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新規半導体ナノ粒子の合成と量子ドット太陽電池への応用

新型半导体纳米粒子的合成及其在量子点太阳能电池中的应用

基本信息

批准号：
12J10221
负责人：
笹村哲也
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J10221/
关键词：
量子ドット半導体ナノ粒子太陽電池 I_2-II-IV-VI_4族半導体

项目摘要

半導体ナノ粒子(量子ドット)は、高い理論変換効率をもつ太陽電池の光吸収材料として注目されている。これまで、主に二元系半導体ナノ粒子(CdSeやPbS等)において研究が進められてきたが、そのほとんどが毒性元素を含み、応用範囲が限られる。一方、バルク半導体を利用する薄膜太陽電池も活発に研究されており、材料としては、レアメタルを含まないCu2ZnSnS4(CZTS)やAg2ZnSnS4(AZTS)半導体が注目されている。しかし、これらの多元系硫化物ナノ粒子は合成例が少なく、太陽電池材料として利用する研究はほとんど進んでいない。そこで本研究では太陽電池材料として期待されるが、合成例が報告されていないAZTSナノ粒子の液相合成とその光電気化学特性評価を行った。Ag、Zn、Snの各金属酢酸塩とジエチルジチオカルバミド酸ジエチルアンモニウム(S源)をオレイルアミン中で熱分解し、平均粒径15nmのAZTSナノ粒子を調製した。得られたナノ粒子を積層したITO電極の光電気化学特性から、粒子がn型半導体特性を示すことを明らかにした。さらに、ITO電極上にAZTSナノ粒子と、広い光吸収波長域を持つCZTSナノ粒子を組み合わせた複合薄膜(CZTS/AZTS)を作製したところ、CZTS/AZTSナノ粒子複合膜の光電流値はCZTSのみの膜に比べて約10倍大きな値となり、複合化により光応答特性向上、高効率な電荷分離が達成された。多元系硫化物半導体ナノ粒子のサイズや組成の制御法の確立、異種ナノ粒子の複合化による高効率に励起子を取り出す光機能電極の設計が進めば、高効率な量子ドット太陽電池が実用化されると期待できる。以上より本研究で得られた知見は、低毒性半導体ナノ粒子の太陽電池への応用において非常に有用といえる。

Semiconductor particles (quantum dots) are highly effective in changing the theoretical efficiency of solar cells. The study of binary semiconductor particles (CdSe, PbS, etc.) has been carried out in the field of toxic elements. The thin film solar cell activity research on the use of semiconductor materials, including Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Ag2ZnSnS4 (AZTS) semiconductors, has attracted much attention. Research on the synthesis of multi-layer sulfide particles and the utilization of solar cell materials has been carried out. In this paper, we report the synthesis of AZTS particles in liquid phase and evaluate their photoelectrochemical properties. Ag, Zn, Sn metal anhydride acid phase change (S source) in the thermal decomposition, the average particle size of 15nm AZTS particles modulation. The photoelectrochemical properties of ITO electrodes and the properties of n-type semiconductors were obtained. In addition, AZTS particles on ITO electrodes are combined into composite thin films (CZTS/AZTS) in the wavelength domain of light absorption. The photocurrent value of CZTS/AZTS composite thin films is about 10 times larger than that of CZTS thin films. The optical response characteristics of composite thin films are upward and the charge separation is achieved with high efficiency. The establishment of the method for manufacturing the composition of multi-layer sulfide semiconductor particles, the selection of high-efficiency excitation drivers for the recombination of heterogeneous particles, and the design of photofunctional electrodes are expected to advance and achieve high efficiency in the application of quantum solar cells. The results of this study show that solar cells with low toxicity semiconductor particles are very useful.