色素増感太陽電池（DSSC）とは？ ー仕組み・材料・色素・測定・劣化ー

DSSC基礎シリーズ（まず読む）

要約
– DSSCは「色素が光を吸収 → TiO₂へ電子注入 → 外部回路 → 色素再生」という循環で発電します。

– 性能は主に Jsc（電流）・Voc（電圧）・FF（曲線形） で決まり、改善策はそれぞれ異なります。

– 研究・実装で効くのは 色素の吸着/凝集、界面の再結合抑制、封止と安定性 の管理です。

1. DSSCのしくみ（5ステップ）

  1. 光吸収：色素が光を吸収して励起状態に
  2. 電子注入：励起色素からTiO₂へ電子が移動
  3. 電流として取り出す：電子が外部回路を流れて仕事をする
  4. 色素再生：電解液（酸化還元対）が色素に電子を戻す
  5. 酸化還元対の再生：対極で触媒反応が進み循環が閉じる

📌 図1 挿入位置（模式図）


– FTO/ITO（透明導電膜）
– TiO₂多孔質膜
– 色素吸着層
– 電解液（レドックス）
– 対極（触媒）

2. 主要材料（役割まとめ）

  • 透明導電膜（FTO/ITO）：電流を集める基板
  • 酸化物半導体（TiO₂など）：電子が走る“道”＋色素の足場
  • 色素（Dye）：光を吸って電子を作る主役
  • 電解液（I⁻/I₃⁻やCo錯体など）：色素の再生役（レドックス）
  • 対極（Pt、カーボンなど）：電解液側の反応を促進
  • 封止材：長期安定性を左右（漏れ・水分・酸素）

3. 性能指標（ここだけ覚える）

  • Jsc：短絡電流密度（光→電子生成が多いほど増える）
  • Voc：開放電圧（再結合が少ないほど上がりやすい）
  • FF：曲線の形（抵抗や反応速度が悪いと落ちる）
  • 変換効率 η：概ね η = Jsc × Voc × FF / 入射光 で決まる

📌 図2 挿入位置（JVカーブ）

4. よくある“つまずき”と原因

4-1. 色素がうまく吸着しない／薄い

  • TiO₂表面状態、溶媒、浸漬時間、濃度、添加剤の影響
  • 表面の水分・汚れでも変化が大きい

4-2. 色素が凝集して性能が落ちる

  • 吸収が伸びても 電子注入・再結合 のバランスで悪化することがある
  • 対策例：共吸着剤、濃度/溶媒最適化、表面修飾（CD系など）

4-3. Vocが伸びない（再結合が強い）

  • TiO₂表面欠陥、電解液組成、界面設計が原因になりやすい
  • 対策例：表面処理、添加剤、電解液系の見直し

4-4. すぐ劣化する（安定性）

  • 封止不良（漏れ）、水分・酸素侵入、紫外光・熱
  • 対策例：封止、遮光、材料選定、温度管理

5. 測定・評価（最低限のセット）

  • IV測定（AM1.5/室内光）：Jsc/Voc/FF/η
  • IPCE（分光感度）：どの波長が効いているか
  • 吸収スペクトル：色素吸着量や凝集の目安
  • EIS（インピーダンス）：抵抗・再結合の解析
  • 過渡吸収（TA）：電子移動・寿命の理解（研究向け）

6. 改善の考え方（どこをいじる？）

  • Jscを上げる：光吸収（色素・共増感）、電子注入、光散乱、膜構造
  • Vocを上げる：再結合抑制（表面修飾、電解液、界面）
  • FFを上げる：抵抗低減（電極・配線）、対極触媒、電解液拡散

7. 次に読む（内部リンク：実リンク）

入門・全体像

  • DSSCをやさしく理解する（入門）
    https://haralab.com/dssc%ef%bc%88%e8%89%b2%e7%b4%a0%e5%a2%97%e6%84%9f%e5%a4%aa%e9%99%bd%e9%9b%bb%e6%b1%a0%ef%bc%89%e3%82%92%e3%82%84%e3%81%95%e3%81%97%e3%81%8f%e7%90%86%e8%a7%a3%e3%81%99%e3%82%8b/
  • DSSCの基礎と電子移動のはたらき（仕組み寄り）
    https://haralab.com/%e8%89%b2%e7%b4%a0%e5%a2%97%e6%84%9f%e5%a4%aa%e9%99%bd%e9%9b%bb%e6%b1%a0%ef%bc%88dssc%ef%bc%89%e3%81%ae%e5%9f%ba%e7%a4%8e%e3%81%a8%e9%9b%bb%e5%ad%90%e7%a7%bb%e5%8b%95%e3%81%ae%e3%81%af%e3%81%9f/

研究フロント（最近の流れ）

  • DSSC最前線（室内高効率・固体電解質・色素など）
    https://haralab.com/dssc%e6%9c%80%e5%89%8d%e7%b7%9a%ef%bc%882025-12-2026-03%ef%bc%89%ef%bc%9a%e5%ae%a4%e5%86%85%e9%ab%98%e5%8a%b9%e7%8e%87%e3%83%bb%e5%9b%ba%e4%bd%93%e9%9b%bb%e8%a7%a3%e8%b3%aa%e3%83%bb%e8%89%b2%e7%b4%a0/

論文まとめ（Selected Papers）

  • DSSC関連論文（3本まとめ）
    https://haralab.com/dsscs20260201%ef%bc%9adssc%ef%bc%88%e8%89%b2%e7%b4%a0%e5%a2%97%e6%84%9f%e5%a4%aa%e9%99%bd%e9%9b%bb%e6%b1%a0%ef%bc%89%e9%96%a2%e9%80%a3%e8%ab%96%e6%96%87-3%e6%9c%ac/
  • YD2 Classic（DSSC）Selected Papers
    https://haralab.com/%e8%ab%96%e6%96%87%e8%a6%81%e7%b4%84%ef%bc%9adssc-yd2-classic-selected-papers-2/
  • スピロピラン（DSSC）Selected Papers（光応答トピック）
    https://haralab.com/%e8%ab%96%e6%96%87%e8%a6%81%e7%b4%84%ef%bc%9adssc-spiropyran-selected-papers/
  • Transient Absorption（DSSC）Selected Papers（過渡吸収/速度論）
    https://haralab.com/%e8%ab%96%e6%96%87%e8%a6%81%e7%b4%84%ef%bc%9adssc-transient-absorption-spectroscopy-frontier-selected-papers/

周辺知識（必要な人だけ）

  • FRET（フォレスター共鳴エネルギー移動）とは？
    https://haralab.com/fret%ef%bc%88%e3%83%95%e3%82%a9%e3%83%ac%e3%82%b9%e3%82%bf%e3%83%bc%e5%85%b1%e9%b3%b4%e3%82%a8%e3%83%8d%e3%83%ab%e3%82%ae%e7%a7%bb%e5%8b%95%ef%bc%89%e3%81%a8%e3%81%af%ef%bc%9f/

8. FAQ（検索に強い）

Q. DSSCはなぜ室内光で有利と言われる？
A. 色素の吸収特性やデバイス構造によって、弱い光でも電流が出やすい設計が可能です（材料・条件に依存します）。

Q. 色素を変えると何が一番変わる？
A. 吸収帯（どの光を拾うか）と、TiO₂への電子注入効率・再結合のバランスが大きく変わります。

Q. まず改善するならJscとVocどっち？
A. 測定結果次第です。Jscが低いなら光吸収/注入、Vocが低いなら再結合抑制を優先します。

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