光による半導体粒子の形状異方性制御とエネルギー変換材料への応用

• 研究課題/領域番号: 20245031
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機能物質化学
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 鳥本 司 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60271029)
• 研究分担者: 岡崎 健一 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70402485)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 49,270千円 (直接経費: 37,900千円、間接経費: 11,370千円); 2011年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2010年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2009年度: 14,950千円 (直接経費: 11,500千円、間接経費: 3,450千円); 2008年度: 18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)
• キーワード: ナノ材料 / 量子ドット / 触媒・化学プロセス / 電子・電気材料 / ZnOナノロッド / 異方性形状 / 自己組織化 / 太陽電池

研究概要

シリコン太陽電池に変わる次世代太陽電池の材料として、Cdなどの毒性の高い元素やInなどの希少元素を含まず、かつ高い光活性を示す環境調和型の半導体材料であるCu_2ZnSnS_4(CZTS)が注目され、薄膜太陽電池が試作されている。しかしながら、これまでにCZTSナノ粒子の化学合成はほとんど報告されていなかった。そこで本研究では、高温有機溶媒中における化学反応を利用してCZTSナノ粒子の液相合成を行い、得られた粒子についてその光電気化学特性を調べ、太陽電池の光吸収層としての可能性を検討した。対応する金属イオンの酢酸塩と硫黄粉末を、化学量論比で混合しオレイルアミンに分散させた後、240℃で加熱することにより、5-7nm程度の粒径をもつCZTSナノ粒子を合成した。粒子は、その表面がオレイルアミンで修飾されており、溶液中に安定に分散した状態として得られる。光吸収スペクトルから、粒子のバンドギャップエネルギーは約1.5eVと見積もられる。つぎに、エタンジチオールを架橋剤とする交互吸着法によって、粒子サイズを保ったまま、CZTSナノ粒子を透明電極基板上に積層した。得られたナノ粒子薄膜電極に可視光を照射すると、カソード光電流が得られ、CZTSナノ粒子はp型半導体特性を示した。また、900nm以下の波長の光照射に対して応答した。光電流の立ち上がり電位が、CZTSナノ粒子の価電子帯上端の電位であると見なすと、得られた粒子の伝導帯下端および価電子帯上端の電位は、各々、-1.2Vおよび0.3V vs.Ag/AgClであると見積もることができる。同様の手法を用いることによって、様々な化合物半導体のナノ粒子化が可能となり、本研究成果は、将来の半導体ナノ粒子を用いる太陽電池開発に大いに役立つ。

