量子ナノ構造を有するハイブリッド薄膜太陽電池の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26289045
• 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): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: ナノマイクロ熱工学 / 再生可能エネルギー / 太陽電池 / 量子ドット / プラズマCVD

研究実績の概要

シリコン量子ドット（以下，SiQD）に含まれる結晶欠陥を完全に取り除くことで電子移動度が向上し，太陽電池の短絡電流を著しく増大できる。さらに，電子移動度が大きくなれば活性層を厚くして光吸収量を増大し，相乗的に光電気変換能を高めることができる。今年度の研究では，フッ酸ドライエッチングによりナノ粒子表面を水素で完全終端した平均粒径6nmのSiQDを対象に，低温熱処理によって内部欠陥を低減するための装置開発および物性評価を実施した。加熱温度と加熱時間の積で与えられるサーマル・バジェットをパラメーターに，純水素雰囲気（100 kPa）で低温熱処理した。その結果，150℃で2時間の熱処理によってESR（常温）で同定した欠陥由来のピーク強度が1/20に低減した。一方，処理温度が250℃を超えると，表面水素（Si-Hn）の脱離によってダングリングボンドが形成された。すなわち，合成後のSiQD内部には結晶欠陥が潜在的に形成されること，内部欠陥はHFエッチング（表面処理）では除去できないこと，しかし低温熱処理によって１桁以上低減できることを明らかにした。結晶欠陥を低減したSiQDを用いることで，エネルギー変換効率約5%（AM1.5）の有機無機ハイブリッド太陽電池（SiQD/PTB7）の開発に成功した。ハイブリッド太陽電池にはCdやTiO2など，金属または金属酸化物のナノ粒子が多用されるが変換効率は最大でも約4%であり，既往の研究と比較して本研究で得られた成果は極めて有望である。SiQDの結晶成長欠陥を完全に除去するには至っていないが，このことは発電効率のさらなる向上が可能であることを示唆している。今後の課題として，SiQD合成後の後処理だけでなく，プラズマCVDプロセスそのものの改良により，結晶成長欠陥を極限まで低減するためのシリコンナノ結晶合成法を確立する必要がある。

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。

備考

FB Juangsa：機械学会熱工学部門・講演論文表彰／山崎匠：第27回日本MRS年次大会奨励賞／Y Muroya：Best Oral Presentation(10th Asia-Pacific Int Symp)／亀島晟吾：IPCS Scholarship／他 学生受賞６件
田園調布学園特別講義２回（5/27，10/11），香川高専特別講義（10/5），オープンキャンパスなど研究室公開５回

