使用に適したセルを製造する上で大きな課題となっている。その変換効率は最良の薄膜セルよりも低いものの、理論的には、グリッドパリティを達成することで化石燃料による発電と競合できるほどの価格性能比が十分であるはずである。化学的安定性の問題により遅れていた商用アプリケーションは、^[6]欧州連合の太陽光発電ロードマップでは、2020年までに再生可能電力発電に大きく貢献すると予測されていた。

従来の固体 半導体では、太陽電池は2 つのドープ結晶から作られ、1 つは n 型不純物 ( n 型半導体) でドープされ、自由伝導帯電子が追加され、もう 1 つは p 型不純物 ( p 型半導体) でドープされ、電子ホールが追加されます。接触すると、n 型部分の電子の一部が p 型に流れ込み、不足している電子 (電子ホールとも呼ばれます) を「埋める」ことになります。最終的に、十分な数の電子が境界を越えて流れ、 2 つの材料のフェルミ準位が均等になります。その結果、界面の領域、つまりp-n 接合が形成され、そこでは界面の両側で電荷キャリアが枯渇したり蓄積されたりします。シリコンでは、この電子の移動によって約 0.6 ～ 0.7 eV の電位障壁が生成されます。 ^[7]

太陽光にさらされると、太陽光の光子が半導体の p 型側の電子を励起します。このプロセスは光励起と呼ばれます。シリコンでは、太陽光は電子を低エネルギーの価電子帯から高エネルギーの伝導帯に押し出すのに十分なエネルギーを提供できます。名前が示すように、伝導帯の電子はシリコン内を自由に動き回ることができます。セル全体に負荷がかかると、これらの電子は p 型側から n 型側に流れ出し、外部回路を移動しながらエネルギーを失い、その後 p 型材料に戻って、残した価電子帯のホールと再び結合します。このようにして、太陽光は電流を生成します。^[7]

どのような半導体でも、バンドギャップは、その量のエネルギー以上の光子だけが電流の生成に寄与することを意味します。シリコンの場合、赤から紫までの可視光の大部分は、これを実現するのに十分なエネルギーを持っています。残念ながら、スペクトルの青と紫の端にある高エネルギー光子は、バンドギャップを横切るのに十分なエネルギーを持っています。この余分なエネルギーの一部は電子に伝達されますが、その大部分は熱として無駄になります。もう 1 つの問題は、光子を捕らえる十分な可能性を持たせるために、n 型層をかなり厚くする必要があることです。これにより、新たに放出された電子が、p-n 接合に到達する前に、材料に以前に作成されたホールと出会う可能性も高くなります。これらの効果により、シリコン太陽電池の効率に上限が生じ、現在、一般的なモジュールでは約 20%、最高の実験室セルでは最大 27.1% ^[8]です (33.16% は、単一バンドギャップ太陽電池の理論上の最大効率です^[9]。ショックレー-クワイサー限界を参照してください)。

従来のアプローチの最大の問題は、コストです。太陽電池は、妥当な光子捕捉率を得るために、比較的厚いドープシリコン層を必要とし、シリコン処理は高価です。このコストを削減するために、過去 10 年間でさまざまなアプローチ、特に薄膜アプローチが提案されてきましたが、さまざまな実用上の問題により、現在までその適用は限定されています。別の研究分野は、マルチ接合アプローチによって効率を大幅に向上させることですが、これらのセルは非常に高価であり、大規模な商業展開にしか適していません。一般的に、屋上展開に適したセルの種類は、供給の増加によりコストがいくらか低下したものの、効率の点で大きな変化はありません。

1960年代後半、光を当てた有機色素が電気化学セルの酸化物電極で電気を生成できることが発見されました。^[10]光合成の主要プロセスを理解しシミュレートする取り組みの一環として、カリフォルニア大学バークレー校では、ほうれん草から抽出したクロロフィルを使用してこの現象を研究しました（バイオミメティックまたはバイオニックアプローチ）。^[11]このような実験に基づいて、1972年に色素増感太陽電池（DSSC）の原理による発電が実証され、議論されました。 ^[12]色素太陽電池の不安定性が主な課題として特定されました。その後20年間で、微細酸化物粉末から調製した電極の多孔性を最適化することで効率を向上させることができましたが、不安定性は依然として問題でした。^[13]

DSSC の最も一般的なタイプである最新の n 型 DSSC は、緑の葉のクロロフィルのように太陽光を吸収する分子染料で覆われた二酸化チタンナノ 粒子の多孔質層で構成されています。二酸化チタンは電解質溶液の下に浸されており、その上には白金ベースの触媒があります。従来のアルカリ電池と同様に、陽極(二酸化チタン) と陰極(白金) が液体導体 (電解質) の両側に配置されています。

n 型 DSSC の動作原理は、いくつかの基本的なステップにまとめることができます。太陽光は透明電極を通過して色素層に入り、そこで励起された電子はn 型半導体(通常は二酸化チタン)の伝導帯に流れ込みます。二酸化チタンからの電子は透明電極に向かって流れ、そこで収集されて負荷に電力を供給します。外部回路を通過した後、電子はセルの背面にある金属電極 (対電極とも呼ばれます) に再導入され、電解質に流れ込みます。その後、電解質は電子を色素分子に戻し、酸化された色素を再生します。

