多重励起子生成と表面プラズモン効果による光励起キャリアダイナミクスと光電変換特性

2010 年度 実績報告書

• 研究領域: 光―分子強結合反応場の創成
• 研究課題/領域番号: 21020014
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 豊田 太郎 電気通信大学, 大学院・情報理工学研究科, 教授 (40217576)
• 研究分担者: 沈 青 電気通信大学, 大学院・情報理工学研究科, 助教 (50282926)
• キーワード: 半導体量子ドット / 金属量子ドット / 多重励起子生成 / プラズモン効果 / 過渡応答特性 / 増感太陽電池

研究概要

近年Au量子ドットを吸着したTiO_2電極において、プラズモン共鳴に基づく光誘起電荷分離が発見されたため、新しい増感太陽電池への応用が注目されている。一方半導体量子ドットが多重励起子生成(MEG)を示すことから、従来の色素増感に代わる半導体量子ドット増感太陽電池が注目されている。本研究はAu量子ドットによる光局在場のMEG生成に与える効果について検討し、MEG生成増大条件を見出し半導体量子ドット増感太陽電池の光電変換向上を目的としている。半導体量子ドットとしてCdSeを、金属量子ドットとしてAuを対象とし、ナノ粒子TiO_2電極への複合化吸着を行った。この系に対して、光吸収特性評価、光電流特性評価を行った。その結果、CdSe量子ドットの平均粒径は作製吸着時間とともに増大し、光電流はある吸着時間で極大を示した。さらに太陽電池デバイスを形成し、光電変換特性評価を行った。その結果、開放電圧と曲線因子は、CdSe量子ドット単独吸着の場合もAu/CdSe複合化吸着も大きな違いは見られなかった。しかし短絡電流はCdSe量子ドットの吸着時間が短時間の場合には、複合化吸着では単独吸着に比べて約30%程増大することが見出された。この結果を反映して、光電変換効率も同様の増大と変化を示した。また太陽電池デバイスにおける並列抵抗成分は、複合吸着の場合に減少することがわかった。これはCdSe量子ドットとAu量子ドットの直接接触による影響と考えられる。他の評価として、単独吸着の場合と複合化吸着の場合の超高速過渡応答特性の検討を行った。その結果、複合化吸着の場合は単独吸着の場合と比較して、緩和時間が長くなる傾向が見られた。

