2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノカーボンを土台とした構造ー光物性相関解明と高効率光電変換特性の実現
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26708023
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
梅山 有和 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30378806)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / ピレン / 過渡吸収 / 電子移動 / グラフェン / ペロブスカイト / 太陽電池 / 変換効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究のねらいは、ナノカーボンを、1）光機能性分子会合体、2）ペロブスカイト結晶構造を担持する土台として用い、その構造―光物性相関の解明と高効率光電変換系の構築を行うことにある。
１）単層カーボンナノチューブ（SWNT）を、光機能性分子であるピレンの二分子会合体の形成土台として用いた。具体的には、ジアゾニウム塩を用いた一段階でのアリール付加反応を用いて、ピレンダイマーをSWNT上に形成した（Py-1-SWNT）。参照系として、ヨードフェニル修飾SWNT（PhI-SWNT）を介した二段階での修飾反応によりピレンモノマーをCNT側壁に連結した（Py-2-SWNT）。さらに、ピレンダイマーからSWNTへの電子移動による光誘起電荷分離状態の形成は起こるが、ピレンモノマーの励起ではSWNTへの電子移動が起こらないことが、過渡吸収分光測定等から明らかとなった。このような励起状態での相互作用の違いは、Py-1-SWNTにおいてピレンが二量体を形成することでHOMOのエネルギー準位が上昇し、酸化されやすくなったためと考えられる。
２）ペロブスカイト型太陽電池の性能向上を目指し、酸化チタン層全体への還元された酸化グラフェン（RGO）の添加効果を初めて系統的に検討した。コンパクト酸化チタン層へ0.15 wt.%の RGOを、またメソポーラス酸化チタン層へ0.015 wt.%のRGOを加えたペロブスカイト型太陽電池では、エネルギー変換効率が9.2%に達し、RGOを添加しない系（5.4%）と比較して向上した。また、短絡電流密度、開放電圧、曲線因子の全ての値がRGO添加により向上することがわかった。本研究により、高効率ペロブスカイト太陽電池を実現するための手法として、安価に作製可能なRGOの酸化チタン層への添加が効果的であることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の目的であったナノカーボン上での光機能性分子の会合挙動と光物性の相関解明を過渡吸収スペクトル測定などにより行うことができ、また酸化チタン層へのグラフェン導入によりペロブスカイト型太陽電池の性能向上を達成したため。
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| Strategy for Future Research Activity |
有機半導体分子の会合体および単量体を担持するナノカーボンとして、グラフェンナノリボン二も着目する。ポリ多環式芳香族の還元など、有機合成によりボトムアップ式に形成されたナノリボンを用いることで、構造の明確なナノカーボン土台を得ることができる。グラフェンの位置（平面vs. 端）が反応性や光ダイナミクスに与える影響を解明し、光機能化グラフェンナノリボンの開発を行う。
また、ペロブスカイト型太陽電池の多孔性酸化チタンをナノカーボンネットワーク構造に置き換えた光活性層を形成させる。これは、多孔質ナノカーボン膜とペロブスカイト結晶との複合体の初めての例であるため、その構造や電荷分離・電荷輸送過程を詳細に解明する。
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