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2017 Fiscal Year Research-status Report

硫化ニッケル電極とコアーシェル構造光半導体電極を用いた新規色素増感太陽電池開発

Research Project

Project/Area Number 16K14229
Research InstitutionShizuoka University

Principal Investigator

早川 泰弘  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 下村 勝  静岡大学, 工学部, 教授 (20292279)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords色素増感太陽電池 / 触媒作用 / カーボン系材料 / 有機皮膜材 / 二酸化チタン / 硫化物 / 複合結晶
Outline of Annual Research Achievements

クリーンで無尽蔵な太陽光の有効利用は、CO2排出量削減や持続可能な低炭素社会実現に不可欠であり、低価格で高効率な太陽電池の開発が望まれている。色素増感太陽電池(DSSC)は低価格、大面積でフレキシブル、カラー化が可能などの特長を有しており、次世代太陽電池として有望であるが、さらなる低価格化と光電変換効率向上が課題である。課題は、白金被覆フッ化物添加酸化スズ電極の代替電極の開発と効率的な光吸収と電子移動を有する光半導体電極の作製である。本研究の目的は、DSSCの対極として利用できる新規触媒の開発である。2017年度は触媒効果を有する様々な材料の開発を行った。水熱合成法を用いて、カーボン系材料を添加したメゾポーラス二酸化チタン(TiO2)を合成した。これを光陽極とし、N719色素を用いて色素増感太陽電池を作成し、特性評価した。市販のP25(TiO2)を用いた場合の光電変換効率は2.4 %であったが、5.4 %に向上した。これは、カーボン系材料を添加により、色素吸着が大きくなり、かつ励起電子と色素との再結合が抑制され、寿命が長くなったためである。また、有機皮膜材としてクエン酸を添加し、合成時間を5、15、25、45時間と変化させた。15時間合成した粒径14 nmのメゾポーラスTiO2を用いてDSSCを作製した結果、光電変換効率7.66 %が得られた。さらに、バンド構造が異なるTiO2/ ZnS、MoS2/ZnS及びCuS/ZnSナノ複合体合成に成功し、ナノ複合体の構造・光学的特性評価及びメチレンブルー(MB)色素を用いて光触媒効果を調べた。これらの中で、CuS/ZnSは紫外―可視光を吸収できることや光励起した電子と正孔が分離するため、高い光触媒効果を示すことを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

カーボン系材料を添加したメゾポーラス二酸化チタンナノ結晶合成に成功し、市販のP25(TiO2)を用いた場合よりも光電変換効率の向上を確認した。変換効率向上の要因として、カーボン系材料を添加による色素吸着の増大及び励起電子と色素との再結合の抑制を明らかにした。クエン酸を有機皮膜材として用いてメゾポーラス二酸化チタンナノ結晶合成に成功し、光電変換効率7.66 %を得た。さらにTiO2/ ZnS、MoS2/ZnS及びCuS/ZnSナノ複合体合成に成功し、CuS/ZnSの組み合わせにより光触媒効果の向上が得られた。要因として吸収波長領域の拡張と電子―正孔の分離が大きく寄与していることを明らかにした。これらは、新しい触媒の開発に関する成果である。

Strategy for Future Research Activity

(1) 窒素添加グラフェン巻く上への硫化ニッケル/酸化ニッケルナノ結晶合成と太陽電池特性評価する。修正ハマーズ法で窒素添加グラフェンを作製し、さらに水熱合成法を用いて、硫化ニッケル/酸化ニッケルナノ結晶を合成し、特性評価する。 (a) 粉末X線回折法による構造解析、(b) 紫外-可視スペクトロスコピー測定による吸収特性、 (c) フォトルミネッセンス測定による発光特性、(d) X線光電子分光測定による電子状態の測定、(e) ラマン測定によるフォノンモード測定、(f) フィールドエミッション走査電子顕微鏡と透過電子顕微鏡による形態測定等の手法で評価する。素増感太陽電池を作製し、光電変換効率を測定し、白金添加対極を用いた場合と比較する。
(2) 二硫化モリブデンナノ結晶合成と太陽電池特性を評価する。クエン酸を有機皮膜剤として用いて水熱合成法により二硫化モリブデンナノ結晶を合成し、特性評価する。スプレー法を用いて、二硫化モリブデンをフッ化添加酸化スズ(FTO)基板に付着させた後、アルゴン雰囲気中で熱処理する。熱処理条件(温度、時間)をパラメータとし、最適な条件(FTO基板との結合性、厚さ)を検討する。色素増感太陽電池を作製し、光電変換効率を測定し、白金添加対極を用いた場合と比較する。
(3)水熱合成法を用いて、Ni-Mo-S や Cu-Mo-S系の新規触媒材料を開発する。また、酸化還元グラフェン膜上にNi-Mo-S や Cu-Mo-Sナノ結晶を成長させる。電気化学測定で触媒効果を評価する。また色素吸着量の測定やインピーダンス法を用いた電気伝導度の測定を行い、構造の最適化を図る。これらを対極とした色素増感太陽電池を作製し、白金添加対極の光電変換効率と比較する。