上記の基本的な動作原理は、色素増感半導体がp型（典型的には酸化ニッケル）であるp型DSSCでも同様です。しかし、p型DSSCでは、半導体に電子を注入する代わりに、色素からp型半導体の価電子帯に正孔が流れ込みます。^[14]

色素増感太陽電池は、従来のセル設計でシリコンが提供する 2 つの機能を分離します。通常、シリコンは光電子の供給源としてだけでなく、電荷を分離して電流を生成するための電界を提供する役割も果たします。色素増感太陽電池では、半導体の大部分は電荷輸送のみに使用され、光電子は別の感光性 色素から供給されます。電荷分離は、色素、半導体、電解質間の表面で発生します。

染料分子は非常に小さい (ナノメートル サイズ) ため、入射光を適度な量捕らえるには、染料分子の層を分子自体よりもかなり厚くする必要があります。この問題に対処するために、ナノ材料を足場として使用し、3D マトリックス内に多数の染料分子を保持して、セルの任意の表面積あたりの分子数を増やします。既存の設計では、この足場は半導体材料によって提供され、2 つの役割を果たします。

DSSC の最も重要なコンポーネントの 1 つは対電極です。前述のように、対電極は外部回路から電子を収集し、それを電解質に戻し、酸化還元シャトルの還元反応(一般に I ₃ ⁻から I ^{− )を触媒します。したがって、対電極は、高い}電子伝導性と拡散能力だけでなく、電気化学的安定性、高い触媒活性、適切なバンド構造も持つことが重要です。現在 DSSC で使用されている最も一般的な対電極材料は白金ですが、コストが高く資源が乏しいため持続可能ではありません。そのため、白金に代わる同等またはそれ以上の電気触媒性能を持つ新しいハイブリッド材料やドープ材料を発見することに多くの研究が集中しています。広く研究されているそのようなカテゴリの 1 つに、コバルト、ニッケル、鉄のカルコゲン化合物(CCNI) があり、特に形態、化学量論、および相乗効果が結果として得られる性能に与える影響が研究されています。材料の元素組成に加えて、これら 3 つのパラメーターが結果として得られる対電極効率に大きく影響することが判明しています。もちろん、現在研究されている材料は他にも多種多様であり、例えば、高メソポーラスカーボン、^{[15] 、}スズベースの材料、^[16]、金ナノ構造、^[17]、鉛ベースのナノ結晶[ ^18]などがある。しかし、次のセクションでは、DSSC対電極の性能を最適化するためのCCNIに特化した進行中のさまざまな研究成果をまとめる。

同じ組成であっても、対電極を構成するナノ粒子の形態は、全体的な太陽光発電の効率を決定する上で重要な役割を果たします。材料の電気触媒ポテンシャルは、酸化還元種の拡散と還元を促進するために利用できる表面積の量に大きく依存するため、DSSC 対電極のナノ構造の形態を理解し、最適化することに多くの研究努力が注がれてきました。

2017年、Huangらは、 CoSe ₂ /CoSeO _{3複合結晶の}マイクロエマルジョン支援水熱合成にさまざまな界面活性剤を利用して、ナノキューブ、ナノロッド、ナノ粒子を製造しました。^[19]これら3つの形態を比較すると、ハイブリッド複合ナノ粒子は最大の電気活性表面積を持つため、プラチナの対応物よりも高い9.27％という最高の電力変換効率を示すことが明らかになりました。それだけでなく、ナノ粒子の形態は、最高のピーク電流密度と陽極ピーク電位と陰極ピーク電位間の最小の電位ギャップを示し、最高の電気触媒能力を示しています。

同様の研究だが異なるシステムで、Duらは2017年に、ナノロッドやナノシートと比較して、NiCo ₂ O _{4の三元酸化物が}ナノフラワーとして最高の電力変換効率と電気触媒能力を持っていることを明らかにしました。 ^[20] Duらは、ナノフラワーのより大きな活性表面積を活用するのに役立つさまざまな成長メカニズムを探索することで、DSSCの用途を他の分野に拡大する道が開かれる可能性があることに気づきました。

もちろん、対電極として使用される材料の組成は、機能的な太陽光発電を作成するために非常に重要です。効率的な電子交換を可能にするには、価電子帯と伝導エネルギー帯が酸化還元電解質種のものと重なる必要があるためです。

2018年、Jinらは、ニッケルとコバルトのさまざまな化学量論比で三元ニッケルコバルトセレン化物（Ni _x Co _{y Se）膜を作製し、それが結果として生じるセル性能に与える影響を理解しました。} ^[21]ニッケルとコバルトの二元金属合金は優れた電子伝導性と安定性を持つことが知られており、その化学量論を最適化すると、理想的には単一の金属の対応物よりも効率的で安定したセル性能が得られます。Jinらが発見した結果はまさにそれであり、Ni _0.12 Co _0.80 Seは、白金と二元セレン化物の両方よりも優れた電力変換効率（8.61％）、より低い電荷移動インピーダンス、およびより高い電気触媒能力を達成しました。

