2020 Fiscal Year Annual Research Report
シングルクリスタルを利用した化合物半導体光電極の開発－CuGaSe2を例として－
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19H02822
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| Research Institution | Konan University |
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Principal Investigator |
池田 茂 甲南大学, 理工学部, 教授 (40312417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
櫻井 岳暁 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00344870)
野瀬 嘉太郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (00375106)
和田 隆博 龍谷大学, 先端理工学部, 教授 (20309115)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 化合物半導体 / 単結晶 / 光電極 / 水の分解 / 人工光合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、光電気化学的な太陽エネルギーの化学エネルギー・化学物質変換反応（人工光合成型反応）における量子収率の大幅な向上を実現するため、化合物半導体単結晶を利用した光電極を作製することを目的とする。ここではとくに、p型化合物半導体であるCuGaSe2に注目して、計算科学および熱力学理論に基づいて、バルク欠陥構造を精密に制御したCuGaSe2化合物単結晶を精密合成することを目指す。得られた単結晶については、さまざまな面方位でスライスすることで、露出結晶面方位の異なる薄膜を得る。水の分解反応などの人工光合成型反応の光電極として利用するには、pn接合形成、触媒ナノ粒子、錯体あるいは酵素による表面修飾が必要である。ここではとくに水分解水素発生反応への応用に着目して、露出結晶面の面方位が異なる単結晶薄膜に対して表面修飾を行い、その光電気化学特性を評価、検証する。令和２年度の研究では、前年度までに得られたCu不足組成の単結晶について、光電極化する際の条件最適化を進め、水分解水素発生の機能発現を達成した。また、切り出しの露出面方位を制御することで、光電極特性に依存性が現れることを発見した。比較的良好な特性を示す面方位が、従来の薄膜作成で得られる試料とは異なることから、CuGaSe2等のカルコパイライト系光電極の高機能化のための新たな指針となる結果であると考えられた。さらに、関連する光機能性材料（光触媒、光電極など）に関しての共同研究として、キャリアダイナミクス解析や二酸化炭素還元にかかるいくつかの成果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和２年度までの研究では、狙いとする組成比制御されたCuGaSe2単結晶の合成、適当な薄片化、表面修飾等を施すことによる水の還元反応を実現、露出面の制御などを達成した。特に今年度に発見した光電気化学特性の露出面方位依存性は、当初の予想に反する傾向を示しており、このことは、CuGaSe2等のカルコパイライト系光電極の高機能化のための新たな指針となり得る重要な結果であると認識している。対外発表の難しい状況でも国際誌および国際会議を含む対外発表も行うことができたため、当初の期待以上の進展と判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
露出面方位の異なる単結晶光電極を用いて、水分解反応の高機能化を目指すほか、二酸化炭素の還元反応への応用を検証する。また、これらのCuGaSe2単結晶をベースとする電極での知見を活かして、CuGaSe2薄膜や他のp型化合物半導体薄膜にフィードバックすることで、高機能な人工光合成型の反応系の実証とそのための電極構造デザインに関する指針を確立することを目指す。
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Research Products
(10 results)
