2016 Fiscal Year Annual Research Report
近赤外高効率太陽電池の実現に向けた量子ドット・無機ナノワイヤハイブリッド構造制御
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16H03824
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
久保 貴哉 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任教授 (10447328)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中崎 城太郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (10444100)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | コロイド量子ドット / ZnOナノワイヤ / 近赤外光電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H28年度は、1.「量子ドット固体層およびZnO NW アレイとのハイブリッド構造の構築と物性評価」および、2.「光誘起電荷分離挙動解明」に取り組んだ。
コロイド量子ドット(QD)を用いてハイブリッド構造を形成する際に、QD表面を被覆するオレイン酸をサイズの小さいハロゲンにリガンド交換するが、ハロゲン元素の種類により、光電変換特性が大きく異なる。その原因として、バンドギャップ内に生成するトラップ状態の密度やエネルギー位置が関係していることを明らかにした。
1.3μmに励起子吸収を示すQDを異なるハロゲン(Cl, Br, I)でリガンド処理して作製した固体膜の過渡吸収スペクトルは、Cl-でリガンド交換を行った場合にのみ、吸収端近傍のブリーチシグナルに顕著なブロードニングが観測された。これは、ギャップ内準位の形成によることを、フーリエ変換光電流計測(本事業で導入)により明らかにした。Cl-のQD表面での結合状態や被覆率などが影響するため、異なるリガンドを有するQD固体膜のバンド計算を行ったところ、Cl-リガンドの場合価電子帯上端近傍に局在準位が形成されることが示唆された。
可視から2μmの幅広い波長領域に光吸収を示す複数のPbS QDとZnOナノワイヤで作製したセルの光電変換特性を、初めて系統的に評価した。2μm帯での光電変換特性を評価した例はない。特に興味深いことに、簡便な溶液プロセスで構築できるQDセルにおいても、結晶性Ge太陽電池（40%以上のエネルギー変換効率を示す3接合太陽電池のボトムセルの代表格）と同等な、開放電圧(0.25V)を示した。QD固体膜とZnOナノワイヤのpnヘテロ接合界面にスパイク状のバンド構造が形成されることが、原因と推察している。
本年度の研究成果を発展させることで、従来にない近赤外および短波長赤外の光電変換素子の構築に繋がるものと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
【計画】年度初めに計画を行っていた量子ドット固体膜の表面状態に関する基礎的な知見を明らかにした。
量子ドット固体膜のバンドギャップ内に形成されるトラップ準位を調べる方法として、本研究計画当初は熱刺激電流法の活用を想定していた。しかしながら、十分な実験環境を整えることができなかったが、代替手法として、フーリエ変換光電流計測方法（FTPS）を用いた。FTPSを用いると、簡便な設備で、近赤外から赤外領域の光電流挙動を精密に評価することができ、バンドキャップ内準位の量やエネルギー位置について詳細に調べることができたため、本年度の研究計画をを予定通り推進することができた。
【計画以上進展】H28年度は当初予定していた近赤外領域での検討を拡張し、短波長赤外での光電変換を調べた。既存の超高効率太陽電池のボトムセルと同等な高い開放電圧と開放電圧損失(バンドギャップと開放電圧の差）を示すことが、新しい知見として得られた。簡便な溶液プロセスで作製できる太陽電池として、有機薄膜太陽電池やペロブスカイト太陽電池などの高性能化が進んでいるが、それらの開放電圧損失（0.5V程度以上）よりも小さい値である。本成果は、今後の新しい研究の方向を与えるものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度の研究は、研究環境の基盤構築と基礎データ取得に重点を置いたが、主として研究グループ内で実施した。初年度に得られた研究成果を基礎に、材料合成技術や評価解析手法などにおいて、他の研究グループと連携することで、研究加速および研究の新しい方向性の創出も視野に入れている。具体的には以下を検討している。
【国内（検討中）】太陽電池材料としては、ホール輸送材料（CuIなど）や、長波長領域で高い透過性と低いシート抵抗を有する透明導電性薄膜(TaドープSnO2など）について共同研究を予定している。また、評価解析手法に関しては、複素インピーダンス法などの変調分光を中心に行う。
【海外】量子ドット材料では、従来より共同研究を行っているDimitry Aldakov博士（INAC/SPrAM CEA-Grenobl、フランス）を、東京大学先端科学技術研究センターに招へいすることで、CuInS系量子ドットおよびそれで構築する固体膜のについての研究を加速、推進させる。また、EL発光の面内分布測定による太陽電池特性の面内分布評価技術（IRDEP、フランス（予定））や、光電変換機構に関わる計算科学技術（University of Perugia 、イタリア（予定））などにおいて、他研究グループとの連携を効率的に進める。
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