日本語版：DSSCと過渡吸収（TAS）の最前線
1. DSSCと「過渡吸収」をざっくり説明
色素増感太陽電池（DSSC）は、
「色素が光を吸収 → 電子を半導体（TiO₂など）へ渡す → 外部回路を流れて電気になる」
という仕組みで発電する薄膜型太陽電池です。
一方、過渡吸収分光（Transient Absorption Spectroscopy, TAS）は、
- フェムト秒（10⁻¹⁵秒）〜マイクロ秒（10⁻⁶秒）といった
超高速の時間軸で、電子や励起状態の動きを追いかける手法 - 「光を吸ったあと、電子はどこへ、どんな速さで動いていくのか？」を可視化できる
という特徴があります。
DSSC研究では、
- 電荷分離がどのくらい速いか
- 界面でどれだけ再結合してしまうか
- 電解質とのやり取りがどれくらい効率的か
といった点を、TASで定量的に評価することで、
「どこを改善すれば効率が上がるのか」を探ることができます。
2. 室内光で高効率発電するDSSC
Freitag et al., Nature Photonics 2017
2-1. 何をした研究？
Freitag らは、室内光（蛍光灯などの弱い光）で高効率に発電するDSSCを開発しました。
- 2種類の有機色素 D35 と XY1 を組み合わせた光吸収系
- レドックス媒質として Cu(II/I)(tmby) 銅錯体（tmby = 4,4′,6,6′-tetramethyl-2,2′-bipyridine）
- 開放電圧 約 1.1 V と高い光電圧
- 可視光 400–650 nm の範囲で 外部量子効率（EQE）> 90% を達成
室内光条件（Osram 930 蛍光灯）では、
- 200 lux で 15.6 μW/cm²
- 1000 lux で 88.5 μW/cm²
- これは室内光に対する変換効率 28.9 %に相当
という、IoTデバイス駆動に十分な出力を実現しています。
2-2. 一般向けイメージ
- 一般的な太陽電池は「太陽の強い光」で性能評価されることが多いですが、
この研究は「部屋の明かりでどれだけ電力が取れるか」に焦点を当てています。 - スマホやセンサーなどの小型電子機器を室内光だけで動かす“自己発電デバイス”の実現に直結する成果です。
3. PbI₂残渣は「両刃の剣」
Jacobsson et al., J. Am. Chem. Soc. 2016
この論文はペロブスカイト太陽電池を対象とした研究ですが、
DSSCと同じくメソポーラス TiO₂ 電極や過渡吸収分光（TAS）を用いて
電荷ダイナミクスを詳しく解析しているため、「DSSC＋TAS」の流れを理解する上で重要です。
3-1. 研究のポイント
- 材料：CH₃NH₃PbI₃ 系ペロブスカイト
- 焦点：未反応の PbI₂ が少量残っていることが、性能にどう効くか？
- 手法：XRD, SEM/TEM, 光電子分光, 過渡吸収分光（TAS）, PL/EL など、多数の評価を組み合わせた包括的解析
結果として、
- PbI₂ が少し残っている場合
- 光電流（Jsc）が増加
- 電子移動度が高くなり、TiO₂への電子注入も良好
- PbI₂ が不足している場合
- 結晶性が高く、キャリア寿命が長い
- 開放電圧 Voc は 最大 1.20 V と高い
- イオン移動が抑制され、ヒステリシスが小さく、光安定性も向上
- しかし、粒界に有機成分が偏在し、電流はむしろ低下
という、まさに「両刃の剣」であることが示されました。
3-2. TASの役割
TAS によって、
- 光を当てた直後のキャリア生成
- 再結合の速さ
- 電子・ホールの寿命
などが時間分解で見えるため、
「PbI₂ の量を変えると、どの時間領域で電荷のふるまいが変わるのか」
を直接観測できました。
これは、DSSC の電荷移動・再結合設計にもそのまま応用できる解析手法です。
4. DSSC総説：基礎と現状を俯瞰する
Sharma et al., Nanoscale Research Letters 2018
Sharma らは、DSSCの基礎と最新動向を整理した総説を書いています。
4-1. レビューの概要
- DSSCの構造
- フッ素ドープSnO₂（FTO）ガラス
- ナノ多結晶 TiO₂ 電極（色素吸着）
- 電解質／ホール輸送層
- 対極（Pt, カーボンなど）
- 動作原理
- 光吸収 → 電子注入 → 電解質からの再生 → 回路へ出力
- 課題
- 変換効率（Ru錯体で ≲12 % 程度）
- 長期安定性（溶媒蒸発・漏れ、腐食など）
- 大面積化・モジュール化のコスト
こうした課題に対し、
- 金属錯体色素 → 金属フリー有機色素への展開
- 新しい電解質・固体ホール輸送材料
- ナノ構造電極の設計
など、多方向からのアプローチが紹介されています。
4-2. TASとのつながり
総説の中では、電荷移動や再結合の理解に
時間分解分光（TASを含む）が重要であることが繰り返し示されています。
- 「どの材料がなぜ高効率なのか？」
- 「どの界面から性能劣化が始まるのか？」
といった疑問に答えるためには、
時間の情報を含む分光データが不可欠であると位置づけられています。
5. 高校生・一般向けまとめ
- DSSCは色素＋ナノ構造半導体を組み合わせた、デザイン性の高い太陽電池。
- Freitag らの研究は、室内光で 28.9 % という高効率を達成し、
IoT デバイスの「電池いらず化」に道を開いています。 - Jacobsson らの研究は、ペロブスカイト材料に残る PbI₂ が
「電流を増やす良い面」と「安定性を損なう悪い面」の両方を持つことを、
TAS を含む多彩な測定で明らかにしました。 - Sharma らの総説は、DSSC の構造・原理・課題を整理し、
材料科学と分光計測の両面から、次世代 DSSC 研究の方向性を示しています。 - これらの研究は、「時間軸まで見える太陽電池研究」の重要性を示しており、
高効率・高安定・室内光対応のデバイス設計へつながっています。
English Version: Frontiers of DSSCs and Transient Absorption
1. DSSCs and transient absorption in a nutshell
A dye-sensitized solar cell (DSSC) converts light into electricity by
- A dye molecule absorbing light and becoming excited,
- Injecting an electron into a nanocrystalline semiconductor (often TiO₂),
- The electron flowing through an external circuit, while a redox electrolyte regenerates the dye.
