金属酸化物の複合化における半導体界面物性の解明と高効率光電変換デバイス応用

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[研究目的]増感型太陽電池内における複合型金属酸化物(酸化亜鉛, 酸化チタン, 酸化マグネシウム)の半導体物性を解明する。[研究意義および重要性]本研究は、酸化亜鉛(ZnO)や酸化チタン(TiO_2)、酸化マグネシウム(MgO)を簡易な化学処理によって複合化し、その半導体特性を評価するものである。さらに、ハライド化鉛ペロブスカイト化合物で増感させた複合型金属酸化物半導体材料は、発光デバイスや透明導電性材料、太陽電池などに応用されている。半導体材料は、複合化させることで更にデバイス性能を向上できるものが多数あり、本研究のように半導体の複合化および特性評価をすることはデバイス応用の際には特に重要であり、半導体物性を解明することで他種の酸化物半導体への化学処理技術の応用も考えられる。その結果、より高出力なLEDやレーザー、低コスト透明導電性材料などへの技術応用が期待できる。[研究内容および成果]酸化亜鉛および酸化チタン複合半導体の半導体物性ZnOに対してTiCl_4処理をすることでTiO2被覆ZnO半導体を作製した。この複合化半導体の特性として、電解質溶液中に含まれる電子受容体への逆方向電子移動を抑制していることが明らかとなった。また、半導体中の電子伝導帯の下端準位もTio2で被覆することでZnO単体と比較し、より高いエネルギー位置へとシフトしていることも示唆された。この二つの特性を同時に有することは非常にまれであり、優れた半導体材料であることが証明された。酸化マグネシウムの効果ZnO/TiO_2に絶縁体である金属酸化物MgOを被覆させ半導体特性を変化させた。これを色素増感太陽電池に応用し田結果、出力電圧値の向上に成功した。また、TiO_2にMgOを被覆させ形態変化を伴う界面構造の改善も発見することができた。このTiO_2/MgOは他の太陽電池やデバイスの電荷再結合抑制層として応用できる可能性がある。