活発に研究されている最後の分野は、優れた電気活性性能を促進するためのさまざまな材料の相乗効果です。さまざまな電荷輸送材料、電気化学種、または形態を通じて、さまざまな材料間の相乗関係を活用することで、さらに新しい対電極材料への道が開かれました。

2016年、Luらはニッケルコバルト硫化物微粒子と還元グラフェン酸化物（rGO）ナノフレークを混合して対電極を作製した。^[22] Luらは、 rGOが三ヨウ化物の還元を促進する共触媒として作用するだけでなく、微粒子とrGOが相乗的に作用してシステム全体の電荷移動抵抗を低下させることを発見した。このシステムの効率は白金類似体（NCS/rGOシステムの効率：8.96％、Ptシステムの効率：9.11％）よりもわずかに低かったが、さらなる研究を実施するためのプラットフォームを提供した。

オリジナルのGrätzelとO'Regan の設計の場合、セルは 3 つの主要な部分から構成されています。上部には、 （通常はガラス）プレートの背面に堆積されたフッ化物ドープ二酸化スズ（SnO ₂ :F）でできた透明なアノードがあります。この導電性プレートの背面には二酸化チタン（TiO ₂）の薄い層があり、非常に大きな表面積を持つ高度に多孔質な構造になっています。TiO _2は、焼結と呼ばれるプロセスによって化学的に結合されます。TiO _{2 は}、太陽光子（紫外線の光子）のごく一部しか吸収しません。^[23]次に、プレートを感光性ルテニウム-ポリピリジル染料（分子増感剤^[23]とも呼ばれる）と溶媒の混合物に浸します。フィルムを染料溶液に浸した後、TiO ₂の表面に共有結合した染料の薄い層が残ります。結合はエステル、キレート、または二座架橋結合のいずれかです。

次に、導電性シート（通常は白金金属）の上にヨウ化物電解質の薄い層を広げて別のプレートを作ります。次に、2つのプレートを結合して密閉し、電解質が漏れないようにします。構造は非常に簡単なので、手作りできる趣味のキットもあります。^[24]いくつかの「高度な」材料を使用していますが、高価な製造工程を必要としないため、通常のセルに必要なシリコンに比べて安価です。たとえば、 TiO _{2 は、すでに塗料のベースとして広く使用されています。}

効率的な DSSC デバイスの 1 つでは、カルボキシレート部分を介して光陽極に結合したルテニウムベースの分子染料、たとえば [Ru(4,4'-ジカルボキシ-2,2'-ビピリジン) ₂ (NCS) _{2 ] (N3) を使用します。光陽極は、12 μm 厚の透明な 10～20 nm 直径の TiO 2}ナノ粒子のフィルムで構成され、その上に 4 μm 厚のはるかに大きな (直径 400 nm) 粒子のフィルムが覆われており、この粒子が光子を透明フィルムに散乱させます。励起された染料は、光を吸収した後、急速に TiO ₂に電子を注入します。注入された電子は焼結粒子ネットワークを拡散して前面の透明導電性酸化物 (TCO) 電極に集められ、染料は溶液に溶解した酸化還元シャトル I ₃ ⁻ /I ⁻によって還元されて再生されます。シャトルの酸化形態が対電極に拡散することで回路が完成します。^[25]

従来の n 型 DSSC では、次の手順で光子 (光) が電流に変換されます。

DSSCの効率は、構成部品の4つのエネルギーレベル、すなわち光増感剤の励起状態（ほぼLUMO）と基底状態（HOMO）、TiO2電極のフェルミレベル_、電解質中のメディエーターの酸化還元電位（I ⁻ /I ₃ ⁻）に依存します。^[26]

DSSC では、電極は主に TiO ₂または ZnO などの焼結半導体ナノ粒子で構成されていました。これらのナノ粒子 DSSC は、電子輸送のために半導体ナノ粒子を介したトラップ制限拡散に依存しています。これは遅い輸送メカニズムであるため、デバイスの効率を制限します。再結合は、より長い波長の放射線で発生する可能性が高くなります。さらに、ナノ粒子の焼結には約 450 °C の高温が必要であり、これらのセルの製造は堅牢で硬い固体基板に制限されます。焼結ナノ粒子電極を、エキゾチックな「ナノ植物のような」形態を持つ特別に設計された電極に置き換えると、DSSC の効率が向上することが証明されています。^[27]

_{従来の n 型 DSSC では、太陽光が透明な SnO 2} :F 上部コンタクトを介してセルに入り、 TiO ₂表面の染料に当たります。吸収されるのに十分なエネルギーを持つ染料に当たる光子は、染料の励起状態を作り出し、そこから電子を TiO ₂の伝導帯に直接「注入」することができます。そこから電子は拡散によって (電子濃度勾配の結果として)上部の 透明な陽極に移動します。