  • Research Products

    (32 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 3 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] アンナ大学/スリー・ラマサミ・メモリアル大学(インド)

    • Country Name
      INDIA
    • Counterpart Institution
      アンナ大学/スリー・ラマサミ・メモリアル大学
  • [Journal Article] Enhanced photon collection of high surface area carbonate-doped mesoporous TiO 2 nanospheres in dye sensitized solar cells2018

    • Author(s)
      Ganesh R. Sankar、Navaneethan M.、Ponnusamy S.、Muthamizhchelvan C.、Kawasaki S.、Shimura Y.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      Materials Research Bulletin

      Volume: 101 Pages: 353~362

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.01.018

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Visible light induced photocatalytic degradation of methylene blue and rhodamine B from the catalyst of CdS nanowire2017

    • Author(s)
      Ganesh R. Sankar、Durgadevi E.、Navaneethan M.、Sharma Sanjeev K.、Binitha H.S.、Ponnusamy S.、Muthamizhchelvan C.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 684 Pages: 126~134

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2017.06.021

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ruthenium based metallopolymer grafted reduced graphene oxide as a new hybrid solar light harvester in polymer solar cells2017

    • Author(s)
      Vinoth R.、Babu S. Ganesh、Bharti Vishal、Gupta V.、Navaneethan M.、Bhat S. Venkataprasad、Muthamizhchelvan C.、Ramamurthy Praveen C.、Sharma Chhavi、Aswal Dinesh K.、Hayakawa Yasuhiro、Neppolian B.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Pages: 43133~43133

    • DOI

      10.1038/srep43133

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Novel Sugar Apple-Shaped SnO2 Microspheres With Light Scattering Effect in Dye-Sensitized Solar Cell Application2017

    • Author(s)
      Tarini Murugesan、Prakash Natarajan、Sahib I. K. Mohamed Mathar、Hayakawa Yasuhiro
    • Journal Title

      IEEE Journal of Photovoltaics

      Volume: 7 Pages: 1050~1057

    • DOI

      10.1109/JPHOTOV.2017.2698500

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Promoting charge transfer in hyperbranched, trisoctahedral-shaped core?shell Au@PdPt nanoparticles by facet-dependent construction of transition layers as high performance electrocatalysts2017

    • Author(s)
      Song Yahui、Bi Cuixia、Wu Chenshuo、He Hongpeng、Huang Lihui、Wang Dayang、Xia Haibing
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry A

      Volume: 5 Pages: 18878~18887

    • DOI

      10.1039/c7ta04250g

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hydrothermal growth of highly monodispersed TiO 2 nanoparticles: Functional properties and dye-sensitized solar cell performance2017

    • Author(s)
      Navaneethan M.、Nithiananth S.、Abinaya R.、Harish S.、Archana J.、Sudha L.、Ponnusamy S.、Muthamizhchelvan C.、Ikeda H.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 418 Pages: 186~193

    • DOI

      dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.12.019

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Functional properties and enhanced visible light photocatalytic performance of V 3 O 4 nanostructures decorated ZnO nanorods2017

    • Author(s)
      Harish S.、Sabarinathan M.、Archana J.、Navaneethan M.、Ponnusamy S.、Muthamizhchelvan C.、Ikeda H.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 418 Pages: 171~178

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.02.261

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Synthesis of ZnO/SrO nanocomposites for enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation2017

    • Author(s)
      Harish S.、Sabarinathan M.、Archana J.、Navaneethan M.、Nisha K.D.、Ponnusamy S.、Gupta Vinay、Muthamizhchelvan C.、Aswal D.K.、Ikeda H.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 418 Pages: 147~155

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.164

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Controlled structural and compositional characteristic of visible light active ZnO/CuO photocatalyst for the degradation of organic pollutant2017

    • Author(s)
      Harish S.、Archana J.、Sabarinathan M.、Navaneethan M.、Nisha K.D.、Ponnusamy S.、Muthamizhchelvan C.、Ikeda H.、Aswal D.K.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 418 Pages: 103~112

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.12.082

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] ZnS quantum dots impregnated-mesoporous TiO2 nanospheres for enhanced visible light induced photocatalytic application2017

    • Author(s)
      Harish S.、Sabarinathan M.、Kristy A. Periyanayaga、Archana J.、Navaneethan M.、Ikeda H.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 7 Pages: 26446~26457

    • DOI

      DOI:10.1039/c7ra03061d

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Highly efficient visible-light photocatalytic activity of MoS2?TiO2 mixtures hybrid photocatalyst and functional properties2017

    • Author(s)
      Sabarinathan M.、Harish S.、Archana J.、Navaneethan M.、Ikeda H.、Hayakawa Y.
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 7 Pages: 24754~24763

    • DOI

      DOI:10.1039/c7ra03633g

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enhanced Dye Absorption of High Surface Area Carbonate-doped Mesoporous TiO2 Nanospheres for Dye Sensitized Solar Cells Applications2018

    • Author(s)
      R. Sankar Ganesh, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan, S.Kawasaki, Y.Shimura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      第65回応用物理学春季学術講演会
  • [Presentation] Synthesis of Ni-Mo-S Nanosheets @ Nitrogen doped Graphene Hybrid forDye Sensitized Solar Cell2018

