ヘテロ接合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の向上

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02565
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 沈 青 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50282926)
• 研究分担者: 豊田 太郎 電気通信大学, その他部局等, 名誉教授 (40217576) ; 早瀬 修二 電気通信大学, i－パワードエネルギー・システム研究センター, 特任教授 (80336099)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 量子ドット / 太陽電池

研究実績の概要

（１）量子ドットと量子ドット（QDs/QDs）界面での表面欠陥を低減させることは量子ドット太陽電池の高効率化を実現するための重要な鍵である。今年度の一つ成果として、ペロブスカイト単層でPbS QDs/QDs界面をパッションする新しい手法を開発した。その結果、 QD光吸収層での欠陥密度が 40% 減少したと共に，キャリア移動度が大幅に向上し，QD膜内の光生成キャリアの拡散距離が 1.7 倍増加した。そのため， QD光吸収層の最適な厚さが11％増加し，太陽電池のエネルギー変換効率（PCE）の最高値は13％以上に達成できた。次に、電子輸送層／量子ドット界面のパッシベーションを行った。PMMA（アクリル樹脂）と フラーレンの誘導体であるPCBM（混合層を導入し、電子輸送層のダ メージを防ぐとともに、界面での欠陥密度を低減させた。さらに、電子と正孔をバランスを取りながら抽出し、量子ドット／正孔輸送層の界面での欠陥を低減するために、QD光吸収層と正孔輸送層の間に、PMMAと酸化グラフェンの混合膜を導入した。これにより、正孔移動度が著しく向上し、量子ドット／正孔輸送層の界面での正孔の抽出効率が高まり、電子と正孔の輸送と収集のバランスが向上した。３種類の界面エンジニアリングにより、15.45％の変換効率が達成できた。これは今まで世界的に報告された単一接合の硫化鉛量子ドット太陽電池の中で最高値である。
（２）昨年度の研究の続きで、ペロブスカイトQDの光励起キャリアダイナミクスを評価した。カルボキシル基を持つ一連の半導体配位子をペロブスカイトQD表面に吸着し、光励起キャリアの抽出効率について検討した。単一励起子の場合では、外部への抽出率は99％であることが可能であるが、２励起子の場合では、抽出率は70％ぐらいであることを発見した。これらはは多重励起子の利用にとっては大変重要な基礎データである。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4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] The Effect of PbS Colloidal Quantum Dots with CdS and ZnS Coating on Photovoltaic Properties (2023)
  • 著者名/発表者名: Napasuda Wichaiyo, Mettaya Kitiwan, Qing Shen, Witoon Yindeesuk
  • 雑誌名: CURRENT APPLIED SCIENCE AND TECHNOLOGY 巻: 23 ページ: 1-14
  • DOI: 10.55003/cast.2022.02.23.011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] How to minimize voltage and fill factor losses to achieve over 20% efficiency lead chalcogenide quantum dot solar cells: Strategies expected through numerical simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Dandan Wang, Yusheng Li, Yongge Yang, Shuzi Hayase, Haifeng Wu, Ruixiang Wang, Chao Ding, Qing Shen
  • 雑誌名: Applied Energy 巻: 341 ページ: 121124-1 - 11
  • DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121124
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient Charge Transfer in MAPbI3 QDs/TiO2 Heterojunctions for High-Performance Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Hua Li, Chao Ding, Dong Liu, Shota Yajima, Kei Takahashi, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 13 ページ: 1292-1 - 12
  • DOI: 10.3390/nano13071292
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Open‐shell Diradical‐sensitized Electron Transport Layer for High‐Performance Colloidal Quantum Dot Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiwen Fang, Jiaxing Huang, Ran Tao, Qi Wei, Xiaobo Ding, Shota Yajima, Zhongxin Chen, Weiya Zhu, Cheng Liu, Yusheng Li, Ni Yin, Leliang Song, Yang Liu, Guozheng Shi, Hao Wu, Yiyuan Gao, Xin Wen, Qi Chen, Qing Shen, Youyong Li, Zeke Liu, Yuan Li, Wanli Ma
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 11 ページ: 2212184-1 - 10
  • DOI: 10.1002/adma.202212184
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Qing Shen (沈 青) wiley.com の [PDF] Merging Passivation in Synthesis Enabling the Lowest Open‐Circuit Voltage Loss for PbS Quantum Dot Solar Cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Yang Liu, Hao Wu, Guozheng Shi, Yusheng Li, Yiyuan Gao, Shiwen Fang, Haodong Tang, Wei Chen, Tianshu Ma, Irfan Khan, Kai Wang, Changlei Wang, Xiaofeng Li, Qing Shen, Zeke Liu, Wanli Ma
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 11 ページ: 2207293-1 - 9
  • DOI: 10.1002/adma.202207293
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] How to get high-efficiency lead chalcogenide quantum dot solar cells? (2022)
  • 著者名/発表者名: Ding Chao、Shen Qing
  • 雑誌名: Science China Physics, Mechanics & Astronomy 巻: 66 ページ: 217303-1, -26
  • DOI: 10.1007/s11433-022-1918-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unveiling of efficiency limit to fabricate high-performance PbSe quantum dot solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Dandan Wang, Yusheng Li, Yongge Yang, Chao Ding, Qing Shen
  • 雑誌名: Solar Energy 巻: 247 ページ: 432-440
  • DOI: 10.1016/j.solener.2022.10.034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Exciton Dislocation and Ultrafast Charge Extraction in CsPbI3 Perovskite Quantum Dots by Using Fullerene Derivative as Semiconductor Ligand (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusheng Li, Dandan Wang, Shuzi Hayase, Yongge Yang, Chao Ding, Qing Shen
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 12 ページ: 3101-1 - 8
  • DOI: 10.3390/nano12183101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Over 15% Efficiency PbS Quantum‐Dot Solar Cells by Synergistic Effects of Three Interface Engineering: Reducing Nonradiative Recombination and Balancing Charge Carrier Extraction (2022)
  • 著者名/発表者名: Chao Ding, Dandan Wang, Dong Liu, Hua Li, Yusheng Li, Shuzi Hayase, Tomah Sogabe, Taizo Masuda, Yong Zhou, Yingfang Yao, Zhigang Zou, Ruixiang Wang, Qing Shen
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 12 ページ: 2201676
  • DOI: 10.1002/aenm.202201676
