高光起電力を発生する化合半導体ヘテロ接合光電極による極低バイアス水分解

• Project Area: Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes
• Project/Area Number: 25107518
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 池田 茂 大阪大学, 太陽エネルギー化学研究センター, 准教授 (40312417)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2014: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2013: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 水の光分解 / 光電気化学セル / カルコゲナイド薄膜 / 水素発生 / 太陽エネルギー / 表面修飾 / 電極安定性 / pn接合

Outline of Annual Research Achievements

化合物半導体による水の光分解反応を太陽エネルギー変換の水準まで引き上げるには、固有吸収が可視光領域の多くをカバーするナロウギャップ半導体を利用することが不可欠である。研究代表者らはこれまでに、ナロウギャップp型半導体であるCuIn(Se,S)2（CIS）系化合物半導体薄膜が水分解の還元側（水素発生側）の光電極材料として有効であることを見出してきた。この系では、CIS系化合物薄膜表面にn型半導体層を積層させてp-nヘテロ接合を形成させ、さらにその表面にPt微粒子を添加することでバイアス下での水分解水素発生が効率よく進行する。このとき、必要なバイアス電圧の高さは、それらのp-nヘテロ接合をベースとして作製した太陽電池の開放電圧（VOC）が高いほど低くなる。すなわち、高VOCが得られるp-nヘテロ接合太陽電池が得られれば、低バイアス電圧あるいはバイアスフリーで水分解水素発生を進行し得る光カソードとなると期待される。本研究は、このようなアイデアに基づいて、新たなp-nヘテロ接合からなる水の光分解水素発生系を構築することを目的とする。
平成２６年度は、光吸収を担うCIS薄膜表面のラフネス制御および新規p型半導体薄膜のの開発に取り組んだ。その結果、表面ラフネスの増加による水分解効率の向上、および、Cu2ZnSnS4が新たな光吸収層として有望であることを見出した。前者は、当初予想していた通り、表面積増大によって反応サイトが増加したことによると考えられ、後者においては、これまでのCIS系電極に匹敵する大きな光電流が得られたことに加えて、電極安定性がきわめて高いことを明らかにした。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cu(In,Ga)(S,Se)2 Thin Film Solar Cell with 10.7 % Conversion Efficiency Obtained by Selenization of the Na-doped Spray-Pyrolyzed Sulfide Precursor Film (2015)
  • Author(s): Wilman Septina, Masaaki Kurihara, Shigeru Ikeda, Yasuhiro Nakajima, Toshiyuki Hirano, Yoshihito Kawasaki, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 7 Issue: 12 Pages: 6472-6479
  • DOI: 10.1021/am507684x
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photosplitting of Water from Wide-Gap Cu(In,Ga)S2 Thin Films Modified with a CdS Layer and Pt Nanoparticles for a High-Onset Potential Photocathode (2015)
  • Author(s): Wilman Septina, Gunawan, Shigeru Ikeda, Takashi Harada, Masanobu Higashi, Ryu Abe, Michio Matsumura
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: - Issue: 16 Pages: 8576-8583
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b02068
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fabrication of an Efficient Electrodeposited Cu2ZnSnS4-based Solar Cells with More than 6% Conversion Efficiency using a Sprayed Ga-doped ZnO Window Layer (2014)
  • Author(s): Feng Jiang, Shigeru Ikeda, Takashi Harada, Akiko Ide, Akiko Mochihara, Kenji Yoshino, Michio Matsumura
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 4 Issue: 46 Pages: 24351-24355
  • DOI: 10.1039/c4ra03857f
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Selective Production of CuSbS2, Cu3SbS3, and Cu3SbS4 Nanoparticles using a Hot Injection Protocol (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda, Shinji Sogawa, Yuji Tokai, Wilman Septina, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 4 Issue: 77 Pages: 40969-40972
  • DOI: 10.1039/c4ra07648f
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Platinum and Indium Sulfide-modified CuInS2 as Efficient Photocathodes for Photoelectrochemical Water Splitting (2014)
  • Author(s): Gunawan, Wilman Septina, *Shigeru Ikeda, Takashi Harada, Tsutomu Minegishi, Kazunari Domen, Michio Matsumura
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 50 Issue: 64 Pages: 8941-8943
  • DOI: 10.1039/c4cc03634d
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhancement of Solar Hydrogen Evolution from Water by Surface Modification with CdS and TiO2 on Porous CuInS2 Photocathodes Prepared by Electrodeposition-Sulfurization Method (2014)
