ナノ多孔質半導体の表面および構造因子と色素増感電子移動特性の相関解明および制御

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25790013
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 米谷 真人 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (40578647)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 酸化チタン / 色素増感太陽電池 / ペロブスカイト太陽電池 / 結晶面 / 電子移動 / 表面吸着

Outline of Annual Research Achievements

前年度までに、色素増感太陽電池における酸化チタンメソポーラス薄膜の形成材料として、アナターゼ結晶の主要露出面が｛001｝面である粒子を、一般的な露出面である｛101｝面と比較して面の太陽電池デバイスにおける効果について検証を行ってきた。本年度では、新たに、｛100｝面を大きく露出した酸化チタンを合成し、従来の｛101｝面が多くを占める酸化チタン粒子と比較して、露出結晶面の特性について、色素増感太陽電池形における特性の違いを評価した。また、｛001｝面および｛100｝面主要酸化チタンについて、｛101｝面主要酸化チタンとのトラップ準位の比較を行うため、北海道大学触媒研究センターにて光音響分光測定法によるトラップ準位および密度の評価を行った。さらには、これまでの知見を生かし、新規のペロブスカイト太陽電池にこの結晶面選択的酸化チタンを導入し、電子移動特性を利用して、高効率化因子のひとつである、ペロブスカイト結晶から酸化チタンへの電子移動測定の向上が｛001｝面主要酸化チタンにおいて可能であることを示した。
｛100｝面主要酸化チタンについて有機系色素を用いて太陽電池特性の評価を行った結果、｛001｝面主要酸化チタンと同様に、｛101｝面主要酸化チタンに比して高い注入特性を示す結果を得ることに成功した。さらに、光音響分光測定法によるトラップ準位および密度の定量的評価を行った結果、｛001｝面主要酸化チタンにおいては、｛001｝面比率の増加とともに、トラップ準位が低エネルギー側にシフトすることを確認した。一方で、｛100｝面主要酸化チタンについては、そのような傾向は見られず、従い、それぞれの系において見られる一連の注入特性増加については、原因は違うことが明らかとなった。さらには、この主要露出結晶面の異なる酸化チタンをペロブスカイト太陽電池に適用したところ、電子移動物性の違いが見られた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

前年度までに、色素増感太陽電池における酸化チタンメソポーラス薄膜の形成材料として、アナターゼ結晶の主要露出面が｛001｝面である粒子を、一般的な露出面である｛101｝面と比較して面の太陽電池デバイスにおける効果について検証を行ってきた。本年度では、新たに、｛100｝面を大きく露出した酸化チタンを合成し、従来の｛101｝面が多くを占める酸化チタン粒子と比較して、露出結晶面の特性について、色素増感太陽電池形における特性の違いを評価した。また、前年度まで得ていた｛001｝面主要酸化チタンおよび本年度新規に評価した｛100｝面主要酸化チタンについて、｛101｝面主要酸化チタンとのトラップ準位の比較を行うため、北海道大学触媒研究センター大谷教授と共同で光音響分光測定法によるトラップ準位および密度の定量的評価を行った。さらには、これまでの知見を生かし、新規のペロブスカイト太陽電池にこの結晶面選択的酸化チタンを導入し、電子移動特性を利用して、高効率化因子のひとつである、ペロブスカイト結晶から酸化チタンへの電子移動測定の向上が｛001｝面主要酸化チタンにおいて可能であることを示した。
このように、当初想定していた色素増感系において、光電変換特性の大きく影響を与える、電子移動物性、および分子吸着物性による、光捕集効率の向上について、明確な因子の抽出と解析を行うことができた。さらには、当初予定していた色素増感系に加えてペロブスカイト太陽電池という、ここ最近で注目される太陽電池系にも積極的に研究を展開し、電子移動物性を制御する指針を新たに得た。従い、研究の進捗としてはこれまでに、仮定していた進捗予定を大きく超えて進んでいると考える。

Strategy for Future Research Activity

本年度は当初最終年度のため、既に研究成果として得られた結果をより詳細に解析すること、補足するデータを取得することを中心として研究を進める。また、新たに得られ始めているペロブスカイト太陽電池に対する適用例を拡張し、この系における効率制御因子を明らかにすると共に、酸化チタン結晶面を機軸とする学理の構築へと展開を行う。さらには、これまで得た結果を社会に発信する活動が研究最終年度としての研究の中心となる。従い、学会シンポジウム等への出席と発表、さらには学術雑誌等への論文投稿を中心に、本研究助成での成果を余すところ無く、社会発信する、研究のまとめを行う。

Causes of Carryover

実験用途の共通合成試薬等について、特段支出することなく研究を推進することができたため、当初予定から、消耗品類を削減することができたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度では、当初予定では合成試薬類および旅費を少なめに見積もっているため、合成試薬および旅費に支出を予定している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Calfornia Barkeley/Hewlett-packard Laboratories(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Calfornia Barkeley/Hewlett-packard Laboratories
