2020 Fiscal Year Research-status Report
量子ドット増感系の光誘起電荷移動：基板結晶面の電子構造が増感機能に及ぼす効果
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17K04988
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
豊田 太郎 電気通信大学, その他部局等, 名誉教授 (40217576)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沈 青 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50282926)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 半導体量子ドット / 酸化チタン単結晶 / 硫化鉛 / 有機系配位子 / イオン化エネルギー / 光音響分光 / 無輻射緩和 / 自由エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体量子ドット(QD)は太陽電池増感剤として、従来の色素増感系を凌駕する特性を持つ。従来の増感太陽電池系ではQDの吸着面積を増大させるため、酸化物ナノ粒子集合体電極が適用される。しかしこの電極系は乱雑な多結晶集合体のため、重要な特性であるQDの電子状態や電子移動に関する評価に曖昧性が見られた。本研究では、基礎物性が判明されている異なった面方位を持つ酸化物単結晶へのQD吸着を行い、QD内と界面への基板効果を明らかにすることを目的とする。今年度も引き続きルチル型TiO2単結晶((001),(110),(111)面を基板として、３種類の配位長の異なる有機物配位子をPbS QDsに結合し、QD間距離の制御を可能とした。これらの系に対し、本年度は主として(1)光音響法(PA)による脱励起、(2)吸光度法(Abs)による励起、(3)光電子収量法(PYS)によるイオン化エネルギーのQD間隔と基板面依存性について検討を行った。QD間隔依存性から、QD間の波動関数の重なりが検討出来る。その結果、PAスペクトルとAbcスペクトルは吸収端下で異なることを発見し、脱励起に伴う熱エネルギーがQD間隔と基板面の違いにより異なることを見出した。(111)面基板では特に顕著で、PYS評価で得られた(111)面における自由エネルギーが他の面方位と異なることに対応している。ここで脱励起に伴う熱エネルギーの生成はQDから基板への電子移動に伴う無輻射緩和に基づくが、無輻射緩和の変換効率がQD間隔と基板面方位により異なることが示唆された。これらの基礎情報は、従来の酸化物ナノ粒子集合体電極に対し、増感太陽電池のエネルギー変換効率の向上化を目指す設計に対して新たな情報を提供することが出来ると考えられる。
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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
ルチル型TiO2単結晶基板に対しては、有機系配位子を結合したPbS QD系の吸着法と各種評価については順調に成果が得られている。特にPA法とAbs法の比較検討により光エネルギー吸収後の無輻射緩和過程の全体像が捉えられ、新たな発見につながった。またQD内とTiO2単結晶基板への２つの緩和過程をモデル化することが出来た。さらにDFT計算から吸着エネルギーを求めた結果は、測定と定性的に一致する。それらの成果は今後増感太陽電池のエネルギー変換効率の向上化を目指す設計に対して新たな情報を提供することが出来ると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
PbS QDs系について、今後はルチル型TiO2単結晶と共にZnO系、SrTiO3系、アナターゼ型TiO2系を対象とした単結晶基板を適用する。これらの基板に吸着したPbS QDs系を対象について吸着条件・結晶成長を検討した後、光吸収と無輻射緩和の関連を検討し格子不整合と電子・格子相互作用について評価し、電子移動との関連を調べる。さらに異なる単結晶基板面方位と量子閉じ込め効果との関連性を研究する。さらにこれらの結果から、増感太陽電池における重要な特性の一つである開放電圧との相関について考察を行う。
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| Causes of Carryover |
現在研究 遂行により得た実験データ集積と解析を行っており、その結果より精細に結晶構造を検討する必要が生じた。また成果の一部をまとめ論文作成を行う段階に達している。論文作成と投稿には、英文校閲と査読者との多数回に及ぶやり取りを行うため、多くの時間と経費が必要となる。
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[Journal Article] Trioctylphosphine oxide acts as alkahest for SnX2/PbX2: A general synthetic route to perovskite ASn(x)Pb(1-x)X(3) (A=Cs, FA, MA; x=Cl, Br, I) quantum dots2020
Author(s)
F.Liu, Y.Zhang, C.Ding, K.Kawabata, Y.Yoshihara, T.Toyoda, S.Hayase, T.Minemoto, R.Wang, Q.Shen
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Journal Title
Chemistry of Materials
Volume: 32
Pages: 1089-1100
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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