日本語版：クラシック論文から見る色素増感太陽電池（DSSC）
1. DSSCとは？（やさしい導入）
色素増感太陽電池（Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC） は、
「色素が光を吸収 → 電子を半導体（TiO₂）へ渡す → 電子が外部回路を流れる」
という流れで発電する薄膜型太陽電池です。
シリコン太陽電池とくらべて、
- カラフル・透明・曲げられるなど デザインの自由度が高い
- 溶液プロセスで作れるため 低コストの可能性が高い
- 室内光など 弱い光でも効率よく発電できる
といった特徴があります。
2. 基礎をまとめたレビュー論文（Sharma et al., Nanoscale Research Letters）
Sharma らのレビュー論文
“Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status”
（Nanoscale Research Letters, 2018）は、DSSC の全体像をコンパクトに整理した総説です。
このレビューでは、
- セル構造
- 透明導電ガラス（FTO など）
- ナノ多孔質 TiO₂ 電極と色素
- レドックス電解質（I⁻/I₃⁻ など）
- カウンター電極（Pt や炭素材料など）
- 動作原理
- 色素の光吸収と電子注入
- 電子の輸送と再結合
- 電解質による色素の再生
- 課題
- 変換効率は Ru 錯体で ~12% 程度
- 長期安定性・スケールアップ・コストダウン
といったポイントが、図や模式図とともに整理されています。
とくに、材料の選択と界面制御が、効率と安定性の両方に効いてくることが
繰り返し強調されています。
3. 室内光で高効率発電する DSSC（Freitag et al., Nature Photonics）
クラシック論文の中でも、とくに注目されているのが、
Freitag らによる Nature Photonics 掲載論文
“Dye-sensitized solar cells for efficient power generation under ambient lighting” です。
3-1. 何をした論文か？
- 室内の蛍光灯・LED などの 弱い室内光（200–1000 lux 程度） の下で、
極めて高いエネルギー変換効率を示す DSSC を開発。 - 2種類の有機色素 D35 と XY1 を組み合わせ、
レドックスシャトルとして Cu(II/I)(tmby) 錯体を使用。 - 400–650 nm の可視光で 90%以上の外部量子効率（EQE） を達成。
- 200 lux・1000 lux の条件で、それぞれ 15.6 μW/cm² と 88.5 μW/cm² の出力、
最大 ~28.9% の変換効率を報告しています。
3-2. なぜ重要か？
- 室内光発電は、IoT デバイス・センサー・ビーコン などの
マイクロデバイスの電源として期待されています。 - シリコン太陽電池は室内光スペクトルとあまり相性がよくありませんが、
DSSC は 色素とレドックス系を調整することで、室内光に最適化できる ことを
実証した点が画期的です。 - 携帯端末やウェアラブル、環境センサーなどで
「電池交換いらず」の世界に近づく研究として位置づけられています。
4. 過渡吸収分光（Transient Absorption）との関わり
このクラシック論文群では、過渡吸収分光（TAS） も重要な解析ツールとして登場します。
- フェムト秒～ナノ秒の領域で、
- 色素の励起状態
- 電子注入の速さ
- 再結合過程
を直接「見る」ことができ、 - マイクロ秒オーダーまでの測定では、
- 電解質による色素再生
- 長寿命電荷の存在
など、デバイス性能に直結するプロセスを評価できます。
また、同じファイルに含まれる Jacobsson らの JACS 論文では、
ペロブスカイト太陽電池の中で、未反応 PbI₂ の有無が 電荷移動と安定性にどのような影響を与えるか を、
XRD・顕微鏡観察・PL・EL に加え、過渡吸収分光で詳細に解析しています。
これは、DSSC で培われた時間分解分光のノウハウが、
ペロブスカイトなど他の次世代太陽電池にも応用されている良い例です。
5. 高校生・一般向けのポイント整理
- DSSC は「色素が光を吸収して電気に変える」新しいタイプの太陽電池。
- Sharma らのレビュー論文は、
- DSSC のしくみ
- 材料の種類
- 効率と安定性の課題
をわかりやすくまとめた「教科書的総説」です。 - Freitag らの Nature Photonics 論文は、
- 室内光で 30% に迫る変換効率
- IoT 用電源としての可能性
を示した「室内光 DSSC」の代表例です。 - 過渡吸収分光（TAS）を使うと、
- 励起から電子注入、再結合までの「電子の動き」を時間ごとに追いかけられ、
- どこでロスが起きているかが見えてきます。
- こうしたクラシック論文は、次世代エネルギーデバイスの設計指針として、
いまも多く引用されています。
English Version: Classic DSSC Papers for Ambient Light and Fundamentals
1. About this page
This page is based only on the articles contained in
the Web of Science export file “DSSC_TAS_Classics.txt”:
- M. Freitag et al., Nature Photonics – indoor-light DSSCs
- T. J. Jacobsson et al., J. Am. Chem. Soc. – perovskite solar cells and TAS
- K. Sharma et al., Nanoscale Research Letters – fundamentals of DSSCs.