一方、染料分子は電子を失っており、電子がもう 1 つ供給されなければ分子は分解します。染料はTiO _{2 の下の電解質中の}ヨウ化物から電子を 1 つ引き離し、三ヨウ化物に酸化します。この反応は、注入された電子が酸化された染料分子と再結合するのにかかる時間に比べて非常に速く起こり、太陽電池を事実上ショートさせるこの再結合反応を防ぎます。

その後、三ヨウ化物は、失われた電子を機械的にセルの底に拡散して回収し、対電極は外部回路を通過した後、電子を再び導入します。

太陽電池の特性を評価するために、いくつかの重要な指標が使われます。最も明白な指標は、太陽電池に照射される一定量の太陽光に対して生成される総電力量です。これは、パーセンテージで表され、太陽光変換効率と呼ばれます。電力は電流と電圧の積であるため、これらの測定値の最大値、それぞれ J _scと V _{oc も}重要です。最後に、基礎となる物理を理解するために、「量子効率」を使用して、1 つの光子 (特定のエネルギー) が 1 つの電子を生成する可能性を比較します。

量子効率の点では、DSSC は非常に効率的です。ナノ構造の「深さ」により、光子が吸収される可能性が非常に高く、染料はそれらを電子に変換するのに非常に効果的です。DSSC に存在する小さな損失のほとんどは、TiO ₂と透明電極の伝導損失、または前面電極の光損失によるものです。緑色光の全体的な量子効率は約 90% で、「失われた」10% は主に上部電極の光損失によるものです。従来の設計の量子効率は厚さによって異なりますが、DSSC とほぼ同じです。

理論上、このようなセルによって生成される最大電圧は、単にTiO _{2の (}準)フェルミ準位と電解質の酸化還元電位の差で、太陽光照射条件下では約 0.7 V です (V _oc )。つまり、照射された DSSC を「開回路」で電圧計に接続すると、約 0.7 V が表示されます。電圧に関して言えば、DSSC の V _{oc は}シリコンよりもわずかに高く、0.6 V に対して約 0.7 V です。これはかなり小さな差であるため、実際の差は電流生成 J _scによって決まります。

染料は TiO ₂内で吸収した光子を自由電子に変換する効率が非常に高いのですが、最終的に電流を生成するのは染料に吸収された光子だけです。光子の吸収率は、感光性 TiO ₂層の吸収スペクトルと太陽光束スペクトルによって決まります。これら 2 つのスペクトルの重なりによって、最大可能光電流が決まります。通常使用される染料分子は、シリコンに比べてスペクトルの赤色部分の吸収が悪いため、太陽光中の光子のうち電流生成に使用できるものが少なくなります。これらの要因によって DSSC によって生成される電流が制限されます。比較すると、従来のシリコンベースの太陽電池は約 35 m A /cm ²であるのに対し、現在の DSSC は約 20 mA/cm ²です。

現在のDSSCの全体的なピーク電力変換効率は約11％です。^{[28] [29]}プロトタイプの現在の記録は15％です。^{[30] [31]}

DSSCは光にさらされると劣化します。2014年に、一般的に使用されているアモルファスSpiro-MeOTADホール輸送層への空気の浸入が、酸化ではなく劣化の主な原因であることが判明しました。適切なバリアを追加することで、損傷を回避できます。^[32]

バリア層には、セルの効率を保護し向上させるために、紫外線安定剤や紫外線吸収発光 色素（染料によって再吸収される可能性のある長波長で発光する）および抗酸化剤が含まれる場合があります。 ^[33]

DSSC は現在、最も効率的な第 3 世代^[34] (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) の太陽光発電技術です。他の薄膜技術の効率は通常 5% から 13% で、従来の低コストの商用シリコン パネルの効率は 14% から 17% です。このため、DSSC は、ガラスのないコレクターの機械的堅牢性と軽量性が大きな利点となる屋上ソーラー コレクターなどの「低密度」アプリケーションにおける既存技術の代替として魅力的です。DSSC は、より高価で効率の高いセルの方が実現可能な大規模展開にはそれほど魅力的ではないかもしれませんが、DSSC の変換効率がわずかに向上するだけで、これらの役割の一部にも適する可能性があります。

DSSC が特に魅力的な分野がもう 1 つあります。電子を TiO ₂に直接注入するプロセスは、従来のセルで発生するプロセスとは質的に異なります。従来のセルでは、電子は元の結晶内で「促進」されます。理論上、生成率が低い場合、シリコン内の高エネルギー電子は自身の正孔と再結合し、光子 (または他の形態のエネルギー) を放出しますが、電流は生成されません。この特定のケースは一般的ではないかもしれませんが、別の原子によって生成された電子が、以前の光励起で残された正孔と結合するのはかなり簡単です。

