フォトニック結晶を用いた新規光化学デバイスの作製およびその評価

使用光子晶体的新型光化学器件的制造和评估

基本信息

批准号：
08J01836
负责人：
西島喜明
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究においては、微粒子の周期構造体を用いて新規光機能性材料の作製を行い、色素増感太陽電池や光触媒等への応用を目的として研究を行ってきた。特に従来の色素増感太陽電池では可視光に対しては光電変換可能であったが、800nm以上の近赤外光では光電変換ができないことが知られている。今年度の研究では、800nmより長波長の光を用いても光電変換を行うことが可能であることを見出した。n型半導体基板としてNbを0.05%ドープしたルチル型単結晶酸化チタン基板を用いて、表面にレジストコート、EB描画、スパッタリングによる金成膜、リフトオフ法によって金属ナノ微粒子周期構造体を作製した。周期構造の設計は、110x240x40nm^3とし、周期はそれぞれ、200nm、300nmとした。この構造設計においては波長650nmと1000nmに共鳴を有する構造体となっている。この酸化チタン/金周期構造体を作用電極とし、対極に白金線参照電極に飽和カロメル電極(SCE)を用いた系において三電極式光電気化学計測によって測定を行った。その結果によると、従来単結晶酸化チタン基板のみの条件においては、バンドギャップが3.2eVを有しているために、400nm以下の波長の光でしか光電流を得ることができないが表面に金ナノ微粒子周期構造体を有することにより、500nm以上の長波長の光を照射しても光電流が得られることがわかった。さらに、各波長に対する変換効率を調べるために分光器によって単色光を得、アクションスペクトルを測定したところ、共鳴スペクトルに対して良い一致を示すスペクトルが得られた。このことから、光電変換は金ナノ微粒子構造体と光との共鳴によって誘起されているものと考えられる。以上のことより今年度において私は、酸化チタン単結晶基板上に金ナノ微粒子周期構造を作製することにより、その共鳴に依存した光電変換を可視から近赤外の幅広い波長で達成した。

在这项研究中，我们利用细颗粒的周期性结构创造了新型光功能材料，旨在将其应用于染料敏化太阳能电池、光催化剂等。特别地，已知传统的染料敏化太阳能电池能够对可见光进行光电转换，但已知不能对800nm以上的近红外光进行光电转换。在今年的研究中，我们发现可以使用波长超过800 nm的光进行光电转换。以掺杂0.05%Nb的金红石型单晶氧化钛衬底为n型半导体衬底，通过表面抗蚀剂涂覆、EB拉丝、溅射成膜、剥离等工艺制备金属纳米粒子周期结构。关闭方法。周期结构设计为110x240x40nm^3，周期分别为200nm和300nm。这种结构设计在650 nm和1000 nm波长处具有共振。在使用该氧化钛/金周期性结构体作为工作电极、铂丝参比电极作为对电极以及饱和甘汞电极(SCE)的系统中通过三电极光电化学测量来进行测量。结果发现，在带隙为3.2eV的常规单晶氧化钛基底的条件下，只能用波长为400nm以下的光获得光电流；由于具有细颗粒周期结构，因此即使用500nm以上的长波长光照射也可以获得光电流。此外，为了研究各波长的转换效率，使用分光计获得单色光并测量作用光谱，得到了与共振光谱表现出良好一致性的光谱。由此认为，光电转换是由金纳米颗粒结构体与光之间的共振引起的。基于上述，今年我在氧化钛单晶基板上创建了金纳米颗粒的周期性结构，并在从可见光到近红外的广泛波长范围内依靠其共振实现了光电转换。