The aim is to give a gentle introduction for non-specialists and students.
2. Fundamental review on DSSCs (Sharma et al.)
The review “Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status”
in Nanoscale Research Letters summarizes:
- Device architecture: TCO glass, nanostructured TiO₂, dye, electrolyte, counter electrode
- Operating principles: light absorption, electron injection, transport, recombination, dye regeneration
- Key materials: Ru(II) complexes, metal-free organic dyes, alternative redox mediators, Pt-free counter electrodes
- Challenges: moderate efficiencies (~12% with Ru dyes), long-term stability, scalability, and cost.
It serves as a compact “textbook-like” entry point into the DSSC field.
3. Indoor-light DSSCs with record efficiencies (Freitag et al.)
In Nature Photonics, Freitag and co-workers reported
“Dye-sensitized solar cells for efficient power generation under ambient lighting.”
3.1 Key achievements
- DSSCs optimized for ambient indoor light (200–1000 lux).
- Co-sensitization with organic dyes D35 and XY1.
- Copper complex Cu(II/I)(tmby) (tmby = 4,4′,6,6′-tetramethyl-2,2′-bipyridine) as redox shuttle.
- >90% external quantum efficiency from 400 to 650 nm.
- Power output of 15.6 μW/cm² at 200 lux and 88.5 μW/cm² at 1000 lux,
corresponding to a PCE up to ~28.9% under indoor lighting.
3.2 Why it matters
- Demonstrates that DSSCs can outperform many technologies under indoor illumination,
making them ideal power sources for IoT, sensors, and wearable devices. - Highlights the importance of spectral matching between dye absorption, redox mediator,
and the light source spectrum.
4. Transient absorption spectroscopy (TAS) as a bridge technique
Within the same classics file, Jacobsson et al. (JACS, 2016) study perovskite solar cells,
showing how unreacted PbI₂ can both improve and degrade device performance.
They combine:
- XRD, SEM/TEM for structural analysis
- Photoelectron spectroscopy (PES), PL/EL, confocal PL mapping
- Transient absorption spectroscopy (TAS)
to link microscopic charge-carrier dynamics with macroscopic device parameters
such as current, voltage, hysteresis, and stability.
This illustrates how time-resolved methods originally popular in DSSC studies
are now widely used to understand other emerging solar cells, including perovskites.
5. Take-home messages for students and non-specialists
- DSSCs convert light to electricity using dye molecules attached to nanostructured TiO₂.
- Classic review articles (e.g., Sharma et al.) give a clear picture of
- how DSSCs are built,
- how they work,
- and what limits their performance.
- Freitag’s indoor-light DSSC work shows that, in the right application window,
DSSCs can achieve remarkably high efficiencies, especially under low-intensity light. - Transient absorption spectroscopy helps researchers “watch” electrons move
on femtosecond–microsecond time scales, revealing where energy is lost and how to fix it. - Together, these classic papers form a foundation for future DSSC and perovskite research,
guiding the design of efficient, stable, and sustainable solar-energy devices.
6. References (from DSSC_TAS_Classics.txt)
- Freitag, M.; Teuscher, J.; Saygili, Y.; Zhang, X.; Giordano, F.; Liska, P.; Hua, J.; Zakeeruddin, S. M.; Moser, J.-E.; Grätzel, M.; Hagfeldt, A.
“Dye-sensitized solar cells for efficient power generation under ambient lighting.”
Nature Photonics 11 (2017) 372–378. DOI: 10.1038/nphoton.2017.60. - Jacobsson, T. J.; Correa-Baena, J. P.; Anaraki, E. H.; Philippe, B.; Stranks, S. D.; Bouduban, M. E. F.; Tress, W.; Schenk, K.; Teuscher, J.; Moser, J.-E.; Rensmo, H.; Hagfeldt, A.
“Unreacted PbI₂ as a Double-Edged Sword for Enhancing the Performance of Perovskite Solar Cells.”
Journal of the American Chemical Society 138 (2016) 10331–10343. DOI: 10.1021/jacs.6b06320. - Sharma, K.; Sharma, V.; Sharma, S. S.
“Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status.”
Nanoscale Research Letters 13 (2018) 381. DOI: 10.1186/s11671-018-2760-6.