_{比較すると、DSSCで使用される注入プロセスでは、TiO 2}に正孔は導入されず、余分な電子のみが導入されます。電子が色素に再結合することはエネルギー的に可能ですが、これが起こる速度は、色素が周囲の電解質から電子を取り戻す速度と比較すると非常に遅いです。TiO ₂から電解質中の種への直接の再結合も可能ですが、この場合も、最適化されたデバイスではこの反応はかなり遅くなります。^[35]逆に、白金コーティングされた電極から電解質中の種への電子の移動は必然的に非常に高速です。

これらの好ましい「微分運動学」の結果、DSSC は低照度条件でも動作します。そのため、DSSC は曇り空や直射日光が当たらない場所でも動作しますが、従来の設計では、電荷キャリアの移動度が低く、再結合が大きな問題となる、照明の下限で「カットアウト」が発生します。カットオフが非常に低いため、屋内での使用も提案されており、家の照明から小型デバイス用のエネルギーを収集しています。^[36]

DSSC がほとんどの薄膜技術と共有する実用的な利点は、セルの機械的堅牢性が間接的に高温時の効率向上につながることです。どの半導体でも、温度が上昇すると一部の電子が「機械的に」伝導帯に移動します。従来のシリコン セルは壊れやすいため、通常は温室のようなガラスの箱に収め、強度を高めるために金属で裏打ちするなどして、環境から保護する必要があります。このようなシステムでは、セルの内部が熱くなると効率が著しく低下します。DSSC は通常、前面に導電性プラスチックの薄い層のみを使用して構築されるため、熱をはるかに簡単に放射でき、内部温度が低くても動作します。

DSSC 設計の主な欠点は、温度安定性に問題がある液体電解質の使用です。低温では電解質が凍結し、発電が停止し、物理的損傷につながる可能性があります。高温では液体が膨張するため、パネルの密閉が深刻な問題になります。もう 1 つの欠点は、DSSC の製造には高価なルテニウム (染料)、プラチナ (触媒)、導電性ガラスまたはプラスチック (接点) が必要であることです。3 つ目の大きな欠点は、電解質溶液に揮発性有機化合物 (VOC) が含まれていることです。これは、人体や環境に有害な溶剤であるため、慎重に密閉する必要があります。このことと、溶剤がプラスチックに浸透するという事実により、屋外での大規模な使用や柔軟な構造への統合が妨げられています。^[37]

液体電解質を固体に置き換えることは、現在も研究が進められている主要な分野です。溶融塩を固化させたものを使用した最近の実験では、ある程度の成果が見られましたが、現状では連続運転中に劣化が進みやすく、柔軟性に欠けています。^[38]

色素増感太陽電池は光陽極 (n-DSC) として動作し、増感色素による電子注入によって光電流が発生します。光陰極 (p-DSC) は従来の n-DSC とは逆のモードで動作し、色素励起の後に p 型半導体から色素への急速な電子移動が起こります (電子注入ではなく色素増感正孔注入)。このような p-DSC と n-DSC を組み合わせてタンデム太陽電池 (pn-DSC) を構築することができ、タンデム DSC の理論的な効率は単接合 DSC の効率をはるかに上回ります。

標準的なタンデムセルは、中間電解質層を備えた単純なサンドイッチ構成の n-DSC 1 個と p-DSC 1 個で構成されています。n-DSC と p-DSC は直列に接続されており、結果として生じる光電流は最も弱い光電極によって制御されますが、光電圧は加算されます。したがって、光電流のマッチングは、高効率のタンデム pn-DSC の構築に非常に重要です。ただし、n-DSC とは異なり、色素増感正孔注入後の高速電荷再結合により、通常、p-DSC の光電流は低くなり、デバイス全体の効率が低下します。

研究者らは、ペリレンモノイミド(PMI) をアクセプターとして、トリフェニルアミンに結合したオリゴチオフェンをドナーとして含む色素を使用すると、色素増感正孔注入後の電荷再結合率が低下し、p-DSC の性能が大幅に向上することを発見しました。研究者らは、p-DSC 側に NiO、n-DSC 側にTiO _{2を使用したタンデム DSC デバイスを構築しました。光電流のマッチングは、NiO と TiO 2}の膜厚を調整して光吸収を制御し、両方の電極の光電流を一致させることで実現しました。デバイスのエネルギー変換効率は 1.91% で、個々のコンポーネントの効率を上回っていますが、高性能 n-DSC デバイス (6%～11%) の効率よりはるかに低いです。タンデム DSC 自体は初歩的なため、結果は依然として有望です。p-DSC の性能の劇的な向上は、最終的には単独の n-DSC よりもはるかに高い効率を持つタンデム デバイスにつながる可能性があります。^[39]

前述のように、固体電解質を使用すると液体システムに比べていくつかの利点（漏れがなく、電荷輸送が速いなど）があり、これは色素増感光電陰極でも実現されています。研究者は、従来の液体酸化還元電解質の代わりにPCBM、^[40]、 TiO ₂ ^{[41] [42]}、ZnO ^[43]などの電子輸送材料を使用して、固体p-DSC（p-ssDSC）を製造することに成功しました。これは、液体タンデムデバイスよりもはるかに高い光電圧を実現する可能性のある固体タンデム色素増感太陽電池を目指しています。^[44]

