酸化物半導体を用いた発電機能を有するスマートウィンドウの試作

• 研究課題/領域番号: 16K06274
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 杉山 睦 東京理科大学, 理工学部電気電子情報工学科, 教授 (40385521)
• 研究協力者: 田沼 涼 ; 中井 洋志
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 酸化ニッケル / 酸化亜鉛 / トランジスタ / 透明太陽電池 / 二酸化炭素センサ / 電子・電気材料 / 太陽電池 / 環境材料 / 半導体物性

研究成果の概要

酸化ニッケル(NiO)をはじめとするワイドギャップ酸化物半導体から構成される、「紫外線のみ吸収し発電する透明な太陽電池」で得られた電力を用いて「透明なCO2センサ」を駆動させるシステムを、透明基板上に積層して作製した。また、透明なｐ型・ｎ型の薄膜トランジスタも併せて試作し「透明インテリジェンスマートウィンドウ」実現のための基礎研究を行った。更に、NiO/各層界面に積層時に生じるスパッタダメージが低減するよう、RFパワーなどを調整することにより、界面再結合が抑制され、太陽電池・センサともに特性が大幅に向上することを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでNiOを絶縁体や誘電体、光触媒などの材料として使用した報告例は多いが、半導体として研究し太陽電池に応用している例は国内外ともに非常に少なく、NiOを用いた太陽電池・エネルギーハーベストデバイスを作製すること自体が独創的であった。本課題が遂行されたことにより、(I) NiOなど高品質薄膜堆積技術の確立、(II) 高効率透明太陽電池・スマートウィンドウ作製プロセスなどへの応用の提案、 (III) エコで設置が容易な高機能性窓ガラスやビニルハウスなどのイノベーションの創出などの波及効果への期待、更に、(IV) 今後のNiO系材料の研究活性化・高効率化に向け一石を投じる事ができたと考える。

