マイクロプラズマによるシリコン量子ドット合成と量子ドット増感太陽電池への応用

利用微等离子体合成硅量子点及其在量子点敏化太阳能电池中的应用

基本信息

批准号：
10J02838
负责人：
グレスバックライアン (2010, 2012)
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

シリコンは結晶のサイズを10nm以下にすることで量子サイズ効果が発現し,その大きさによってバンドギャップの大きさを制御できる。すなわち,結晶のサイズによって吸収する太陽光スペクトルを紫外から近紫外までチューニングすることができる。このような,量子サイズ効果を利用した次世代太陽電池の開発が世界中で行われているが,発電効率20%を上回る太陽電池の開発は未だ報告されていない。その原因として,量子ドットのサイズ分布や位置制御を原子スケールで制御するには至っていないことがあげられる。本研究では,予め気相合成したシリコンナノ粒子を溶媒に分散させたシリコンインクを作製し,これをスピンキャスティング(塗布プロセス)によって均一な薄膜に加工する方法を開発した。これを用いて光吸収特性を調べた結果,シリコンの直接遷移に相当するエネルギーギャップ(紫外領域)に顕著なサイズ効果が出現することを明らかにした。一方,間接遷移に対応するエネルギーギャップ(可視～近赤外)には明確なサイズ依存性が発現しないことも同時に明らかにした。そこで,量子サイズ効果だけでなく,大きな比表面積を有する点に着目し,p型半導体有機材料(P3HT)とシリコン量子ドットをブレンドし,バルクヘテロジャンクション(BHJ)構造を有する量子ドット増感太陽電池を開発した。その結果,シリコン量子ドットの重量割合が約60%に相当する場合,発電効率約1%を達成した。これは,我々が既に開発したショットキーバリア太陽電池の発電効率0.01%をはるかに上回っており,適切な半導体材料との組み合わせにより,シリコン量子ドットによる光キャリアの生成,分離,輸送を改善できることを明確に示している。今後,より分散性の高いシリコンインクの作製と最適なBHJ構造の探索,さらにシリコン量子ドットのドーピングが,飛躍的な効率向上に不可欠である。

在硅中，当晶体尺寸减小到10nm或更小时，就会出现量子尺寸效应，并且带隙的大小可以通过晶体的尺寸来控制。换句话说，根据晶体的大小，吸收的太阳光光谱可以从紫外线调整到近紫外线。利用这种量子尺寸效应的下一代太阳能电池的开发正在世界各地进行，但开发发电效率超过20%的太阳能电池尚未见报道。造成这种情况的原因之一是量子点的尺寸分布和位置控制尚未在原子尺度上得到控制。在这项研究中，我们通过将预先合成的硅纳米粒子分散在溶剂中来制备硅墨水，并开发了一种通过旋转流延（涂布工艺）将其加工成均匀薄膜的方法。使用其研究光吸收特性的结果表明，在与硅的直接跃迁相对应的能隙（紫外线区域）中出现显着的尺寸效应。另一方面，还揭示了间接跃迁对应的能隙（可见光到近红外）不具有明显的尺寸依赖性。因此，我们不仅关注量子尺寸效应，还关注其具有大的比表面积，并通过共混p型半导体有机材料创建了具有体异质结（BHJ）结构的量子点敏化太阳能电池(P3HT) 和硅量子点。结果，当硅量子点的重量比例对应于约60％时，实现了约1％的发电效率。这远远超过了我们已经开发的肖特基势垒太阳能电池0.01%的发电效率，清楚地表明，通过与适当的半导体材料结合，硅量子点可以改善光载流子的产生、分离和传输。未来，创造具有更高分散性的硅墨水、寻找最佳的BHJ结构以及硅量子点的掺杂对于大幅提高效率至关重要。