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，可以通过将晶体尺寸设置为10 nm来实现量子尺寸的效果，并且可以根据其尺寸控制带隙的尺寸。也就是说，可以将晶体尺寸吸收的太阳光谱从紫外线调整为紫外线。尽管在世界范围内已经开发了使用量子大小效应的下一代太阳能电池的开发，但尚无关于发电效率超过20％的太阳能电池开发的报道。这是因为量子点大小分布和位置控制不受原子量表的控制。在这项研究中，我们开发了一种制造硅墨水的方法，在该方法中，加气前合成的硅纳米颗粒分散在溶剂中，并通过旋转铸造（涂层过程）将其加工成均匀的薄膜。使用此过程，我们研究了光吸收特性，发现能量间隙（紫外线区）中出现了显着的尺寸效应，该效应与硅的直接过渡相对应。另一方面，还揭示了与间接跃迁相对应的能量差距（可见到近红外）中没有明显的大小依赖性。因此，不仅量子大小效应，还聚焦具有较大特定表面积的点，并通过混合P型半导体有机材料（P3HT）和Silicon Quantum Dots开发了具有散装异质结（BHJ）结构的量子点敏化的太阳能电池。结果，当硅量子点的重量比对应于约60％时，发电效率约为1％。这清楚地表明，我们已经开发的Schottky屏障太阳能电池的发电效率远高于0.01％，并且与适当的半导体材料结合使用，可以改善硅量子点的光载体的产生，分离和运输。将来，生产具有较高分散性，寻找最佳BHJ结构以及硅量子点掺杂的硅油墨将对显着提高效率的效率至关重要。