基本原理と測定
このノートの目的
このアプリケーションノートは色素太陽電池に関するシリーズの一部である。
このシリーズのパート1では、色素太陽電池の基本原理、セットアップ、および基礎となる電気化学メカニズムについて説明します。
さらに、色素太陽電池の特性評価を、基本的な電気化学実験によって実証します。
はじめに
化石燃料の不足、原油価格の上昇、そして従来のエネルギー源（例えば石炭や原子力発電所）の拒絶の時代にあって、持続可能なエネルギー形態がますます注目されるようになってきている。 水力発電、風力発電、地熱発電、バイオマス処理などは、これらの持続可能な資源のほんの一部に過ぎません。 このアプリケーションノートで取り上げる色素太陽電池 (DSC) は、薄膜電池です。 色素増感太陽電池 (DSSC) や、新しいタイプの電池の開発に大きく関わったスイスの化学者 Michael Grätzel の名をとって Grätzel Cell とも呼ばれます。
DSCの製造は簡単で、ほとんどが低コスト、環境に優しい材料を使用しています。 しかし、大きな欠点は、液体電解質の温度感受性である。
Theory
Setup of a Dye Solar Cell
Figure 1 に、色素太陽電池の簡略化した図を示します。
DSCのアノードは、透明導電性酸化物（TCO）膜でコーティングされたガラス板で構成されています。 酸化インジウムスズ(ITO)やフッ素ドープ酸化スズが最も広く使われている。 その上に二酸化チタン（TiO2）の薄膜を塗布する。
陽極には酸化チタンと結合する色素溶液を染み込ませる。 色素は光増感剤とも呼ばれ、ルテニウム錯体やさまざまな有機金属を含まない化合物がほとんどである。 また、デモンストレーションのために、ブラックベリーやザクロなどの果汁を使用することもできる。
DSCのカソードはガラス板で、触媒として機能する白金薄膜が施されている。 電解質にはヨウ化物・三ヨウ化物溶液を使用します。
両電極を押し付け合い、電池が漏れないように密封します。 色素太陽電池のアノードに光が当たると、外部負荷に電力が供給される。
染料太陽電池の原理
その名の通り、色素太陽電池の仕組みは光電気化学過程に基づいている。 図2に色素太陽電池のエネルギーダイアグラムを示す。
Figure 2 – Energy diagram of a dye solar cell.All related electrochemical processes.See section to describe all the patients.
STEP 1: 染料分子は、最初にその基底状態（S）にあります。 陽極の半導体材料は、このエネルギーレベル（価電子帯付近）では非導電性です。
光がセルに照射されると、色素分子は基底状態からより高いエネルギー状態（S*）に励起されます（式 1 を参照）。 1
励起された色素分子は、より高いエネルギーを持つようになり、半導体のバンドギャップを克服する。
STEP 2: 興奮した色素分子 (S*) は酸化され（式 2 参照）、電子が半導体の伝導帯に注入される。
式2
電子は拡散過程を経て負極の電流コレクタに輸送されます。
STEP 3: 酸化した色素分子 (S+) は、電解質中のヨウ化物からの電子供与によって再び再生されます (式 3 を参照)。 3
STEP 4: お返しとして、カソード上で三ヨウ化物が還元されてヨウ素が再生されます（式4参照）
Eq. 4
重要なパラメータ
太陽電池には光が当たっていると電流が発生します。 出力電流は、セルの電位と入射光の強さに強く依存します。 電流-電位曲線（I-V曲線とも呼ばれる）は、この関係を示しています。
標準的なサイクリックボルタンメトリー実験と同様に、電位Eは初期電位と最終電位の間で掃引されて印加されます。 セルの電流Iが測定される。 さらに、一定の強度を持つ光源を太陽電池に当てて発電します。
図3は、光強度が増加した場合と光がない場合の太陽電池の典型的なI-V曲線を示しています。
図3-光がある場合とない場合のI-V曲線の概念図。 詳細については、本文を参照してください。
色素太陽電池は、光がないときにはダイオードのように動作する。 電流は発生せず、セルへの電力供給にエネルギーが必要です。
DSCに光を当てると、I-Vカーブはさらに下にシフトします。 太陽電池は現在電流を生成しており、光強度が増すにつれて増加する。
電流束は、低電位ではほぼ一定である。 電位がゼロのときに最大になる。 発生した電流は電位が高くなるにつれて減少する。 開回路電位ではゼロである。 この電位以上では、電池に電力を供給するために外部バイアス電圧が必要です。 6795>
I-V曲線からいくつかのパラメータを導き出すことができますが、これについては次のセクションで説明します。 図 4 は、パラメータを含む I-V 曲線の概略を示しています。
図 4 – 太陽電池の概略 I V 曲線と電力曲線。 いくつかの重要なパラメータが示されている。 詳細は本文を参照。
短絡電流
短絡電流ISCは、太陽電池から引き出すことができる最大の電流です。 このとき、セル電圧はゼロになる。
式5
短絡電流は光度の増加とともに増加します。
開放電圧
開放電位EOCは与えられた光度における太陽電池の最高電圧です。 また、太陽電池を流れる電流がゼロになる電位でもあります。
Eq.6
EOCは、光度の増加とともに増加する。
電力
太陽電池の発電電力Pは、以下の式で計算できる：
式7
また、計算した電力は印加電位をプロットできる（図4参照）。 6795>
Fill Factor
充填率（FF）は、セルの全体的な能力を指定するための重要なパラメータです。 これは、太陽電池の品質と理想的な状態を表します。
充填率は、太陽電池の理論上の最大電力 Ptheo に対する最大生成電力 Pmax の割合です。 フィルファクターの一般式は次のとおりです。
Eq.8
EMP and IMP are potential and current of the I V curve where the generated power is at maximum.