• [Int'l Joint Research] NanYang Techonological University(シンガポール)
  • Country Name: SINGAPORE
  • Counterpart Institution: NanYang Techonological University
• [Int'l Joint Research] Hong Kong Univ. of Sci. and Tech.(香港)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: Hong Kong Univ. of Sci. and Tech.
• [Int'l Joint Research] KAIST(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: KAIST
• [Int'l Joint Research] Tsinghua University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Tsinghua University
• [Journal Article] Low-temperature annealing of mesoscopic TiO 2 films by interfacial microwave heating applied to efficiency improvement of dye-sensitized solar cells (2016)
  • Author(s): Maitani, M. M., Tsukushi, Y., Hansen, N. D. J., Sato, Y. Mochizuki, D., Suzuki, E., Wada, Y.
  • Journal Title: Sol. Energ. Mater. Sol. Cells Volume: 147 Pages: 198-202
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2015.12.020
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rapid Synthesis of D-A’-π-A Dyes via One-pot Three-component Suzuki-Miyaura Coupling and Their Evaluation of Photovoltaic Properties for DSSC (2016)
  • Author(s): Irie, S., Fuse, S., Maitani, M. M., Wada, Y., Ogomi, Y., Hayawa, S., Kaiho, T., Masui, H., Tanaka, H., Takahashi, T.
  • Journal Title: Chem. Eur. J. Volume: 22 Pages: 2507-2514
  • DOI: 10.1002/chem.201504277
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Evaluation of Thiophene-Based Organic Dyes Containing a Rigid and Nonplanar Donor with Secondary Electron Donors for Use in Dye-Sensitized Solar Cells (2016)
  • Author(s): Fuse, S., Takahashi, R., Maitani, M. M., Wada, Y., Tanaka, H., Takahashi, T.
  • Journal Title: European Journal of Organic Chemistry Volume: 3 Pages: 508-517
  • DOI: 10.1002/ejoc.201501190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Catalytic reactions enhanced under microwave-induced local thermal non-equilibrium in a core–shell, carbon-filled zeolite@zeolite (2015)
  • Author(s): Mochizuki, D., Sasaki, R., Maitani, M. M., Okamoto, M. Suzuki, E., Wada, Y.
  • Journal Title: Journal of Catalysis Volume: 323 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.jcat.2014.12.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microwave assisted synthesis of high-surface area WO3 particles decorated with mosaic patterns via hydrochloric acid treatment of Bi2W2O9 (2015)
  • Author(s): Kishimoto, F.; Mochizuki, D.; Maitani, M. M.: Suzuki, E.; Wada, Y.
