量子ナノ構造界面層の創成と光電変換デバイス開拓

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01378
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 野崎 智洋 東京工業大学, 工学院, 教授 (90283283)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: マイクロナノ熱工学 / 再生可能エネルギー / 太陽電池 / 量子ドット / プラズマ化学

研究実績の概要

結晶欠陥を低減させたシリコンナノ粒子（SiNC）を用いて，室内標準光源に対してエネルギー変換効率10%に達する有機無機ハイブリッド光電変換デバイスを開発することに成功した。まず，粒形がそろったSiNCを合成する手法としてインフライトプラズマCVDを独自に開発した。結晶サイズが10nm以下になる条件では，プラズマによる非平衡加熱によってナノ粒子の温度は気体温度より数100K高く制御できるため，結晶化度の高いSiNCを合成できる。さらに結晶欠陥を低減するために低温熱処理およびHF処理を組合わせて太陽電池に適したSiNCの合成に成功した。
光電デバイスの作成では，SiNCと高分子との相溶性を制御することで，光吸収層となるバルクヘテロ構造の最適化を行った。高分子薄膜にSiNCを均一に分散させ，さらにバルクヘテロ界面における高分子の分子構造制御を実現した。具体的には，SiNC表面の化学修飾と製膜後の低温熱処理によって高分子薄膜の内部に発生するストレスを除去することで発電効率向上を実現した。その他の重要な特性として，SiNCを終端する水素の化学状態を明らかにする 。シリコン単結晶（例えばシリコンウェハー）では，SiH，SiH2が主な表面水素種であるが， SiNCは曲率が大きいため完全に水素終端させるとSiH3も高い確率で共存する。SiH3は水素脱離の活性化エネルギーが小さいため水素脱離による欠陥（ダングリングボンド）を誘発しやすい。SiNC合成および低温熱処理によって安定な表面SiHn種だけを形成することで高い電子輸送能を実現した。電子・正孔の再結合を抑制するために必要な電子輸送中間層については種々のn型半導体材料を適用する。光電デバイスの性能は模擬太陽光とともに模擬室内光を用いて評価した。微弱な室内光に対してIoTデバイスの電源として利用できる有機無機ハイブリッド光電変換デバイス実現に向けた道筋を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Interim report of plasma-catalysis; Footprints in the past and blueprints for the future (2021)
  • 著者名/発表者名: Hyun-Ha Kim, Ayman A Abdelaziz, Yoshiyuki Teramoto, Tomohiro Nozaki, Karol Hensel, Young-Sun Mok, Dae-Hoon Lee, Woo-Seok Kang
  • 雑誌名: International Journal of Plasma Environmental Science and Technology 巻: 15 ページ: e01004(pp39)
  • DOI: 10.34343/ijpest.2021.15.e01004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The 2020 Plasma Catalysis Roadmap (2020)
  • 著者名/発表者名: Annemie Bogaerts, Xin Tu, J Christopher Whitehead, Gabriele Centi, Leon Lefferts, Olivier Guaitella, Federico Azzolina-Jury, Hyun-Ha Kim, Anthony B Murphy, William F Schneider, Tomohiro Nozaki, Jason C Hicks, Antoine Rousseau, Frederic Thevenet, Ahmed Khacef and Maria Carreon
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 53 ページ: 443001(51pp)
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ab9048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 10 年後を見据えたプラズマ科学の学術課題 (2020)
  • 著者名/発表者名: 比村治彦，伊藤篤史，稲垣滋，占部継一郎，金子俊郎，古閑一憲，小菅祐輔，佐々木徹，佐野孝好，千徳靖彦，野崎智洋
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会年会
• [備考] 東京工業大学野崎研究室ホームページ
  • URL: http://www.energy-lab.mech.e.titech.ac.jp/
• [備考] 東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherinfo.cgi?q_researcher_content_number=CTT100380618
• [備考] Daeyeong Kim（博士学生）静電気学会 宍戸奨励賞 受賞（2021.3）