2017 Fiscal Year Annual Research Report
新規太陽エネルギー変換材料における光励起キャリア物理の探求
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16H03867
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小澤 健一 東京工業大学, 理学院, 助教 (00282822)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 巌 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00343103)
山本 達 東京大学, 物性研究所, 助教 (50554705)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 有機太陽電池 / 光励起ダイナミクス / キャリアダイナミクス / 時間分解光電子分光 / シンクロトロン放射光 / 表面光起電力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザーポンプ・放射光プローブ時間分解軟X線光電子分光（TRXPS）法は，元素選択的に固体表面・界面の過渡的な化学状態変化を捉えることができる測定法である。これを利用して，有機太陽電池を模したフタロシアニン/フラーレン/二酸化チタン積層構造を作り，800 nmの可視光と400 nmの紫外光のレーザーパルスを照射して発生させた光励起キャリアの挙動を，フタロシアニンとフラーレンの構成元素であるC 1s内殻準位の化学シフトを利用して追跡した。フタロシアニンとしては銅フタロシアニンとチタニルフタロシアニンを，フラーレンとしてはC60を利用した。ここでは，フタロシアニンが電子ドナー，フラーレンが電子アクセプタとして，また二酸化チタンは電子輸送層として機能する。
レーザーパルスの照射により，フタロシアニン，フラーレンのC 1sスペクトルは過渡的に高結合エネルギー側にシフトすることが分かった（シフト量は20 meV以下）。このことは，フタロシアニンとフラーレンはともに過渡的にカチオンになることを意味する。フラーレンの励起状態は，2ns以下，数十ns，および20μs以上の少なくとも3種類があることを見出した。
さらに，チタン酸バリウムに二酸化チタン薄膜を成長させた試料を作成し，二酸化チタン薄膜表面に発生させた光励起キャリアの寿命を，表面光起電力の発生に伴うTi 2p内殻準位シフトとその減衰速度から計測した。測定では，チタン酸バリウムを分極させない状態と分極処理を施した状態を作り，それぞれでキャリア寿命を評価した。その結果，分極処理を施すとキャリア寿命が短くなることが分かった。二酸化チタン薄膜の背面からの電場により，表面側の光励起キャリアの挙動を制御できることが示せた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度は，有機太陽電池を模した二種類のフタロシアニン/フラーレン/二酸化チタン積層系の時間分解光電子分光測定，およびチタン酸バリウム結晶表面に二酸化チタン薄膜をエピタキシャル成長させた系での光励起キャリアの制御を検証するという，当初予定していた測定目標を達成した。さらに，単結晶二酸化チタンの表面での光触媒活性と光励起キャリア寿命の間に正の相関があることを証明する実験を行い，その成果を論文として発表することができるなど，おおむね順調に研究を進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，チタン酸バリウムに二酸化チタン薄膜を成長させた二酸化チタン/チタン酸バリウム系を中心に二つのテーマを行う。
一つ目は，この系での光触媒活性を評価することである。平成29年度において，チタン酸バリウムの分極の有無により二酸化チタン表面での光励起キャリアの寿命を制御できることが分かった。キャリア寿命は光触媒活性と正の相関があることが二酸化チタン単結晶を用いた研究で明らかになっているので，この関係が二酸化チタン/チタン酸バリウム系でも成立するか否かを検証する。
二つ目は，二酸化チタン/チタン酸バリウム基板にフタロシアニンとフラーレンを積層させて作った有機太陽電池を模したモデル系において，光励起キャリアの挙動を検証する。そしてこの挙動がチタン酸バリウムの分極に影響されるのかを調べ，太陽電池としての発電効率を高めることが可能かどうかを議論する。
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Research Products
(10 results)