  • Journal Title: RSC Adv., Volume: 5 Pages: 77839-77846
  • DOI: 10.1039/C5RA15167H
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Microwave-enhanced photocatalysis on CdS quantum dots - Evidence of acceleration of photoinduced electron transfer (2015)
  • Author(s): Kishimoto, F., Imai, T., Fujii, S., Mochizuki, D., Maitani, M. M., Suzuki, E., Wada, Y.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 11308-11308
  • DOI: 10.1038/srep11308
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Microwave sintering of Ag-nanoparticle thin films on a polyimide substrate. (2015)
  • Author(s): Fujii, S.; Kawamura, S.; Mochizuki, D.; Maitani, M. M.; Suzuki, E.; Wada, Y.
  • Journal Title: AIP Adv. Volume: 5 Pages: 127226-127226
  • DOI: 10.1063/1.4939095
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rapid Synthesis of Thiophene-Based, Organic Dyes for DSSCs via a One-Pot, Four-Component Coupling Approach (2015)
  • Author(s): Matsumura,K., Yoshizaki, S., Maitani, M. M., Wada, Y., Ogomi, Y., Hayase, S. Kaiho, T., Fuse, S., Tanaka, H., Takahashi, T., . 21, 9742-9747 (2015).
  • Journal Title: Chem. Eur. J. Volume: 21 Pages: 9742-9747
  • DOI: 10.1002/chem.201500979
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 酸化チタン結晶面の特性を利用したペロブスカイト太陽電池の界面制御 (2016)
  • Author(s): 竪山 瑛人，米谷 真人，大村 葵，椿 俊太郎，MULMUDI, Hemant Kumar，BOIX P. Pablo，MATHEWS Nripan，和田 雄二
  • Organizer: 電気化学会第83回大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 吹田キャンパス（吹田市、大阪）
  • Year and Date: 2016-03-29 – 2016-03-31
• [Presentation] 低温焼成酸化チタン薄膜を用いた色素増感太陽電池のマイクロ波界面加熱による高効率化 (2016)
  • Author(s): 米谷 真人，佐藤 友香，筑紫 洋平，橿渕 耕平，椿 俊太郎，鈴木 栄一，和田 雄二
  • Organizer: 電気化学会第83回大会
  • Place of Presentation: 大阪大学 吹田キャンパス（吹田市、大阪）
  • Year and Date: 2016-03-29 – 2016-03-31
• [Presentation] ヘテロポリ酸触媒の酸化触媒作用に対するマイクロ波効果 (2016)
  • Author(s): 早川 翔悟・椿 俊太郎・三谷 友彦・上田 忠治・藤井 知・米谷 真人・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京田辺市、京都）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] 有機-無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池特性への酸化チタン結晶面の効果 (2016)
  • Author(s): 竪山 瑛人・米谷 真人・大村 葵・椿 俊太郎・MULMUDI Kumar Hemant・BOIX P. Pablo・MATHEWS Nripan・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京田辺市、京都）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] 有機-無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池の異方形状Scaffoldの適用とモルフォロジ効果 (2016)
  • Author(s): 大村 葵・竪山 瑛人・椿 俊太郎・米谷 真人・瀬川 浩司・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 京田辺市
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] Fe3O4触媒によるマイクロ波照射下脱水素反応 (2016)
  • Author(s): 阿部 恵里子・羽石 直人・吉村 武朗・椿 俊太郎・米谷 真人・鈴木 榮一・藤井 知・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京田辺市、京都）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] マイクロ波熱重量分析を用いた酸化銀の熱分解に対するマイクロ波効果の検討 (2016)
  • Author(s): 山本 将大・羽石 直人・吉村 武朗・椿 俊太郎・米谷 真人・鈴木 榮一・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京田辺市、京都）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] 金属ニッケル粒子表面でのメチルビオロゲン還元反応に対するマイクロ波効果の電磁界強度依存性 (2016)
  • Author(s): 松久 将之・岸本 史直・阿野 大史・椿 俊太郎・米谷 真人・鈴木 榮一・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京田辺市、京都）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] マイクロ波照射下発光寿命測定による層状ナノゲスト空間の非平衡局所高温場の実証 (2016)
  • Author(s): 阿野 大史・岸本 史直・椿 俊太郎・米谷 真人・鈴木 榮一・和田 雄二
  • Organizer: 日本化学会 第96回春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京田辺市、京都）
  • Year and Date: 2016-03-24 – 2016-03-27
• [Presentation] マイクロ波による触媒反応促進機構に関する一考察‐非平衡局所加熱と電子移動加速 (2016)
  • Author(s): 和田雄二,椿俊太郎,吉村武朗,米谷真人,望月大,岸本史直,羽石直人,笹木亮
  • Organizer: 第117回触媒討論会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学（堺市、大阪）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-22