研究成果

• [雑誌論文] Low-cost flexible nano-sulfide/carbon composite counter electrode for quantum-dot-sensitized solar cell (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Deng, Q.Zhang, S.Huang, D.Li, Y.Luo, Q.Shen, T.Toyoda, Q.Meng
  • 雑誌名: Nanoscale Research Letters 巻: 5 ページ: 986-990
  • 査読あり
• [雑誌論文] CdSe quantum dot-sensitized solar cell employing TiO_2 nanotube working-electrode and Cu_2S counter-electrode (2010)
  • 著者名/発表者名: Q.Shen, A.Yamada, S.Tamura, T.Toyoda
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 123107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly efficient quasi-solid-state quantum-dot-sensitized solar cell based on hydrogel electrolyte (2010)
  • 著者名/発表者名: Z.Yu, Q.Zhang, D.Qin, Y.Luo, D.Li, Q.Shen, T.Toyoda, Q.Meng
  • 雑誌名: Electrochemical Communications 巻: 12 ページ: 1776-1779
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoacoustic and photoelectrochemical current spctra of combined CdS/CdSe quantum dots adsorbed on nanostructured TiO_2 electrodes, together with photovoltaic characteristics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, K.Oshikane, D.M.Li, Y.H.Luo, Q.B.Meng, Q.Shen
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 108 ページ: 114304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fobrous CdS/CdSe quantum dot co-sensitized solar cells based on ordered TiO_2 nanotube arrays (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Q.Huang, Q.X.Zhang, X.M.Huang, X.Z.Guo, M.H.Deng, D.M.Li, Y.H.Luo, Q.Shen, T.Toyoda, Q.B.Meng
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 21 ページ: 375201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sensitization of titanium dioxide photoanodes with cadmium selenide quantum dots prepared by SILAR : Photoelectrochemical and carrier dynamics studies (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Guijarro, T.Lana-Villarreal, Q.Shen, T.Toyoda, R.Gomez
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 114 ページ: 21928-21937
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct correlation between ultrafast injection and photoanode performance in quantum-dot sensitized solar cells (2010)
  • 著者名/発表者名: N.Guijarro, Q.Shen, S.Gimenez, I.Mora-Sero, J.Bisquert, T.Lana-Villarreal, T.Toyoda, R.Gomez
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 114 ページ: 22352-22360
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scree-printed Cu_2S-based counter electrode for quantum-dot-sensitized solar cell (2010)
  • 著者名/発表者名: M.H.Deng, S.Q.Huang, Q.X.Zhang, D.M.Li, Y.H.Luo, Q.Shen, T.Toyoda, Q.B.Meng
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 39 ページ: 1168-1170
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast photoexcited electron and hole dynamics in CdSe quantum dots adsorbed onto nanostructured TiO_2 films (2010)
  • 著者名/発表者名: Q.Shen, Y.Ayuzawa, K.Katayama, T.Sawada, T.Toyoda
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 97 ページ: 263113
  • 査読あり
• [学会発表] 半導体量子ドットの光励起キャリアダイナミクスと光電変換特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 豊田太郎、沈青
  • 学会等名: 日本化学会第91春季年回
  • 発表場所: 神奈川大学(横浜、神奈川)
  • 年月日: 2011-03-29
• [学会発表] 改良型過渡回折格子法によるPbS量子ドットの多重励起子生成評価 (2011)
  • 著者名/発表者名: 沈青、片山健二、澤田嗣郎、豊田太郎
  • 学会等名: 日本化学会第91春季年回
  • 発表場所: 神奈川大学(横浜、神奈川)
  • 年月日: 2011-03-28
• [学会発表] 陽極化成法による自己組織化TiO_2ナノチューブ電極の光吸収と光電気化学特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 太田朋佳、山田灯、沈青、豊田太郎
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 神奈川工科大学(厚木、神奈川)
  • 年月日: 2011-03-27
• [学会発表] ZnS表面保護のPbS量子ドット増感太陽電池に及ぼす影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 八谷聡次郎、沈青、豊田太郎
  • 学会等名: 日本化学会第91春季年回
  • 発表場所: 神奈川大学(横浜、神奈川)
  • 年月日: 2011-03-27
• [学会発表] 二分子結合色素構造を有する色素増感太陽電池における段階的電子注入ダイナミクス (2011)
  • 著者名/発表者名: 沈青、尾込裕平、B.Park、S.S.Pandey、宮本明理、藤田普介、豊田太郎、早瀬修二
  • 学会等名: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 神奈川工科大学(厚木、神奈州)
  • 年月日: 2011-03-24
• [学会発表] Characterization of optical properties of semiconductor quantum dot-sensitized solar cells together with ultrafast carrier dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda
  • 学会等名: China-Japan Joint Discussion
  • 発表場所: Chinese Academy of Sciences (Beijing, China)
  • 年月日: 2011-03-18
• [学会発表] Characterization of optical properties of semiconductor quantum dot-sensitized solar cells together with ultrafast carrier dynamics (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda
  • 学会等名: Spain-Japan Cooperation Workshop on Quantum Dot Sensitizers
  • 発表場所: University of Jaume I (Castellon, Spain)
  • 年月日: 2011-03-08
• [学会発表] Ultrafast photoexcited electron and hole dynamics in CdSe quantum dots adsorbed onto nanostructured TiO_2 films (2011)
  • 著者名/発表者名: Q.Shen
  • 学会等名: Spain-Japan Cooperation Workshop on Quantum Dot Sensitizers
  • 発表場所: University of Jaume I (Castellon, Spain)
  • 年月日: 2011-03-08
• [学会発表] Improvement of the photovoltaic properties of PbS quantum dot-sensitized solar cells (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Hachiya, Q.Shen, T.Toyoda
  • 学会等名: 2010 MRS Fall Meeting Symposium
  • 発表場所: Hynes Convention Center (Boston, USA)
  • 年月日: 2010-11-30
• [学会発表] 多孔質ZnO薄膜の光音響スペクトルと光電流特性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 山田修三、細野英司、周豪慎、沈青、豊田太郎
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎大学(長崎)
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] CdS量子ドットを吸着した逆オパールTiO_2電極の光吸収と光電変換特性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 豊田太郎、大西陽平、沈青、押鐘敬太、鮎澤康正
  • 学会等名: 第71回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 長崎大学(長崎)
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] 半導体量子ドットの光励起キャリアと光電変換特性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 豊田太郎、沈青
  • 学会等名: 第59回高分子討論会
  • 発表場所: 北海道大学(札幌)
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] 半導体量子ドットの分光増感と光電変換特性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 豊田太郎、沈青
  • 学会等名: 光化学討論会2010
  • 発表場所: 千葉大学(千葉)
  • 年月日: 2010-09-08
• [学会発表] Optical absorption and photovoltaic properties of CdS/CdSe quantum dot-sensitized solar cells (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, K.Oshikane, D.Li, Y.Luo, Q.Meng, Q.Shen
  • 学会等名: 18^<th> International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Korea University (Seoul, Korea)
  • 年月日: 2010-07-28
• [学会発表] Semiconductor quantum dot-sensitized solar cells and photoexcited carrier dynamics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, Y.Ayuzawa, Q.Shen
  • 学会等名: 18^<th> International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Korea University (Seoul, Korea)
  • 年月日: 2010-07-28
• [学会発表] Semiconductor quantum dot sensitized solar cells and photoexcited carrier dynamics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, Y.Ayuzawa, Q.Shen
  • 学会等名: 18^<th> International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Korea University (Seoul, Korea)
  • 年月日: 2010-07-26
• [学会発表] CdSe quantum dot-sensitized solar cells based on TiO_2 nanotube (2010)
  • 著者名/発表者名: A.Yamada, Q.Shen, T.Toyoda
  • 学会等名: 18^<th> International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Korea University (Seoul, Korea)
  • 年月日: 2010-07-26
• [学会発表] Application of carbon electrodes on CdS quantum dot-sensitized solar cells (2010)
  • 著者名/発表者名: D.Li, Q.Zhang, Y.Luo, Q.Meng, Q.Shen, T.Toyoda
  • 学会等名: 18^<th> International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Korea University (Seoul, Korea)
  • 年月日: 2010-07-26
• [学会発表] Photocatalytic activity of nanostructured titanium dioxide films combined with fine particles of vanadate glass (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, K.Miyazato, A.Morishige, Q.Shen
  • 学会等名: 18^<th> International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy
  • 発表場所: Korea University (Seoul, Korea)
  • 年月日: 2010-07-26
• [学会発表] Semiconductor quantum dot sensitized solar cells and photoexcited carrier dynamics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, Q.Shen
  • 学会等名: NIMS Conference 2010
  • 発表場所: 物質・材料研究機構(筑波、茨城)
  • 年月日: 2010-07-13
• [学会発表] Quantum dot sensitized-solar cells and ultrafast carrier dynamics (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda
  • 学会等名: 5^<th> Forum on New materials
  • 発表場所: Plazzo del Congressi (Montecatini Thema, Italy)
  • 年月日: 2010-06-15