  • Author(s): J. Zhao, T. Minegishi, L. Zhang, M. Zhong, Gunawan, M. Nakabayashi, G. Ma, T. Hisatomi, M. Katayama, S. Ikeda, N. Shibata, T. Yamada, K. Domen
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 53 Issue: 44 Pages: 11808-11812
  • DOI: 10.1002/anie.201406483
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pure Sulfide Cu2ZnSnS4 Thin Film Solar Cells Fabricated by Preheating an Electrodeposited Metallic Stack (2014)
  • Author(s): Feng. Jiang, Shigeru Ikeda, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Journal Title: Advanced Energy Materials Volume: 4 Issue: 7 Pages: 1301381-1301381
  • DOI: 10.1002/aenm.201301381
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Photoelectrochemical Water Splitting Using Modified Chalcogenide Phtocathodes (2015)
  • Author(s): 池田茂
  • Organizer: 大阪市立大学OCARINA年次総会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学学術情報総合センター（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-05
  • Invited
• [Presentation] Photoelectrochemical Hydrogen Production from Water using Pt- and In2S3-modified CuInS2 Electrodes (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda, Gunawan, Wilman Septina, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Organizer: 第24回日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 横浜市開港記念会館（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2014-12-10 – 2014-12-12
• [Presentation] Photoreduction of Water using Pt-In2S3/CuInS2 (2014)
  • Author(s): Gunawan, Shigeru Ikeda, Takashi Harada Michio Matsumura
  • Organizer: International Workshop for Young Researchers on Thin Film Compound Semiconductor Solar Cells
  • Place of Presentation: 龍谷大学響都ホ－ル（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-11-28
• [Presentation] Efficient H2 Production from Water Splitting using Modified CuInS2 Photocathodes (2014)
  • Author(s): Takashi Harada, Shigeru Ikeda, Gunawan, Wilman Septina, Michio Matsumura
  • Organizer: 2014 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場（兵庫県淡路市）
  • Year and Date: 2014-11-24 – 2014-11-28
• [Presentation] Relative Band Positions of Some Chalcogenide Photocathodes Estimated by a Facile Photoelectrochemical Method (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda, Wilman Septina, Gunawan, Feng Jiang, Shinji Sogawa, Yutaka Amao, Ryu Abe, Michio Matsumura
  • Organizer: 2014 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場（兵庫県淡路市）
  • Year and Date: 2014-11-24 – 2014-11-28
• [Presentation] Kesterite Thin Films Fabricated by using Electrodeposited Metallic Precursors (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda
  • Organizer: International Symposium on Photovoltaics
  • Place of Presentation: 釜山（韓国）
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-11
  • Invited
• [Presentation] Copper-chalcopyrite Thin Films Prepared by Spray Pyrolysis Method and Their Applications in Photovoltaic and Photoelectrochemical Water Splitting Systems (2014)
  • Author(s): Wilman Septina, Gunawan, Takashi Harada, Shigeru Ikeda, Michio Matsumura
  • Organizer: The Material Research Society of Indonesia Meeting
  • Place of Presentation: バリ（インドネシア）
  • Year and Date: 2014-09-26 – 2014-09-28
• [Presentation] In2S3で修飾したCuInS2薄膜電極による水の還元反応 (2014)
  • Author(s): 池田 茂, Gunawan, Wilman Septina, 原田隆史, 松村道雄
  • Organizer: 第114回触媒討論会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス（広島県東広島市）
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 電気化学測定を用いたカルコゲナイド薄膜のキャラクタリゼーション (2014)
  • Author(s): 池田 茂, Wilman Septina, 川崎義人, 峯元高志, 野瀬嘉太郎, 松村道雄
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋期学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Cu2ZnSnS4 Solar Cells Fabricated by an Electrochemical Technique (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda, Feng Jiang, Wilman Septina, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2014-09-08 – 2014-09-11
