研究課題
基盤研究(B)
本研究は、安価・高効率な次世代太陽電池の一つである多重励起子生成型量子ドット太陽電池のナノ界面の構築と多重励起子の電荷分離効率向上のメカニズムの解明および高効率化への指針を与えることを目的とする。研究の目標は、①ヘテロ接合量子ドット太陽電池のナノ界面制御;② ①の系に対して、光電変換特性向上の鍵となるナノ界面での多重励起子の電荷分離効率向上のメカニズムの解明;③ ①と②の結果と光電変換特性との相関性を明らかにし、最適な電荷分離ナノ界面の構築と高効率化への筋道を得ること、の3つである。
量子ドット太陽電池おける各種界面に対して、有機分子や無機材料による修飾を行い、それらの相乗効果により、光励起キャリアの無輻射再結合損失の低減と電荷キャリア抽出のバランスの向上ができた。その結果、PbS量子ドット太陽電池のエネルギー変換効率は15.45%を実現し、PbS量子ドット太陽電池の世界最高性能を達成した。また、量子ドットにおける光励起キャリアの超高速緩和ダイナミクスを評価し、量子ドットの成分や表面状態はそのホットキャリアダイナミクスの緩和に大きい影響を与えることを見出した。これは今後の多重励起子生成型量子ドット太陽電池の実現のための貴重な基礎データとなる。
本研究の研究成果の一つとしては量子ドット太陽電池の各種界面における相乗効果を持つパッシベーション方法の開発である。開発された手法とその発想は、量子ドット太陽電池の光電変換特性を向上させる新たなアイデアを提供するだけでなく、他のヘテロ接合太陽電池や発光ダイオード(LED)にも応用可能であり、今後、さらなる高性能な光電変換デバイスへの展開が期待される。また、量子ドットの組成と表面状態は量子ドットにおけるホットキャリアの緩和に大きい影響を与えることが判明した。これらの実験結果は次世代太陽電池の候補である多重励起子生成型量子ドット太陽電池の実現のために貴重な基礎データを提供できる。
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