高速光熱変換分光法によるナノ半導体材料評価法の研究

高速光热转换光谱评价纳米半导体材料方法研究

基本信息

批准号：
14750645
负责人：
沈青
金额：
$ 2.24万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750645/
关键词：
半導体ナノ材料 TiO_2ナノ粒子 CdSe量子ドットキャリアのダイナミックス光熱変換分光法過渡回折格子法色素増感太陽電池 TiO_2ナノチューブ光音響(PA)法光化学電流(PEC)法過渡光電流法色素増感型太陽電池 CdSナノ粒子 CdSeナノ粒子光音響スペクトル光電流スペクトル過渡光電流分光増感

项目摘要

近年、色素吸着したポーラスナノ構造を有するTiO_2太陽電池の研究が注目されている。しかし、ナノ構造TiO_2電極内での電子移動や、増感剤からTiO_2への電子・エネルギー移動などのメカニズムはまだ十分にわかっていないのは現状である。また、色素増感TiO_2太陽電池の変換効率をさらに向上させるために、新しい増感剤と新規なナノ構造電極の開発は重要である。そこで、今年度の一つの研究内容として以下のような研究を行った。まず、自己組織化によるナノチューブとナノワイヤを有する新規なナノ構造のTiO_2電極の作製を試みた。すでに確実にTiO_2ナノチューブとナノワイヤを作製できる条件を見つけた。TEM観察よりナノチューブとナノワイヤ、また、XRDと電子回折よりアナターセ型TiO_2であることが確認できた。次に、従来の色素の代わりに、CdSe半導体量子ドットを増感剤として吸着し、光音響法による光吸収および光化学電流の測定を行った。CdSe量子ドットによる分光増感が確認され、TiO_2電極の厚さの増加とともにIPCE(光電流変換量子効率)の値が大きくなることを見出した。TiO_2電極の厚さは約3μmの場合では、CdSe量子ドットの分光増感によって可視光領域でIPCEの値が最高45%になることを発見した。このIPCE値は従来のナノ粒子で作製したTiO_2電極(CdSe量子ドットの分光増感)で得られた値(最高35%)より大きいことが分かった。さらに、フェムト秒過渡回折格子法(東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻・澤田研究室と共同研究)を用いて、CdSe量子ドット吸着したTiO_2電極における無輻射遷移過程を測定したところ、3つの高速緩和過程が存在することを見出した。2psの速い応答はCdSe量子ドット内で励起されたホールが界面準位にトラップされることに対応し、数10psの応答は励起電子の再結合やTiO_2への移動プロセスに対応すると考えられる。さらに、nsオーダーに見られる応答は熱拡散プロセスに対応すると考えられる。量子ドットにおける光励起電子とホールの緩和プロセスを分離して測定できたのは、本研究のユニークな特色である。さらに、サイズの小さいCdSe量子ドットから電子がより速くTiO_2へ移動することを発見した。

近年来，用色素吸附的多孔纳米结构对TIO_2太阳能电池的研究吸引了人们的注意。但是，尚未完全了解纳米结构的TIO_2电极和电子以及从敏化剂到TIO_2的能量转移的电子传递机制。此外，重要的是开发新的敏化器和新型的纳米结构电极，以进一步提高染料敏化的TIO_2太阳能电池的转化效率。因此，作为今年研究主题的一部分，我们进行了以下研究：首先，我们试图通过自组装制造具有纳米管和纳米线的新型纳米结构的TiO_2电极。我们已经发现了可以确定的TIO_2纳米管和纳米线生产的条件。 TEM观察结果证实，纳米管和纳米线，XRD和电子衍射是Aratase型TIO_2。接下来，CDSE半导体量子点被吸附为敏化剂，而不是传统的染料，并通过光声学方法测量了光吸吸收和光化学电流。确认了CDSE量子点的光谱敏化，并发现IPCE的值（光电流转换量子效率）随着TIO_2电极厚度的增加而增加。在TIO_2电极的厚度约为3μm的情况下，我们发现可见光区域中的IPCE值由于CDSE量子点的光谱敏化而达到最大45％。发现该IPCE值大于用传统纳米颗粒制备的TiO_2电极（CDSE量子点的光谱敏化）获得的值（高达35％）。此外，我们使用飞秒瞬态衍射光栅方法（与东京大学新地区创建科学研究生院的Sawada实验室的协作研究），我们测量了TIO_2电极上的无辐射过渡过程，并且有三个快速放松过程。 2P的快速响应对应于界面状态下CDSE量子点激发的孔的捕获，而几十个PS的响应对应于激发电子的重组以及转移到TIO_2的过程。此外，在NS顺序中看到的响应被认为与热扩散过程相对应。这项研究的这一独特特征是，可以分别测量光激发电子和量子点的孔的松弛过程。此外，我们发现电子从较小尺寸的CDSE量子点迁移到TIO_2。