2015 Fiscal Year Annual Research Report
半導体ナノフォトダイオード粒子による高効率光エネルギー変換
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15H03876
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
鳥本 司 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60271029)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀山 達矢 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (40646759)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 太陽電池 / 量子ドット / ナノ材料 / ヘテロ接合 / 低毒性半導体 / ダンベル形状 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽光を高効率で利用するために、量子ドット太陽電池が活発に研究されている。高効率化・実用化の鍵は、光吸収層として用いる半導体ナノ粒子の高品質化と電荷分離効率の向上、実用化のための低毒性化にある。本研究では、低毒性元素のみからなるZnS-AgInS2 固溶体半導体((AgIn)xZn2(1-x)S2, ZAIS)に着目し、ロッド形状ZAISナノ粒子にそれとは異なる組成をもつZAIS粒子を液相結晶成長させてヘテロ接合粒子(フォトダイオード粒子) を作製し、粒子内部に生じる電場勾配が光触媒活性に及ぼす影響を調べた。
ヘテロ接合ZAIS粒子は、ロッド形状ZAIS粒子をAg、Inの金属酢酸塩およびチオ尿素を含むオレイルアミン中で加熱することにより作製した。
TEM観察から得られた粒子は、ロッド形状ZAIS粒子の両末端に固溶体組成の異なるZAISナノ粒子が成長したダンベル形状であった。ロッド先端に新たに成長したZAIS粒子は、もとのロッド形状ZAIS粒子よりもより多くのAgおよびInを含んでおり、組成勾配によるヘテロ接合を粒子内部にもつことがわかった。大気中光電子収量測定から電子エネルギー構造を見積もったところ、ダンベル形状粒子は、ロッド部分の伝導帯下端が先端粒子のものよりも負電位側に位置するType-II型ヘテロ接合を持つことが示唆された。
ダンベル形状ZAISヘテロ接合ナノ粒子をNa2Sを含む水―2-プロパノール混合溶液に分散させてXe ランプ光を照射(λ＞350 nm)すると、光照射時間とともに水素発生量が直線的に増加した。その水素発生速度は球状ZAIS粒子のものよりも約4倍大きいものであった。これは、ダンベル形状粒子がもつType-IIヘテロ構造によって、光生成した電子と正孔が粒子内で空間的に分離されて寿命が増大したためと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
低毒性元素のみからなるZnS-AgInS2 固溶体半導体(ZAIS)対象として、ロッド形状ZAISナノ粒子にそれとは異なる組成をもつZAIS粒子を液相結晶成長させてヘテロ接合粒子(フォトダイオード粒子) を作製することに成功した。さらに、得られた粒子はダンベル形状をしており、粒子内部にType-IIヘテロ構造を持つことを明らかにした。また、ヘテロ接合よる粒子内部の電場勾配によって、粒子内部に光生成した電子と正孔が空間的に分離されて寿命が増大し、触媒活性が向上することを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
ダンベル形状ZAIS粒子の各ユニットの化学組成制御と形状の精密制御を目指し、ナノ粒子合成条件を最適化する。さらに、得られた粒子を電極基板に固定して光電極を作製し、光エネルギー変換効率に及ぼす粒子組成・形状の影響を調べる。もっとも効率の良い粒子を用いて太陽電池を作製し、その特性の高効率化を目指す。
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