Creation of size-specific nanoparticle-containing, high-efficiency, low-cost, disposable organic and inorganic thin-film solar cells
| Project/Area Number |
22K14717
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology (2023)
Oyama National College of Technology (2022) |
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Principal Investigator |
植田 泰之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 博士研究員 (90879727)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 有機薄膜太陽電池 / 有機太陽電池 / 無機太陽電池 / 有機無機複合材料 / 有機無機太陽電池 / 発電高分子 / 酸化物半導体 / 全塗布型太陽電池 / 有機無機複合太陽電池 / 有機エレクトロニクス / 発電素子 |
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| Outline of Research at the Start |
有機材料を含む有機系および有機無機複合太陽電池は、従来の無機系太陽電池とは異なる用途展開が期待でき、実用化に向けた取り組みが国内外で進められている。しかしながら、効率、プロセスおよび材料コスト、寿命、安全性等の理由で市場へは浸透していない。そこで本研究では、亜鉛酸化物(ZnO)のサイズ別ナノ粒子をモルフォロジーとキャリア移動度の制御に援用した「革新的電荷マネージメント層」の創製により、申請者がこれまでに研究を行っている導電性有機材料及び有機無機複合太陽電池の特徴を融合した、高効率・低コスト・無毒な塗布型太陽電池の開発を目的とし、将来、本分野の普及推進に資する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機物と無機物を複合したハイブリット薄膜太陽電池の低コスト、且つ高透過性を有する全塗布型有機無機太陽電池の開発を目的としている。昨年度は、n 型半導体に亜鉛酸化物を用いた電荷輸送層の相分離構造制御による電化分離/高効率化を中心に研究を実施した。結果、 p型半導体高分子としてP3HTもしくはPEDOTFをドナー材料、アクセプター材料として無機酸化物半導体を用いて、太陽電池素子を作製し、電荷分離及び電荷輸送が発現することを確認した。しかし、アクセプターとなる無機酸化物の相分離構造の煩雑さとエネルギーレベルが原因と考えられる短絡電流密度の低下が見られた。そこで本年度は、アクセプター材料の見直しと合成に関して検討を実施した。まず初めに、キャリア輸送とサイズ制御が可能なナノ粒子として量子ドットを検討した。量子ドットはナノサイズの粒子であり、その粒子サイズを化学反応を用いて簡便に制御できることに加え、粒子サイズに応じた蛍光発光特性を制御することが可能なナノ粒子の総称である。まず、中心金属としてGa, Se, Agを含む3種類の量子ドットの合成検討を行った。結果として、反応温度・時間・試薬の等量比を検討することにより対応する粒子径へと制御することに成功した。次に、得られた各種量子ドット/チタンアルコキシドとP3HTの組み合わせの薄膜太陽電池を作成した。結果として、亜鉛酸化物を使用した場合の相分離構造よりも細かい相分離構造を形成していることがSEM観察を行うことで明らかにした。さらに、開放電圧の向上も見られた。しかし、3種類の量子ドットを用いた太陽電池サンプルは解放電圧と変換効率が安定せず電荷分離の効率が下がっていることが懸念された。今後は、より効率的な電荷輸送が可能となる相分離構造を形成できるナノ粒子の組み合わせの検討を行い、高効率化を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画である酸化物半導体と発電高分子から形成される系で電荷分離を確認することができたが、適切な相分離構造を形成するための制御が困難であった。そこで代替となる新規材料として複数金属含有のナノ粒子を合成して得られた材料を随時検討を進めている。適切なサイズと対応する相分離構造の分析が煩雑であるため種々分析方法を検討中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
複数金属含有ナノ粒子のサイズ別合成法の検討に加え、p型との適切な素材・サイズのナノ粒子の検討を進める。具体的には、Ag, Fe, Siのナノ粒子で検討を実施する。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
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[Presentation] Morphology Control of Organic-Inorganic Hybrid Materials for Thin Film Bulk-Heterojunction Solar Cell based on Metal-alkoxide2023
Author(s)
K. Iwakami, N. Hatsugai, T. Kato, Y. Ueda, K. Nishii, K. Tokumaru, K. Ogata, H. Kanematsu, T. Kanbara, J. Kuwabara, Y. Asai, T. Fukumoto.
Organizer
The 1st KOSEN Research International Symposium
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Int'l Joint Research
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