ナノヘテロ接合型量子ドット太陽電池の創成と多重励起子の電荷分離機構の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26286013
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 沈 青 電気通信大学, 情報理工学(系)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)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 量子ドット / 太陽電池 / 光励起キャリアダイナミクス / 界面修飾

研究実績の概要

（1）PbSe量子ドット太陽電池の界面修飾と界面電荷分離・再結合ダイナミクス
まず、新しい方法を提案し安定なPbSe量子ドット溶液の作製に成功した。次に、異なる4種類のリガンド分子をPbSe量子ドットの表面パッシベーションに適用し、PbSe量子ドット薄膜を形成した。これらのリガンドの違いによる①PbSe量子ドット膜の空気中での安定性の変化、② PbSe量子ドット膜のエネルギー準位の変化、③PbSe量子ドット太陽電池の光電変換特性の変化について詳しく調べた。さらに、過渡吸収法により量子ドット界面での電荷移動速度定数のリガンド依存性とそのメカニズムを検討した。PbSe量子ドットにおける光励起キャリアの寿命と再結合過程のリガンド分子依存性を明らかにした。適切な量子ドット界面修飾方法を確立できれば、空気中で安定でありさらなる高効率化であるPbSe量子ドット太陽電池の構築ができることが判明した。
（2）PbS量子ドット太陽電池の界面修飾と界面電荷再結合の抑制
PbS量子ドットヘテロ接合型太陽電池に、PbS量子ドット層とAu電極との界面にBTPA-4という新しい有機小分子層をホール選択層として導入することをはじめて提案した。これにより、PbS量子ドット太陽電池の開放電圧の向上に成功した。開放電圧の時間応答と交流インピーダンスの測定結果より、BTPA-4ホール選択層の導入により、この界面での再結合を著しく抑制できたため、PbS量子ドット太陽電池における光励起キャリアの寿命が長くなり、開放電圧が向上できたことが明らかになった。さらに、この有機小分子BTPA-4を導入したPbS量子ドット太陽電池は空気中で100日以上保存しても安定であることを実証した。この結果より、提案したBTPA-4ホール選択層は従来の有機ホール選択層より安定であり、量子ドット太陽電池に応用できることが判明した

