【DSSC】Peccell Technologies於染料敏化型太陽能電池產品開發動向

本專欄專門介紹日本「染料敏化型太陽能電池專利技術」概況，刊出時間非常不定，還請讀者多多注意Tnet動態。系列文章分為六大部分，如果您想瞭解其架構，還請參考一下系列報導的首篇文章。概略的說，如果您想知道些早期的DSSC商品，可以參考一下第一部份002～003。如果您想瞭解太陽能基礎知識，可參考004～016。如果想直接瞭解DSSC的技術發展介紹，那還請直接進入017～038篇報導，042開始介紹的是專利整體申請概況，056則正式進入各技術領域專利地圖分析，088起更進一步分析已拿到專利權的專利地圖分布情況。至於本系列報導最為重要的關鍵核心專利分析也自110篇起介紹過了。
目前專欄正進入探討廠商、機構在DSSC技術在產品開發應用上的情況，讀者可趁機觀察一下DSSC到底未來有沒有實用性與市場性，有興趣的讀者可以追一下報導。
再重申一下，這個專題系列報導沒有任何評論與建議，只是很實在的用文字圖表來做文獻彙整與資料分析介紹，解讀要靠各位讀者自己去發展。專利上的分析採用封閉式的限定檢索時間範圍，所以您看不到近期的專利情況，也請大家要有資料很舊的心理準備。各篇文章會儘量附上原始的文檔(附件)給需要的讀者下載，惟專利分析上所附的原始資料多數是日文資料，這點還請各位讀者見諒。
接下來就開始我們的「染料敏化型太陽能電池」專題系列報導旅程了。目前系列報導的進度在DSSC技術商品化上，今天登場的是日本Peccell Technologies的產品開發動向。

染料敏化型太陽能電池專題系列(六)  144
DSSC技術發展與應用-主要廠商產品開發動向：Peccell Technologies

紡織所 產業服務與資訊部
黃玲娉

Peccell Technologies是桐蔭橫濱大學的衍生公司(備註1)，開業於2004年，早期擔任社長的宮?力先生原就是大學研究團隊的教授，公司的營運目的是要把大學李的基礎研究成果、技術專利加以商品化。此公司在日本業界相當的活躍，算是政府輔導的成功案例。
成立初期的Peccell公司的股份結構(備註2)如下：桐蔭橫濱大學43%、宮?力11%、昭和電工(備註3)11%、小島化學藥品(備註4) 11%、藤森工業(備註5) 11%。目前與Peccell策略聯盟的公司有昭和電工、帝人、Teijin DuPont Films(備註6)等等，產品開發集中於塑膠薄膜型染料敏化型太陽能電池，以及儀器設備開發。

早期 Peccell所販售的12公分見方的面板模組，基板使用PET(polyethylene terephthalate)，可撓式電池的輸出電壓有4V 以上(與鋰電池電壓相當)、輸出電流0.1A 以上，光電轉換率為4.3～5.2 %。剛開始6個單電池串聯成的模組，生產成本約為700日元，在改用其他合金來取代高價白金電極後，成本已有所降低，2006年供應樣品時，生產成本降控制在300日元左右。最近，Peccell進一步改良合成方法，把1克約10萬日元的昂貴染料成本降至2萬日元。目前日本桐蔭橫濱大學實驗室內所開發的可撓式電池，光電轉換率超過6 %(備註7)。

Peccell 的電池以低溫成膜著稱(150度)，但卻不使用一般常用的糊料(binder)，而是利用二種不同粒徑的二氧化鈦(based on low-temperature TiO2 electrode preparation technology)與染料來降低成本與量產，目前已知糊料購自昭和電工(備註8)，然後再自行特殊設計加工，其技術關鍵在於確保薄膜內實現平穩的電子流和電解質擴散傳輸。

2004年Peccell發表能蓄電的染料敏化技術，其蓄電機能來自於活性碳與氧化鈦積層，光發電的同時也進行蓄電。太陽電池電解液內摻有Peccell開發的photocapacitor(備註9)，而不使用傳統的碘作為氧化還原劑。嚴格的說，為二層式濕式蓄電型太陽電池。目前photocapacitor有二電極式與三電極式兩種。此電池在弱光下光電容器效率是傳統基於矽太陽能電池的2倍，另外，也能利用間接陽光如陰天或雨天，甚至室內光來發電，而且能隨時釋出電能。原型電池電壓0.7伏特，連接18個電池可產生12伏特電壓。除了傳統濕式外，Peccell也發展利用固體導電材料作為電荷輸送層的全固體型DSSC。

2005年9月Peccell於愛知萬國博覽會場內，Peccell於會場內設置了個展示用DSSC模組，成功維持LED電嵌板的電源超過一年。單電池規格為300×17mm，面板為30公分見方模組(10個單電池直列、最大電壓7.2V)，其實除了宣傳展示外，產品戶外耐久性測試意味濃厚。2006年Peccell也開始販售材料、零件與測試儀器，2008年起開始針對學童販售簡單DIY電池組，能利用紅茶、洛神花等發電，深具教育意義。

