固体型半導体増感太陽電池の作製と電子注入ダイナミクスの評価

摘要

近年、次世代太陽電池の１つである半導体増感太陽電池のホール輸送体を、従来の液体電解質からp型半導体や有機化合物に置き換えた固体型半導体増感太陽電池の研究が注目を集めている。その分野で優れた特性を示しているのが、固体型Sb2S3増感太陽電池である。固体型半導体増感太陽電池の分野における変換効率が一般的に2%前後であるのに対し、Sb2S3を増感剤としたものは最高変換効率6%という優れた性能を示している。しかし、電解液を用いた色素増感太陽電池の最高変換効率12%と比較すると、まだまだ低い値であることは否定できない。さらなる変換効率の向上のためには、キャリア移動過程のメカニズムの解明が重要となるが、現在までSb2S3系では報告は皆無である。本研究では、固体型Sb2S3増感太陽電池のキャリア移動過程のメカニズム解明を目的とし、過渡回折格子法（TG法）を用いてSb2S3からTiO2基板への電子注入過程の評価を行った。また、実際に固体型Sb2S3増感太陽電池を作製し、その光電変換特性を評価した。作製セルは、電子輸送体にTiO2ナノ構造薄膜、増感剤にSb2S3、ホール輸送体にspiro-MeOTADを用いたものを作製した。作製セルの光電変換特性の評価と共に、TG 法を用いた光励起キャリアダイナミクスの測定を行った。電流電圧特性の測定より、作製した固体型半導体増感太陽電池においてダイオード特性を確認し、光電変換効率を得ることに成功した。続いてTG法を用いて光励起キャリアダイナミクスを測定し、Sb2S3からTiO2への電子注入過程の観察を行った。これによると、Sb2S3からTiO2への電子注入速度が0.3 [1/ps]であることがわかった。その際、電子注入効率は60%であった。電子注入速度は他の半導体よりも速く、固体型Sb2S3増感太陽電池は色素増感太陽電池並みの高い光電流を獲得することが期待される。今後は、Sb2S3の系における電子移動過程を十分に理解した後、セル構造を操作・規定することによって電子移動過程の制御を目指す。