初期の実験用セル（1995年頃）で使用されていた染料は、太陽光スペクトルの高周波端、つまり紫外線と青色にしか反応しませんでした。より広い周波数応答を持つ新しいバージョンがすぐに導入され（1999年頃）、特に「トリスカルボキシルテニウム テルピリジン」[Ru(4,4',4"-(COOH) ₃ -terpy)(NCS) _{3 ]は、赤色と}赤外線の低周波範囲まで効率よく反応します。スペクトル応答が広いため、染料は濃い茶黒色になり、単に「黒色染料」と呼ばれています。^[45]染料は光子を電子に変換する可能性が非常に高く、当初は約80%でしたが、最近の染料ではほぼ完全な変換率に改善され、全体的な効率は約90%で、「失われた」10%は主に上部電極の光損失によるものです。

太陽電池は、効率 (寿命)の大幅な低下なしに、少なくとも 20 年間は電気を生成できなければなりません。「ブラック ダイ」システムは、スイスで 10 年間太陽光にさらされることに相当する 5,000 万サイクルにさらされました。目に見えるパフォーマンスの低下は見られませんでした。しかし、このダイは、強い光の状況では分解してしまいます。過去 10 年間、これらの問題に対処するために大規模な研究プログラムが実施されてきました。新しいダイには、光と温度に対して非常に安定している 1-エチル-3 メチルイミダゾリウム テトラシアノボレート [EMIB(CN) ₄ ]、より高い変換効率を提供する銅ジセレン [Cu(In,GA)Se ₂ ]、およびさまざまな特殊用途の特性を持つその他のダイが含まれています。

DSSC はまだ開発サイクルの初期段階にあります。効率の向上は可能であり、最近になってより広範な研究が始まりました。これには、高エネルギー (高周波数) 光を複数の電子に変換するための量子ドットの使用、温度応答を向上させるための固体電解質の使用、および使用する電解質との適合性を高めるために TiO _{2のドーピングを変更することが含まれます。}

ローザンヌ連邦工科大学(EPFL)の研究者グループは、両親媒性ルテニウム増感剤を準固体ゲル電解質と組み合わせて使用​​することで、DSC の熱安定性を高めたと報告しています。このデバイスの安定性は、従来の無機シリコンベースの太陽電池に匹敵します。このセルは、80 °C で 1,000 時間の加熱に耐えました。

同研究グループはこれまでに、電解質中の水に対する色素耐性を高めるために、ルテニウム両親媒性色素Z-907（cis-Ru(H ₂ dcbpy)(dnbpy)(NCS) ₂（配位子H ₂ dcbpyは4,4′-ジカルボン酸-2,2′-ビピリジン、dnbpyは4,4′-ジノニル-2,2′-ビピリジン）を調製した。さらに、同研究グループは、光化学的に安定なフッ素ポリマー、ポリフッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン（PVDF - HFP）によって固化された3-メトキシプロピオニトリル（MPN）ベースの液体電解質を使用した準固体ゲル電解質も調製した。

DSC で両親媒性 Z-907 染料をポリマーゲル電解質と組み合わせて使用​​することで、6.1% のエネルギー変換効率が達成されました。さらに重要なのは、このデバイスが熱ストレスや光照射下でも安定していたことです。セルの高い変換効率は、80 °C で 1,000 時間加熱した後も維持され、初期値の 94% を維持しました。太陽光シミュレーターで 55 °C (100 mW cm ⁻² )で 1,000 時間光照射する加速試験を行った後、紫外線吸収ポリマーフィルムで覆われたセルの効率は 5% 未満に低下しました。これらの結果は、従来の無機シリコン太陽電池の制限値をはるかに下回っています。

この性能向上は、ポリマーゲル電解質の適用により、シーラントを介した溶媒浸透が減少することから生じると考えられる。ポリマーゲル電解質は室温では準固体であり、従来の液体電解質（粘度：0.91 mPa·s）と比較して、80 °Cで粘性液体（粘度：4.34 mPa·s）になる。熱ストレスと光への浸漬の両方におけるデバイスの安定性が大幅に向上したことは、DSCではこれまで見られなかったものであり、屋外使用の太陽電池に適用される耐久性基準に適合しているため、これらのデバイスは実用化可能である。^{[46] [47]}

初めて成功した固体ハイブリッド色素増感太陽電池が報告された。^[38]

これらの太陽電池における電子輸送を改善するために、色素吸着に必要な高い表面積を維持しながら、2人の研究者がナノワイヤのアレイやナノワイヤとナノ粒子の組み合わせなどの代替半導体形態を設計し、半導体伝導帯を介して電極への直接経路を提供しました。このような構造は、DSSCの性能が現在制限されているスペクトルの赤色領域における量子効率を向上させる手段となる可能性があります。^[48]

