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本研究では、溶液プロセスとの適合性が高いコロイド量子ドット(CQD)の多彩な光電子物性を利用し、赤外高効率太陽電池を構築するために、CQDとZnOナノワイヤ(NW)を混合することで構築できる混合ヘテロ接合に着目し、その中でのキャリア輸送の高効率化を達成するために、CQD/ZnO NWヘテロ接合のエネルギー構造や、混合ヘテロ構造がPbS量子ドット層のバンド構造に与える影響について検討した。
QDとZnOとの平面接合と異なり、混合層中のQD領域に光励起で生成する電子正孔対は、速やかに電荷分離することを、光電変換特性の温度依存より明らかにした。また、電荷分離後のZnO NW中の電子は、取り出し電極に速やかに回収できる電子構造になっていることを、セル断面のポテンシャルを表面電位顕微鏡で評価することで明らかにした。
PbS CQDから固体膜を形成する時に、CQD溶液中でその場リガンド交換を行い、CQD溶液濃度や塗布方法・条件の最適化、固体膜の適当なアニール処理を行うことで、欠陥密度の低減と、キャリア拡散長の伸長が可能であることを明らかにした。
混合活性層の基本構造を担うZnO NWの高品質化についても、可視ルミネセンスや顕微ラマン散乱と光電変換特性を詳細に調べ、キャリア輸送挙動に影響する要因を検討した。その結果、ZnO中の酸素欠損と格子間Zn由来の欠陥準位や、電子伝導の散乱因子となる電子格子相互作用を、適当なガス雰囲気でアニール処理することで低減できることを明らかにした 。その他、混合層作製手法の検討を行ったり、混合層が光電変換素子の高耐久化に有用であることを示した。
以上の検討結果より、量子ドットとZnO NW混合層を厚膜化して赤外領域での光捕集効率を高めても、高いキャリア輸送特性の維持が可能な混合層の作製指針を得ることができた。
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