[論文レビュー] Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides-Based Counter Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells

Eric J. Singh, Ki Seok Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2017

Advanced Photocatalysis Techniques参考文献 274被引用数 3

ひとこと要約

本レビューでは、MoS2、WS2、CoSe2 などの2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) が、染料感光型太陽電池 (DSSCs) の低コストで白金フリーのカソード電極 (CEs) としての可能性を検討する。TMDベースのCEs、特にニッケルフォーム上に形成されたCoSe2/カーボンナノクローブウォールは、10.46%の発電変換効率 (PCE) を達成し、従来のPtベースのCEs (8.25%) を上回ることを示した。これは、高性能で低コストのDSSCsへの応用可能性を示している。

ABSTRACT

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are gaining considerable interest as alternatives to the semiconductor-based thin film solar cells. The noble metal platinum (Pt) is conventionally used as counter electrode (CE) material for fabricating DSSCs. Since Pt is expensive and scarce, new materials have been explored to develop cost-effective Pt-free counter electrodes for DSSCs. Two-dimensional (2D) graphene-based counter electrodes have achieved the highest known power conversion efficiency (η) of 13%, which has stimulated research activities in 2D layered transition metal dichalcogenides (TMDs) for developing Pt-free DSSCs. In this review, progress made on alternative counter electrodes for fabricating low-cost Pt-free DSSCs, based on earth-abundant 2D TMDs including MoS2, WS2, TiS2, FeS2, CoS2, NiS2, SnS2, MoSe2, NbSe2, TaSe2, NiSe2, FeSe2, CoSe2, Bi2Se3 and their based composites, are discussed and summarized. Also, the considerable progress made on thin films of MoS2 and MoS2 based carbon, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers (CNFs), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) composites as efficient counter electrodes (CEs) for DSSCs are discussed, in terms of their electrochemical and photovoltaic properties. At present, PCE values higher than that of standard Pt CE have been recorded for a number of TMD-based CEs, which include MoS2 and MoSe2/thin films deposited on Mo foil, MoS2/CNTs, MoS2/graphene, MoS2/carbon, MoSe2/PEDOT:PSS, NbSe2, FeS2, FeSe2 nanosheets, TiS2/graphene, and NiS2/graphene hybrid systems in DSSCs, for the reduction of triiodide (I3-) to iodide (I-). The highest PCE (η=10.46%) versus Pt CE (η=8.25%) at 1 Sun (100 mW/cm2, AM 1.5G) was measured for DSSCs having a low cost and flexible CoSe2/carbon-nanoclimbing wall counter electrode deposited on a nickel foam.

研究の動機と目的

• 地球に豊富に存在する2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) が、DSSCのカソード電極における貴金属白金の代替として実現可能であるかを特定し、評価すること。
• 白金の高コストと希少性を解消するため、低コストで柔軟性があり、効率的なPtフリーのカソード電極をDSSCsに開発すること。
• TMDベースのカソード電極の電気化学的および発電特性を分析すること。具体的には、カーボン材料、グラフェン、カーボンナノチューブ (CNTs)、PEDOT:PSS と組み合わせた複合材料を含む。
• 最近の薄膜TMDおよびそのハイブリッド系の進展を要約し、DSSCsにおけるトリヨウド化物の還元反応に焦点を当てる。
• 標準的なPtベースのカソード電極と比較して、TMDベースのカソード電極の発電変換効率 (PCE) をベンチマーク化すること。

提案手法

• MoS2、WS2、FeS2、CoSe2、NbSe2 などの2次元TMDsがDSSCsのカソード電極としての研究について、実験的および理論的知見を体系的にレビュー・統合すること。
• TMDベースのカソード電極の電気化学的特性、特に触媒活性、電荷移動キネティクス、電気化学的安定性を評価すること。
• AM 1.5G照明下での発電特性評価指標（PCE、オープン・クルーシング電圧 (Voc)、ショート・サーキット電流 (Jsc)、フィル・ファクター (FF)）を分析すること。
• 導電性材料（カーボンナノチューブ (CNTs)、グラフェン、カーボンナノファイバー (CNFs)、PEDOT:PSS）とTMDsを組み合わせた複合構造の研究を行い、導電性および触媒活性を向上させること。
• モリブデン箔やニッケルフォームなどの柔軟基板に薄膜堆積技術を用いて、柔軟性があり低コストなDSSCの製造を可能にすること。
• 標準試験条件（100 mW/cm²、AM 1.5G）下で、TMDベースのカソード電極のPCE値を標準的なPtベースのカソード電極と比較してベンチマーク化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球に豊富に存在する2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) は、従来の白金ベースのカソード電極を上回る発電変換効率 (PCE) をDSSCsで達成できるか？
• RQ2 TMDベースのカソード電極の電気化学的特性、特にトリヨウド化物還元反応における触媒活性が、DSSCs全体の発電性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 TMDsとグラフェン、CNTs、またはPEDOT:PSS との複合構造が、PtフリーDSSCsの効率および安定性に与える影響は何か？
• RQ4 どのTMDベースのカソード電極構造が最高の発電変換効率を示し、その優れた性能を支える構造的または成分的特徴は何か？
• RQ5 柔軟性があり低コストなTMDベースのカソード電極は、実用的なDSSC応用において、剛性で高価なPtベースのカソード電極にどの程度置き換え可能か？

主な発見

• ニッケルフォーム上に堆積されたCoSe2/カーボンナノクローブウォールカソード電極は、1Sun照明（100 mW/cm²、AM 1.5G）下で記録的な発電変換効率 (PCE) 10.46%を達成し、標準的なPtベースのカソード電極（8.25%）を上回った。
• Mo箔上に形成されたMoS2およびMoSe2の薄膜は、Ptベースのカソード電極を上回るPCEを示し、効率的で低コストなカソード電極材料としての実現可能性を確認した。
• MoS2/CNTs、MoS2/グラフェン、MoS2/カーボン、MoSe2/PEDOT:PSS、TiS2/グラフェン、NiS2/グラフェン などのハイブリッド系は、TMDsと導電性カーボン材料との相乗効果により、触媒活性が向上し、PCEが向上した。
• NbSe2およびFeS2のナノスケールは、特定の構成下でPtを上回るPCEを示し、有望な電気化学的性能を示した。
• ニッケルフォームなどの柔軟基板の使用により、軽量で曲げ可能なDSSCsの作製が可能となり、大規模で低コストな太陽電池技術への応用可能性が示された。
• 検討されたTMDsの中で、CoSe2ベースの複合材料が最も高い効率を示し、これはI3-還元反応における優れた電気伝導性と高い触媒活性に起因するとされた。