2021 Fiscal Year Final Research Report

Development of a single crystalline CuGaSe2-based photocathode

Research Project

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Project/Area Number	19H02822
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research Institution	Konan University
Principal Investigator	Ikeda Shigeru 甲南大学, 理工学部, 教授 (40312417)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	櫻井岳暁筑波大学, 数理物質系, 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)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	半導体光電極 / 太陽エネルギー変換 / 水分解水素製造 / 化合物半導体 / バルクおよび表面修飾
Outline of Final Research Achievements	To improve device properties based on wide-gap chalcopyrite CuGaSe2 (CGS) for photoelectrochemical (PEC) water splitting, a high-quality single crystal was prepared. PEC hydrogen production was successfully demonstrated by applying appropriate post treatments to the wafer based on the thus-obtained CuGaSe2 single crystal. Moreover, we found influences of cutting directions of the single crystalline ingot on properties of PEC water reduction. Analyses of the single crystalline wafers indicated that formation of a cupper deficient layer (CDL) was effective for induction of efficient PEC functions. Based on this finding, PEC activity for water reduction over a CuGaSe2 thin film was evaluated with focusing on the impact of a CDL intentionally loaded on the top of the CuGaSe2 film. As a result, the CDL with an appropriate thickness was found to be effective for achieving a large current flow and relatively positive photocurrent onset.
Free Research Field	光電気化学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	太陽光を使った水分解水素製造は、化石資源を用いない水素製造法として注目される。我々が現在活用できる技術は、太陽光発電と水電解（PV+PEC）を組み合わせた方式であるが、設備等のコストに大きな課題がある。光電極による水分解は、一段で太陽光と水から水素を製造する技術であり、コスト面でPV+PECに比べて圧倒的に有利である。本研究では、そのような光電極の水素発生機能を向上でせるための電極設計指針を提案し、また、実際に高機能光電極が得られることも実証した。水分解水素製造技術とするには、酸素発生側の電極との接合が必要であるため、現在電極特性のさらなる向上と合わせて継続的に研究を進めている。