| 研究課題/領域番号 |
15H03854
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
吉田 司 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (90273127)
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| 研究分担者 |
増原 陽人 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (30375167)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 太陽電池 / 有機無機ハイブリッド / 電極触媒 / ナノ微粒子 / 電荷移動錯体 |
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| 研究実績の概要 |
光吸収層となる新規な有機CT錯体として、1,3-ビス（ジシアノメチリデン）インダンアニオン（TCNIN-）と1,1'-ジメチル-4,4'-ビピリジニウムカチオン（MV2+）から成る有機塩を見出した。エタノールを共通溶媒として混合溶液を調製し、溶媒をゆっくり揮発させることで金属光沢を有する黒色粉末が得られ、その吸収スペクトルは1000 nm程度までの近赤外領域に及ぶことが分かった。また、XRDからはTCNIやMV単独の塩とは異なるパターンを示し、固有の結晶構造を持つ両者の塩であることが明らかであった。CV測定からHOMO, LUMOレベルを推定すると、TCNIH-をドナー、MV2+をアクセプタとする1.64 eVのCTエネルギーギャップが推定され、観察されたNIR領域の吸収帯に合致することも確認された。
Pyrene:TCNQ錯体ナノ微粒子の再沈法による作製に成功し、その結晶構造がバルク体と同一で、CT光吸収を示すことを確認した。
一方鉛ハライドペロブスカイトを光吸収層とする太陽電池について、電解析出法による酸化亜鉛薄膜を電子抽出層として用いるデバイスを構築したところ、最高で変換効率およそ4%を確認したが、再現性が極めて悪く、デバイスの劣化も激しいことが分かった。この原因が酸化亜鉛に起因することが疑われたため、酸化チタンの電解析出への取り組みを開始した。チタンアルコキシドをテトラメチルアンモニウム水酸化物との直接反応によって加水分解することで、層間に嵩高いTMA+イオンが挿入されて静電的に安定化された層状チタン酸コロイドが得られ、安定な均一水溶液となる。この溶液に電気化学的に容易に酸化されてプロトンを放出するハイドロキノンを添加し、電解酸化すると、層間のTMA+とプロトンが交換し、チタン酸のアモルファス薄膜が得られる。これを熱処理することで、アナターゼ型酸化チタン薄膜を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
光吸収材料の新しい候補として、有機塩型CT錯体の合成に取り組み、従来知られていないTCNIH-とMV2+から成るCT化合物の合成に成功した。その組成や結晶構造を明らかにすると共に、PL特性や光伝導度測定などを調べて、太陽電池材料としての適用性を調べる段階に進んでいる。新しいCT錯体結晶を得るという目標については、初年度に早速その成果が得られたので予定以上の進展であったと言える。
一方で、既に高い変換効率が知られる鉛ハライドペロブスカイトを光吸収層に用い、溶液プロセスによって成膜可能なキャリア選択制コンタクト層を得る研究については、実績のある酸化亜鉛電析膜を使い、デバイスを構築したところ、太陽電池として動作することは確認できた。しかしながら、その変換効率は大きくバラつき、全く動作しないものも多かった。また、耐久性が無く、すぐに劣化することも分かった。その原因が酸化亜鉛にあるのか、ペロブスカイト層に問題があるのかまだ判然とはしないが、酸化亜鉛層であることが疑われたため、新規性には乏しいが酸化チタンへとシフトすることにした。独自の成膜法として、電解析出法による酸化チタン成膜に取り組み、アナターゼ型酸化チタン薄膜を得ることに成功したが、膜の均一性が乏しくデバイス化が困難であることが判明した。そのため、ペロブスカイトを吸収層とする太陽電池については、電子抽出層となる金属酸化物層をボトム層とした通常の正立型のみではなく、ホール抽出層となるp型半導体をボトム層に用いた倒立型を検討する。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続きTCNI:MV塩について検討し、組成、結晶構造を明らかにすると共にその分光学的性質を明らかにする。また、その薄膜化、デバイス化を試みる。
多様な光吸収材料候補を見出すために、p-CuSCNと有機色素の電気化学的自己組織化によるハイブリッド薄膜の創出やZnOナノ微粒子のマイクロ波アシスト水熱合成においてCoイオンドーピングを試みる。
電子抽出層としては、引き続き酸化チタンの電解析出を検討するほか、酸化亜鉛ナノ微粒子のマイクロ波合成について、種々のSDAを用いた形態、サイズ、露出結晶面制御を試み、その成膜によって電子抽出層とすることも検討する。また、電解析出によって成膜可能なp-CuSCNをホール抽出層に用いた倒立型デバイスについても検討する。
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