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Development of photovoltaics using plasmonic compound nanoparticles with controlled dopant distribution

Research Project

Project/Area Number 21K14703
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

Akiyoshi Kazutaka  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70865980)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Keywords半導体量子ドット / 金属ナノ粒子 / 光圧 / 光トラッピング / プラズモン共鳴 / 薄層クロマトグラフィー / イオン液体 / 金属スパッタリング / ドーパント / イオン液体/金属スパッタリング / プラズモン薄層クロマトグラフィ / プラズモン誘起電荷分離
Outline of Research at the Start

近年、太陽光エネルギーの約半分を占める赤外光の有効利用が重要視されており、プラズモン共鳴を示す化合物ナノ粒子を用いた光電変換材料が注目されている。これは、酸素欠陥やドーピングする元素の量や分布に応じて、可視から赤外域の広範囲で光吸収を容易に制御できる。しかし、液相化学還元で粒子合成する場合、ドーパントが混在した状態で得られることも多く、電子移動の低下を招き、光電変換効率が低くなる課題が残されている。本研究では、化合物ナノ粒子のドーパント分布を制御した合成手法及び分離・精製を可能とする分析手法を確立し、その粒子を利用した高効率な光電変換素子の開発を目指す。

Outline of Final Research Achievements

We synthesized plasmonic metal oxide nanoparticles that exhibit strong absorption in the near-infrared region by controlling the oxidation state using an ionic liquid/metal sputtering technique and heat treatment. We also found a liquid-phase synthesis method for low-toxic Bi-based semiconductor quantum dots and that the absorption wavelength can be controlled over a wide range of visible and near-infrared regions depending on the particle size and composition. We succeeded in developing near-infrared light-responsive photovoltaics by using their nanoparticles. Furthermore, we succeeded in developing a new analytical method called plasmonic thin-layer chromatography that selectively separates particles based on the optical properties of target substances by utilizing the difference in light pressure that increases depending on the intensity and wavelength of the irradiated light.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

作製したプラズモニック金属酸化物ナノ粒子および低毒性元素で構成されるBi系半導体量子ドットは太陽光中でエネルギー利用が難しかった近赤外域で光エネルギーを利用できることから、可視域で高い光エネルギー変換効率を示す材料と組み合わせることで、高効率な太陽電池への応用が期待できる。また、プラズモンTLC法では、従来のTLC法では不可能であった粒子の光学特性に応じた選択的分離を可能とするとともに、従来の光ピンセットのように高価で高出力なレーザー光(kW~MW/cm2)が必要なく、LED光などのより低い光強度(W/cm2)で物質を光捕捉できるため、簡便かつ汎用性が高く、市場価値が高い技術として期待される。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (39 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 2 results) Remarks (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Development of Cu-In-Ga-S quantum dots with a narrow emission peak for red electroluminescence2023

    • Author(s)
      Jiang Chang、Tozawa Makoto、Akiyoshi Kazutaka、Kameyama Tatsuya、Yamamoto Takahisa、Motomura Genichi、Fujisaki Yoshihide、Uematsu Taro、Kuwabata Susumu、Torimoto Tsukasa
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 158 Issue: 16 Pages: 164708-164708

    • DOI

      10.1063/5.0144271

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    • Author(s)
      秋吉 一孝, 立間 徹, 鳥本 司
    • Journal Title

      光化学

      Volume: 53 Pages: 33-36

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      Torimoto Tsukasa、Yamaguchi Naoko、Maeda Yui、Akiyoshi Kazutaka、Kameyama Tatsuya、Nagai Tatsuya、Shoji Tatsuya、Yamane Hidemasa、Ishihara Hajime、Tsuboi Yasuyuki
    • Journal Title

      NPG Asia Materials

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 64-76

    • DOI

      10.1038/s41427-022-00414-3

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  • [Journal Article] Composition control of alloy nanoparticles consisting of bulk-immiscible Au and Rh metals via an ionic liquid/metal sputtering technique for improving their electrocatalytic activity2022

    • Author(s)
      Kazutaka Akiyoshi, Yumezo Watanabe, Tatsuya Kameyama, Tokuhisa Kawawaki, Yuichi Negishi, Susumu Kuwabata and Tsukasa Torimoto
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 39 Pages: 24335-24344

    • DOI

      10.1039/d2cp01461k

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      都澤 諒, 宮前 千恵, 秋吉 一孝, 亀山 達矢, 細貝 拓也, 佐藤 弘規, 大嶋 優輔, 鳥本 司
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      電気化学会第90回大会
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      劉一雄, 秋吉一孝, 亀山達矢, 桑畑進, 鳥本司
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      秋吉一孝, 前田結衣, 山口奈緒子, 亀山達矢, 坪井泰之, 石原一, 鳥本司
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      ナノ学会 第20回大会
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  • [Presentation] Ag-Bi-S系とBi-S系ナノ粒子のバンド構造制御と光電気化学特性2022

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      張 文韜, 秋吉一孝, 亀山達矢, 鳥本司
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      ナノ学会 第20回大会
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  • [Presentation] 金属スパッタリング蒸着によるコアシェル構造Au@Ni複合ナノ粒子膜の作製と尿素酸化活性2022

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      Kazutaka Akiyoshi, Yui Maeda, Naoko Yamaguchi, Tatsuya Kameyama, Yasuyuki Tsuboi, Hajime Ishihara, Tsukasa Torimoto
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      Kazutaka Akiyoshi, Yui Maeda, Naoko Yamaguchi, Tatsuya Kameyama, Yasuyuki Tsuboi, Hajime Ishihara, Tsukasa Torimoto
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  • [Presentation] Bi系多元金属硫化物量子ドットの液相化学合成と光化学特性評価2022

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      Kazutaka Akiyoshi, Wentao Zhang, Tatsuya Kameyama, Tsukasa Torimoto
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      劉一雄, 秋吉 一孝, 亀山達矢, 桑畑進, 鳥本司
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  • [Remarks] 光の力でナノ粒子を自在に選別 ~新原理のクロマトグラフィーで半導体ナノ粒子の自在な選別に成功~

    • URL

      https://www.nagoya-u.ac.jp/researchinfo/result/2022/07/post-294.html

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    • URL

      https://www.chem-station.com/blog/2022/09/tlc.html

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    • URL

      http://www.chembio.nagoya-u.ac.jp/labhp/physchem3/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 第1半導体ナノ粒子及びその製造方法、第2半導体ナノ粒子及びその製造方法、並びにバンドギャップ制御方法2023

    • Inventor(s)
      鳥本 司, 亀山 達矢, 秋吉 一孝, 江 暢
    • Industrial Property Rights Holder
      鳥本 司, 亀山 達矢, 秋吉 一孝, 江 暢
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-034498
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
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URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-01-30  

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