  • Invited
• [Presentation] カルコゲナイド薄膜の非真空成膜の動向 (2014)
  • Author(s): 池田茂
  • Organizer: 日本学術振興会産学協力研究委員会次世代の太陽光発電システム第175 委員会「化合物薄膜太化合物」薄膜太陽電池夏の学校2014
  • Place of Presentation: 龍谷大学響都ホ－ル（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-08-22
• [Presentation] Cu2ZnSnS4 Based Solar Cells by Non-vacuum Process (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda
  • Organizer: The 1st Korea-Japan Joint Workshop on Compound Semiconductor Based Solar Cells
  • Place of Presentation: ソウル（韓国）
  • Year and Date: 2014-07-31
  • Invited
• [Presentation] Photoelectrochemical Water Splitting using CdS-Modified Copper Chalcopyrite Thin Films Fabricated by Spray Pyrolysis (2014)
  • Author(s): Wilman Septina, Gunawan, Takashi Harada, Shigeru Ikeda, Michio Matsumura
  • Organizer: 7th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府京都市）
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06
• [Presentation] Investigation on Surface Modifications of Copper-Chalcopyrite Thin Films for Photochatodes in Photoelectrochemical Water Splitting (2014)
  • Author(s): Gunawan, Wilman Septina, Shigeru Ikeda, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Organizer: European Material Research Society (E-MRS) Spring Meeting 2014
  • Place of Presentation: リール（フランス）
  • Year and Date: 2014-05-27 – 2014-05-29
• [Presentation] ウェットプロセスによる化合物半導体薄膜の作製とその応用 (2014)
  • Author(s): 池田茂
  • Organizer: 新化学技術推進協会（JACI）先端化学・材料技術部会高選択性反応分科会講演会
  • Place of Presentation: 新化学技術推進協会会議室（東京都千代田区）
  • Year and Date: 2014-04-23
  • Invited
• [Presentation] 湿式法による半導体薄膜合成と溶液科学 (2014)
  • Author(s): 池田茂
  • Organizer: 2014年度第1回太陽光発電によるエネルギー創成・利用研究拠点・研究会
  • Place of Presentation: 立命館大学びわこ草津キャンパス（滋賀県草津市）
  • Year and Date: 2014-04-14
  • Invited
• [Presentation] P-TYPE CHALCOGENIDE THIN FILMS AS EFFICIENT ELECTRODE FOR WATER REDUCTION (2014)
  • Author(s): Shigeru Ikeda, Gunawan, Wilman Septina, Feng Jiang, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Organizer: International Conference on Hydrogen Production-2014
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Invited
• [Presentation] 電気化学製膜による高品質p型カルコゲナイド薄膜光電極の作製 (2014)
  • Author(s): 池田 茂，Gunawan，Septina Wilman，原田隆史，松村道雄
  • Organizer: 第113回触媒討論会
  • Place of Presentation: ロアジールホテル豊橋
• [Presentation] Photoelectrochemical Overall Water Splitting using Modified Cu-Based Chalcopyrite Thin Films (2013)
  • Author(s): Shigeru Ikeda
  • Organizer: The Second International Conference on Photocatalysis and Solar Energy Conversion: Development of Materials and Nanomaterials (PASEC-2)
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Invited
• [Presentation] Photosplitting of water using Cu-based chalcopyrite thin film electrodes (2013)
  • Author(s): Shigeru Ikeda, Gunawan, Wilman Septina, Takashi Harada, Michio Matsumura
  • Organizer: The16th International Symposium on Relations between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis (ISHHC-16)
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] スプレー製膜したカルコパイライト薄膜電極による水分解 (2013)
  • Author(s): 池田 茂，Septina Wilman，Gunawan，原田隆史，松村道雄
  • Organizer: 第112回触媒討論会
  • Place of Presentation: 秋田大学
• [Book] 光化学の辞典「光触媒による水の光分解と水素・酸素発生」 (2014)
  • Author(s): 池田茂
  • Total Pages: 436
  • Publisher: 朝倉書店
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光電変換素子の製造方法および光水分解用電極 (2013)
  • Inventor(s): 2013年9月10日
  • Industrial Property Rights Holder: 富士フィルム，大阪大学，人工光合成化学プロセス技術研究組合
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2013-09-10