• [Presentation] 有機－無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池のScaffold酸化物の結晶面効果 (2016)
  • Author(s): 米谷 真人、竪山 瑛人、大村 葵、椿 俊太郎、鈴木 榮一、瀬川 浩司、和田 雄二
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（目黒、東京）
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 金属ナノ粒子‐酸化物界面におけるマイクロ波吸収 (2016)
  • Author(s): 佐藤 友香、米谷 真人、椿 俊太郎、鈴木 榮一、和田 雄二
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（目黒、東京）
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] Facet Effects of Titania Controlling Characteristics of printable solar cells (2016)
  • Author(s): Masato Maitani
  • Organizer: 有機系太陽電池と関連材料ワークショップ
  • Place of Presentation: 信州大学 長野キャンパス（長野市、長野）
  • Year and Date: 2016-03-02 – 2016-03-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interfacial Effects on Perovskite Solar Cells. (2016)
  • Author(s): Masato Maitani, Yuji Wada, , January 18, 2016, Hong Kong.
  • Organizer: The Energy Materials for Nanotechnology Conference (EMN2016)
  • Place of Presentation: Eaton Hotel, Kowloon, Hong Kong
  • Year and Date: 2016-01-18 – 2016-01-21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Co-Pi所触媒粒子形成過程へのマイクロ波効果による光触媒能の向上 (2015)
  • Author(s): 山田拓也,米谷真人,増子尚徳,吉松公平,大島孝仁,大友明,椿俊太郎,鈴木榮一,和田雄二
  • Organizer: 第9回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
  • Place of Presentation: 上智大学（千代田区、東京）
  • Year and Date: 2015-11-19 – 2015-11-20
• [Presentation] 異種材料界面におけるマイクロ波吸収と酸化物薄膜形成プロセスへの応用 (2015)
  • Author(s): 佐藤 友香、米谷 真人、椿 俊太郎、鈴木 榮一、和田 雄二
  • Organizer: 第9回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
  • Place of Presentation: 上智大学（千代田区、東京）
  • Year and Date: 2015-11-19 – 2015-11-20
• [Presentation] Effects of Crystalline Facet of Oxide Scaffold on CH3NH3PbI3 in Perovskite Solar Cells (2015)
  • Author(s): Masato Maitani, Akito Tateyama, Yuji Wada
  • Organizer: 25th International Photovoltaic Science and Engineering Conference and Exibition, Global Photovoltaic Conference 2015
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 2015-11-15 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Challenges to Harvesting NIR Region Light in Dye-sensitized Solar Cells Employing Facet Engineering as a Key (2015)
  • Author(s): Yuji Wada, Masato Maitani
  • Organizer: 25th International Photovoltaic Science and Engineering Conference and Exibition, Global Photovoltaic Conference 2015
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 2015-11-15 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhancement of photoinduced electron transfer at the surface of CdS quantum dots by microwave irradiation (2015)
  • Author(s): Fuminao Kishimoto,Takashi Imai,Satoshi Fujii,Dai Mochizuki,Masato M. Maitani,Eiichi Suzuki,Yuji Wada
  • Organizer: 25th International Photovoltaic Science and Engineering Conference and Exibition, Global Photovoltaic Conference 2015
  • Place of Presentation: BEXCO, Busan, Korea
  • Year and Date: 2015-11-15 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 異種材料界面におけるマイクロ波吸収を用いた酸化物薄膜形成プロセス (2015)
  • Author(s): 佐藤 友香,米谷 真人,筑紫 洋平,椿 俊太郎,鈴木 榮一,和田 雄二
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（名古屋市、愛知）
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] 色素-半導体界面制御による光誘起電子注入特性の向上 (2015)
  • Author(s): 米谷真人,橿渕耕平,椿俊太郎,鈴木榮一,和田雄二
  • Organizer: 2015年光化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪市、大阪）
  • Year and Date: 2015-09-09 – 2015-09-11
• [Presentation] Enhancement of photoinduced electron transfer from CdS quantum dots to bipyridine derivatives by microwaves (2015)
  • Author(s): Fuminao Kishimoto,Takashi Imai,Satoshi Fujii,Dai Mochizuki,Masato Maitani,Eiichi Suzuki,Yuji Wada.
