キーワード / Keywords
1. 色素増感太陽電池（Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC）
日本語： 色素が光を吸収し、半導体へ電子を渡して発電する太陽電池です。低照度でも働きやすく、材料や色の選択肢が広い点が特徴です。
English: A solar cell in which dye molecules absorb light and inject electrons into a semiconductor, with useful performance under low illumination.
2. 光電極（Photoanode）
日本語： 色素を担持した酸化チタンなどからなり、光で生じた電子を集める電極です。粒子同士の接触や膜構造が、電子輸送と発電効率を左右します。
English: A dye-coated semiconductor electrode that collects photo-generated electrons, with film connectivity and structure governing charge transport.
3. 対極（Counter Electrode）
日本語： 電解質の酸化還元反応を促し、電池内部の電子循環を完成させる電極です。高価な白金に代わる、導電性と触媒性の高い材料が求められます。
English: An electrode that catalyzes electrolyte redox reactions and completes electron circulation, motivating alternatives to expensive platinum.
4. MXene
日本語： 金属炭化物などからなる二次元材料群です。高い導電性と表面反応性を持ち、複合電極へ加えることで電子移動を速める効果が期待されます。
English: A family of conductive two-dimensional carbides or related materials used to accelerate electron transfer in composite electrodes.
5. バイオマス由来炭素（Biomass-Derived Carbon）
日本語： 紙や植物などの有機資源から作る炭素材料です。多孔質構造と導電性を利用し、低コストで環境負荷の小さい電極材料として活用できます。
English: Carbon produced from organic resources such as paper or plants, offering porous and conductive structures for sustainable electrodes.
日本語版
研究背景
色素増感太陽電池（DSSC）は、色素が光を吸収し、酸化チタンなどの半導体へ電子を渡すことで発電します。比較的単純な構造で、弱い光でも利用しやすい一方、実用化には製造温度、材料コスト、長期安定性を改善する必要があります。特に、酸化チタン光電極は通常高温で焼成され、対極には希少で高価な白金が使われます。
今回紹介する研究は、スズを使った低温光電極、金属酸化物とMXeneを組み合わせた白金フリー対極、廃新聞由来の炭素エアロゲルと天然色素を用いるDSSCを扱っています。いずれも、発電性能を保ちながら製造負荷や資源制約を減らす材料設計です。
研究内容
1. スズの添加で酸化チタン光電極を低温形成
Effective low-temperature TiO₂-based dye sensitised solar cell fabrication through tin sintering aid integration
- 低温では酸化チタン粒子同士の接続が不十分になりやすい問題に対し、スズを焼結助剤として加えました。
- 低温処理でも酸化チタンとスズの界面に粒子をつなぐネック構造が形成されました。
- 膜の表面状態と粒子間接続が改善し、電子移動抵抗が低下しました。
- スズを5重量％添加した光電極は、150℃の処理で変換効率7.46％を示しました。
- この性能は、スズを含まない酸化チタンを450℃で焼成した対照セルと同程度でした。
- スズ量や温度をさらに高めると、トラップ状態や電荷移動の制限によって性能が低下しました。
2. 酸化物とMXeneの階層構造で白金を代替
Hierarchical ZnO/NiCo₂O₄/Nb₂C: A Novel Counter Electrode for Platinum-Free Dye-Sensitized Solar Cells
- ZnO、NiCo₂O₄、Nb₂C MXeneを組み合わせた白金フリー対極を水熱法で作製しました。
- X線回折により、それぞれの材料に対応する結晶構造の形成を確認しました。
- Nb₂C MXeneの導入によって電極全体の導電性が高まり、電解質との界面で電子移動が速くなりました。
- 金属酸化物の触媒作用とMXeneの導電性が相乗的に働きました。
- 最適化した対極を用いたDSSCは、標準光照射下で変換効率8.08％を達成しました。
- 性能は白金対極を使ったセルと同程度で、低コスト対極の候補となることが示されました。
3. 廃新聞から作る炭素エアロゲルと天然色素
Carbon Aerogel Derived from Waste Biomass as a High-Performance Counter Electrode in Natural Dye-Sensitized Solar Cells
- 廃新聞を原料として、高い空隙率、広い表面積、導電性を持つ炭素エアロゲルを作製しました。
- 炭素エアロゲルを、白金に代わる対極材料として使用しました。
- クワ、コケ、ナンバンサイカチの花から得た天然色素を混合し、吸収できる光の範囲を広げました。
- CMCと多層カーボンナノチューブからなる高分子電解質を用い、安定性とイオン輸送を改善しました。
- 炭素エアロゲル対極のDSSCは変換効率4.52％を示し、白金対極の3.85％を上回りました。
- 高い触媒活性、低い電荷移動抵抗、広い光吸収が性能向上に寄与しました。
研究全体の意義
三つの研究は、DSSCの性能向上が一つの高性能材料だけで決まるのではなく、光電極の形成温度、対極での触媒反応、色素の光吸収、電解質中のイオン移動を総合的に整える必要があることを示しています。スズ添加は製造温度を下げ、ZnO/NiCo₂O₄/Nb₂Cは白金使用量を減らし、廃新聞由来炭素と天然色素は資源循環型の材料選択を提示します。
これらの技術は、低温工程に対応する基板、低コストの分散型発電、室内光で働く小型機器などへの展開が考えられます。今後は、大面積化した際の膜の均一性、長期の光・熱・湿度耐久性、天然材料の品質ばらつき、製造コストと回収性を検証することが重要です。
English Version
Materials Design for Practical DSSCs: Low-Temperature Fabrication, Platinum-Free Electrodes, and Waste-Derived Carbon
Introduction
Dye-sensitized solar cells generate electricity when dye molecules absorb light and inject electrons into a semiconductor such as titanium dioxide. Their relatively simple architecture and low-light compatibility are attractive, but practical deployment requires lower processing temperatures, reduced material cost, and improved stability. Conventional TiO₂ photoanodes often require high-temperature sintering, while counter electrodes commonly rely on scarce platinum.
