電子エネルギー構造を自在に制御したナノ結晶集積膜の作製と光デバイスへの応用

半導体ナノ粒子やナノシートなどのナノ結晶は、そのサイズや形状に依存して特異な光機能性を示すことから、光エネルギー変換材料への応用が試みられている。デバイス応用に際して、それらは主にスピンコートなどにより、マトリクス中に均一に分散した状態で用いられる。本研究では交互吸着法を用いて、これらナノ結晶を配列よく積層し、ナノオーダーでのエネルギー傾斜構造を構築することにより、高効率な光エネルギー変換材料の開発を行った。本年度の研究ではまず、効率的な光エネルギー変換を達成するため、バルク材料において高い光活性を示し、環境調和型の半導体材料として注目されているCu_2ZnSnS_4(CZTS)のナノ粒子化を試みた。各金属酢酸塩と硫黄粉末を、オレイルアミン中、240℃以上で加熱撹拌することで、ケステライト型結晶構造を有する、5-7nmのCZTSナノ粒子を合成することができた。このように合成したCZTSナノ粒子と、チタニアナノシートとを交互吸着法を用いて配列させることにより、膜内部に連続的なエネルギー傾斜構造を構築した。この交互積層膜を光活性層として、電子・正孔の輸送層や電極を取り付けることで、薄膜太陽電池を作製したところ、傾斜構造を構築していない場合と比較して、短絡電流値、開放端電圧値ともに倍以上の特性が発現することがわかった。このことはCZTS粒子/チタニアナノシートが形成する多層の電荷分離界面が、CZTS中に光生成したキャリアの取り出しを促進するためであると考えられる。以上のように、本研究で得られた知見は、半導体ナノ粒子の太陽電池など、光デバイスへの応用において、非常に有用なものである。高品質な粒子を作製し、さらにそれらの物質をうまく配列(組織化)させ、電子的・エネルギー的な相互作用を最大限に引き出すことができれば、材料の特性の向上や新しい機能の発現につながることを示した。

半導体ナノ粒子やナノシートなどのナノ結晶は、そのサイズや形状に依存して特異な光機能性を示すことから、光エネルギー変換材料への応用が試みられている。デバイス応用に際して、それらは主にスピンコートなどにより、マトリクス中に均一に分散した状態で用いられる。本研究では交互吸着法を用いて、これらナノ結晶を配列よく積層し、ナノオーダーでのエネルギー傾斜構造を構築することにより、高効率な光エネルギー変換材料の開発を行った。本年度の研究ではまず、効率的な光エネルギー変換を達成するため、バルク材料において高い光活性を示し、環境調和型の半導体材料として注目されているCu_2ZnSnS_4(CZTS)のナノ粒子化を試みた。各金属酢酸塩と硫黄粉末を、オレイルアミン中、240℃以上で加熱撹拌することで、ケステライト型結晶構造を有する、5-7nmのCZTSナノ粒子を合成することができた。このように合成したCZTSナノ粒子と、チタニアナノシートとを交互吸着法を用いて配列させることにより、膜内部に連続的なエネルギー傾斜構造を構築した。この交互積層膜を光活性層として、電子・正孔の輸送層や電極を取り付けることで、薄膜太陽電池を作製したところ、傾斜構造を構築していない場合と比較して、短絡電流値、開放端電圧値ともに倍以上の特性が発現することがわかった。このことはCZTS粒子/チタニアナノシートが形成する多層の電荷分離界面が、CZTS中に光生成したキャリアの取り出しを促進するためであると考えられる。以上のように、本研究で得られた知見は、半導体ナノ粒子の太陽電池など、光デバイスへの応用において、非常に有用なものである。高品質な粒子を作製し、さらにそれらの物質をうまく配列(組織化)させ、電子的・エネルギー的な相互作用を最大限に引き出すことができれば、材料の特性の向上や新しい機能の発現につながることを示した。