    • Author(s)
      R. Sankar Ganesh, Silambarasan, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Y.Kong, Y.Shimura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      第65回応用物理学春季学術講演会
  • [Presentation] Nanoparticles impregnated mesoporous TiO2 nanospheres targeting for environmental remediation2018

    • Author(s)
      S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, Y.Shimura, M.Shimomura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      The 4th International Symposium toward the Future of Advanced Researchers in Shizuoka University 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] MOS2/polyaniline hybrid nano composite for thermoelectric application2018

    • Author(s)
      R.Abinaya, S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, M.Shimomura and Y. Hayakawa
    • Organizer
      The 4th International Symposium toward the Future of Advanced Researchers in Shizuoka University 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High Surface Area Carbibate-doped Mesoporous TiO2 Nanospheres for Dye Sensitized Solar Cells Applications2017

    • Author(s)
      R.Sankar Ganesh, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan, S.Kawasaki, Y.Shimura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      第46回結晶成長学会国内会議
  • [Presentation] Synergetic Effect of CuS@ZnS Nanostructures on Photocatalytic Degradation of Organic Pollutant Present in Water under Visible Light Irradiation2017

    • Author(s)
      S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, Y.Shimura, H.Ikeda and Y.Hayakawa
    • Organizer
      第46回結晶成長学会国内会議
  • [Presentation] High surface area carbonate-doped mesoporous TiO2 nanospheres for dye sensitized solar cells applications2017

    • Author(s)
      R.Sankar Ganesh, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan, S.Kawasaki, Y.Shimura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      19th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
  • [Presentation] Impregnation of ZnS Quantum dot on mesoporous TiO2 nanospheres targeting for environmental remediation2017

    • Author(s)
      S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, M.Shimomura, H.Ikeda and Y.Hayakawa
    • Organizer
      19th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
  • [Presentation] Synthesis of layered MoS2/metal sulphide nanocomposites for degradation of organic pollutant2017

    • Author(s)
      Prachi, S.Harish, M.Sabarinathan, J.Archana, M.Navaneethan, H.Ikeda and Y. Hayakawa
    • Organizer
      SRM University - Shizuoka University Joint Symposium
  • [Presentation] Enhanced photon collection of high surface area carbonate-doped mesoporous TiO2 nanospheres for dye sensitized solar cells applications2017

    • Author(s)
      R.Sankar Ganesh, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan, S.Kawasaki, Y.Shimura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      SRM University - Shizuoka University Joint Symposium
  • [Presentation] Efficient Carbonate-dopedTiO2 Mesoporous Nanospheres for Dye-sensitizer Solar Cell2017

    • Author(s)
      R.Sankar Ganesh, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan,Y.Shimura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      第40回結晶成長討論会
  • [Presentation] Organic additives assisted synthesis of hollow ZnO/CuO hexagonal nanodisks with improved photocatalytic properties by synergetic interaction2017

    • Author(s)
      V.Shivani, S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, S.Ponnusamy and Y. Hayakawa
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Morphological evolution of ZnO nanostructures and their aspect ratio induced Photocatalytic activity under visible light irradiation2017

    • Author(s)
      M.Krishna Mohan, S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan, Y.Hayakawa and H.Ikeda
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
  • [Presentation] Highly efficient visible light induced photocatalytic of 2D-layered MoS2 nanostructures for environmental remidations2017

    • Author(s)
      Periyanayaga Kristy, M.Sabarinathan, S.Harish, J.Archana, M.Navaneethan, M.Shimomura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A hetrojunction design of mesoporous TiO2 decorated ZnO nanostructure for environmental remediation2017

    • Author(s)
      S.Harish, R.Abinaya, J.Archana, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan, M.Shimomura and Y.Hayakawa
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Surfactant free controllable synthesis of 2D -1D ZnO hierarchical nanostructure and its optical properties2017

    • Author(s)
      R.Shankar Ganesh, M.Navaneethan, S.Ponnusamy, C.Muthamizhchelvan and Y.Hayakawa
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synergetic effect of metal doping in TiO2-GO nanocomposites for enhanced optical and electrical properties2017

    • Author(s)
      S.Prabhakaran, K.D.Nisha, S.Harish S, J.Archana, M.Navaneethan, S.Ponnusamy and Y.Hayakawa,
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of capping ligand on the formation of layered MoS2 as hole transport bilayer for perovskite solar cell2017

    • Author(s)
      K.Silambarasan, J.Archana, S.Harish, K.D.Nisha, E.Senthilkumar, M.Navaneethan and Y.Hayakawa
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Organic additives assisted synthesis of hollow ZnO/CuO hexagonal nanodisks with improved photocatalytic properties by synergetic interaction2017

    • Author(s)
      V.Shivani, S Harish, J.Archana, M.Navaneethan, S.Ponnusamy and Y.Hayakawa
    • Organizer
      International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 早川研究室

    • URL

      http://maruhan.rie.shizuoka.ac.jp/

URL: 

Published: 2018-12-17  

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