fill factor also can be represented by rectangle in an I-V curves.The Filled Factor is also indicated by rectangle in the I-V curve.The Fill factor for the largest generated power
Fill Factor for the largest generated power in the I V curve.
図5 – フィルファクタの図式的説明。 詳細は本文を参照。
理想的な場合、I-Vカーブは長方形（緑色の部分）になります。 しかし、寄生効果による非理想的な条件では、最大電力が減少し、I-Vカーブは丸みを帯びます。 その結果、パワー最大値を表す真の面積(青い長方形)は小さくなります。
充填率は太陽電池の効率と等しくないことに注意してください。
直列抵抗とシャント抵抗
前述のように、内部抵抗による寄生効果は、太陽電池の電力損失を招きます。 これらの抵抗は直列抵抗（RS）とシャント抵抗（RSH）で記述できます。
図6と図7は、両方の抵抗がI-V曲線の形状にどのように影響するかを示しています。
図6 – Series resistance RS on the shape of the I-V curve.の影響。
直列抵抗RSは開放電位付近の傾きの逆数で見積もることができます（図6参照）
理想的には直列抵抗はゼロになります。 しかし、金属接点またはバルク基板の抵抗は、セル内の追加的な電圧降下につながる。 その結果、EOC付近の曲線の傾きは、RSの増加とともに減少する。 したがって、曲線下の面積と電力最大値はともに減少します。
電流の流れがゼロであるため、開回路電位EOCはRSに影響されないことに注意してください。 短絡電流もRSの影響を受けません。 非常に大きな値だけがISCの減少につながります。
Figure 7 – Effect of the shunt resistance RSH on the shape of an I V curve.
RSH は短絡電流ISC付近で逆の傾きにより推定できます（図7を参照のこと）。 理想的な場合、この抵抗は無限大であるため、追加の電流経路は存在しない。 RSHが低いほど、短絡電流付近でのI Vカーブの傾きが大きくなる。 これは、開路電位EOCが小さくなることにもつながる。
シャント抵抗RSHは、並列抵抗でモデル化することができる。 これは主に、製造工程における不純物や欠陥によって引き起こされる、セルを介した漏れ電流によって引き起こされます。
最大電力、フィルファクター、および効率は、小さなシャント抵抗によってマイナスの影響を受けます。
Note:
RS と RSH の両方の計算は、それぞれ開回路電位と短絡電流付近での推定値としてのみ使用する必要があります。
効率
効率 η とは最大生成電力 Pmax と光源からの電力入力 Pin 間の比のことです。
式9
効率を計算するには、入射光パワーPinを知る必要がある。
Note: 光パワーの計算についての詳細は、Gamry’s technical note: Measuring the Optical Power of your LED
実験
以下のセクションでは、色素太陽電池のさまざまな実験について説明しています。 DSCのアクセサリーはすべてSolaronix社製のものを使用しています。 太陽電池はチタニアと白金の電極を使用しています。 電解質はアセトニトリル中の50mMのヨウ化物/三ヨウ化物溶液である。 色素にはルテナイザー535-bisTBAが使用されています。 セルの活性面積は0.64 cm2である。
図8は、光強度が増加する（明るいところから暗いところへ）一連のI-V曲線である。 太陽電池の電位は、0Vと開回路電位の間で数サイクル掃引された。 掃引速度は、セルの定常動作を保証するために5 mV/sでした。
赤色LED（625 nm）の光強度は、各曲線について5.1 mWから37.2 mWまで段階的に増加させました。 各強度に対する最後の前進サイクルのみが示されている。 LEDと色素太陽電池の間の距離は3cmでした。
図8 – 光強度を増加させた一連のI-V曲線（明るいところから暗いところへ）。 詳細は本文を参照。
予想通り、光強度の増加とともに電流が増加する。 また、開路電位はより高い値にシフトする。 したがって、太陽電池の発電電力は増加する。 図9は、対応する電力曲線を示しています。
