2017 Fiscal Year Research-status Report
超高速レーザー分光法を利用した量子ドット増感太陽電池の高性能化設計
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16K05885
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
橘 泰宏 大阪大学, 共創機構産学共創本部, 招へい准教授 (30359856)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 亮介 大阪大学, 学内共同利用施設等, その他 (70379147)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 半導体量子ドット / 増感太陽電池 / 超高速分光 / 電荷移動反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度の課題として、（１）量子ドットの電子準位の解析と制御、（２）量子ドット・酸化チタン界面の電荷分離・再結合反応、（３）量子ドット・電解質界面のホール移動反応に関する評価を設定したが、平成29年度では、平成28年度で残された課題を取り組む一方で、新たに平成29年度以降に設定した課題（（４）量子ドットタイプ・構造と酸化チタン界面の電荷移動反応、（５）量子ドット増感膜への電位印加による電荷分離・再結合反応速度の最適化）についても平行に取り組んだ。
まず残された課題については、（１）、（２）については、実験が完了し、結果も得られているので、内容を早急に論文としてまとめて投稿する予定である。（３）については、すでに成果発表を行った（平成28年5月論文発表）。平成29年度までの課題で、電荷再結合反応が最も速く進行している過程が、量子ドット・酸化チタン間であることが明らかになったので、平成30年度には、上記（４）の課題に主に集中する。
次に平成29年度以降の課題について、（４）に関しては、現在PbS量子ドットの表面処理を行い、その電荷移動反応への影響を検討しているところである。具体的には、量子ドット・酸化チタン界面にスペーサー分子を挿入し、その電荷分離・再結合反応への影響を調べる。更に、最も効率よく電荷分離反応が進行し、電荷再結合反応が最も遅く進行する条件を探る。また、PbS/CdSのコア・シェル構造を構築し、CdS層の厚さを変化させることによって距離を制御する。PbS/CdSコア・シェル構造は、合成済である。また、他のバンドギャップの異なる量子ドットを用いて、同様に電荷分離・再結合反応速度の制御を試みる。（５）に関しては、太陽電池の電圧に影響を与える因子を探るために、上記（４）において、最適化された量子ドット増感膜への電位印加時における電荷移動反応速度変化を観測する。
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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
平成28年度の課題として、（１）量子ドットの電子準位の解析と制御、（２）量子ドット・酸化チタン界面の電荷分離・再結合反応、（３）量子ドット・電解質界面のホール移動反応に関する評価を設定したが、平成29年度では、平成28年度で残された課題を取り組む一方で、新たに平成29年度以降に設定した課題（（４）量子ドットタイプ・構造と酸化チタン界面の電荷移動反応、（５）量子ドット増感膜への電位印加による電荷分離・再結合反応速度の最適化）についても平行に取り組んだ。
まず残された課題については、（１）に関しては、サイズの異なるPbS量子ドットと酸化チタンを組み合わせて、発光強度を観測することにより、PbS量子ドットのサイズに依存した伝導帯ポテンシャルを割り出すことに成功しているので、論文発表の準備を行っている。（２）については、量子ドット・酸化チタン間の相互作用が電荷分離・再結合反応にフェムト・ピコ秒のオーダーで大きな影響を及ぼすことが明らかとなったので、その発見した内容について論文発表を行うために準備中である。（３）については、すでに成果発表を行った（平成28年5月論文発表）。
次に平成29年度以降の課題について、（４）に関しては、現在PbS量子ドットの表面処理を行い、その電荷移動反応への影響を検討しているところである。また、量子ドット・酸化チタン間に積極的にスペーサー分子を導入し、その電荷移動反応制御を行っているところである。（５）に関しては、（４）の結果が、量子ドット膜に電位印加するよりも、電荷移動反応に大きな影響を与えることが明らかになったので、（４）の課題を条件を変えながら丁寧に行うことを優先している。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の（１）、（２）について、早急に論文をまとめて投稿する予定である。平成29年度までの課題で、電荷再結合反応が最も速く進行している過程が、量子ドット・酸化チタン間であることが明らかになったので、平成30年度には、上記（４）の課題に主に集中する。
（４）量子ドットタイプ・構造と酸化チタン界面の電荷移動反応
申請者らの実験から、PbS量子ドットの電荷分離・再結合反応が高速で進行することが明らかになった（論文投稿準備中）。すでに発表したように、PbSの励起子寿命は、最大2.2 マイクロ秒であるから電子注入速度を2ケタ以上遅くしても、電荷分離反応効率は90%以上であることが予想される。このため、PbS量子ドット・酸化チタン間の距離を広げることによって、電荷分離・再結合反応両方を2桁程度遅くすることを試みる。具体的には、量子ドット・酸化チタン界面にスペーサー分子を挿入し、その電荷分離・再結合反応への影響を調べる。更に、最も効率よく電荷分離反応が進行し、電荷再結合反応が最も遅く進行する条件を探る。また、PbS/CdSのコア・シェル構造を構築し、CdS層の厚さを変化させることによって距離を制御する。PbS/CdSコア・シェル構造は、合成済である。また、他のバンドギャップの異なる量子ドットを用いて、同様に電荷分離・再結合反応速度の制御を試みる。
（５）量子ドット増感膜への電位印加による電荷分離・再結合反応速度の最適化
量子ドット増感太陽電池の性能向上に必要な条件は、量子ドットからの電子並びにホール移動反応が、電荷再結合反応よりも速く進行することである。この速度差が、大きければ大きいほど太陽電池の開放端電圧の向上が期待できる。本課題では、太陽電池の電圧に影響を与える因子を探るために、上記（４）において、最適化された量子ドット増感膜への電位印加時における電荷移動反応速度変化を観測する。
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| Causes of Carryover |
研究計画に沿って、経費を使用したが、残高が生じた。当該年度に無理に使用する必要がないため、次年度で使用する目的で繰り越した。
次年度では、直接経費として、629,571円使用する予定であるが、実験に必要な物品費並びに成果発表に必要な旅費をすでに考慮しており、次年度末までに全額使用予定である。
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Research Products
(9 results)