研究成果

• [雑誌論文] Fabrication of Nanoframe Structures by Site-selective Assembly of Gold Nanoparticles on Silver Cubes in an Ionic Liquid (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Okazaki, et al.
  • 雑誌名: Chem.Lett. 巻: 40 ページ: 84-86
  • NAID: 10027655381
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-plasmon-enhanced photocurrent generation of CdTe nanoparticle/titania nanosheet composite layers on Au particulate films (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kameyama, et al.
  • 雑誌名: J.Photochem.Photobiol.A Chem. 巻: (In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Immobilization of ZnS-AgInS_2 Solid Solution Nanoparticles on ZnO Rod Array Electrodes and Their Photoresponse with Visible Light Irradiation (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Sasamura, et al.
  • 雑誌名: Chem.Lett. 巻: 39 ページ: 619-621
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and Photoelectrochemical Properties of Densely Immobilized Cu_2ZnSnS_4 Nanoparticle Films (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Kameyama, et al.
  • 雑誌名: J.Mater.Chem. 巻: 20 ページ: 5319-5324
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of Transition Metal Oxide Nanoparticles Highly Dispersed in Ionic Liquids by Sputter Deposition (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Suzuki, et al.
  • 雑誌名: Chem.Left. 巻: 39 ページ: 1072-1074
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanosize-Controlled Syntheses of Indium Metal Particles and Hollow Indium Oxide Particles via the Sputter Deposition Technique in Ionic Liquids (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Suzuki, et al.
  • 雑誌名: Chem.Mater. 巻: 22 ページ: 5209-5215
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of Luminescent AgInS_2-AgGaS_2 Solid Solution Nanoparticles and Their Optical Properties (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Uematsu, et al.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.Lett. 巻: 1 ページ: 3283-3287
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen Reduction Catalytic Ability of Platinum Nanoparticles Prepared by Room-temperature Ionic Liquid-sputtering Method (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuda, et al.
  • 雑誌名: J.Power Sources 巻: 195 ページ: 5980-5985
  • 査読あり
• [雑誌論文] Catalytic Activity and Regeneration Property of a Pd Nanoparticle Encapsulated in a Hollow Porous Carbon Sphere for Aerobic Alcohol Oxidation (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Harada, et al.
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 26 ページ: 17720-17725
  • 査読あり
• [雑誌論文] New Frontiers in Materials Science Opened by Ionic Liquids (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Adv.Mater. 巻: 22 ページ: 1196-1221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room-Temperature Ionic Liquid. A New Medium for Material Production and Analyses under Vacuum Conditions (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Kuwabata, et al.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.Lett. 巻: 1 ページ: 3177-3188
  • 査読あり
• [雑誌論文] 半導体ナノ粒子の組織化と光機能:量子ドット配列制御による高機能性材料の創製 (2010)
  • 著者名/発表者名: 亀山達矢, ら
  • 雑誌名: 化学と工業 巻: 63 ページ: 327-329
  • 査読あり
• [雑誌論文] 低毒性元素からなる新規半導体ナノ粒子の作製と光機能材料への応用 (2010)
  • 著者名/発表者名: 笹村哲也, ら
  • 雑誌名: 日本写真学会誌 巻: 73 ページ: 290-296
• [雑誌論文] 半導体ナノ粒子の液相合成・固定化と光機能材料への応用 (2010)
  • 著者名/発表者名: 鳥本司, ら
  • 雑誌名: 光技術コンタクト 巻: 49 ページ: 11-17
• [雑誌論文] Size Control and Immobilization of Gold Nanoparticles Stabilized in an Ionic Liquid on Glass Substrates for Plasmonic Applications (2010)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Phys.Chem.Chem.Phys 12 ページ: 1804-1811
  • 査読あり
• [雑誌論文] Remarkable Photoluminescence Enhancement of ZnS-AgInS2 Solid Solution Nanoparticles by Postsynthesis Treatment (2010)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Chem.Commun. 46 ページ: 2082-2084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Studies on Reaction Conditions for Size-selective Photoetching of Cadmium Telluride Nanocrystals (2010)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Electrochemistry 78 ページ: 170-174
  • NAID: 130002150584
  • 査読あり
• [雑誌論文] New Frontiers in Materials Science Opened by Ionic Liquids (2010)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Adv.Mater 22 ページ: 1196-1221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photocatalytic Electron Flow through the Interface of Titania Nanosheets and Mesoporous Silica Hybrid Films (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: J.Photochem.Photobiol.A : Chem 207 ページ: 135-142
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical Deposition of Gold Frame Structure on Silver Nanocubes (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Chem.Commun. ページ: 2917-2919
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stacked-Structure-Dependent Photoelectrochemical Properties of CdS Nanoparticle/Layered Double Hydroxide (LDH) Nanosheet Multilayer Films Prepared by Layer-by-layer Accumulation (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Phys.Chem.Chem.Phys 11 ページ: 5369-5376
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Facile Synthesis of AuAg Alloy Nanoparticles Using a Chemical Reaction Induced by Sputter Deposition of Metal onto Ionic Liquids (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Electrochemistry 77 ページ: 636-638
  • NAID: 130002150619
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tuning of the Fluorescence Wavelength of CdTe Quantum Dots with 2nm Resolution by Size-selective Photoetching (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Nanotechnology 20 ページ: 215302-215302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emission Quench of Water-soluble ZnS-AgInS2 Solid Solution Nanocrystals and Its Application to Chemosensors (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Chem.Commun. ページ: 7485-7487
  • 査読あり