研究成果

• [国際共同研究] 浙江大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 浙江大学
• [雑誌論文] Interfacial reactions between DBD and porous catalyst in dry methane reforming (2018)
  • 著者名/発表者名: Kameshima Seigo、Mizukami Ryo、Yamazaki Takumi、Prananto Lukman A、Nozaki Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 51 ページ: 114006～114006
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaad7d
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Novel Four-Way Plasma-Catalytic Approach for The After-Treatment of Diesel Engine Exhausts (2018)
  • 著者名/発表者名: Yao Shuiliang、Zhang Huanhuan、Shen Xing、Han Jingyi、Wu Zuliang、Tang Xiujuan、Lu Hao、Jiang Boqiong、Nozaki Tomohiro、Zhang Xuming
  • 雑誌名: Industrial & Engineering Chemistry Research 巻: 57 ページ: 1159～1168
  • DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04166
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Plasma-catalyst hybrid reactor with CeO 2 /γ-Al 2 O 3 for benzene decomposition with synergetic effect and nano particle by-product reduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Mao Lingai、Chen Zhizong、Wu Xinyue、Tang Xiujuan、Yao Shuiliang、Zhang Xuming、Jiang Boqiong、Han Jingyi、Wu Zuliang、Lu Hao、Nozaki Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Hazardous Materials 巻: 347 ページ: 150～159
  • DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.12.064
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Boron nanocrystals as high-energy-density fuels (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhou Shu、Nozaki Tomohiro、Pi Xiaodong
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 51 ページ: 025305～025305
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aa9df6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Special issue: Plasma Conversion (2017)
  • 著者名/発表者名: Nozaki Tomohiro、Bogaerts Annemie、Tu Xin、Sanden Richard
  • 雑誌名: Plasma Processes and Polymers 巻: 14 ページ: 1790061～1790061
  • DOI: 10.1002/ppap.201790061
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comparative study of thermal conductivity in crystalline and amorphous nanocomposite (2017)
  • 著者名/発表者名: Firman Bagja Juangsa、Muroya Yoshiki、Ryu Meguya、Morikawa Junko、Nozaki Tomohiro
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 253105～253105
  • DOI: 10.1063/1.4986920
  • 査読あり
• [雑誌論文] 非平衡プラズマと触媒の複合効果によるメタン転換 (2017)
  • 著者名/発表者名: 野崎智洋，亀島晟吾
  • 雑誌名: 伝熱 巻: 56 ページ: 31～38
  • 査読あり
• [雑誌論文] Size-Dependent Structures and Optical Absorption of Boron-Hyperdoped Silicon Nanocrystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Ni Zhenyi、Pi Xiaodong、Zhou Shu、Nozaki Tomohiro、Grandidier Bruno、Yang Deren
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 4 ページ: 700～707
  • DOI: 10.1002/adom.201500706
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Parametric analysis of plasma-assisted pulsed dry methane reforming over Ni/Al2O3 catalyst (2016)
  • 著者名/発表者名: Kameshima Seigo、Tamura Keishiro、Mizukami Ryo、Yamazaki Takumi、Nozaki Tomohiro
  • 雑誌名: Plasma Processes and Polymers 巻: 14 ページ: 1600096～1600096
  • DOI: 10.1002/ppap.201600096
  • 査読あり
• [雑誌論文] CO(B 1Σ+→A 1Π) Angstrom System for Gas Temperature Measurements in CO2 Containing Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: Du Yanjun、Tamura Keishiro、Moore Sampson、Peng Zhimin、Nozaki Tomohiro、Bruggeman Peter J.
  • 雑誌名: Plasma Chemistry and Plasma Processing 巻: 37 ページ: 29～41
  • DOI: 10.1007/s11090-016-9759-5
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Oxidation behavior of Ni/Al2O3 catalysts in CO2 DBD (2018)
  • 著者名/発表者名: Shen Zunrong, S Kameshima, T Yamazaki, A Dimas, T Nozaki
  • 学会等名: 2018年度(第19回)静電気学会春期講演会
• [学会発表] 非平衡プラズマによるNi触媒の酸化・還元機構解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀島晟吾，山﨑匠，野崎智洋
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Nonthermal plasma-assisted catalysis of greenhouse gas (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Nozaki, Seigo Kameshima, Takumi Yamazaki, Kenta Sakata
  • 学会等名: ISPlasma2018 and IC-PLANTS2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコンナノ粒子／ポリスチレンハイブリッド薄膜の熱伝導率計測 (2017)
  • 著者名/発表者名: Firman Bagja Juangsa，室屋 好希，劉 芽久哉，森川 淳子，野崎 智洋
  • 学会等名: 第38回日本熱物性シンポジウム
• [学会発表] DBD・触媒ハイブリッドCH4/CO2改質の炭素析出挙動 (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀島晟吾，水上諒，山崎匠，野崎智洋
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Phonon Scattering and Transport Properties in Silicon Nanocrystals and Polymer Nanocomposite Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: Firman Bagja Juangsa, Yoshiki Muroya, Yuma Tanabe, Meguya Ryu, Junko Morikawa, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] 非平衡プラズマ・触媒ハイブリッドによるCH4/CO2改質の機構解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀島晟吾，水上諒，山﨑匠，Lukman A. PRANANTO，幸田尚彬，坂田謙太，野崎智洋
