二酸化炭素還元へ向けた分極制御窒化物半導体による可視光応答型新規光電極の開発

使用偏振控制氮化物半导体开发新型可见光响应光电极以减少二氧化碳

• 批准号: 14J08965
• 负责人: 中村 亮裕
• 金额: $ 1.86万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2017-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J08965/
• 关键词: 水分解光電極; 窒化物半導体; 分極; 光電極; 水分解; 水素; トンネル接合

本研究は, 極薄AlN層を内部に導入した独自の分極制御構造を持った窒化物半導体光電極により, 可視光を利用した燃料生成実現を目指すものである. 本年度はこれまでの知見を基に, より高いIn組成を持つInGaNを光吸収層として用いることで吸収端の長波化を狙った. また, 太陽電池特性のシミュレーション結果を基にして, 光電極としてのポテンシャルについても検討を進めた.昨年度までの取り組みの中でInGaN層を用いた光電極動作の実証に成功した. 本年度ではIn組成を変化させ, より系統的に特性を検討した. 使用する自立GaN基板の変更や, 結晶成長条件の改善を行なった結果, 波長440 nm程度までの光による応答を得ることに成功した. また, InGaN光吸収層を持つサンプルについても4時間の連続的な光電極動作の試験を実施したが, 明確な特性の劣化が見られないことを確認した. これは当初のコンセプトである, 還元側の電極の実現による安定動作を支持しており, InGaNを用いた場合にも長寿命の光電極が実現可能であることを示す結果である.また, 提案構造の太陽電池特性のシミュレーション結果と, 簡単な実験結果を利用することで, 光電極特性の数値的な予測を行ない, 達成しうる特性をより明確な形で表すことができた. また, こうした検討を進める中で, 底部のn-GaN層中で生成した光キャリアが光電流として寄与することが, 提案構造の光電極特性を低下させる一因であることが新たに判明した. 下地のGaNによる光吸収の影響をなくすため, 紫外光を除いた光の照射下で特性を測定したところ, 酸素発生の酸化還元準位を超える立ち上がり電圧をIn組成12％程度まで得ることができた. サンプルのより本質的な特性を反映した結果であると考えられ, 外部電圧無しでの水分解実現に向けて非常に有望な結果といえる.

は this study, a very thin AlN layer を internal に import し た の points system extremely imperial structure を alone hold っ た smothering compound semiconductor optical electrode に よ り, visible light を using し た fuel to generate be presently を refers す も の で あ る. This year は こ れ ま で の knowledge base を に, よ り high い composition In を hold つ InGaN を light absorption layer 収 と し て In い る こ と で suction 収 の long wave change を previously っ た. ま た, solar cell characteristics の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン results を に し て, light electrode と し て の ポ テ ン シ ャ ル に つ い て も beg を 検 into め た. In the previous year, まで <s:1> took the でInGaN layer を from the み み of the み group and used the <s:1> た photoelectrode action <s:1> to prove that に was successful た. This year, the composition of で で In を changes させ, the に characteristics of the よ た system を検 discuss た た. Using す る self-reliance GaN substrate の - more や, crystal growth conditions improved の を line な っ た as a result, the degree of the wavelength of 440 nm ま で の light に よ る 応 を must answer る こ と に successful し た. ま た, InGaN light absorbing 収 layer を hold つ サ ン プ ル に つ い て も 4 time の even 続 な photoelectrode action の test を be applied し た が, See clear な features の degradation が ら れ な い こ と を confirm し た. こ れ は had の コ ン セ プ ト で あ る, yuan side is の electrode の be presently に よ る stability and support action を し て お り, InGaN を with い た occasions に も long-life の photoelectrode が may be presently で あ る こ と を で す results indicated あ る. ま た, Proposal to construct の solar cell characteristics の シ ミ ュ レ ー シ ョ と ン results, Jane 単 な be 験 results を す る こ と で, optical electrode の the numerical を な to test line な い, achieve し う る features を よ り clear な form で table す こ と が で き た. ま た, こ う し た beg を 検 into め る で, の n - GaN layer at the bottom of the generated で し た light キ ャ リ ア が photocurrent と し て send す る こ と が, proposal structure の light low electrode properties を さ せ る due で あ る こ と が new た に.at し た. The influence of <s:1> GaNによる light absorption <e:1> on をなくすため, the determination of で characteristics を under the irradiation of <s:1> た ultraviolet light <e:1>, and the determination of <s:1> たと ろ ろ ろ Acid element 発 raw の acidification yuan also must a を super え る stand on ち が り electric 圧 を In composition 12% degree ま で have る こ と が で き た. サ ン プ ル の よ り な characteristics を reflect the nature of し た results で あ る と exam え ら れ, external electric 圧 no し で の water be am に to け て very に results are expected to な と い え る.

项目成果

Nature Energy Origin Micro Grid System and Solar to Chemical Energy Storage by Solar Cell and Electrochemical Cell

自然能源起源微电网系统和太阳能电池和电化学电池的太阳能化学储能

• 发表时间: 2015
• 作者: Katsushi Fujii;Akihiro Nakamura;Kentaroh Watanabe;Masakazu Sugiyama;Kensuke Nishioka;Yasuyuki Ota;Yoshiaki Nakano
• 通讯作者: Yoshiaki Nakano

Si基板上GaN結晶成長におけるAlN中間層を用いた応力制御のメカニズム

Si衬底上GaN晶体生长中AlN中间层的应力控制机制

• 发表时间: 2015
• 作者: M. Suzuki;A. Nakamura;M. Sugiyama;and Y. Nakano;鈴木道洋，中村亮裕，杉山正和，中野義昭
• 通讯作者: 鈴木道洋，中村亮裕，杉山正和，中野義昭

Suitable Properties of Solar Cells for Electrochemical Water Splitting to Store Hydrogen (Concentrated Photovoltaic Solar Cell as an Example)

电化学分解水储氢太阳能电池的适宜特性（以聚光光伏太阳能电池为例）

• 发表时间: 2015
• 作者: Katsushi Fujii;Akihiro Nakamura;Kentaroh Watanabe;Masakazu Sugiyama;Kensuke Nishioka;Yasuyuki Ota;Yoshiaki Nakano
• 通讯作者: Yoshiaki Nakano

GaN/AlN/GaN光電極におけるAlN成長温度の影響

AlN生长温度对GaN/AlN/GaN光电极的影响

• 发表时间: 2014
• 作者: 中村亮裕;杉山正和;藤井克司;中野義昭
• 通讯作者: 中野義昭

Low-Temperature Growth of Al(Ga)N/GaN Tunnel Junction with Abrupt Interfaces and Low Dislocation Density for Polarization Engineered Water Splitting Photocathode

用于偏振工程水分解光电阴极的具有突变界面和低位错密度的 Al(Ga)N/GaN 隧道结的低温生长

• 发表时间: 2016
• 作者: A. Nakamura;M. Suzuki;K. Fujii;Y. Nakano;and M. Sugiyama
• 通讯作者: and M. Sugiyama