  • Organizer: 2015年光化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪市、大阪）
  • Year and Date: 2015-09-09 – 2015-09-11
• [Presentation] Growth control of CoPi co-catalysts on Fe2O3 by microwave interfacial heating. (2015)
  • Author(s): Masato Maitani, Takuya Yamada, Hisanori Mashiko, Kohei Yoshimatsu, Takayoshi Oshima, Shuntaro Tsubaki, Eiichi Suzuki, Akira Otomo, Yuji Wada
  • Organizer: First International Symposium on Recent Progress of Energy and Environmental Photocatalysis (Photocatalysis 1)
  • Place of Presentation: 東京理科大学 野田キャンパス(野田市、千葉)
  • Year and Date: 2015-09-03 – 2015-09-04
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Control of photo induced electron transfer by the precisely controlled pitches of hetero stacked structure composed of metal oxide nanosheetsstacked structure composed of metal oxide nanosheets (2015)
  • Author(s): Taishi ANO, Fuminao KISHIOMOTO, Takayuki TERAUCHI, Dai MOCHIZUKI, Masato MAITANI, Eiichi SUZUKI, Yuji WADA
  • Organizer: First International Symposium on Recent Progress of Energy and Environmental Photocatalysis (Photocatalysis 1)
  • Place of Presentation: 東京理科大学 野田キャンパス(野田市、千葉)
  • Year and Date: 2015-09-03 – 2015-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ペロブスカイト太陽電池における酸化チタン基材結晶面の効果 (2015)
  • Author(s): 竪山瑛人,渡邊藍子,米谷真人,椿俊太郎,鈴木榮一,和田雄二
  • Organizer: 第34回光がかかわる触媒化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（目黒区、東京）
  • Year and Date: 2015-06-19 – 2015-06-19
• [Presentation] 半導体ナノシートのヘテロ積層体の創成と光誘起電子移動反応の制御 (2015)
  • Author(s): 阿野大史、岸本史直、望月大、米谷真人、鈴木榮一、和田雄二
  • Organizer: 第34回光がかかわる触媒化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（目黒区、東京）
  • Year and Date: 2015-06-19 – 2015-06-19
• [Presentation] Effects of facet-controlled oxide scaffold for crystallinity of CH3NH3PbI3 in perovskite solar cells (2015)
  • Author(s): Masato Maitani, Yuji Wada
  • Organizer: International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics(HOPV)
  • Place of Presentation: Angelicum Congress Centre, Rome, Italy
  • Year and Date: 2015-05-10 – 2015-05-13
  • Int'l Joint Research
• [Book] Biomass fractionation technologies for lignocelluosic feedstock based biorefinery, Chap. 5: Microwave-induced biomass fractionation. (2015)
  • Author(s): Tsubaki, S., Azuma, J., Yoshimura, T., Maitani, M. M., Suzuki, E., Fujii, S., Wada, Y.
  • Total Pages: 674
  • Publisher: Elsevier