2006 年 8 月、1-エチル-3 メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート太陽電池の化学的および熱的堅牢性を証明するために、研究者らはデバイスを暗闇で 80 °C で 1000 時間加熱し、続いて60 °C で 1000 時間光に浸しました。暗闇での加熱と光に浸した後、初期の光起電力効率の 90% が維持されました。これほど高い変換効率を示す液体電解質で、これほど優れた熱安定性が観察されたのは初めてです。温度の上昇とともに性能が低下するシリコン太陽電池とは異なり、色素増感太陽電池デバイスは、動作温度を周囲温度から 60 °C に上昇させても、ほとんど影響を受けませんでした。

ニュージーランドのマッシー大学のウェイン・キャンベルは、ポルフィリンをベースにしたさまざまな有機染料の実験を行ってきました。^[49]自然界では、ポルフィリンはヘムタンパク質の基本的な構成要素であり、植物のクロロフィルや動物のヘモグロビンが含まれます。彼は、これらの低コストの染料を使用した場合の効率が5.6%程度であると報告しています。^[50]

ネイチャーマテリアルズ誌に掲載された論文では、有機溶媒を電解液として使用する代わりに、3種類の塩の溶融物からなる新しい無溶媒液体酸化還元電解質を使用した場合のセル効率が8.2%であることが実証されました。この電解質の効率は、既存のヨウ素ベースの溶液を使用した場合の11%よりも低いですが、研究チームは効率を改善できると確信しています。^[51]

ジョージア工科大学の研究者グループは、石英 光ファイバーにセルを巻き付けることで、より有効表面積の大きい色素増感太陽電池を作製した。^{[52] [53]}研究者らは光ファイバーからクラッドを取り除き、表面に沿って酸化亜鉛 ナノワイヤを成長させ、染料分子で処理し、電解質と電子を光ファイバーから運び出す金属フィルムで光ファイバーを囲んだ。このセルは、同じ表面積の酸化亜鉛セルより6倍効率的である。^[52]光子は移動中に光ファイバー内で跳ね返るため、太陽電池と相互作用してより多くの電流を生成する機会が増える。これらのデバイスは先端でのみ光を集めるが、将来の光ファイバーセルは光ファイバーの全長にわたって光を吸収するように作られる可能性があり、そのためには導電性と透明性を兼ね備えたコーティングが必要になる。^[52]ミシガン大学のマックス・シュタインは、このようなセルには太陽追跡システムは必要なく、光が拡散する曇りの日でも機能すると述べた。 ^[52]

ローザンヌ連邦工科大学とケベック大学モントリオール大学の研究者らは、DSC の 2 つの主要な問題を克服したと主張しています。^[54]

• 電解質用に「新しい分子」が作られ、透明で腐食しない液体またはゲルが生まれ、光電圧が増加し、セルの出力と安定性が向上します。
• 陰極では白金が硫化コバルトに置き換えられました。これははるかに安価で、より効率的で、より安定しており、実験室での製造も容易です。^[55]

ダイソル社とタタ・スチール・ヨーロッパ社は6月に、鋼鉄に連続印刷する世界最大の色素増感型太陽光発電モジュールの開発を発表した。^[56]

ダイソルとCSIROは10月に、ダイソル/CSIRO共同プロジェクトの2番目のマイルストーンを無事に完了したと発表した。ダイソルのゴードン・トンプソン所長は「この共同研究で開発された材料は、性能と安定性が必須の要件であるさまざまな用途でDSCの商業化を大幅に前進させる可能性を秘めています。ダイソルは、ターゲット分子の製造を可能にする化学のブレークスルーに非常に勇気づけられています。これにより、これらの新材料をすぐに商業的に利用するための道が開かれます。」と述べた。^[57]

ダイソル社とタタ・スチール・ヨーロッパ社は11月に、政府の補助金による固定価格買い取り制度を必要としないグリッドパリティ競争力のあるBIPVソーラースチールの開発を目標に発表した。タタ・ダイソル社の「ソーラースチール」屋根は現在、ウェールズのショットンにある持続可能な建物エンベロープセンター（SBEC）に設置されている。^{[58] [59]}

ノースウェスタン大学の研究者らは、DSSCの主な問題である液体電解質の使用と保持の難しさ、およびそれに伴うデバイスの耐用年数が比較的短いという問題に対する解決策を発表しました^{[60 ]。これは、}ナノテクノロジーの使用と液体電解質の固体への変換によって達成されます。電流効率はシリコンセルの約半分ですが、セルは軽量で、製造コストを大幅に削減できる可能性があります。

過去5～10年の間に、新しいタイプのDSSCが開発されました。それは固体色素増感太陽電池です。この場合、液体電解質がいくつかの固体正孔伝導材料の1つに置き換えられます。2009年から2013年にかけて、固体DSSCの効率は4％から15％に劇的に増加しました。マイケル・グレッツェルは、 CH ₃ NH ₃ IとPbI _{2の分離溶液から続いて堆積されたハイブリッド}ペロブスカイトCH ₃ NH ₃ PbI ₃染料を使用して、15.0％の効率を達成した固体DSSCの製造を発表しました。^[31]

