溶解析出・自己形成による太陽電池用ナノ微粒子酸化物光電極の作製

• Project/Area Number: 20656124
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Metal making engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 松尾 伸也 Osaka University, 大学院・工学研究科, 教授 (90029299)
• Project Period (FY): 2008 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,500,000); Fiscal Year 2009: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2008: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,600,000)
• Keywords: 太陽電池 / 光電極 / 自己形成 / セラミックス / 銅酸化物 / チタン酸化物

Research Abstract

本研究の目的は色素増感太陽電池への応用を念頭に、酸化物半導体の溶解析出による自己形成の機構を用いたPN接合を目指して、銅系酸化物のナノ粒子およびチタン系酸化物のナノ粒子の析出の機構を検討することである。母相としてxGeO_2-(1-x)ZrO_2系(x>0.5)の種々の組成にCuOおよびTiO_2酸化物を添加した試料について、Cu系複合酸化物およびTi系複合酸化物の溶解と析出現象を調べた。CuOの溶解は母相xの全組成範囲で焼鈍するだけでは認められなかった。さらに第3、第4の元素としてPrとSnを添加して700から1000℃で酸化と還元を繰り返すとCuOは次第に母相内に細かく分散することが分かった。しかしCuOについて完全なる溶解とその状態からの析出を達成することはできなかった。TiO_2の場合にはCe-Zr-O系母相との間にCe_2Ti_2O_7,Ce_2TiO_5,あるいはCe_2TiO_6なる化合物を形成して溶解しないことが分かっている。しかし、Pr酸化物をわずかに添加した特定の母相組成においてCuOを添加した試料では、焼鈍した後に1000～1100℃で水素還元するとTiイオンは完全に母相に溶解することを見出した。還元によりCuOはCuに還元されて細かく分散していた。その後の酸素雰囲気下での酸化挙動を温度を500℃から1100℃まで変化させて調べると、Tiの複合酸化物の析出は800℃近傍で始まり、CuOとの微細な混合状態が得られた。1100℃まで上昇させる複合酸化物は複雑となりTi、Pr、Ceを含む酸化物になった。TiO_2とCuOのシンプルな微細混合状態を達成するには詳細な実験条件を詰める必要がある。これらのTi複合酸化物とCuOが混在して析出した試料にルテニウム色素を吸着させて光電流の測定を試みたが電流は極微量しか流れなかった。酸化物の溶解と析出によるナノ粒子の接合の可能性は本研究を通して示すことができたが、母相との間での複合化合物が生じる問題は今後に克服されるべきであることが明らかとなった。