The studies highlighted here address these challenges through tin-assisted low-temperature photoanodes, a hierarchical metal-oxide/MXene platinum-free counter electrode, and a natural-dye DSSC using carbon aerogel derived from waste newspaper.
Research Highlights
1. Tin-Assisted Low-Temperature TiO₂ Photoanodes
- Tin was introduced as a sintering aid to address poor TiO₂ particle connectivity during low-temperature processing.
- Neck-like structures formed at TiO₂–Sn interfaces even at reduced temperature.
- Improved surface morphology and interparticle contact lowered electron-transport resistance.
- A photoanode containing 5 wt% tin achieved 7.46% power-conversion efficiency after processing at 150°C.
- Its performance was comparable to that of a pristine TiO₂ control sintered at 450°C.
- Higher tin loading or processing temperature reduced performance through restricted charge transfer and trap formation.
2. A Hierarchical Oxide/MXene Counter Electrode without Platinum
- A ZnO/NiCo₂O₄/Nb₂C MXene composite counter electrode was prepared by a hydrothermal method.
- X-ray diffraction confirmed formation of the three material components.
- Nb₂C MXene improved electrical conductivity and accelerated electron-transfer kinetics at the electrode–electrolyte interface.
- Catalytic metal oxides and conductive MXene produced a synergistic effect.
- The optimized DSSC reached a power-conversion efficiency of 8.08% under standard illumination.
- The performance was comparable to that of platinum-based DSSCs, supporting its potential as a lower-cost counter electrode.
3. Waste-Newspaper Carbon Aerogel and Natural Dyes
- Waste newspaper was converted into a carbon aerogel with high porosity, large surface area, and electrical conductivity.
- The carbon aerogel served as a platinum-free counter electrode.
- A natural dye cocktail from mulberry, moss, and Cassia fistula flowers broadened the light-absorption range.
- A polymer electrolyte containing CMC and multiwalled carbon nanotubes supported stability and ion transport.
- The carbon-aerogel DSSC achieved 4.52% conversion efficiency, exceeding the 3.85% value of the platinum-based counterpart.
- Higher catalytic activity, lower charge-transfer resistance, and broader sunlight harvesting contributed to the improvement.
Overall Significance
Together, these studies show that DSSC improvement requires coordinated control of photoanode processing, counter-electrode catalysis, dye absorption, and electrolyte transport. Tin lowers the required photoanode temperature, the ZnO/NiCo₂O₄/Nb₂C composite reduces dependence on platinum, and waste-derived carbon with natural dyes presents a resource-conscious material strategy.
Potential applications include photovoltaics on temperature-sensitive substrates, lower-cost distributed power generation, and small devices operating under indoor light. Further development should evaluate large-area uniformity, long-term resistance to light, heat, and humidity, variability of natural materials, manufacturing cost, and end-of-life recovery.
References / 文献
- Khir, H.; Pandey, A. K.; Saidur, R.; Ahmad, M. S.; Samykano, M. Effective low-temperature TiO₂-based dye sensitised solar cell fabrication through tin sintering aid integration. Ceramics International 52(22) (2026), 39224–39236. DOI: 10.1016/j.ceramint.2026.06.378
- Cherupurakal, N.; Krishnapriya, R.; Kabeer, S.; Sangaraju, S. Hierarchical ZnO/NiCo₂O₄/Nb₂C: A Novel Counter Electrode for Platinum-Free Dye-Sensitized Solar Cells. ACS Omega (2026), Early Access. DOI: 10.1021/acsomega.6c07351
- Ojha, S. K.; Maurya, A.; Tripathi, S.; Bhardwaj, A. S.; Pooja, K.; Tripathi, M. Carbon Aerogel Derived from Waste Biomass as a High-Performance Counter Electrode in Natural Dye-Sensitized Solar Cells. Russian Journal of Applied Chemistry 99(8) (2026), 441–448. DOI: 10.1134/S1070427225601883