  • 学会等名: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] フォノン輸送制御を目的とした有機無機ハイブリッド薄膜の作製第54回日本伝熱シンポジウム，2017年5月24‐26日，大宮ソニックシティ． (2017)
  • 著者名/発表者名: 田邊祐馬，室屋好希，Firman Bagja Juangsa，松本英俊，芦沢実，森川淳子，野崎智洋
  • 学会等名: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] Hydrogen enrichment of biogas by nonthermal plasma-mediated catalysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Takumi Yamazaki, Seigo Kameshima, Kenta Sakata, Naoki Koda and Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: 27th Annual Meeting of MRS-J
  • 国際学会
• [学会発表] CO2 adsorption enhancement over Ni/Al2O3 catalysts with nonthermal plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: Seigo Kameshima, Takumi Yamazaki, Naoki Koda, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: 27th Annual Meeting of MRS-J
  • 国際学会
• [学会発表] Phonon Thermal Transport in Silicon Nanoparticles and Polystyrene Nanocomposite (2017)
  • 著者名/発表者名: Firman Bagja Juangsa, Yoshiki Muroya, Meguya Ryu, Junko Morikawa, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: 27th Annual Meeting of MRS-J
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-induced reactive layer formation over porous catalyst pellet (2017)
  • 著者名/発表者名: Seigo Kameshima, Ryo Mizukami, Takumi Yamazaki, Naoki Koda, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: The 10th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Control of Phonon Transport by Structuring SiNCs into Polymer (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Muroya, Firman Bagja Juangsa, Yuma Tanabe, Minoru Ashizawa, Hidetoshi Matsumoto, Junko Morikawa, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: The 10th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Phonon Transport Properties in Silicon Nanoparticles and Polymer Nanocomposite Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: Firman Bagja Juangsa, Yoshiki Muroya, Meguya Ryu, Junko Morikawa, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: The International Conference on Thermal Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Controlled Phonon Transport by Silicon Nanocrystals and Polystyrene Hybrid Thin Films (2017)
  • 著者名/発表者名: Firman Bagja Juangsa, Yoshiki Muroya, Yuma Tanabe, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: The 9th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-excited H2O induced coking suppression in DBD-Ni/Al2O3 catalyst hybrid dry methane reforming at low temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Seigo Kameshima, Ryo Mizukami, Takumi Yamazaki, L A Pranato, Naoki Koda, Kenta Sakata, Ken Okazaki, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Plasma Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-assisted oxidation of adsorbed CHx in CH4/CO2 reforming (2017)
  • 著者名/発表者名: Seigo Kameshima, Ryo Mizukami, Takumi Yamazaki, Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: The 5th East Asia Joint Symposium on Plasma and Electrostatic Technologies for Environmental Application
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-mediated low-temperature catalysis of methane and carbon dioxide (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Nozaki, Seigo Kameshima, Takumi Yamazaki
  • 学会等名: The 10th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プラズマ・触媒反応場を利用した低炭素環境調和型プロセス（招待講演） (2017)
  • 著者名/発表者名: 野崎智洋
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 招待講演
• [学会発表] 大気圧プラズマと触媒反応（チュートリアル講演） (2017)
  • 著者名/発表者名: 野崎智洋
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 招待講演
• [学会発表] プラズマ・触媒反応と 環境調和型プロセス (2017)
  • 著者名/発表者名: 野崎智洋
  • 学会等名: 九州大学大学院博士課程教育リーディングプログラム「分子システムデバイスコース」第124回 分子システムデバイスセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Greenhouse gas conversion towards renewable-to-chemical by non-thermal plasma and catalyst interfacial reaction (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Nozaki
  • 学会等名: Invited Lecture at Liaoning Key Laboratory, Dalian Nationalities University
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Advances in Silicon Solar Cells (Silicon Nanocrystal-Based Organic/Inorganic Hybrid Solar Cells) (2018)
  • 著者名/発表者名: Yi Ding, Tomohiro Nozaki
  • 総ページ数: 338 (pp.177-203)
  • 出版者: Springer International Publishing
  • ISBN: 978-3-319-69702-4
• [図書] Silicon Nanomaterials Sourcebook (Silicon Nanocrystals Doped with Boron and Phosphorous) (2017)
  • 著者名/発表者名: Shu Zhou, Xiaodong Pi, Yi Ding, Firman Bagja Juangsa, Tomohiro Nozaki
  • 総ページ数: 1324 (pp.341-365)
  • 出版者: Taylor & Francis (CRC Press)
  • ISBN: 978-1498763776
• [備考] 東京工業大学・野崎研究室ホームページ
  • URL: http://www.nano-silicon.com/ats/
• [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