ワイドギャップ半導体のナノ構造制御と光エネルギー変換デバイスへの応用

宽禁带半导体纳米结构控制及其在光能转换器件中的应用

基本信息

批准号：
11J04433
负责人：
上野慎太郎
金额：
$ 0.83万
依托单位：
University of Yamanashi (2012)Keio University (2011)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題においては,ワイドバンドギャップを持つ代表的な半導体材料である酸化亜鉛(ZnO)の微細構造制御をおこない,色素増感太陽電池(DSSC)電極及び蛍光体への応用を試みた.1.DSSCに関する研究:DSSCの構成部材である透明導電性ガラスを安価なプラスチック基板で代替することを試みた.電極膜が高い色素吸着能を有し,電解液の効率的な拡散を促すためには,ナノボア,マクロボアの両方を導入するのが望ましいが,従来の方法でこうした構造膜の低温作製は困難であった.そこでマクロボアを有する水酸化酢酸亜鉛(LHZA)膜を60℃で基板上に予め作製し,これを(1)溶解・析出法,(2)熱分解法によって,それぞれ120℃以下で目的のナノ構造を持つZnO膜へと変換することに成功した.熱分解法を用いてプラスチック基板(ITO-PEN)上に作製した電極は,最高変換効率3.4%を記録した.また膜内のマクロボアは曲げによって発生する応力を緩和し,曲げによる電池性能劣化を抑えることが分かった.またドクターブレード法による製膜の後120℃で熱処理をおこなった膜は,ZnO系プラスチックDSSCの最高変換効率に並ぶ4.04%を記録した.2.ZnO蛍光体に関する研究:種々の亜鉛塩水溶液にアンモニア水溶液を混合し60℃で保持することによって得られるZnO粒子は,近紫外光照射によって波長560～580nmを中心とするブロードな黄色の発光スペクトルを示す.これらのZnO粒子はマイクロサイズで星型の形態を持っており,それぞれの粒子はナノサイズの配向した微結晶からなることが分かった.合成されたZnO粒子の発光特性,光学バンドギャップは原料に用いる亜鉛塩の種類によって異なり,これらの光学特性変化は,結晶子サイズと相関性があることから,量子サイズ効果に起因することが示唆された.これは原料亜鉛水溶液中に含まれるカウンターアニオンがZnOの核生成・成長速度を決定する因子であるためで,アニオン比を調整することで光学特性のチューニングも可能であることを示した.

在本研究项目中，我们控制了典型的宽禁带半导体材料氧化锌（ZnO）的精细结构，并尝试将其应用于染料敏化太阳能电池（DSSC）电极和荧光粉。 1. DSSC研究： DSSC的结构我们尝试用廉价的塑料基板代替透明导电玻璃组件。为了使电极膜具有高染料吸附能力并促进电解质的有效扩散，纳米孔和大孔都应该是，尽管希望引入在低温下制备薄膜是很困难的，因此，在60℃的温度下在基底上预制具有大孔的氢氧化乙酸锌（LHZA）薄膜，然后通过（1）溶解/沉淀法和（2）进行处理。热解法，在120℃以下转变成具有所需纳米结构的ZnO薄膜。采用热解法在塑料基板（ITO-PEN）上制造的电极记录了3.4%的最高转换效率。此外，膜中的大孔缓解了弯曲引起的应力，可以抑制因弯曲而导致的电池性能劣化。弯曲。此外，采用刮刀法成膜并在120℃热处理后的转换效率达到4.04%，与ZnO基塑料DSSC的最高转换效率相当。 2. ZnO荧光粉的研究：各种锌盐氨水溶液水溶液当用近紫外光照射时，在60℃下混合并保持所获得的ZnO颗粒呈现出以560至580 nm波长为中心的宽黄色发射光谱。这些ZnO颗粒分别具有微米尺寸的星形形态。这些颗粒被发现由纳米级取向的微晶组成。合成的 ZnO 颗粒的发光性能和光学带隙根据用作原料的锌盐的类型而不同，而这些光学性能的变化是由于由于微晶尺寸与尺寸、量子相关。有人认为这是由于尺寸效应所致，这是因为原锌水溶液中所含的抗衡阴离子是决定ZnO成核和生长速率的因素，并且可以通过调节其光学性质来调节。阴离子比表明这也是可能的。