最初の建築統合は、ロマンド・エネルギーとの提携により、 EPFLのスイステック・コンベンションセンターで実証されました。総面積は300平方^メートルで、50 cm x 35 cmのモジュールが1400個あります。アーティストのダニエル・シュレープファーとキャサリン・ボレによって設計されました。^[61]

研究者らは、金ナノロッド上に存在する表面プラズモン共鳴が色素増感太陽電池の性能に及ぼす役割を調査した。研究者らは、ナノロッドの濃度が増加すると、光吸収が直線的に増加するが、電荷抽出も濃度に依存することを発見した。最適化された濃度では、Y123色素増感太陽電池の全体的な電力変換効率が5.31%から8.86%に向上することを発見した。^[62]

フッ素ドープ酸化スズガラス基板上に直接1次元TiO2ナノ構造を合成すること_{が、2段階}溶媒熱反応によって実証された。^{[63]さらに、} _TiO2ゾル処理により、デュアルTiO2ナノワイヤセルの性能_が向上し、電力変換効率は7.65%に達した。^[64]

DSSC用のステンレス鋼ベースの対電極が報告されており、従来の白金ベースの対電極に比べてコストがさらに削減され、屋外での使用に適している。^{[65] [66]}

EPFLの研究者らは銅錯体酸化還元電解質をベースにしたDSSCを開発し、標準AM1.5G、100mW/cm2の条件下で13.1%の効率を達成し^、 1000ルクスの室内光下では32%の効率を記録した。^{[67] [68]}

ウプサラ大学の研究者らは、酸化還元電解質の代わりにn型半導体を使用して固体p型色素増感太陽電池を製造した。^{[43] [42]}

建物一体型太陽光発電（BIPV）の分野は、汚染や材料・電気コストを削減する可能性があり、建物の美観を向上させることから、科学界から注目を集めています。^[69]近年、市場で主流となっているSiベースのPVシステムは、エネルギー集約型の製造方法、低光強度下での変換効率の悪さ、メンテナンス要件の高さから、この分野での存在感が限られているため、科学者はBIPVアプリケーションにDSSCを組み込む方法を検討してきました。^{[70] 2021年、ポーランドの}シレジア工科大学の研究者グループは、従来のガラス対電極をセラミックタイルとニッケル箔をベースにした電極に置き換えたDSSCを開発しました。この変更の動機は、ガラス基板がDSSCの最高記録の効率をもたらしているにもかかわらず、屋根瓦や建物のファサードなどのBIPVアプリケーションでは、より軽量で柔軟な材料が不可欠であるためです。これにはプラスチックフィルム、金属、鋼鉄、紙などが含まれており、製造コストも削減できる可能性があります。研究チームは、セルの効率が4％（ガラス対電極を備えた太陽電池の効率に近い）であることを発見し、安定的で低コストの建物一体型DSSCを作成できる可能性を示しました。^[71]

光増感剤は、入射光から光子を吸収して電子を放出し、デバイスまたはストレージユニットに電力を供給するために使用できる電流を生成する染料化合物です。Michael Grätzelと同僚の科学者Anders Hagfeldtによる新しい研究によると、光増感剤の進歩により、太陽光および周囲光条件下での DSSC のパフォーマンスが大幅に向上しました。 電力変換記録を達成するためのもう 1 つの重要な要素は、光スペクトルのより広い範囲にわたって光を吸収できる染料を組み合わせる能力による共増感です。^{[72]共増感は、補完的な光}吸収能力を持つ 2 つ以上の異なる染料を含む DSSC 電極を生成する化学製造方法であり、利用可能なすべての太陽光を利用できるようにします。^[73]

スイスのローザンヌ連邦工科大学（EPFL）の研究者らは、電極の電子輸送機構として機能するナノ結晶メソ​​ポーラス二酸化チタンの表面にヒドロキサム酸誘導体の単分子層を事前に吸着させることで、共感光性太陽電池の効率を上げることができることを発見した。この研究で使用された2つの光増感剤分子は、主な長波長光集光剤として機能する有機染料SL9と、SL9の非効率的な青色光集光を補う追加の吸収ピークを提供する染料SL10であった。このヒドロキサム酸層を追加すると、染料層の分子パッキングと配列が改善されることが判明した。これにより、増感剤の吸着が遅くなり、蛍光量子収率が高まり、セルの電力変換効率が向上した。^[74]

研究チームが開発したDSSCは、標準的な全球模擬太陽光下で15.2%という記録的な電力変換効率と、500時間を超える長期動作安定性を示した。さらに、より大きなアクティブエリアを持つデバイスは、高い安定性を維持しながら約30%の効率を示し、DSSC分野に新たな可能性をもたらしました。^[74]

ウィキメディア・コモンズには、色素増感太陽電池に関連するメディアがあります。

• ブライアン・オレーガンによる現代の DSSC の発明に関する説明
• 本物の染料太陽電池、自分で太陽電池を作るための組み立てガイド
• 低コストで効率的な太陽電池のブレークスルー