Figure 9 – 対応する一連の電力曲線、光強度の増加（明るい方から暗い方へ）。
パワー最大値Pmaxは、より負の電流とより高い電位に向かってわずかにシフトします。
次の表は、図8と図9に示すI V曲線とパワー曲線から評価できるいくつかのパラメータをリストアップしたものです。
|
ピン |
ISC |
EOC |
Pmax |
Ptheo |
FF |
η |
表1 – I V曲線とパワーカーブから算出したパラメータのまとめです。
フィルファクターは約0.78でほぼ一定です。 低光量では小さくなります。
効率は一般的に非常に低く、約0.6 %です。 この点、今回の実験では、波長域の狭い赤色LEDを使用していることに留意されたい。 また、I-Vカーブの傾きからRSとRSHを推定することができる（図6、図7も参照）。 表2は、図8に示したI-Vカーブに対して計算された抵抗値の一覧をまとめたものである。
|
Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
表2-光量別の計算直列抵抗RSおよびシャント抵抗RSHの一覧です。
この結果から、RS、RSHともに光量が増えるにつれて減少していることがわかります。 RSの値が低いと、DSCのフィルファクターと効率が上がる傾向があります。 しかし、RSH値の減少は、DSCの性能に悪影響を及ぼします。
両方の傾向は、セル内の高温による導電率の上昇によって説明することができます。 次のセクションでは、DSCにおける温度の影響について説明します。 また、DSCを用いた実験を行う際に考慮すべきさまざまな問題についても取り上げます。
太陽電池の測定時の難しさ
温度変化
温度変化は色素太陽電池の性能に影響を及ぼします。 色素太陽電池は、光が当たると温かくなります。 これは、DSCの効率だけでなく、フィルファクターにも影響します。
色素太陽電池は、半導体材料を組み込んでいるため、温度変化に対して非常に敏感です。 半導体のバンドギャップは温度の上昇とともに狭くなります (図 2 も参照)。 その結果、短絡電流は増加する。 一方、開路電位は低下する。 図10はこの効果を示している。
この実験では、冷たいDSCに光を当て、いくつかの連続したI-Vカーブ(明るいところから暗いところへ)を測定した。 光強度は37.2mWで一定に保たれました。
図10 – 異なるサイクルでのI Vカーブ。 第1、5、10、20、30、40、50、60、70サイクルを示す（明るい方から暗い方へ）。 詳細は本文を参照。
最初、入射光は太陽電池をゆっくりと暖める。 この段階では、短絡電流と開放電位が大きく変化し、ISCとEOC付近の曲線の傾きが変化します。
I-V曲線が重なり始めるのは、セル温度が安定した40サイクル後です。 いくつかの連続したサイクルを実行することで、温度が一定であることを確認することができます。
スキャン・レート
I-Vカーブ測定時のもう一つの関連パラメータは、スキャン・レートです。 高いスキャンレートは、順方向と逆方向のサイクル間で著しいヒステリシスを引き起こす可能性があります（図11参照）。
Figure 11 – Hysteresis effect between forward and reverse cycle during an IV experiment.
Hysteresis is mainly caused by polarization effects as as light induced changes in the cell’s chemistry. 順方向と逆方向のサイクルの違いは、データの評価を難しくし、間違った結果を導く可能性があります。 適切なスキャンレートを見つけるために、スキャンレートを調整しながら数サイクル行うことをお勧めします。
低いスキャンレートは測定時間を増やしますが、ヒステリシス効果を低減させます。 また、低いスキャンレートでは、セルの定常動作が可能になります。 I-V曲線がわずかなヒステリシスを示す場合、順方向および逆方向サイクルのデータを平均化することができます。
概要
このアプリケーションノートは、色素太陽電池（DSC）の測定に関連します。 DSCの基本原理とセットアップについて説明します。 また、いくつかの重要なパラメータを説明し、計算します。
実際のDSCの実験は、赤色LEDを使用して行われます。 I-V曲線が測定され、電力曲線に変換されます。 両方の曲線を使用して、DSCを特徴付けるさまざまな重要なパラメータを計算します。
最後に、より良い、より信頼できる測定と結果のために役立つアドバイスが提供されます。