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unraveling the organic and inorganic passivation mechanism of ZnO nanowires for construction of efficient bulk heterojunction quantum dot solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuyao Wei, Mako Nakamura, Chao Ding, Dong Liu, Hua Li, Yusheng Li, Yongge Yang, Dandan Wang, Ruixiang Wang, Shuzi Hayase, Taizo Masuda, Qing Shen
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 ページ: 36268 - 36276
  • DOI: 10.1021/acsami.2c10508
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Passivation on ZnO NWs to enhance the efficiency of PbS/ZnO NW QDSCs （2023.3.15-18） (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuyao Wei, Chao Ding, Mako Nakamura, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 学会等名: 第７０回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Numerical optimizations of lead sulfide colloidal quantum dot solar cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Wang Dandan, Li Yusheng, Ding Chao, Shuzi Hayase, and Shen Qing
  • 学会等名: 第７０回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Chemical Anchoring of Semiconductor Ligand onto Perovskite Quantum Dots for Hot and Cold Carriers Extraction (2023)
  • 著者名/発表者名: Yusheng Li, Shota Yajima, Akihito Fuchimoto, Hongshi Li, Dong Liu, Hua Li, Chao Ding, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 学会等名: 第７０回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Passivation on ZnO NWs to suppress charge recombination and facilitate charge transport in quantum dot/ZnO NW heterojunction solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuyao Wei, Chao Ding, Mako Nakamura, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 学会等名: 第 19 回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Inorganic or/and organic passivation on ZnO NWs to enhance the efficiency of quantum dot/ZnO NW heterojunction solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuyao Wei, Chao Ding, Mako Nakamura, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 学会等名: PVSEC-33, International Photovoltaic Science and Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Mixed Cation on Photoelectric Properties, Hot Carrier Dynamics in Hybrid Lead Halide Perovskites, 19th "Next Generation Photovoltaic Power Generation System" Symposium, Kanazawa, Japan, Jun.2022. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hua Li, Chao Ding, Dong Liu, Shuzi Hayase, Taizo Masuda, Qing Shen: Effects of Mixed Cation on Photoelectric Properties, Hot Carrier Dynamics in Hybrid Lead Halide Perovskites, 19th "Next Generation Photovoltaic Power Generation System" Symposium, Kanazawa, Japan, Jun.2022.
  • 学会等名: 第 19 回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Protecting Hot Carriers by Introducing Inorganic Cations in Halide Perovskite Quantum Dots (2022)
  • 著者名/発表者名: Hua Li, Chao Ding, Qing Shen
  • 学会等名: The 4rd ASEAN-UEC Workshop on Informatics and Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Mixed Cation on Photoelectric Properties, Hot Carrier Dynamics in Hybrid Lead Halide Perovskites (2022)
  • 著者名/発表者名: Hua Li, Chao Ding, Dong Liu, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 学会等名: PVSEC-33, International Photovoltaic Science and Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Device simulations: Reducing non-radiative recombination losses for achieving >15% efficient lead sulfide quantum dot solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Dandan, Ding Chao, Xing Meibo, Wu Haifeng, Wang Ruixiang, and Shen Qing
  • 学会等名: Applied Energy Symposium: Clean Energy Towards Carbon Neutrality
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical analysis and non-radiative recombination reduction of PbS-EMII/PbS-EDT heterojunction quantum dot solar cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Dandan, Ding Chao, Shuzi Hayase, and Shen Qing
  • 学会等名: 第 19 回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] Chemical Anchoring of Semiconductor Ligand onto Perovskite Quantum Dots for Hot and Cold Carriers Extraction. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusheng Li, Dandan Wang, Shota Yajima, Akihito Fuchimoto, Dong Liu, Hua Li, Yongge Yang, Yuyao Wei, Chao Ding, Shuzi Hayase, Qing Shen
  • 学会等名: The 33rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-33)
  • 国際学会
• [学会発表] Research and Application on Stability and Non-toxicity of Halide Perovskite Materials and Its Fluorescence Properties (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, D. Ding, Q. Shen.
  • 学会等名: nanoGe Spring Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Research on Synthesis and Properties of Stable Perovskite Materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Yang, C. Ding, Hayase, S. ,Q. Shen.
  • 学会等名: 第 19 回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム
• [学会発表] High carrier transport based on perovskite quantum dots in perovskite matrix (2022)
  • 著者名/発表者名: yongge yang, yusheng li, chao ding, shuzi hayase, qing shen
  • 学会等名: 第７０回応用物理学会春季学術講演会
• [図書] Halide Perovskite Nanocrystals and Applications to Solar Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Yaohong Zhang, Yu Chen, Guohua Wu, Haizheng Zhong, Qing Shen
  • 総ページ数: 672
  • 出版者: Wiley‐VCH GmbH
  • ISBN: 9783527349241
• [産業財産権] Production method of methylammonium lead halide perovskite quantum dots (2021)
  • 発明者名: T. Masuda, Q. Shen, C. Ding
  • 権利者名: T. Masuda, Q. Shen, C. Ding
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 11479718
  • 外国