p型二酸化チタンを用いた色素増感型太陽電池の開発

環境負荷や変換効率の観点からTiO_2薄膜を用いた色素増感太陽電池(DSSCs)が注目されている。現在のDSSCsはその寿命が内部電解液や封止の劣化に左右され十分でない。本研究では「透明電極・光感受部・正孔伝導部をTiO_2で一元化した全固体DSSCs構造を作成する」ことで電解液を不要とすることを目指した。具体的には(1)TiO_2べースの透明導電体に関する研究と(2)p型TiO_2の開発およびp-nホモ接合の作成を試みた。本年度は、(2)についてアナターゼ型TiO_2にNをドープしてバンド構造を制御することでp型伝導の実現を試みた。これまで、TiN薄膜のアニールや溶液反応によるNドープTiO_2薄膜の作製が多数報告されているが、得られる薄膜はルチル型とアナターゼ型の混相であり、ドープ量も低濃度であった。そこで、高濃度のNドープに有効な手法と期待される単結晶基板上へのパルスレーザー堆積法(PLD法)に注目した。PLD法を用いたNドープTiO_2の成長では、窒素の供給源としてN_2やNOなどの気体が用いられてきた。本研究では、酸素雰囲気化でTiNターゲットをレーザーアブレーションし、固体からNを供給することを着想した。X線回折と反射高速電子線回折により、TiNターゲットのアブレーション前にTiO_2ターゲットを用いて酸化物基板上に1ユニットセルのシード層をあらかじめ成長することで、アナターゼ型NドープTiO_2がlayer-by-layerでエピタキシャル成長することを明らかにした。さらに、X線光電子分光により、本手法によって15atom%という非常に高濃度のNがドープ可能であることを見出した。作製した薄膜は予想に反してn型半導体であったが、バンド構造変化に伴う可視光吸収の増大が見られた。ここから、本手法により作製したNドープTiO_2薄膜は可視光応答型の光触媒として有望であると期待される。

環境負荷や変換効率の観点からTiO_2薄膜を用いた色素増感太陽電池(DSSCs)が注目されている。現在のDSSCsはその寿命が内部電解液や封止の劣化に左右され十分でない。本研究では「透明電極・光感受部・正孔伝導部をTiO_2で一元化した全固体DSSCs構造を作成する」ことで電解液を不要とすることを目指した。具体的には(1)TiO_2べースの透明導電体に関する研究と(2)p型TiO_2の開発およびp-nホモ接合の作成を試みた。本年度は、(2)についてアナターゼ型TiO_2にNをドープしてバンド構造を制御することでp型伝導の実現を試みた。これまで、TiN薄膜のアニールや溶液反応によるNドープTiO_2薄膜の作製が多数報告されているが、得られる薄膜はルチル型とアナターゼ型の混相であり、ドープ量も低濃度であった。そこで、高濃度のNドープに有効な手法と期待される単結晶基板上へのパルスレーザー堆積法(PLD法)に注目した。PLD法を用いたNドープTiO_2の成長では、窒素の供給源としてN_2やNOなどの気体が用いられてきた。本研究では、酸素雰囲気化でTiNターゲットをレーザーアブレーションし、固体からNを供給することを着想した。X線回折と反射高速電子線回折により、TiNターゲットのアブレーション前にTiO_2ターゲットを用いて酸化物基板上に1ユニットセルのシード層をあらかじめ成長することで、アナターゼ型NドープTiO_2がlayer-by-layerでエピタキシャル成長することを明らかにした。さらに、X線光電子分光により、本手法によって15atom%という非常に高濃度のNがドープ可能であることを見出した。作製した薄膜は予想に反してn型半導体であったが、バンド構造変化に伴う可視光吸収の増大が見られた。ここから、本手法により作製したNドープTiO_2薄膜は可視光応答型の光触媒として有望であると期待される。