グレッツェルのTiO2スポンジが一分子層の色素で7%の太陽電池を実現した

1991年のNature論文は衝撃的な数字で始まった。市販の太陽電池による電力は従来の発電より約10倍高コストだった。色素増感は古いアイデアだった——1970年代初頭には酸化亜鉛電極上のクロロフィルが光子から電気への変換を示していた——が、平坦な電極は色素の単分子層しか保持できず、入射光の約1%しか吸収しない。このアプローチ全体は絶望的に見えた。

1988年にUCバークレーで共にこの研究を始めたブライアン・オレガンとマイケル・グレッツェルは、化学ではなく幾何構造を変えた。数ナノメートル径の二酸化チタン粒子からなる厚さ10µmの光学的に透明な膜を作り、約1,000倍の表面積を持つスポンジ状に焼結し、その内部表面を電荷移動色素の単分子層で覆った。この一分子層が今や入射太陽エネルギー束の46%を集め、80%超の光子-電流効率でTiO2伝導帯に電子を注入し、ヨウ化物電解質によって再生された。

このセルは模擬太陽光の7.1–7.9%——1991年としては商業的に現実的——および拡散昼光の12%を変換し、12 mA/cm²を超える電流を持続し、分解することなく少なくとも500万回のターンオーバーに耐えた。電子は接合界面を横切るのではなくバルク伝導帯を通って移動するため、半導体は低純度で安価にできた。論文自身の表現は「低コストプロセスを通じて低〜中純度材料から作られた」セルだった。

光吸収を電荷輸送から分離した

シリコンPVは超高純度結晶と接合級の加工がコストを支配したため、大量発電から価格的に排除されていた。色素セルは安価で不完全な材料を許容するように設計された。

ボトルネックは化学ではなく吸収だった。単分子層は光をそれほど多く捕らえないため、千倍の表面積増加が新しい色素なしに20年間の失敗を解決した。

電荷分離は色素がTiO2の伝導帯に電子を注入した瞬間、再結合より先に起こる——分子デバイスがp–n接合と競合できる物理である。

ヨウ化物電解質が退色した色素を継続的に復元するため、安定性は再生化学から生まれた。光分解ではなく一分子あたり500万回のターンオーバーである。

構成要素が高価または脆弱な場合、その役割を構造の役割から切り離す。一分子層が吸収し、安価なバルクが伝導する。ナノスケールの粗さがその切り離しをデバイスに変える。

1991年の論文は太陽光発電で最も引用されたものの一つとなり（Nature自身のページで27,000件の引用）、世界的なグレッツェルセル分野を生んだ。発電所でシリコンを置き換えることはなかった——電解質の安定性と建築一体型が要求する25年の寿命は困難なままで、商用DSSCは携帯用や室内光充電器などのニッチに落ち着いた。最も深い遺産は建築的である。2010年代に最も急速に改善した太陽光技術であるペロブスカイト太陽電池は、同じメソポーラスTiO2スポンジに塗られたペロブスカイト「色素」として始まった。