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赤外光電変換の高効率化に向けたナノヘテロ界面構造制御

研究課題

研究課題/領域番号 19H02534
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分28010:ナノ構造化学関連
研究機関東京大学

研究代表者

久保 貴哉  東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任教授 (10447328)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2019年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
キーワード太陽電池 / 赤外光電変換 / 量子ドット / ワイドギャップ半導体 / ナノ構造材料 / 低次元材料 / コロイド量子ドット / ZnOナノワイヤ / バルクヘテロ構造 / ナノ構造 / 光電変換
研究開始時の研究の概要

低コスト多接合太陽電池の実現に不可欠な赤外領域で発電できるセル(ボトムセル)の研究開発は、世界的にも殆ど進展していない。そこで、われわれは、PbSコロイド量子ドットとZnOナノワイヤの混合層を特徴とするヘテロ接合太陽電池を研究し、ヘテロ接合界面のバンド構造制御が、赤外光電変換の高効率化の根幹的課題であることを明らかにした。
本研究では、この課題を解決するために、キャリア輸送に強く影響するコロイド量子ドッ
ト表面の配位子やZnO表面構造、量子ドットとZnOナノワイヤの形状・サイズ、混合状態に着目し、ヘテロ接合領域や量子ドット層のバンド構造とキャリア輸送特性を明らかにする。

研究成果の概要

透明導電性基板上のZnOナノワイヤ(NW)を包埋するように、PbSコロイド量子ドットを充填して混合活性層を作製し、その上にAu電極を成膜した太陽電池の赤外分光感度の向上を目指し、混合活性層の電子構造の解明、高品質化を行った。本太陽電池が高赤外分光感度や高耐久性を有する要因として、ZnO NW中の電子が、Au電極に拡散できないエネルギー障壁を有する電子構造であることを明らかにした。電荷輸送に影響するZnONWの欠陥や電子格子相互作用を発光分光法で調べ、酸素下500℃の熱処理が欠陥低減に有効であることを明らかにした。混合活性層を活用することで、非鉛系赤外吸収ナノ結晶を用いたセルの高効率に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

地球温暖化対策の一つとして、太陽光発電の大規模導入が急務であり、既存の設置環境に加え、車輛など設置面積の制約が強い用途にも、普及させなければならない。これを実現するためには、単接合セルの理論限界(約30%)を凌駕する超効率太陽電池を安価に作製することが不可欠である。コロイド量子ドットは、合成条件を整えると、太陽光スペクトルのほぼ全領域を吸収できるようになる。また、低コストの低温溶液プロセスでのセル作製が可能であり、超高効率と低コストの両立を目指した次世代太陽電池の有望な材料である。本研究成果は、これらの有望な材料で超効率太陽電池を構築するための、基礎科学を提供すること。

報告書

(4件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (33件)

すべて 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 13件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Emission Spectroscopy Investigation of the Enhancement of Carrier Collection Efficiency in AgBiS<sub>2</sub>-Nanocrystal/ZnO-Nanowire Heterojunction Solar Cells2022

    • 著者名/発表者名
      Xiao Yun、Wang Haibin、Awai Fumiyasu、Shibayama Naoyuki、Kubo Takaya、Segawa Hiroshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials &amp; Interfaces

      巻: 14 号: 5 ページ: 6994-7003

    • DOI

      10.1021/acsami.1c21762

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Eco-Friendly AgBiS2 Nanocrystal/ZnO Nanowire Heterojunction Solar Cells with Enhanced Carrier Collection Efficiency2021

    • 著者名/発表者名
      Xiao Yun、Wang Haibin、Awai Fumiyasu、Shibayama Naoyuki、Kubo Takaya、Segawa Hiroshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials &amp; Interfaces

      巻: 13 号: 3 ページ: 3969-3978

    • DOI

      10.1021/acsami.0c19435

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-Performance Electron-Transport-Layer-Free Quantum Junction Solar Cells with Improved Efficiency Exceeding 10%2021

    • 著者名/発表者名
      Jia Yuwen、Wang Haibin、Wang Yinglin、Shibayama Naoyuki、Kubo Takaya、Liu Yichun、Zhang Xintong、Segawa Hiroshi
    • 雑誌名

