2017 Fiscal Year Research-status Report
酸化物同軸ナノファイバ不織布シートによるフレキシブル光発電・蓄電デバイスの創出
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16K04901
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
堀江 雄二 鹿児島大学, 理工学域工学系, 准教授 (50201760)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 電界紡糸法 / ナノファイバ / 不織布 / フレキシブルデバイス / 光蓄電池 / 色素増感太陽電池 / 吸着剤 / 電荷移動特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで，透明導電体であるニオブドープ酸化チタン(TNO)もしくはスズドープ酸化インジウム(ITO)をコアとし，その表面を酸化チタン(TiO2)などで被覆した同軸ナノファイバ(CSNF)を，電界紡糸法で同軸型スピナレット(ノズル)を用いて作製し，色素増感太陽電池(DSSC)の光電極に用いたときの発電特性からその効果を調べてきた．本年度は以下のような成果を得た．
(1) TiO2緻密層/TNO-CSNF不織布のDSSC電極への応用：結晶配向性と表面平滑性を改善させたTNOコアNFを緻密なTiO2層で覆うことに成功し，CSNTの表面からの漏れ電流を低減させ，キャリアの移動特性を向上させることができた．
(2) TiO2多孔膜層/WO3層/ITO-CSNF３層同軸型光蓄電池電極の作製と評価：これまで研究を行ってきたWO3/ITO-CSNFをさらにTiO2多孔膜層でコーティングすることで，３層同軸型NF光蓄電池を実現させた．この構造によって蓄電電荷の外部回路への拡散係数と光蓄電効率が向上することを見いだした．ただし，電子の光励起量が少なく外部量子効率が低いため，改良の余地がある．
(3) フッ素ドープ酸化スズ(FTO)のNF不織布の作製：導電コアNFの材料としてこれまで用いてきたITOは高温で不安定であり，複合材料として活用する際は問題になることが多い．代替材料としてFTO-NFからなる不織布を作製し，低抵抗化にもある程度成功しCSNFへの応用が可能であることを示した．
(4) CSNF不織布シートの吸着剤への応用：広い表面積と不織布というナノ粒子とは異なった扱いやすい形状を活かし，吸着剤としての効果を調べた．コアにアルミナ・シリカNFを用い酸化鉄でコーティングしたCSNFからなるフレキシブルな不織布によって，飛躍的に吸着量が大きくなり，これまで他にない大きさになることを示した．
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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
年度当初には以下の４項目を目標に掲げた．(1) TiO2多孔膜層/WO3層/ITO-CSNF不織布シートを用いた同軸型光蓄電池電極の作製と評価，(2) フッ素ドープ酸化スズ(FTO)のNFの作製，(3) NF不織布の機械強度向上のための検討， (4) CSNF不織布シートを用いた新奇なデバイスの提案と試作．それぞれについて現在までの進捗状況を示す．
(1) 実際に電界紡糸法で同軸型スピナレット(ノズル)を用いることで，３層同軸型光蓄電池NF電極を実現させることができ，当初のもくろみどおり蓄電電荷の外部回路への拡散係数と電解液中のカチオン取り込みの促進による光蓄電効率の向上が見いだした．しかし，WO3層を完全にTiO2多孔膜層で覆うことで，電解液中のカチオンの挿入が妨げられることと，TiO2多孔膜層が薄いために光発電量が少ないことが課題として残ったため，電極構造を工夫する必要がある．(2) FTO-NF不織布の作製に成功し，作製時の基板温度と原料液中の糊の役割を果たすアルコキシドの濃度によってシート抵抗が変化することを示した．ある程度，低抵抗化のための作製条件を絞り込むことができた．このことで，FTO-NFをコアにした同軸型NF不織布の熱処理温度をより高い範囲で設定できるようになったため，今後の幅広い展開が期待される．(3) NFをアモルファス化する方法とアモルファスNFと複合化する方法によって，不織布の機械強度を向上させることができることを示すことができた．(4) 最も容易に実現できる吸着剤としての応用を試み，表面積を大きくしたコア・シース型のNF不織布において飛躍的に吸着量を大きくすることができることを示した．この成果は，比表面積が大きいほど良い応答特性を示すセンサ等への応用の可能性を示すものである．
以上の状況から，概ね順調に進展しているものと判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を受けて今後は以下のように研究を推進していく予定である．
(1) FTOをコアとした多層同軸NF不織布を用いたナノ構造光蓄電池の作製と最適化：これまでのITO-NFをコアとしたTiO2多孔膜層/WO3層/ITO-CSNF不織布シートを，FTOをコアとしたものに置き換え，さらに発電特性とカチオン挿入特性の測定からWO3層とTiO2多孔膜層のナノ構造の最適化を行う．
(2) 全固体型多層同軸NFフレキシブル光蓄電池不織布の試作：現在のNF不織布を用いた太陽電池や光蓄電池は，NF間に電解液を浸透させることで容易に固液界面を作ることができるが，今後のフレキシブルデバイスやナノデバイスへの発展を考えると，全固体化できることが望ましい．そこで，固体電解質として知られているリン酸トリリチウム(Li3PO4;LiPO)をシース層とした LiPO/WO3同軸NF膜もしくはLiPO/WO3/FTO同軸NF膜を作製し，その充放電特性を調べる．このように同軸NFによってLiPO-WO3間の界面面積を飛躍的に増大させることで，イオン伝導性が低い固体電解質でもそれをカバーできるものと期待される．
(3) 高光起電力光電変換材を用いた光蓄電池：従来の光蓄電池では半導体もしくは増感色素などを光電変換材として用いてきたが，光起電力がバンドギャップなどによって制限されるため蓄電エネルギーに限界があった．そのため，現在，強誘電体を用いた新しい光電変換材を平坦膜として作製中である．これを同軸NFデバイスに利用することを試みる．
(4) 同軸NF不織布を用いた新奇なデバイスの提案と試作：前年度はその広い表面積と不織布というナノ粒子とは異なった扱いやすい形状を活かし，吸着剤としての効果を示すことができたが，さらにそれを電子デバイスへ応用できないかを模索する．
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| Remarks |
電界紡糸法とそれによって作製したセラミックスナノファイバ不織布の電子顕微鏡像などを
用いて，A4用紙１枚で研究内容を分かりやすく解説している．
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