表面ナノ構造を有する可視応答TiO2/p-InGaNヘテロ接合光電極の還元力評価

• Project/Area Number: 20510101
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Nanomaterials/Nanobioscience
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 小林 直樹 The University of Electro-Communications, 情報理工学(系)研究科, 教授 (10361825)
• Project Period (FY): 2008 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2011: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2010: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2009: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2008: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 水の光分解 / 水素エネルギー / 半導体光電極 / 窒化物半導体 / GaN / InGaN

Research Abstract

これまでGaN系半導体電極の還元力を定量的に評価し光照射水分解効率との関係を明らかにすることを目的として、フラットバンドポテンシャル測定による水素発生redox準位と半導体電極の伝導帯端のエネルギー位置関係を定量的に求めてきた。さらに電解液中の光電流スペクトル測定やサイクリックボルタンメトリー測定から、GaN系半導体電極やTiO2/p-GaNヘテロ接合電極から電解液に自発的に電子が注入されることを確認してきた。今年度に関しては、
1、水分解効率を上げるためにGaN電極表面をエッチングでナノ構造化したときにあらわれるGa極性面とN極性面の伝導帯端エネルギーの違いを測定し、Ga極性面がN極性面に比べ約0.3eV高いことを明らかにした。
2、ガスクロマトグラフィーを用いGaN系半導体電極による光照射水分解水素発生を定量的に測定することを進め、p-GaN半導体電極に-2Vバイアス、pH10の塩基性電解液の条件下で、365nm光を照射することで水素発生量子効率として約10%を得た。酸性条件下では水素発生量子効率は減少し、その機構としてp-GaNのアクセプター不純物であるMgの水素パッシベーションによると考えた。これは既に報告している酸性条件下でのp-GaN水素発生によるPL強度変化、正孔濃度変化の結果からも支持される。今後エッチングにより表面をナノ構造化したp-GaN電極やTiO2/p-GaNヘテロ接合電極による水分解水素発生効率を測定し、表面ナノ構造の効果を検証していく。
3、GaN表面のエッチングやTiO2/GaNヘテロ接合による表面をナノ構造化した電極の応用例として色素増感太陽電池への適用を考案し、特許化した。