      ACS Energy Letters

      巻: 6 号: 2 ページ: 493-500

    • DOI

      10.1021/acsenergylett.0c02497

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Highly Stable Interdigitated PbS Quantum Dot and ZnO Nanowire Solar Cells with an Automatically Embedded Electron-Blocking Layer2021

    • 著者名/発表者名
      Wang Haibin、Desbordes Moana、Xiao Yun、Kubo Takaya、Tada Keishi、Bessho Takeru、Nakazaki Jotaro、Segawa Hiroshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 4 号: 6 ページ: 5918-5926

    • DOI

      10.1021/acsaem.1c00723

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The effect of water on colloidal quantum dot solar cells2021

    • 著者名/発表者名
      Shi Guozheng、Wang Haibin、 et al.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 号: 1 ページ: 4381-4384

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24614-7

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Annealing-Temperature Dependent Carrier-Transportation in ZnO/PbS Quantum Dot Solar Cells Fabricated Using Liquid-Phase Ligand Exchange Methods2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Akihiro、Wang Haibin、Fukuda Takeshi、Kamata Norihiko、Kubo Takaya、Segawa Hiroshi
    • 雑誌名

      Energies

      巻: 13 号: 19 ページ: 5037-5037

    • DOI

      10.3390/en13195037

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 近赤外吸収AgBiS2ナノ結晶・ZnOナノワイヤ太陽電池の高効率化2022

    • 著者名/発表者名
      王海濱,肖云,粟井文康,柴山直之,久保貴哉,瀬川浩司
    • 学会等名
      第69回応用物理学春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Solvent Engineering of Liquid-phase Ligand Exchanged PbS Quantum Dot Inks for Infrared Photovoltaics2022

    • 著者名/発表者名
      Haibin Wang, Yun Xiao, Jotaro Nakazaki, Takaya Kubo, Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      第102回日本化学春年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Effect of ZnO Annealing Condition on the Performance of PbS Quantum Dot/ZnO Nanowires Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Haibin Wang, Yun Xiao, Jotaro Nakazaki, Takaya Kubo, Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      第101回日本化学春年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Control of ZnO Nanowire Quality by Annealing Atmosphere and its Influence on AgBiS2 Nanocrystal-Based Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Yun Xiao, Haibin Wang, Takaya Kubo, Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      第101回日本化学春年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Infrared PbS Quantum dot / ZnO Nanowire Bottom Subcells for Tandem Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Haibin Wang, Naoya Miyashita, Shoichiro Nakao, Tetsuya Hasegawa, Yoshitaka Okada, Takaya Kubo, Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021(Yokohama, Japan)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Eco-friendly AgBiS2 Nanocrystal / ZnO Nanowire Heterojunction Solar Cells with Enhanced Carrier Collection Efficiency2021

    • 著者名/発表者名
      Yun Xiao, Haibin Wang, Fumiyasu Awai, Takaya Kubo, Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021(Yokohama, Japan)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ZnO nanowires and AgBiS2 Nanocrystals Interdigitated Architecture for Solution-processed Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Yun Xiao, Haibin Wang, Takaya Kubo, Jotaro Nakazaki, Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2021(Yokohama, Japan)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effect of ZnO Annealing Condition on the Performance of PbS Quantum Dot/ZnO Nanowires Solar Cells2021

    • 著者名/発表者名
      Haibin Wang,1 Yun Xiao,1 Jotaro Nakazaki,1 Takaya Kubo,1 Hiroshi Segawa1,2
    • 学会等名
      日本化学会第101回春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Control of ZnO nanowire quality by annealing atmosphere and its influence on AgBiS2 nanocrystal-based solar cells2021

    • 著者名/発表者名
      Yun Xiao,1 Haibin Wang,1 Naoyuki Shibayama,1 Takaya Kubo,1 Hiroshi Segawa
    • 学会等名
      日本化学会第101回春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Colloidal Quantum Dots and Next Generation Photovoltaics2020