Transient absorption spectroscopy (TAS) is a powerful tool to monitor
- how fast charges are generated,
- how they move across interfaces, and
- how and when they recombine,
on time scales ranging from femtoseconds to microseconds.
In short, TAS acts as an ultrafast camera for electron motion,
and is crucial for understanding and improving DSSC performance.
2. High-efficiency indoor-light DSSCs
Freitag et al., Nature Photonics 2017
Freitag and co-workers demonstrated DSSCs that operate very efficiently under ambient (indoor) lighting.
- Two organic sensitizers, D35 and XY1, were combined.
- A copper complex Cu(II/I)(tmby) served as the redox shuttle.
- The device exhibited a high open-circuit voltage of about 1.1 V.
- The external quantum efficiency exceeded 90 % from 400 to 650 nm.
Under a warm-white fluorescent lamp (Osram 930),
- 200 lux gave 15.6 μW cm⁻²,
- 1000 lux gave 88.5 μW cm⁻²,
corresponding to a power-conversion efficiency of 28.9 % under ambient light.
These results clearly show that indoor photovoltaics based on DSSCs
can power low-energy electronics and wireless sensor nodes for the Internet of Things.
3. Unreacted PbI₂ as a double-edged sword
Jacobsson et al., J. Am. Chem. Soc. 2016
Although this paper focuses on lead halide perovskite solar cells,
it is highly relevant to DSSC researchers because it combines mesoporous TiO₂ electrodes
with an extensive set of characterization methods including transient absorption spectroscopy (TAS).
3-1. Key findings
- Systems: CH₃NH₃PbI₃ and related mixed perovskites.
- Question: How does a small amount of unreacted PbI₂ in the film influence device performance?
- Methods: XRD, SEM/TEM, photoelectron spectroscopy, TAS, UV–vis, PL/EL, and more.
They found that:
- PbI₂-rich samples
- Showed higher photocurrent due to better charge transport and electron injection.
- PbI₂-deficient samples
- Exhibited higher open-circuit voltages (up to 1.20 V),
- Longer carrier lifetimes and higher PL yields,
- Suppressed ion migration, reduced hysteresis, and enhanced photostability,
- But suffered from lower current due to organic species accumulating at grain boundaries.
Thus, residual PbI₂ behaves as a “double-edged sword”:
beneficial for current but detrimental for some aspects of voltage and stability.
3-2. Role of TAS
TAS provided time-resolved insight into:
- charge generation and separation,
- recombination kinetics, and
- carrier lifetimes.
This allowed the authors to correlate stoichiometry, microstructure, and device physics in great detail,
illustrating how TAS can guide material optimization in both perovskite cells and DSSCs.
4. A broad review of DSSCs
Sharma et al., Nanoscale Research Letters 2018
Sharma and colleagues wrote a comprehensive review titled
“Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status”.
The review covers:
- Basic DSSC architecture and working principles,
- Current state-of-the-art efficiencies (≈12 % with Ru(II) complexes),
- Key challenges:
- limited efficiency compared to Si and other thin-film cells,
- long-term stability issues,
- upscaling and commercialization,
- Emerging materials:
- metal-free organic dyes,
- novel electrolytes and hole-transport materials,
- advanced nanostructured photoanodes and counter electrodes.
Time-resolved techniques such as TAS are highlighted as essential tools
for understanding why certain material combinations yield higher efficiency and better stability.
5. Take-home messages
- DSSCs are promising thin-film solar cells combining molecular design freedom with nanostructured electrodes.
- Indoor-light DSSCs, as demonstrated by Freitag et al., can reach nearly 30 % efficiency under typical room lighting,
opening the door to self-powered IoT devices. - TAS-based studies like those of Jacobsson et al. reveal how subtle changes in composition (such as residual PbI₂)
can strongly affect charge transport, voltage, hysteresis, and stability. - Comprehensive reviews such as Sharma et al. place these results in a broader context,
summarizing the fundamental operation, limitations, and prospects of DSSCs. - Overall, combining advanced spectroscopy with smart materials design
is the key to the next generation of efficient, stable, and application-ready DSSCs.
参考文献 / References
- 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 2017, 11 (6), 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 2016, 138 (32), 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 2018, 13, 381. DOI: 10.1186/s11671-018-2760-6.