Research Products

• [Journal Article] Flat-Band Potentials of Ga-face and N-face in Free-Standing n-GaN Electrode and Their Effects on Water Electrolysis (2009)
  • Author(s): S.Kikawa, N.Kobayashi, J.Yamamoto, Y.Ban, K.Matsumoto
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 7 Pages: 847-850
  • NAID: 130004439197
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GaN半導体表面の光触媒作用 (2009)
  • Author(s): 小林
  • Journal Title: 表面 47 Pages: 172-182
  • NAID: 40016709419
• [Journal Article] Electron Diffusion Length in Nano-Porous TiO2 Electrode Directly Measured Using Partially Dye-Adsorbed Solar Cell and Effects of Electrolyte Solvent and Annealing Temperature (2009)
  • Author(s): 権田, 名田, 佐野, 小林
  • Journal Title: e-Journal of Surface Sc i ence and Nanotechnology 7 Pages: 61-64
  • NAID: 130004934004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric Characteristics of Li20-Doped TiO2 Nanocrystalline Film and Its Appli cat ion to Dye-Sens i t i zed Solar Cells (2009)
  • Author(s): 名田, 権田, 沈, 島田, 豊田, 小林
  • Journal Title: Japanese Journal of App lied Physics 48
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Conduction Band Offset in Nanocrystalline TiO_2/p-InGaN for Application to Water Photolysis Using Visible Light (2008)
  • Author(s): 徳江, 鳴海, 臼井, 木川, 小林, 山本, 伴, 松本
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 47 Pages: 8385-8387
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of Forward and Reverse Reactions in Hydrogen Generation between GaN, InGaN, Nanocrystalline TiO_2 and Pt Electrodes during Water Electrolysis (2008)
  • Author(s): 臼井, 木川, 小林, 山本, 伴, 松本
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 47 Pages: 8793-8795
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Room-Temperature Absorption Edge of InGaN/GaN Quantum Wells Characterized by Photoacoustic Measurement (2008)
  • Author(s): 武田, 高木, 佐野, 田畑, 小林, 沈, 豊田, 山本, 伴, 松本
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 47 Pages: 8805-8807
  • NAID: 40016389608
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 表面ナノ構造を持つn-GaN上へのN3色素吸着と増感 (2010)
  • Author(s): 木川, 権田, 小林
  • Organizer: 第57回春季応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-19
• [Presentation] 光照射によるp-GaN電極の水分解水素発生量子効率 (2010)
  • Author(s): 島崎, 木川, 小林, 加固, 山本, 伴, 松本
  • Organizer: 第57回春季応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-19
• [Presentation] n-GaNの光電気化学エッチングによる表面モフォロジーとPL特性 (2010)
  • Author(s): 斎藤, 小林, 山本, 伴, 松本
  • Organizer: 第57回春季応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] 窒化ガリウム表面への色素吸着と可視光領域での増感 (2009)
  • Author(s): 木川, 小林
  • Organizer: 第29回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: 東京・タワーホール船堀
  • Year and Date: 2009-10-27
• [Presentation] n-GaNと白金電極の水分解発生効率の比較 (2009)
  • Author(s): 島崎, 木川, 小林, 加固, 山本, 伴, 松本
  • Organizer: 第70回秋季応用物理学会
  • Place of Presentation: 富山大
  • Year and Date: 2009-09-10
• [Presentation] GaNおよびInGaN/GaN量子井戸のエッチング初期過程とPL特性 (2009)
  • Author(s): 斎藤, 木川, 小林, 山本, 伴, 松本
  • Organizer: 第70回秋季応用物理学会
  • Place of Presentation: 富山大
  • Year and Date: 2009-09-10
• [Presentation] GaN系半導体電極を用いた水分解における面方位の効果 (2008)
  • Author(s): 木川, 臼井, 小林, 山本, 伴, 松本, 河原塚, 堀越
  • Organizer: 第2 8回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学・国際会議場
  • Year and Date: 2008-11-15
• [Presentation] Electrondiffusion length in nano-porous TiO2 electrode directly measured using partially dye-adsorbed solar cell and effects of electrolyte solvent and annealing temperature (2008)
  • Author(s): 権田, 名田, 佐野, 小林
  • Organizer: 5^<th> Int. Symp. on Surface Science and Nanotechnology
  • Place of Presentation: 早稲田大学・国際会議場
  • Year and Date: 2008-11-11
• [Presentation] 色素増感太陽電池におけるTiO2ナノ結晶薄膜の電子拡散長の直接評価 (2008)
  • Author(s): 権田, 名田, 小林
  • Organizer: 第69回応用物理学会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2008-09-03
• [Presentation] InGaN/GaN MQWの光電気化学ウェットエッチングによるPLスペクトル変化 (2008)
  • Author(s): 田畑, 臼井, 木川, 小林, 山本, 伴, 松本
  • Organizer: 第69回応用物理学会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2008-09-03
• [Presentation] 電解液中の水素生成正・逆反応についてGaN, InGaN, ナノ結晶Ti02およびPt電極の比較 (2008)
  • Author(s): 臼井, 木川, 小林, 山本, 伴, 松本
  • Organizer: 第69回応用物理学会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2008-09-03
• [Presentation] Li-doped Ti02ナノ結晶薄膜の電気的特性評価と色素増感太陽電池への応用 (2008)
  • Author(s): 名田, 権田, 沈, 島田, 豊田, 小林
  • Organizer: 第69回応用物理学会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2008-09-02
• [Remarks]
  • URL: http://cell.pc.uec.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://cell.pc.uec.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 色素増感太陽電池とその製造方法 (2009)
  • Inventor(s): 小林, 木川
  • Industrial Property Rights Holder: 電気通信大学
  • Industrial Property Number: 2009-226710
  • Filing Date: 2009-09-30
• [Patent(Industrial Property Rights)] 特許 (2009)
  • Inventor(s): 徳江, 小林
  • Industrial Property Rights Holder: 電気通信大学
  • Industrial Property Number: 2006-064575
  • Filing Date: 2009-03-05