008年2月27～29日，第一屆國際太陽電池展(PV EXPO 2008)中，Peccell與藤森工業、昭和電工共同展出薄膜型電池。此電池面積相當大，有210 cm×80 cm，使用塑膠薄膜，個別元件寬0.8m，長2.1m，厚0.5mm，重量只有800g/m2。在會場上標榜其為世界上尺寸最大、重量最輕的染料敏化型太陽能電池。
此電池面板是Peccell與昭和電工共同開發了用於二氧化鈦薄膜的低溫粘結劑，又與藤森工業合作開發了ITO-PET導電薄膜的成果。資料顯示，即使在室內此電池輸出電壓100V以上，光電轉換率有3%，在基板表面經過封裝處理狀況下，可維持5000～6000小時(＋50～＋60℃間連續運作時)，若不連續發電，則有五年壽命。初期產品設定在提高模組光電轉換率8%，降低價格至每平方公尺1萬日圓，每瓦發電成本120日圓，預定2009年度起量產，並以年產1MW為目標。

為了開發大尺寸化電池，Peccell還特別設計新的成膜技術與透明導電膜，採常溫印刷塗布二氧化鈦糊料，乾燥後形成多孔質膜，膜厚約15μm。不需要真空設備或高溫燒結。再將上採用低電阻的透明導電膜roll to roll方式生產，可降低不少成本。
最近Peccell1不但推出鑲有H163mm×W103mm×D59mm的DSSC的iPod充電器，也與日本非常有名的成衣商Gunze(備註10)合作推出鑲有DSSC的能源紡織品。

Peccell 在PV EXPO2008展出的iPod充電器重342公克，只要讓DSSC在日光下照射一小時便能開使充電。至於與Gunze合作的能源紡織品，首度亮相於2008年，2009 FC EXPO也公開展示其背心型夾克。另外，在Printable Electronics 2009展覽會上(備註11)，以桐蔭橫濱大學宮?研究室的名義，展出以銀為集電電極、印刷方式製成的DSSC。

2009 年宮?力教授發表 CH3NH3PbI3 鈣鈦礦材料用於染料敏化太陽能電池的相關論文(備註22)，引起一陣騷動。當時的發想是簡單的將染料替換成鈣鈦礦材料，搭配二氧化鈦及液態電解質，形成類似固態的DSSC，此舉開啟了鈣鈦礦太陽能電池的研究。當時能量轉換效率雖有 3.8%，但電解液與鈣鈦礦之反應速度過快，使得效期短且不夠穩定。2012年宮?教授研究團隊進一步發表以氧化鋁為介質的論文(備註23)。

Peccell的DSSC試作品(使用PET基板) (備註12)
 

 
Peccell早期的DSSC面板(備註13)

 
Peccell ITO-PET低溫塗佈膜(2007年) (備註14)

 
 
Peccell可蓄電DSSC(備註15)

 
Peccell戶外測試中的DSSC(愛知萬國博覽會) (備註16)

   
Peccell簡單DSSC DIY電池組與單電池(備註17,18)

  
Peccell大型DSSC面板試做品(2006年) (備註19)

   
Peccell超大型DSSC(PV EXPO 2008) (備註20)
 

Peccell 開發的iPod充電器(備註21)

   
Peccell與Gunze合作開發的能源紡織品

  
Peccell販售的小學生學習用DSSC套組

Peccell的鈣鈦礦太陽電池(Perovskite Solar Cells)