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] East China University of Sci. & Tech.(China)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: East China University of Sci. & Tech.
• [国際共同研究] Universitat Jaume I(Spain)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Universitat Jaume I
• [雑誌論文] Improvement of photovoltaic performance of colloidal quantum dot solar cells using organic small molecule as hole-selective layer (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yaohong, Wu Guohua, Mora-Sero Ivan, Ding Chao, Liu Feng, Huang Qingxun, Ogomi Yuhei, Hayase Shuzi, Toyoda Taro, Wang Ruixiang, Otsuki Joe, and Shen Qing*
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letter 巻: ８ ページ: 2163-2169
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00683
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Alloying Strategy in CuInGaSe Quantum Dots for High Efficiency Quantum Dot Sensitized Solar Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Wenxiang Peng, Jun Du, Zhenxiao Pan, Naoki Nakazawa, Jiankun Sun, Zhonglin Du, Gencai Shen, Juan Yu, Jin-Song Hu*, Qing Shen*, and Xinhua Zhong*
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 ページ: 5328-5336
  • DOI: 10.1021/acsami.6b14649
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photovoltaic Properties of CdSe Quantum Dot Sensitized Inverse Opal TiO2 Solar Cells: The Effect of TiCl4 Post Treatment (2017)
  • 著者名/発表者名: Motoki Hironaka, Taro Toyoda, Kanae Hori, Yuhei Ogomi, Shuzi Hayase, Qing Shen*
  • 雑誌名: Journal of Modern Physics 巻: 8 ページ: 522-530
  • DOI: https://doi.org/10.4236/jmp.2017.84034
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ligand-dependent exciton dynamics and photovoltaic properties of PbS quantum dot heterojunction solar cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Jin Chang, Yuhei Ogomi, Chao Ding, Yao Hong Zhang, Taro Toyoda, Shuzi Hayase, Kenji Katayama and Qing Shen*
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 19 ページ: 6358-6367
  • DOI: 10.1039/C6CP06561A
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Air Stable PbSe Colloidal Quantum Dot Heterojunction Solar Cells: Ligand-Dependent Exciton Dissociation, Recombination, Photovoltaic Property, and Stability (2016)
  • 著者名/発表者名: Yaohong Zhang, Chao Ding, Guohua Wu, Naoki Nakazawa, Jin Chang, Yuhei Ogomi, Taro Toyoda, Shuzi Hayase, Kenji Katayama, and Qing Shen*
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 28509-28518
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10920
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Recent progress on quantum dot solar cells: a review, J. Photon. Energy (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomah Sogabe, Qing Shen, Koichi Yamaguchi
  • 雑誌名: J. Photon. Energy 巻: 6 ページ: 040901
  • DOI: 10.1117/1.JPE.6.040901
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Adsorption and Electronic Structure of CdSe Quantum Dots on Single Crystal ZnO: A Basic Study of Quantum Dot-Sensitization System (2016)
  • 著者名/発表者名: Taro Toyoda, Witoon Yindeesuk, Keita Kamiyama, Shuzi Hayase, and Qing Shen
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 120 ページ: 16367-16376
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b04130
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Novel Y doped BiVO4 thin film electrodes for enhanced photoelectric and photocatalytic performance (2016)
  • 著者名/発表者名: Yaohong Zhang, Zhiguo Yi*, Guohua Wu*, Qing Shen*
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 327 ページ: 25-32
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2016.05.004
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Neutral and anionic tetrazole-based ligands in designing novel ruthenium dyes for dye-sensitized solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Guohua Wu, Ryuji Kanekoa, Yaohong Zhangb, Yoshinao Shinozakia, Kosuke Sugawaa,Ashraful Islamc,**, Liyuan Han, Idriss Bedjad, Ravindra Kumar Guptad, Qing Shen,Joe Otsukia
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 37 ページ: 416-425
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.12.135
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The effect of CdS on the charge separation and recombination dynamics in PbS/CdS double-layered quantum dot sensitized solar cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Koki Sato, Keita Ono, Takuya Izuishi, Shota Kuwahara, Kenji Katayama**, Taro Toyoda, Shuzi Hayase and Qing Shen*
  • 雑誌名: chemical physics 巻: 478 ページ: 159-163
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.chemphys.2016.03.014
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface engineering of PbS quantum dot sensitized solar cells with a conversion efficiency exceeding 7% (2016)
  • 著者名/発表者名: Shuang Jiao, Jin Wang, Qing Shen, Yan Li and Xinhua Zhong
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A, 巻: 4 ページ: 7214-7221
  • DOI: 10.1039/C6TA02465C
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mn doped quantum dots sensitized solar cells with power conversion efficiency exceeding 9% (2016)
  • 著者名/発表者名: Jin Wang, Yan Li, Qing Shen, Takuya Izuishi, Zhenxiao Pan, Ke Zhao and Xinhua Zhong
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 4 ページ: 877-886
  • DOI: 10.1039/C5TA09306F
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The Electronic Structure and Photoinduced Electron Transfer Rate of CdSe Quantum Dots on Single Crystal Rutile TiO2: Dependence on the Crystal Orientation of the Substrate (2016)
  • 著者名/発表者名: Taro Toyoda, Witoon Yindeesuk, Keita Kamiyama, Kenji Katayama, Hisayoshi Kobayashi, Shuzi Hayase, and Qing Shen
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 2047-2057
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b09528
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Zn-Cu-In-Se Quantum Dot Solar Cells with a Certified Power Conversion Efficiency of 11.6% (2016)
  • 著者名/発表者名: Jun Du, Zhonglin Du, Jin-Song Hu, Zhenxiao Pan, Qing Shen, Jiankun Sun, Donghui Long, Hui Dong, Litao Sun, Xinhua Zhong, and Li-Jun Wan
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 巻: 138 ページ: 4201-4209
  • DOI: 10.1021/jacs.6b00615
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Effects of Interface Engineering on Photoexcited Carrier Dynamics and Photovoltaic Performance in Perovskite Solar Cell (2017)
  • 著者名/発表者名: Qing Shen, Yuhei Ogomi, Taro Toyoda, Kenji Yoshino, Takashi Minemoto and Shuzi Hayase
  • 学会等名: 2017 China PV Technology International Conference
  • 発表場所: Xian (China)
  • 年月日: 2017-03-30 – 2017-04-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子ドット太陽電池の電荷分離界面の構築と高効率化への道筋 (2017)
  • 著者名/発表者名: 沈 青、豊田太郎
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶応大学（東京都）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] Photoexcited Carrier Dynamics, Interface Passivation and Mechanism for Improving Photovoltaic Performance in perovskite solar cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Qing Shen, Yuhei Ogomi, Taro Toyoda, Kenji Yoshino, Takashi Minemoto and Shuzi Hayase
  • 学会等名: Asia Pacific Hybrid and Organic Photovoltaics Conference
  • 発表場所: パシフィコ横浜 （神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-02-03 – 2017-02-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Perovskite and Quantum Dot Solar Cells: Photoexcited Carrier Dynamics, Interface Engineering and Mechanism for Improving Photovoltaic Performance (2016)
  • 著者名/発表者名: Qing Shen, Taro Toyoda, and Shuzi Hayase
  • 学会等名: 12th China SoG Silicon and PV Power Conference
  • 発表場所: JiaXing （China)
  • 年月日: 2016-11-24 – 2016-11-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoexcited Carrier Dynamics in Perovskite Solar Cells: Uncovering the Mechanism for Achieving High Efficiency (2016)
  • 著者名/発表者名: Qing Shen, Yuhei Ogomi, Taro Toyoda, Kenji Yoshino, Takashi Minemoto and Shuzi Hayase
  • 学会等名: 10th Aseanian Conference on Nano-Hybrid Solar Cells
  • 発表場所: Beijing (China)
  • 年月日: 2016-09-20 – 2016-09-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子ドット太陽電池のナノ界面制御と高効率化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 沈 青、豊田太郎
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] 高速レーザー分光法による太陽電池での光励起キャリアダイナミクスの解明－量子ドット太陽電池とペロブスカイト太陽電池について－ (2016)
  • 著者名/発表者名: 沈 青
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] Slow Hot Carrier Cooling and Fast Hole Transfer to P3HT in Cesium Lead Iodide (CsPbI3) Perovskite (2016)
  • 著者名/発表者名: Qing Shen, Teresa S. Ripolles, Yuhei Ogomi, Koji Nishinaka, Takuya Izuishi, Kenji Katayama, Taro Toyoda, Kenji Yoshino, Shuzi Hayase
  • 学会等名: International Conference on Hybrid and Organic Photovolatics (HOPV16)
  • 発表場所: Swansea (UK)
  • 年月日: 2016-06-28 – 2016-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Slow hot carrrier cooling and ultrafast hole transfer in CsPbI3 perovskite: potential for hot carrier solar cell application (2016)
  • 著者名/発表者名: Qing Shen, Teresa S. Ripolles, Yuhei Ogomi, Koji Nishinaka, Takuya Izuishi, Kenji Katayama, Taro Toyoda, Kenji Yoshino, Shuzi Hayase
  • 学会等名: the 26th international symposium on photochemistry
  • 発表場所: 大阪市中央公会堂（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2016-04-03 – 2016-04-04
  • 国際学会