| 研究課題/領域番号 |
23760010
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| 研究機関 | 新潟大学 |
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研究代表者 |
馬場 暁 新潟大学, 研究推進機構超域学術院, 准教授 (80452077)
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| 研究期間 (年度) |
2011-04-28 – 2013-03-31
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| キーワード | 有機太陽電池 / 表面プラズモン / 有機薄膜 |
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| 研究概要 |
本研究では、金属薄膜格子上での伝播型表面プラズモンと有機薄膜中に分散させた金属微粒子による局在表面プラズモンを同時に励起し、その相互作用により入射光エネルギーを飛躍的に増大する新たな方法を用いた、高効率太陽電池デバイス応用に関する基礎・応用的な研究を行うことを目的とした。 この目的を達成するために、今年度は金薄膜格子上に金微粒子を堆積した場合における電界の解析についてFDTDシミュレーションを行った。この結果金属微粒子を直接配置した場合においても電界の増大が観測され、さらに微粒子の径を変化させることによる電界の変化のシミュレーションも行った。この結果に基づいて、金属微粒子を実際に金薄膜格子上に堆積した場合の表面プラズモン共鳴強度を透過型表面プラズモン共鳴測定法により測定した。まずは、金微粒子を合成しながら、直接金薄膜上に堆積した場合に測定を行った。この結果、プラズモンにより増強された表面から観測されるシグナルの増強が観測された。次に、金属微粒子層を表面から1nm~50nm程度離した場合の測定を行った。金薄膜格子と金属微粒子の間のスペーサには交互吸着膜を用いることでナノメートルオーダでの距離制御を行った。この結果、20nm程度離した場合において最もシグナルが増強することが分かった。 次に、金微粒子、銀微粒子それぞれをドープした酸化チタンを用いて、金薄膜格子上にスピンコート法、電気泳動法を用いて堆積し、金薄膜/金属ドープ酸化チタン/電解質界面における、光電変換特性の測定を行った。この時、伝播型表面プラズモンが励起する場合と励起しない場合を比較するために、p,sそれぞれの偏光を照射して測定を行った。この結果、伝播型表面プラズモンが励起する場合は、励起しない場合に比べて最大で5倍程度の光電流の増大を得ることができた。
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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
上記目的を達成するために、平成23年度は主に次の２項目を研究実施計画として進めた。(1)FDTD法によるプラズモン複合励起デバイスの電界増強特性の評価(２)金属微粒子と光吸収層の多層化構造有機太陽電池構造におけるプラズモン複合励起特性とその光電変換特性の検討 これまでにほとんど報告のなかった伝播型表面プラズモンと局在表面プラズモンの相互作用における電界増強効果について、種々の構造においてFDTD法を用いた電界解析を行い、これを有機薄膜太陽電池へ応用し、効率的なデバイス設計の指針として実際の実験結果との比較検討を行った。 この結果、金属微粒子を直接配置した場合、離した場合ともに広い範囲において電界の増強が得られる結果となった。この結果を基に概要に記述した通り実験を行い、表面プラズモン励起シグナル増強の距離依存特性も明らかになり、さらに実際に光電流の増強が得られた。以上のように、目的・計画の（１）（２）を実施して成果が得られており、概ね当初の計画通り達成できた。これらの結果は、すでに２本国際論文誌に掲載されており、さらに現在1編国際論文誌に投稿中、２編投稿準備中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成２４年度はこれまでに得られた研究をさらに進め、研究計画通り有機太陽電池に複合プラズモン構造を導入したデバイスを作製し、光電変換特性について詳細に検討を行う。 金属微粒子の配置位置や格子パターンの方向、パターンに対する入射角度変化により、プラズモン励起が大きくかわることが考えられるため詳細に調べる。また、PEDOT:PSS電極上に金属微粒子をプリントした構造、両側にプリントした構造の作製も行い、金属微粒子パターン同士の局在プラズモン相互作用や、下部格子電極との伝播型プラズモン励起との相互作用による電界増強効果とその光電変換特性への寄与ついて詳細に調べ、高効率デバイスへの応用に結び付ける。この構造においても、一年目の知見を基に引き続きFDTDシミュレーションによる電界解析を行い比較検討を行い、交互吸着型と同様に光吸収測定、AFM測定などにより詳しく調べる。 また、得られた成果は国内・国外の学会で報告を行うことにより公表し、また、評価の高い国際論文誌での誌上発表も積極的に行う。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
平成24年度は当初の計画通りに研究費を使用する。物品費としては、光電変換材料として用いる色素などの試薬や電極材料としての金属蒸着材料、さらに格子基板形状の最適化のための種々格子基板等を購入し実験を進める。また旅費としては、情報収集や得られた成果の発表を行うために、応用物理学会、電気学会、さらに有機薄膜に関する国際会議（7月、パリ）に参加する。他には、実験補助としての謝金や、その他学会参加費、論文投稿料などとしても研究費の使用を行う。
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