我们开发了一种新型有机染料敏化剂（MK-2^(注1)）作为染料敏化太阳能电池（DSSC）的光吸收材料，并用MK-2研究了DSSC的太阳能电池性能和长期稳定性。与传统的钌络合物敏化剂不同，这种有机染料不含任何稀有金属，例如钌。该太阳能电池显示出低成本生产、高效率和高长期稳定性的可能性。

图。 1 有机染料敏化太阳能电池原型

图。 2 MK-2的分子结构

 

AIST 的研究科学家 Kohjiro Hara 和 Nagatoshi Koumura 开发了一种基于有机染料的高性能染料敏化太阳能电池 (DSSC)，这是新能源和产业发展组织领导的科学研究资助计划的一部分（预算：约 50 亿日元）。

该技术可以为目前主流的硅太阳能电池制造成本高和高纯硅供应不稳定提供解决方案。根据经济产业省2008年技术战略地图，它被定位为创新的光伏发电技术，预计将全面商业化，并显着降低太阳能电池的生产成本。

新型太阳能电池中未使用传统 DSSC 中含有的钌络合物，从而满足了保存这种稀有金属的要求。此外，电池中使用离子液体（IL）基电解质，在AM 15 G辐照（100 mW cm^-2)，与使用基于挥发性有机溶剂的电解质的 DSSC 相比，不到 100 小时。

此外，这种 DSSC（一种基于 IL 的电解质^(注2)) 在 AM 15 G 照射下实现了 76% 的高太阳能-电能转换效率（电池效率），这是使用 IL 基电解质的 DSSC 中最高性能之一，而使用离子凝胶基电解质时则达到 55% 的效率^(注3)。预计该电池将作为创新的太阳能发电技术实现商业化。

注1) MK-2是指2-氰基-3-[5””-(9-乙基-9H-咔唑-3-基)-3”,3”,3””,4-四正己基-[2,2”,5”,2””,5””,2””]-四分之一噻吩基-5-基]丙烯酸。它是一种供体-受体型有机染料分子，由咔唑、低聚己基噻吩和氰基丙烯酸组成。其咔唑结构和氰基丙烯酸分别充当电子供体和受体。[返回]

注2)离子液体类电解质是指碘化咪唑鎓、碘氧化还原离子类电解质等离子液体。[返回]

注3) 离子凝胶电解质是指在离子液体电解质中添加胶凝剂(例如聚(吡啶鎓-1,4-二基亚氨基羰基-1,4-亚苯基-亚甲基碘)等)后生成的准固体电解质。[返回]

图。 3 有机电解质低聚物凝胶剂的结构 AIST 新闻稿：http://wwwaistgojp/aist_j/press_release/pr2007/pr20070525/pr20070525html 专利PCT/JP2006/301402

研究和开发旨在降低环境负荷的下一代 DSSC 的商业化。然而，传统的DSSC采用钌络合物作为光吸收材料，这种稀有金属的消耗可能很快就会因资源短缺和成本增加而受到限制。此外，由于使用含有有机挥发性溶剂（含有碘和碘离子）的碘氧化还原电解质，实现更长的耐久性对我们提出了挑战。

在这个项目中，为了提高传统电池的效率并同时解决上述问题，我们开发了一种新型有机染料光吸收材料（MK-2）作为钌络合物的替代品，同时也是一种使用有机电解质低聚物凝胶剂的新型有机染料太阳能电池^(注4)结构（在2005年第二次科学研究资助计划下，开发一种新型、易于合成的电解质胶凝剂以及开发基于该胶凝剂的高功能混合凝胶的研究结果（吉田胜，AIST）。

为了开发新型有机染料，借助分子设计技术对染料进行了优化。虽然香豆素染料^(注5)使用基于挥发性有机溶剂的电解质可提供高达8%的效率，但从染料到氧化钛电极的电子转移效率较低，电子寿命较短，从而降低了太阳能电池的性能。检查，MK染料（咔唑染料^(注6)) 的合成就是为了解决这个问题。

此外，IL 基电解质和离子凝胶基电解质的组合可实现高效且相当耐用的电池。

注4) 有机电解质低聚物分子具有多个连接的有机盐单体的结构。有机盐单体数量较少，为3～30个。[返回]

注5) 香豆素染料是有机染料分子，其使香豆素结构充当电子供体，并使其与作为电子受体的氰基丙烯酸连接（见图4）。[返回]

注6) 咔唑染料是有机染料分子，其使咔唑结构充当电子供体，并使其与作为电子受体的氰基丙烯酸连接（见图4）。[返回]

图。 4 香豆素结构(1)、咔唑结构(2)和氰基丙烯酸(3)的结构(R为取代基)

1)	高效率 结合新设计和合成的MK-2染料和离子液体电解质，该创新电池实现了76%的转换效率（目前使用IL基电解质的DSSC中最高的性能）。
2)	高耐用性 电池在相对温和的条件下，或在AM 15 G模拟太阳光照射（紫外线截止）下具有足够的耐久性。由于使用微挥发性离子液体电解质，即使在相对较高的温度下，也不用担心电池性能恶化（低挥发性有助于增强耐用性）。
3)	无资源限制 与稀有金属钌相比，该电池含有在资源保护方面受到较少限制的有机材料。
4)	低成本生产的可能性 由于其易于制备且材料价格低廉，该电池可以低成本制造。

表1 晶体硅太阳能电池（现有技术）与有机染料敏化太阳能电池（相关新技术）的比较

制造成本 耐用性 电池效率 (1) 晶体硅 太阳能电池 （现有技术） △ 需要高纯度硅，制造成本较高 ◎ ~20 年（户外） ◎ >20% (2) 传统 DSSC （钌络合物） （现有技术） ○ 潜在的低成本制造但钌成本高 × <模拟太阳光照射下100小时（挥发性有机溶剂基电解质） ○ 高达 11%（基于挥发性有机溶剂的电解质） (3) 采用 MK-2 和 IL 电解质的 DSSC (相关新技术) ◎ 低成本制造的可能性很大 ○ >模拟阳光照射下2000小时 △ 76%（IL基电解质）55%（离子液体-凝胶电解质）

在能源转换效率方面，我们的目标是实现18%的电池效率和15%的组件效率（相当于晶体硅的效率）（根据NEDO的太阳能发电路线图PV 2030，染料敏化太阳能电池在2030年的目标值）。在不久的将来，AIST 打算提高电池的效率和耐用性，以期尽早实现室内应用的商业化。我们将从事新型有机染料的分子设计与合成以及离子液体和凝胶电解质的研发，并与合作伙伴公司共同开发新型电极材料。

我们还将推动大面积组件生产技术的联合研究，以实现其商业化。