Development of quantum dot/inorganic nanowire hybrid strucutres for efficient infrared solar cells

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H03824
• Research Institution: The University of Tokyo
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中崎 城太郎 東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任准教授 (10444100)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 赤外光電変換 / コロイド量子ドット / ZnOナノワイヤ

Outline of Annual Research Achievements

赤外領域の光電変換に有利な，PbS量子ドット（QD）とZnOナノワイヤ(NW)の混合層上に，同種のPbS QD層（上部QD層）を介してAu電極を形成した太陽電池（NW型）に着目し，近赤外領域における光電変換特性を検討してきた．
H30年度は，PbSQDとZnO，混合層と上部QD層の接合界面などのエネルギー状態を理解することに注力した．そこで，「ヘテロ接合界面の表面電位変化の直接観測」と「量子ドットのエネルギー準位依存性」について検討した．主な研究成果を以下に示す．
NWの代わりにZnO緻密層を使い，その上にQD層を積層した太陽電池（平坦型）では，光励起した電子が，Au電極側に逆拡散するため，太陽電池特性が著しく低下する．そのため，電子ブロッキング層の挿入が不可欠である．ところが，NW型では，その挿入は必須ではない．この要因を解明するため，NW型太陽電池の断面方向の表面電位を，表面プローブ顕微鏡で評価した．1000nm程度の厚さの積層構造に対して，表面電位を測定するために，数nm程度の平坦性を有する断面作製などサンプル調製の工夫を行った．表面電位は，透明導電性膜（FTO)／混合層／上部QD層の積層構造に対し，FTOのみを短絡させて（開放電圧状態），測定した．光照射時と暗状態で表面電位は，FTO電極から対極側に向かい正方向に増加した．特に興味深い点は，光照射時に混合層と上部QD層の界面でステップ状の電位変化が起こることである．NW型では，混合層のPbSQD部分で光励起した電子が速やかに，ZnOの伝導帯下端に移動するため，上部QD層が電子ブロッキング層の役割を果たしたため，混合層と上部QD層界面で電荷蓄積が生じたものと考えられる．
以上より，NW型太陽電池の特徴であるPbSQDとZnONWのハイブリッド構造をうまく制御できたことが，赤外領域での高効率発電を可能にした主要因と考えられる．

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Perugia(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: The University of Perugia
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CNRS
• [Journal Article] Limiting factor of performance for solution-phase ligand-exchanged PbS quantum dot solar cell (2019)
  • Author(s): Fukuda Takeshi、Takahashi Akihiro、Takahira Kazuya、Wang Haibin、Kubo Takaya、Segawa Hiroshi
  • Journal Title: Solar Energy Materials and Solar Cells Volume: 195 Pages: 220～227
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2019.03.011
  • Peer Reviewed
• [Presentation] IPEROP-19 (2019)
  • Author(s): Haibin Wang, Takaya Kubo, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
  • Organizer: Efficient infrared PbS quantum dot solar cells toward the bottom subcell of tandem solar cells
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 応用物理学会春年会 (2019)
  • Author(s): 王海濱、C?sar Gagliardi,○久保貴哉,岡田至崇、瀬川浩司
  • Organizer: PbS量子ドット/ZnOナノワイヤ太陽電池のヘテロ接合界面修飾による開放電圧の向上
• [Presentation] 応用物理学会春年会 (2019)
  • Author(s): ○久保貴哉, 王海濱、瀬川浩司
  • Organizer: コロイド量子ドットを用いた赤外光電変換と超高効率太陽電池への可能性
  • Invited
• [Presentation] 日本化学会春年会 (2019)
  • Author(s): Haibin Wang, Shoichiro Nakao, Takaya Kubo, Hidenori Saito, Shinichi Magaino, Katsuhiko Takagi, Tetsuya Hasegawa, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
  • Organizer: Development of high efficiency infrared PbS QD/ZnO NW solar cells toward the bottom subcell of multi-junction solar cells
• [Presentation] 10th Biannual Conference on Quantum dots (2018)
  • Author(s): Takaya Kubo, Haibin Wang, Shouichiro Nakao, Hidenori Saito, Shinichi Magaino, Katsumi Takagi, Tetsuya Hasegawa, Jotaro Nakazaki,Hiroshi Segawa
  • Organizer: Colloidal quantum dot-based photovoltaics with highly transparent conductive oxides in the short-wave infrared region
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] the 22nd international conference on photochemical conversion and storage of solar energy (2018)
  • Author(s): Haibin Wang, Takaya Kubo, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
  • Organizer: Infrared PbS colloidal quantum dot / ZnO nanowire solar cells
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ４D material (2018)
  • Author(s): Takaya Kubo, Haibin Wang, Hiroshi Segawa
  • Organizer: Quantum dot/wide-bandgap semiconductor hetero-junction interfaces engineering for efficient infrared solar cells
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ４D material (2018)
  • Author(s): Akihiro Takahashi, Kazuya Takahira, Takeshi Fukuda, Haibin Wang, Takaya Kubo, Hiroshi Segawa, Norihiko Kamata
  • Organizer: Enhanced power conversion efficiency of PbS QD/ZnO solar cells by thermal annealing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SSDM2018 (2018)
  • Author(s): Takaya Kubo, Haibin Wang, Shouichiro Nakao, Hidenori Saito, Shinichi Magaino, Katsumi Takagi, Tetsuya Hasegawa, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
  • Organizer: PbS quantum dot solar cells giving high spectral sensitivity in the infrared region
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SSDM2018 (2018)
  • Author(s): Haibin Wang, Takaya Kubo, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
  • Organizer: Solution processed infrared PbS colloidal quantum dot / ZnO nanowire solar cells
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 応用物理秋学会 (2018)
  • Author(s): 王海濱, 中尾祥一郎，○久保貴哉，斎藤英純，馬飼野信一，高木克彦，長谷川哲也，中崎城太郎，瀬川浩司
  • Organizer: PbS量子ドット太陽電池の短波長赤外領域での光電変換特性の高性能化
• [Presentation] 4th E-MRS & MRS-J Bilateral symposium (2018)
  • Author(s): Takaya Kubo, Haibin Wang, Hiroshi Segawa
  • Organizer: Highly infrared-transparent oxides and ZnO nanowires for PbS colloidal quantum dot-based solar cells
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 2018 Materials Research Society Fall Meeting & Exhibit (2018)
  • Author(s): Takaya Kubo, Haibin Wang, Shoichiro Nakao, Hidenori Saito, Shinichi Magaino, Katsuhiko Takagi,Tetsuya Hasegawa, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
  • Organizer: High efficiency infrared PbS colloidal quantum dot solar cells with 50% EQE at 1.55 μm
  • Int'l Joint Research