研究成果

• [雑誌論文] Polycrystalline SnO2 Visible-Light-Transparent CO2 Sensor Integrated with NiO/ZnO Solar Cell for Self-Powered Devices (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanuma Ryo、Sugiyama Mutsumi
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 巻: 216 号: 15 ページ: 1800749-1800749
  • DOI: 10.1002/pssa.201800749
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-polar GaN thin films deposition on glass substrate at low temperatures by conventional RF sputtering (2019)
  • 著者名/発表者名: Simanullang Marolop、Wang Zehua、Kawakami Nao、Ogata Ryu、Yoshida Takehiro、Sugiyama Mutsumi
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 675 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2019.02.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical properties of ZnO:H films fabricated by RF sputtering deposition and fabrication of p-NiO/n-ZnO heterojunction devices (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohteki Yusuke、Sugiyama Mutsumi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 7 ページ: 071101-071101
  • DOI: 10.7567/jjap.57.071101
  • NAID: 210000149248
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of carrier mobility on sensitivity of room-temperature-operation CO2 sensor based on SnO2 thin film (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanuma Ryo、Haga Hikaru、Sugiyama Mutsumi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 11 ページ: 115503-115503
  • DOI: 10.7567/jjap.57.115503
  • NAID: 210000149764
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of LaVO3 based compounds as a photovoltaic absorber (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Jellite, J.-L. Rehspringer, M. A. Fazio, D. Muller, G. Schmerber, G. Ferblantier, S. Colis, A. Dinia, M. Sugiyama, A. Slaoui, A. Minj, D. Cavalcol, T. Fix
  • 雑誌名: Solar Energy 巻: 162 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.solener.2017.12.061
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultraviolet light-absorbing and emitting diodes consisting of a p-type transparent-semiconducting NiO film deposited on an n-type GaN homoepitaxial layer (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nakai, M. Sugiyama, S. F. Chichibu
  • 雑誌名: Applied Physics Letter 巻: 110 号: 18 ページ: 181102-181102
  • DOI: 10.1063/1.4982653
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical properties of undoped and Li-doped NiO thin films deposited by RF sputtering without intentional heating (2016)
  • 著者名/発表者名: Mutsumi Sugiyama, Hiroshi Nakai, Gaku Sugimoto, Aika Yamada, and Shigefusa F. Chichibu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 8 ページ: 088003-088003
  • DOI: 10.7567/jjap.55.088003
  • NAID: 210000146961
  • 査読あり
• [学会発表] NiO/ZnO ヘテロ界面におけるポストプロセスの影響と劣化メカニズムの検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤 匠秀, 竹内 航平, 王 澤樺, 田沼 涼, 杉山 睦
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会 於東京工業大学
• [学会発表] 電子デバイスへの応用に向けたNiO薄膜およびNiO/絶縁膜に与えるポストプロセスの影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡田 浩明, 王 澤樺, 田沼 涼, 杉山 睦
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会 於東京工業大学
• [学会発表] Effect of Hall mobility of SnO2 thin film for sensitivity of visible-light-transparency CO2 sensor (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Tanuma, H. Okada, T. Ejiri, and M. Sugiyama
  • 学会等名: 21st International Conference on Ternary and Multinary Compounds (ICTMC-21), Boulder, Colorado, USA
  • 国際学会
• [学会発表] NiO系可視光透過型太陽電池の曲げ及び電子線照射による耐性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤匠秀、竹内航平、Ishwor Khatri、杉山睦
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会多元系化合物・太陽電池研究会年末講演会
• [学会発表] インテリジェントウィンドウに向けた酸化物半導体を用いた透明電子デバイスの作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡田浩明、江尻拓斗、田沼涼、杉山睦
  • 学会等名: 平成30年度応用物理学会多元系化合物・太陽電池研究会年末講演会
• [学会発表] RFスパッタ法により非加熱堆積したNiO薄膜を用いたp型透明薄膜トランジスタの試作 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡田浩明, 田沼涼, 杉山睦
  • 学会等名: 2018年 第79回応用物理学会秋季学術講演会 於名古屋国際会議場
• [学会発表] 電気化学インピーダンス法を用いたSnO2ガスセンサの感度および電荷空乏層の振る舞いの定量分析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田沼涼, 杉山睦
  • 学会等名: 2017年 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜 （神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] Fabrication of NiO-related invisible solar cells supplying power for integrated invisible gas sensors using NiO and SnO. (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Tanuma, H. Haga, Y. Ohteki, and M. Sugiyama
  • 学会等名: Materials Research Society, 2017 Fall Meeting, Symposium ES03: Earth Abundant Metal Oxides, Sulfides and Selenides for Energy Systems and Devices, Boston, MA, USA
  • 国際学会
• [学会発表] UV light absorbing and emitting diodes consisting of a p-type NiO film deposited on an n-type GaN homoepitaxial epilayer (2017)
  • 著者名/発表者名: W. Zehua, H. Nakai, M. Sugiyama, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: Materials Research Society, 2017 Fall Meeting, Symposium EM04: Wide- and Ultra-Wide-Bandgap Materials and Devices, Boston, MA, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of Non-Polar GaN Thin Films on Glass Substrates by Conventional RF Sputtering Using a High Quality Polycrystalline GaN Target (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Simanullang, N. Kawakami, W. Zehua, R. Tanuma, Y. Ohteki, T. Yoshida, and M. Sugiyama
  • 学会等名: Materials Research Society, 2017 Fall Meeting, EM04: Wide- and Ultra-Wide-Bandgap Materials and Devices, Boston, MA, USA
  • 国際学会
• [学会発表] n-GaNホモエピ薄膜上へのp-NiOスパッタ堆積とUV光吸収太陽電池及びLEDの試作 (2017)
  • 著者名/発表者名: 王澤樺, 中井洋志, 杉山睦, 秩父重英
  • 学会等名: 2017年 第78回応用物理学会秋季学術講演会 於福岡国際会議場
• [学会発表] La化合物が酸化物半導体を用いたCO2センサの感度に与える影響及び透明ガスセンサと透明太陽電池のモノリシックデバイスの試作 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田沼涼, 芳賀ひかる, 杉山睦
  • 学会等名: 2017年 第78回応用物理学会秋季学術講演会 於福岡国際会議場
• [学会発表] NiO 薄膜へのLi 添加がNiO/ZnO 系可視光透過型太陽電池に与える影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 樗木悠亮, 王澤樺, 中井洋志, 秩父重英, 杉山睦
  • 学会等名: 平成28年度応用物理学会多元系化合物・太陽電池研究会年末講演会
  • 発表場所: 産業技術総合研究所 福島再生可能エネルギー研究所 （福島県・郡山市）
  • 年月日: 2016-12-09
• [学会発表] NiO:Li/ZnOヘテロ接合透明太陽電池の空乏層幅と開放電圧の相関 (2016)
  • 著者名/発表者名: 王澤樺, 樗木悠亮, 中里瞭汰, 中井洋志, Ishwor Khatri, 杉山 睦
  • 学会等名: 第8回 半導体材料・デバイスフォーラム P-09, 2016-11-5.
  • 発表場所: くまもと県民交流館パレア （熊本県・熊本市）
  • 年月日: 2016-11-05
• [学会発表] Electrical properties of undoped or Li-doped NiO/ZnO heterojunction for visible-light-transparent solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Nakai, Wang Zehua, Ishwor Khatri, Shigefusa F. Chichibu, and Mutsumi Sugiyama
  • 学会等名: The 26th International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-26)
  • 発表場所: シンガポール （シンガポール）
  • 年月日: 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] 透明酸化物半導体を用いたH２及びCO2センサの試作 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田沼涼, 中井洋志, 中里瞭汰, 杉山睦
  • 学会等名: 2016年 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 於新潟朱鷺メッセ （新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2016-09-12
• [備考] 杉山睦 | 論文・著書・学会発表・特許 | 東京理科大学
  • URL: https://www.tus.ac.jp/fac_grad/p/achievement.php?2e78