Peccell販售的PEC-S20 IPCE Measurement Apparatus

  
Peccell販售的PEC-L12 Solar Simulator (JIS AAA)與PEC-L01 Portable Solar Simulator

備註：
1. Peccell Technologies, Inc.( ????????????株式?社),  http://www.peccell.com/
Peccell, based in Yokohama City and led by Prof. Tsutomu Miyasaka, Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Toin University of Yokohama, was established in March 2004 for the development of DSC-related technologies. Major shareholders include Toin University of Yokohama (34%), Prof. Miyasaka (11%), SDK (11%), Kojima Chemicals Co., Ltd. (11%) and Fujimori Kogyo Co., Ltd. (11%). Areas of business include R&D and sales of photon-to-electron conversion elements, their components, and optical functional materials, and performance evaluation tests to client speciifications.
2.昭和電工網站2004.9.15新聞, 高出力(4V)????型色素太陽電池?開發?????•????????成功─昭和電工?酸化???????開發?生??提?─
3.昭和電工株式會社(Showa Denko K.K.) http://www.sdk.co.jp/index.html
4.小島化學藥品株式會社(Kojima Chemicals Co.,LTD)  http://www.kojima-c.co.jp/
5.藤森工業株式會社(Fujimori Kogyo Co.,LTD.)   http://www.zacros.co.jp/index.html
6.Teijin DuPont Films Japan Limited(帝人????????),  http://www.teijindupontfilms.jp/english/index.html
7.Miyasaka T, Kijitori Y, Ikegami M. 16th International Conference of Photochemical Conversion and Solar Storage. Uppsala , Sweden , 2006.
8.昭和電工, Shoa Denko KK(SDK),  http://www.sdk.co.jp/html/english/index.html
9.日文：「光capacitor」, photocapacitor發光電容器
10.???株式會社(Gunze Limited)  http://www.gunze.co.jp/
11.Printable Electronics 2009(?????????????? 2009)2009.2.18～20, 東京???????展示??
12試作??PET?????基板?用??色素增感型太陽電池?試作品。約130mm×130mm、厚?500μm弱、質量17g。6??直列?接續?、出力?3.5V。赤紫?色素?色 
????, 太陽光下?出力電壓?3.4V???。2004年公開的8片組15公分見方薄膜式面板。4V級????色素太陽電池?????(???12cm×12 cm、厚?約500μm、重?15ｇ、最大 開回路電壓4.3V、0.25 sun????電流?約30mA)、?真?27W?光燈?照射下??電壓表示。 河合基伸, ????•???????, 12cm角?電壓?4V?色素增感型太陽電池?開發,日經BP社, 2004.09.15。
昭和電工網站新聞, 高出力(4V)????型色素太陽電池?開發?????•????????成功─昭和電工?酸化???????開發?生??提?─, ????????????株式會社、昭和電工株式會社, 2004.9.15
13.Masashi Ikegami, Material solutions for flexible plastic DSC technologies., Peccell Technologies, Japan
14.2007年Peccell公開的單電池與ITO-PET低溫塗佈膜。Mesoporous TiO2-coated ITO-PEN film as working electrode for dye-sensitization. The TiO2 layer shows high hardness against writing by pencil (upper) and ball-point pen (lower). Electrode thickness, 210 mm including 10 mm-thick TiO2 layer. Thin flexible body of carbon-based solid-state fullplastic DSC (device thickness, around 450 mm) constructed on ITO-PEN films.
Tsutomu Miyasaka, Nobuyuki Ikeda, Takurou N. Murakami, Kenjiro Teshima, Light Energy Conversion and Storage with Soft Carbonaceous Materials that Solidify Mesoscopic Electrochemical Interfaces , Chemistry Letters, Vol.36(4), 480-487, 2007
15.Peccell可蓄電染料敏化型太陽能電池與三電極型光capacitor斷面模式。2005.08.16朝日新聞日夕刊, 光蓄電???太陽電池(三電極型改良???)
16.????•???????、「透??曲??」太陽電池?耐久試驗始??, Nikkei Business Publications, Inc.
???????????狀色素增感太•陽電池(30cm×30cm)?試作?、??公開?耐久試驗?兼??愛•地球博(愛知萬博)會場內?屋外綠化壁「??????」?取?付??。2005年9月5日??愛知萬博?終了(2005年9月25日)??公開????。
17.Peccell簡單DIY電池組(PEC-TOM01), http://www.peccell.com/pectom/tomht01.html
18.Masashi Ikegami, Material solutions for flexible plastic DSC technologies., Peccell Technologies, Japan
19.2006年12月?試作??最新?????????DSC?????。4%??????率(????????最高?率)?達成。10??直列?集電構造?改善。
20.PV EXPO 2008會場中的電池面板與透明導電膜構造。
野澤哲生, 太陽電池展,大面積?色素增感太陽電池?續?-島根縣?大部分?印刷?製造, 日經BP社, 2008.02.27
Tsutomu Miyasaka, president of Peccell and a professor at Toin University of Yokohama holding the new dye-sensitized solar cell module. The module was obtained by connecting eight pieces of 10cm square panels with six embedded cells. The 2.1 x 0.8m solar cell module is reportedly composed of an array of these 10cm square panels. http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20080227/148136/?SS=imgview_e&FD=1521591393&ad_q
21.特集??????本番、日本?復權???？！ PART6桐蔭橫濱大學大學院工學研究科 宮?力教授??????(後編)色素增感太陽電池?持?味?最大限?引?出?-??????????化。
充電器?????明??、iPod?入???充電???  http://image.itmedia.co.jp/l/im/news/articles/0802/29/l_mmi_taiyou_03.jpg http://image.itmedia.co.jp/l/im/news/articles/0802/29/l_mmi_taiyou_04.jpg
「ipod」向?試作品?注目…國際太陽電池展?東京?開幕 , FujiSankei Business i. 2008/2/28
22.Akihiro Kojima†, Kenjiro Teshima‡, Yasuo Shirai§ and Tsutomu Miyasaka, Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells,J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (17), pp 6050–6051
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja809598r
23.A. Kojima, M. Ikegami, K. Teshima and T. Miyasaka, Highly Luminescent Lead Bromide Perovskite Nanoparticles Synthesized with Porous Alumina Media, Chem. Lett., 41, 397-399 (2012).