2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of quantum nanostructured interfaces enabling the innovative photovoltaic device
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18H01378
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
野崎 智洋 東京工業大学, 工学院, 教授 (90283283)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロナノ熱工学 / 再生可能エネルギー / 太陽電池 / 量子ドット / プラズマ化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
結晶欠陥を低減させたシリコンナノ粒子（SiNC）を用いて，室内標準光源に対してエネルギー変換効率10%に達する有機無機ハイブリッド光電変換デバイスを開発することに成功した。まず，粒形がそろったSiNCを合成する手法としてインフライトプラズマCVDを独自に開発した。結晶サイズが10nm以下になる条件では，プラズマによる非平衡加熱によってナノ粒子の温度は気体温度より数100K高く制御できるため，結晶化度の高いSiNCを合成できる。さらに結晶欠陥を低減するために低温熱処理およびHF処理を組合わせて太陽電池に適したSiNCの合成に成功した。
光電デバイスの作成では，SiNCと高分子との相溶性を制御することで，光吸収層となるバルクヘテロ構造の最適化を行った。高分子薄膜にSiNCを均一に分散させ，さらにバルクヘテロ界面における高分子の分子構造制御を実現した。具体的には，SiNC表面の化学修飾と製膜後の低温熱処理によって高分子薄膜の内部に発生するストレスを除去することで発電効率向上を実現した。その他の重要な特性として，SiNCを終端する水素の化学状態を明らかにする 。シリコン単結晶（例えばシリコンウェハー）では，SiH，SiH2が主な表面水素種であるが， SiNCは曲率が大きいため完全に水素終端させるとSiH3も高い確率で共存する。SiH3は水素脱離の活性化エネルギーが小さいため水素脱離による欠陥（ダングリングボンド）を誘発しやすい。SiNC合成および低温熱処理によって安定な表面SiHn種だけを形成することで高い電子輸送能を実現した。電子・正孔の再結合を抑制するために必要な電子輸送中間層については種々のn型半導体材料を適用する。光電デバイスの性能は模擬太陽光とともに模擬室内光を用いて評価した。微弱な室内光に対してIoTデバイスの電源として利用できる有機無機ハイブリッド光電変換デバイス実現に向けた道筋を明らかにした。
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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