2018 Fiscal Year Research-status Report
太陽電池の効率向上のための新しい双方向波長変換材料の開発
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17K00666
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
佐俣 博章 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (90265554)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 波長変換 / アップコンバージョン / ダウンシフト / 太陽電池 / 発電効率 / 多元系酸化物 / 液相中合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
材料による光の波長変換には、短波長光を長波長光に変換するダウンシフトや、長波長光を短波長光に変換するアップコンバージョンなどがある。本研究では、この両者の変換を単一材料内で起こす新しい双方向波長変換材料を開発し、太陽電池への応用を目指している。
２年目となる平成30年度は、初年度に引き続き、種々の多元系酸化物を母体として様々な組み合わせの希土類イオンを添加した試料をアルカリ土類金属元素の塩化物溶融塩中で合成し、得られた試料の結晶学的及び光学的性質を評価・解析することで、以下の研究成果を得た。
ダウンシフト特性を有する母体である多元系酸化物YBaZn3AlO7に対し、アップコンバージョン特性を付与するために特定の希土類イオンを添加すると、母体のダウンシフト特性が極端に悪化してしまうことを明らかにした。その一方で、この特性悪化が起こらない添加元素の組み合わせと比率を明らかにし、同組成の試料において、特定波長の赤外光と紫外光の照射時に双方向波長変換が生じることを示した。また、この特性評価を通して、双方向波長変換材料に求められる母体の性質とそこに添加するイオンの比率等、今後の新材料設計を行う上で重要となる指針を得た。以上の研究成果については、学術論文１編、学会発表1件として公表した。
また、遷移金属元素を主成分として含む酸化物蛍光体のダウンシフト特性に対し、母体発光型と発光中心添加型の両者において、アルカリ元素の添加がその蛍光特性の改善に有効であることを見出し、その成果を学会発表1件として公表した。
さらに、上述の合成手法と同様の液相中合成である水熱合成を利用して、種々のリン酸塩化合物の低温合成に成功した。この成果を利用すれば、新たな蛍光体の母体として利用できる一連の化合物の合成が可能になると考える。
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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
「研究実績の概要」で述べたとおり、これまでに目的としている単一材料による双方向波長変換の発現に成功しており、一部の多元系酸化物（YBaZn3AlO7）を母体とした系においては、その最適組成を決定している。また、その粉末を分散させたコンポジット膜を作製し、実際に双方向波長変換が発現することを応用物理学会にて発表した。
また、太陽電池に応用する際には、波長変換材料の温度上昇に伴う特性の悪化（温度消光）が懸念されるが、この問題に対処するために、熱的性質の異なる母体（Gd2SrAl2O7とGdCaAlO4）にイオン添加した試料を合成し、その温度消光特性の違いが結晶中の酸素原子の振動モードの違いによって説明可能であることを示した。なお、これらの化合物の合成においては、通常の固相反応法と比べて500℃程度低い温度での単相試料の合成に成功しており、本手法が実際に化合物を合成する際に必要とされる熱エネルギーを大幅に削減できる手法であることを明らかにした。
さらに、チタン、モリブデン、タングステンを主成分として含む遷移金属酸化物において、電気化学的手法によるアルカリ元素の添加が、その蛍光特性を改善するために有効であることを明らかにした。また、数種のリン酸塩化合物など、新たな蛍光母体としての利用が期待できる化合物の液相中合成の手法を確立し、ビスマス添加によって青色発光する希土類元素を全く使用しない蛍光体の合成にも成功している。
以上の研究成果については、この2年間に学術論文2編、学会発表7件として公表している。これらの研究成果は、当初予定していた平成30年度までの研究計画の内容とほぼ一致しており、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた研究成果を基にして、種々の多元系酸化物を母体とした材料の合成と特性評価・解析によって、引き続き太陽電池の発電効率向上のために利用可能となる新しい波長変換材料の開発を目指す。その上で、開発した材料を分散させたコンポジット膜を作製し、その特性評価を通してデバイスへの応用を検討する。
試料の合成は、これまでに確立したアルカリ土類金属元素の塩化物溶融塩を用いたフラックス法と、新たなリン酸塩化合物の合成に成功している水熱合成法によって行い、これらの粉末を分散させたコンポジット膜はスピンコータにより作製する。得られた試料の結晶学的性質は、粉末Ｘ線回折で得られるデータを用いて解析し、光学的性質は分光器等により評価・解析する。
材料設計においては、各材料系でのエネルギー伝達機構を考慮して、単一材料による双方向波長変換特性の評価結果を基に、より優れた特性を有する新材料の開発を目指す。なお、母体に添加する付活剤としては、希土類イオンの他に遷移金属元素を用いることによって各波長域における光吸収特性の向上を促し、波長変換特性の改善を試みる。また、一部のリン酸塩化合物においては、ビスマス添加による色純度の高い青色発光に成功した研究成果を基に、希土類添加を伴わない新しい波長変換材料の開発を目指す。
以上のことから得られた研究成果については、引き続き各種学術雑誌、学会等において公表する。また、平成31年度は最終年度となるため、研究を総括して取りまとめる。
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| Causes of Carryover |
平成30年度の未使用額（29,370円）は、次年度予算と合算することによって、より効果的に予算執行するために発生した。これらは、最終年度において試料合成に使用する原料等の消耗品費として利用する。
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