• [雑誌論文] イオン液体へのスパッタ蒸着による金属ナノ粒子の合成 (2009)
  • 著者名/発表者名: 岡崎健一, など
  • 雑誌名: PETROTECH 32 ページ: 328-333
  • NAID: 10025531265
• [雑誌論文] Photochemical Shape Control of Cadmium Sulfide Nanorods Coated with an Amorphous Silica Thin Layer (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Torimoto, et al.
  • 雑誌名: J. Nanosci. Nanotechnol. 9 ページ: 506-513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photo-Induced Electron Migrations in the Nano-Cavities of Mesoporous Silica Sensitized by a Cationic Porphyrin Dye (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Torimoto, K. Takagi, et al.
  • 雑誌名: J. Nanosci. Nanotechnol. 9 ページ: 495-500
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermally Induced Self-assembly of Gold Nanoparticles Sputter-deposited in Ionic Liquids on Highly Ordered Pyrolytic Graphite Surfaces (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Chem. Lett. 38 ページ: 330-331
  • NAID: 10025120762
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoluminescence Enhancement of ZnS-AgInS_2 Solid Solution Nanoparticles Layer-by-layer-assembled in Inorganic Multilayer Thin Films (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Kameyama, T. Torimoto, et al.
  • 雑誌名: Chem. Lett. 37 ページ: 700-701
  • NAID: 10021081945
  • 査読あり
• [学会発表] Photocatalytic activity of core-shell-structured Au-SiO_2-CdS nanocomposite particles (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Torimoto, et al.
  • 学会等名: International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACIFICHEM 2010)
  • 発表場所: Honolulu, USA
• [学会発表] Stacked-structure-dependent Photoluminescence Properties of CdTe-Au Multilayer films (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Torimoto, et al.
  • 学会等名: 217th Electrochemical Society Meeting
  • 発表場所: Vancouver, Canada
• [学会発表] Photocatalytic Activity of CdS Nanoparticles Immobilized on Au-core/SiO_2-shell Particles (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Torimoto
  • 学会等名: 18th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-18)
  • 発表場所: Seoul, Korea
• [学会発表] Changes in the Photocatalytic Activity of CdS Nanoparticles with the Immobilization on Au Particles (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Torimoto
  • 学会等名: International Conference on Nanoscopic Colloid and Surface Science (NCSS2010)
  • 発表場所: Chiba, Japan
• [学会発表] Size control of gold nanoparticles sputter-deposited in ionic liquids by heat treatment (2009)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kurimoto, et al.
  • 学会等名: International Symposium on Integrated Molecular/Materials Engineering (ISIME2009)
  • 発表場所: Chengdu, China
  • 年月日: 2009-10-26
• [学会発表] Preparation and photoelectrochemical properties of Cu2ZnSnS4 nanoparticles (2009)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Osaki, et al.
  • 学会等名: International Symposium on Integrated Molecular/Materials Engineering (ISIME2009)
  • 発表場所: Chengdu, China
  • 年月日: 2009-10-26
• [学会発表] Photoelectrochemical properties of ZnO nanorod thin films loaded with ZnS-AgInS2 solid solution nanoparticle (2009)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Sasamura, et al.
  • 学会等名: International Symposium on Integrated Molecular/Materials Engineering (ISIME2009)
  • 発表場所: Chengdu, China
  • 年月日: 2009-10-26
• [学会発表] Layer-by-layer immobilization and photochemical properties of ZnS-AgInS2 solid solution nanoparticle thin films (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 学会等名: International Symposium on Integrated Molecular/Materials Engineering (ISIME2009)
  • 発表場所: Chengdu, China
  • 年月日: 2009-10-26
• [学会発表] Photochemical properties of highly luminescent ZnS-AgInS2 solid solution nanoparticles (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 学会等名: XXIV International Conference on Photochemistry
  • 発表場所: Toledo, Spain
  • 年月日: 2009-07-24
• [学会発表] Staked-structure-dependent photocurrent generation in LDH/CdS multilayer thin films (2009)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Kameyama, et al.
  • 学会等名: XXIV International Conference on Photochemistry
  • 発表場所: Toledo, Spain
  • 年月日: 2009-07-24
• [学会発表] Preparation of AuAg alloy nanoparticles using a chemical reaction induced by sputter deposition of metal onto ionic liquids (2009)
  • 著者名/発表者名: Toshimasa Suzuki, et al.
  • 学会等名: 3rd Congress on Ionic Liquids (COIL-3)
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2009-06-02
• [学会発表] Immobilization of gold nanoparticles sputter-deposited in ionic liquids on highly-ordered pyrolytic graphite via a thermal treatment (2009)
  • 著者名/発表者名: Ken-chi.Okazaki, et al.
  • 学会等名: 3rd Congress on Ionic Liquids (COIL-3)
  • 発表場所: Cairns, Australia
  • 年月日: 2009-06-01
• [学会発表] Layer-by-layer accumulation of ZnS-AgInS2 solid solution nanoparticles and their photoluminescence properties (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Torimoto, et al.
  • 学会等名: 215th ECS Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2009-05-25
• [学会発表] Color-Tunable Photoluminescence of ZnS-AgInS_2 Solid Solution Nanoparticles (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Torimoto, et al.
  • 学会等名: PRiME 2008 (Joint International Meeting)
  • 発表場所: Honolulu, U.S.A.
• [学会発表] Preparation of Alloy Nanoparticles by a Simultaneous Sputter Deposition of Au and Ag onto Ionic Liquids (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Okazaki, T. Torimoto, et al.
  • 学会等名: PRiME 2008 (Joint International Meeting)
  • 発表場所: Honolulu, U.S.A.
• [学会発表] Preparation and Photochemical Properties of Highly Luminescent ZnS-AgInS_2 Solid Solution Nanoparticles (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Torimoto, et al.
  • 学会等名: 17th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Sydney, Australia.
• [産業財産権] 半導体ナノ粒子及びその製法 (2009)
  • 発明者名: 鳥本司, ほか
  • 権利者名: 名古屋大学ほか
  • 産業財産権番号: 2009-046785
  • 出願年月日: 2009-02-27