| 研究課題/領域番号 |
16K06759
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| 研究機関 | 北九州工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
山根 大和 北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 教授 (70332096)
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| 研究期間 (年度) |
2016-10-21 – 2019-03-31
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| キーワード | 低温プラズマ処理 / イオン注入 / 有機無機ハイブリッド太陽 電池 / ペロブスカイト型太陽電池 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、物理的複合処理法である低温プラズマ処理法やイオン注入法を用いたカチオンとアニオンのコドープ処理技術の開発によりペロブブスカイトや酸化チタン表面・界面ナノ構造を制御することで、有機無機ハイブリッド太陽電池の光電変換効率を向上させるための表面・界面特性や表面バンド構造の最適化を図ることを検討している。平成28年度の本研究では、ペロブスカイト型太陽電池の高効率化を目的として、ペロブスカイト型太陽電池におけるTiO2 層、ペロブスカイト層及びp 型有機半導体の界面に対する低温プラズマ処理やイオン注入処理などの物理的・化学的処理による改質効果を検討した。低温プラズマ処理には現有する申請者らが開発したイオン注入装置付属のベルジャー型低温プラズマ装置を使用した。昨年に引き続き平成29年度の本研究では、ペロブスカイト型太陽電池の高効率化を目的として、ペロブスカイト層-TiO2 層およびペロブスカイト層-spiro-MeOTAD 層の各層間の界面特性を改善する目的で、低温プラズマ処理により酸化チタン（TiO2）電極およびペロブスカト層表面の物理的エッチング効果や水酸基を生じる化学的処理効果により、短絡光電流（Jsc）の増大および開放端電圧（Voc）の増大を検討した。また、TiO2 電極へのカチオン（Zr2+等）ドープ処理、アニオン（N）ドープ処理によって開放端電圧（Voc）、短絡光電流（Jsc）および光電変換効率（η）の増大を検討した。さらに、カチオン（Zr2+,）ドープ前処理した後、アニオン（N）ドープ後処理によって開放端電圧（Voc）及び短絡光電流（Jsc）の増大を検討した。(カチオン/アニオン)コドープ処理によって調製されたTiO2 電極やペロブスカイト層を使用して作製した太陽電池の光学特性を評価することで光電変換効率の向上のメカニズムを詳細に検討した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度本研究では、昨年に引き続きペロブスカイト型太陽電池の高効率化を目的として、ペロブスカイト型太陽電池におけるTiO層、ペロブスカイト層及びp 型有機半導体の界面に対する低温プラズマ処理やイオン注入処理などの物理的・化学的処理による改質効果を検討した。「試験項目」としてはカチオンおよびアニオンドープ処理の検討を実施した。カチオン（Zr2+等）ドープ処理、アニオン（N）ドープ処理によって開放端電圧（Voc）、短絡光電流（Jsc）および光電変換効率（η）の増大を検討した。ドナー準位として、作用①ドナー準位の電子は熱または光吸収エネルギーによりTiO2 伝導帯に励起される。作用②TiO2 伝導帯に励起電子を与えた状態で、増感剤色素ペロブスカイト層からの励起電子を受け取り、作用①と同様にこの励起電子はTiO2 伝導帯に励起する、という２つの作用の発現がある。したがって作用①によりTiO2 電極中の電子濃度が高くなり、光電流を増大させ、さらに作用②を有効に活用するためにドナー準位を制御できれば、現状の増感剤色素ペロブスカイト層のLUMO 準位よりもポジティブ側に位置する増感剤色素ペロブスカイト層も使用可能となる。したがって、現状の増感材増感剤色素ペロブスカイト層よりも狭いHOMO-LUMOギャップを持つ、すなわち長波長光吸収を示す増感剤色素ペロブスカイト層の使用が可能となり、かつドナー準位とTiO2 伝導帯のエネルギーギャップに相当する長波長光も有効に利用されることになり、必然的に光電流が大幅に増大することになる手がかりを得ている。この研究をさらに進め、TiO層の酸素欠陥準位の制御を目指すことを目標としており、目標達成のための手がかりは既に得ている。さらに「試験項目」として(カチオン/アニオン)コドープ処理によって開放端電圧（Voc）及び短絡光電流（Jsc）の増大を検討した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度本研究では、引き続きペロブスカイト型太陽電池の高効率化を目的として、ペロブスカイト型太陽電池におけるTiO層、ペロブスカイト層及びp 型有機半導体の界面に対する低温プラズマ処理やイオン注入処理などの物理的・化学的処理による改質効果を詳細に検討する。また、カチオンおよびアニオンドープ処理によって開放端（Voc）、短絡光電流（Jsc）および光電変換効率（η）の増大を検討する。この研究をさらに進めることは、TiO層の酸素欠陥準位の制御を目指すことが目標であり、目標達成のための手がかりは既に得ている。また、(カチオン/アニオン)コドープ処理を検討する。(カチオン/アニオン)コドープ処理によって調製されたTiO2 電極やペロブスカイト層を使用して作製した太陽電池の光学特性を評価することで光電変換効率の向上のメカニズムを詳細に検討する。さらに、電気化学測定による（無機/有機）複合材料の分子ナノ界面内部の電子移動過程（電子寿命、電子拡散）の評価を実施する。無機物（TiO2）の表面・界面ナノ構造及び表面バンド構造と有機分子（色素）やペロブスカイトとの間の電子移動・拡散の関係は不明な点が多く、未だに明瞭になっていない。(カチオン/アニオン)コドープ処理によりTiO2 表面・界面ナノ構造を制御することで、光電変換効率を向上させるための表面バンド構造の最適化を図ることを検討する。また、低温プラズマ表面修飾法を用いて新規な（無機/有機）ナノ界面を有する酸化物半導体ナノ微粒子を調製する。このような材料は高い光電変換効率を示すことが期待される。色素やペロブスカイトの分子設計を検討し、ドープTiO2 電極のドナー準位に最適化した有機太陽電池の利用されていない波長域の長波長光吸収色素やペロブスカイトの選択及び開発を行い、バンド構造制御TiO2 電極との組合せにより変換効率の向上を達成する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）
交付内定が決定したのが10月21日であり、すでに28年度の研究は進展させており、申請予定であった類似の装置を使用して実験を行い、その結果を基に解析分析をすることが可能であったため、計画を変更することとし、次年度使用額が生じた。29年度においても同様に申請予定であった類似の装置を使用して実験を行い、その結果を基に解析分析をすることが可能であったため、、計画を変更することとし、次年度使用額が生じた。
（使用計画）
次年度に本研究で開発している太陽電池の光学特性評価を詳細に行うことを予定し、次年度使用額と翌年度分として請求した助成金と合わせて使用する計画である。また，国内外の学会参加費として支出する計画である。
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