    • 著者名/発表者名
      Takaya Kubo
    • 学会等名
      International Conference on Condensed Matter Photo-Physics Summer
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Eco-Friendly AgBiS 2 Nanocrystal / ZnO Nanowire Heterojunction Solar Cells with Enhanced Carrier Collection Recording available2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Xiao, H. Wang, N. Shibayama, T. Kubo, and H. Segawa
    • 学会等名
      Prime2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Short-wave Infrared PbS Colloidal Quantum Dot ZnO Nanowire Solar Cells for tandem solar cells2020

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      Prime2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Eco-friendly AgBiS2 Nanocrystal / ZnO Nanowire Heterojunction Solar Cells with Enhanced Carrier Collection2020

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] PbS量子ドット/ZnOナノワイヤ太陽電池:オーバーコート層の効果2020

    • 著者名/発表者名
      王海濱、久保貴哉、瀬川浩司
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Colloidal Quantum Dots and Next Generation Photovoltaics2020

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      International Conference on Condensed Matter Photo-Physics Summer
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Enhanced Infrared Photocurrent of PbS Quantum Dot Solar Cells toward the Bottom Subcell of Multi-junction Solar Cells2020

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      Perovskite and Organic Photovoltaics and Optoelectronics (IPEROP20, Tsukuba, Japan)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancement of PbS Quantum Dot Solar Cell Performance with Surface Passivated ZnO Nanowires2020

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, C. Gagliard, J. Nakazaki, T. Kubo, and H. Segawa
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Solution-processed AgBiS2 Nanocrystal/ZnO Nanowire Heterjunction Solar Cells,2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Xiao, H. Wang, N. Shibayama, T. Kubo, and H. Segawa
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] PbS量子ドット/ZnO太陽電池特性に対する量子ドット層熱処理の影響2020

    • 著者名/発表者名
      高橋晃宏、王海濱、福田武司、鎌田憲彦、久保貴哉、瀬川浩司
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] PbS QD/ZnO nanowire solar cells for series-connected triple-junction solar cells with a power conversion efficiency of approximately 30%2019

    • 著者名/発表者名
      T. Kubo, H. Wang, S. Nakao, H. Saito, N. Miyashita, Y. Okada, T. Hasegawa, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      2019MRS Spring Meeting & Exhibit (Phoenix, USA)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High efficiency infrared PbS QD solar cells toward the bottom subcell of tandem solar cells2019

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      The 6th Conference on Science and Technology of Emerging Solar Energy Materials ( Beijing, China)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] PbS量子ドット/ZnOヘテロ接合太陽電池:平坦型とナノワイヤ型の比較2019

    • 著者名/発表者名
      王海濱、久保貴哉、瀬川浩司
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会(北海道大学、日本)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Enhanced Short-circuit Current in PbS Quantum Dot Solar Cells with Highly Infrared Transparent Window Layers2019

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, S. Nakao, T. Hasegawa, T. Kubo, and H. Segawa
    • 学会等名
      The 11th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics (TOEO-11, Nara, Japan)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Solution-processed AgBiS2 Nanocrystal/ZnO Heterjunction Solar Cells2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Xiao, H. Wang, T. Kubo, and H. Segawa
    • 学会等名
      The 9th CSJ Chemistry Festa
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] PbS quantum dot / ZnO nanowire solar cells with high infrared spectral sensitivity2019

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, J. Nakazaki, and H. Segawa
    • 学会等名
      The 29th International conference on Photovoltaic Science & Engineering (PVSEC-29, Xi'an China)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Enhanced Open-circuit Voltage of PbS Quantum Dot Solar Cells with Organic Surface Passivated ZnO Nanowires2019

    • 著者名/発表者名
      H. Wang, T. Kubo, C. Gagliard, Y. Okada, and H. Segawa
    • 学会等名
      MRM ( Yokohama, Japan)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Solution-processed Colloidal Quantum Dot-based Infrared Photovoltaics toward Ultra-high Efficiency2019

    • 著者名/発表者名
      T. Kubo, H. Wang, and H. Segawa
    • 学会等名
      MRM ( Yokohama, Japan)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2023-12-25  

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