2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノヘテロ接合型量子ドット太陽電池の創成と多重励起子の電荷分離機構の解明
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26286013
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
沈 青 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 准教授 (50282926)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
豊田 太郎 電気通信大学, その他部局等, 名誉教授 (40217576)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 半導体量子ドット / 太陽電池 / 電荷分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（1）異なるサイズのPbS量子ドットの作製と各種物性評価を行った。また、ZnO緻密膜やZnOナノロッド電極の作製を行い、構造評価と各種物性評価を行った。蛍光測定より、ZnOナノロッドの表面欠陥が多いことが分かった。作製したPbS量子ドットを各種ZnOナノ構造電極上にSpin Coating法より塗布し、ヘテロ接合型量子ドット太陽電池デバイスを作製することができた。PbS量子ドットのサイズと表面Passivation分子の種類、ZnOナノ構造のMorphologyとZnOナノロッドの長さは、PbS量子ドット/ZnOヘテロ接合型太陽電池の光電変換特性に大きく影響することが判明した。ZnOナノロッドの表面にTiO2 Coatingすることにより、ZnOナノロッドの表面欠陥が著しく減少し、PbS量子ドット/ZnOナノロッド太陽電池の開放電圧が0.1 V以上増加したことを見出した。さらに、PbSサイズやZnOナノロッドの長さなどを調整することにより、最高エネルギー変換効率が6.5％に達成できた。さらに、安定性を評価した結果、130日以上に、変換効率が安定したことを確認できた。
（2）PbS量子ドット表面は配位子と呼ばれる有機もしくは無機の物質で表面Passivationを行った。異なる長さの配位子を適用することにより，量子ドット間の距離を変化させた。これらの試料に対し，透過型電子顕微鏡（TEM）像による距離の計測と，TA法による電荷分離速度の評価を行った。また，実際にPbS量子ドット太陽電池を作製し，その光電変換特性を評価した。その結果、量子ドット間距離が短くなると共に、電荷移動が早くなることが分見られた。また、生成した光電流も量子ドット間距離に強く影響されることが分かった。
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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
当初では、H26年度に以下の（1）表面携帯の異なったZnOナノ構造電極の作製と評価；（2）p型半導体量子ドットの作製、吸着、表面Passivation方法の検討；（3）ZnO/PbSヘテロ接合太陽電池デバイスを試みると電荷分離ダイナミクスを検討するという内容を計画していた。計画したとおりに、上記の内容はすべて順調に研究することができた。再現性よく高い変換効率のPbS/ZnOヘテロ接合型太陽電池デバイスの作製に成功した。さらに計画以上に安定性も検討し、作製したPbS/ZnOヘテロ接合型太陽電池デバイスは空気中でも大変安定であることが確認できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後以下のように研究を推進していく予定である。
（1）p型半導体量子ドットについては、PbSと共にPbSeも検討する。さらに、量子ドットの表面Passivation分子の種類、長さを系統的に変化させる。量子ドット膜における光励起キャリアの緩和過程、電荷分離と輸送過程の量子ドット表面Passivation分子の依存性について、各種評価法を用いて明らかにする。さらに、多重励起子生成と緩和のダイナミクスと条件について検討する。
（2）n型ナノ構造電極について、さらに最適な材料とMorphologyについて検討する。ZnO以外に、TiO2も検討する。また、異なる厚さや結晶構造のものを作製し、ヘテロ量子ドット太陽電池へ適用する際に最適な条件を検討する。
（3）（1）と（2）の結果に基づいて、半導体量子ドットヘテロ接合型太陽電池の光電変換特性向上の要因とメカニズムについて検討する。特に、電荷分離と再結合過程および光電変換特性との相関を明らかにする。また、実際のデバイスの場合では、多重励起子生成の条件や取り出す方法について検討し、多重励起子生成型太陽電池の構築の指針を見つける。
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