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豊田太郎 電気通信大学 大学院情報理工学研究科 先進理工学専攻 特命教授
沈青 電気通信大学 大学院情報理工学研究科 先進理工学専攻 助教
山口浩一 電気通信大学 大学院情報理工学研究科 先進理工学専攻 教授
渡辺勝儀 山梨大学 工学部 准教授
宇佐美徳隆 東北大学 金属材料研究所 准教授
寒川誠二 東北大学 流体科学研究所 教授
橘泰宏 RMIT University School of Aerospace,Mechanical and Manufacturing Engineering Assciate Professor
八谷聡二郎 電気通信大学大学院 先進理工学専攻 産学官連携研究員
岡田至崇 東京大学 先端科学技術研究センター 教授
早瀬修二 九州工業大学 大学院生命体工学研究科 教授
松田一成 京都大学 エネルギー理工学研究所 教授
吉川暹 京都大学 エネルギー理工学研究所 特任教授
上野貢生 北海道大学 電子科学研究所/科学技術振興機構(さきがけ)准教授
三澤弘明 北海道大学 電子科学研究所 所長/教授
I. Hod
Chemistry Department Bar-llan University PhD students in Zaban group
M. Shalom
Chemistry Department Bar-llan University PhD students in Zaban group
Z. Tachan
Chemistry Department Bar-llan University PhD students in Zaban group
S. Buhbut
Chemistry Department Bar-llan University PhD students in Zaban group
S. Yahav
Chemistry Department Bar-llan University PhD students in Zaban group
S. Greenwald
Chemistry Department Bar-llan University PhD students in Zaban group
S. Rule
Chemistry Department Bar-llan University Research fellow in Zaban group
A. Zaban
Chemistry Department Bar-llan University head of the research group/professor
Pralay K. Santra
Radiation Laboratory, Department of Chemistry & Biochemistry University of Notre Dame
Prashant V. Kamat
Radiation Laboratory, Department of Chemistry & Biochemistry University of Notre Dame
Ivan Mora-Sero
Grup de Dispositius Fotovoltaics i Optoelectronics Departament de Fisica Universitat Jaume I
Juan Bisquert
Grup de Dispositius Fotovoltaics i Optoelectronics Departament de Fisica Universitat Jaume I
Yanhong Luo
Key Laboratory for Renewable Energy,Chinese Academy of Sciences;Beijing Key Laboratory for New Energy Materials and Devices;Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences
Dongmei Li
Key Laboratory for Renewable Energy,Chinese Academy of Sciences;Beijing Key Laboratory for New Energy Materials and Devices;Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences
Qingbo Meng
Key Laboratory for Renewable Energy,Chinese Academy of Sciences;Beijing Key Laboratory for New Energy Materials and Devices;Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences
Yuh-Lang Lee
Department of Chemical Engineering National Cheng Kung University
Sang Il Seok
Korea Research Institute of Chemical Technology,Division of Advanced Materials,Solar Energy Materials Research Group
James G. Radich
Radiation Laboratory, Departments of Chemistry & Biochemistry, and Chemical & Biomolecular Engineering, University of Notre Dame
近年化石燃料の枯渇とCO2の増大に伴う温室効果がクローズアップされ、エネルギー・環境問題が大きな関心を集める中、太陽エネルギーの利用が有力視されている。それらの中で、太陽エネルギーを電力源に変換する太陽電池が有望視され大きな注目と期待が寄せられている。現在普及している太陽電池は、Siを母体材料とするものである。しかしSi太陽電池は原材料コスト(高純度化)・製造プロセス(高温でのCVD)と製造コストの面で問題があると共に、今後Si資源の枯渇が大きな問題点となる。そのため、Si以外の新代替材料を用いる太陽電池系が活発に模索されている。新素材を用いた太陽電池の中の一つで、ナノ構造TiO2電極を基板とした色素増感太陽電池 (DSC)は、資源による制約が比較的少なくかつ廉価に作製出来ることから、Si系に代わる新しいタイプの太陽電池として期待されている。しかし種々の制約から、現在DSCの光電変換効率には飽和傾向が見られる。そのため従来の発想を転換し、低炭素・接続型社会実現に向けた画期的な太陽電池の研究の必要に迫られている。
ここで量子閉込効果を示す半導体量子ドット(以下、量子ドットと略す)は新奇な物性変化を示し、基礎と応用の両面から活発な研究が推進されている。これらの量子ドットは他の系には無い特色があり、量子ドットを適用する太陽電池の研究が活発化している。量子ドットは他の系に比べて、(1)量子閉込効果による光吸収係数の増大、(2)ドット径を制御することで光吸収領域の制御が可能、(3)双極子モーメントが大きく電荷分離の効率が大(植物の光合成との類似性)、(4)高エネルギー光子1個の入力に対し複数個の励起子を発生する多重励起子生成の可能性、等の特徴がある。これらの特徴を実現化することが技術的に可能となれば、従来の系に比べてより一層の光電変換効率向上の実現が期待出来る。
本書は太陽電池については多くの解説書がある中で、主として化学サイドを中心とした量子ドット太陽電池・材料の最先端の話題に絞って論ずることを目的として企画された。幸い、この分野の気鋭の内外研究者の方々のご協力により執筆いただくことが出来た。本書を一読することにより、将来の高効率・高耐久性を持つ量子ドット太陽電池の実現に向けた方向性を見出すことを望む次第である。
末筆ながら、ご多忙中執筆頂いた各位と、本書の出版に尽力されたシーエムシー出版部の初田竜也氏に感謝の意を表する。
2012年4月 豊田太郎(電気通信大学)
第1章 量子ドット太陽電池の現状 豊田太郎
1 CdS量子ドット増感太陽電池
2 CdSe量子ドット増感太陽電池
3 PbS量子ドットに増感太陽電池
4 複合化量子ドット増感太陽電池
第2章 量子ドットの作製
1 化学吸着法
1.1 Chemical Bath Deposition(CBD)法 沈青
1.1.1 はじめに
1.1.2 CBDによるCdSe量子ドット吸着電極の作製
1.1.3 まとめ
1.2 Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) 法 沈青
1.2.1 SILAR法によるCdS量子ドットの吸着
1.2.2 SILAR法によるCdSe量子ドットの吸着
1.2.3 SILAR法によるPbS量子ドットの吸着
1.3 Direct Adsorption (DA) 法とLinker-assisted Adsorption (LA)法 沈青
1.3.1 CdSeコロイド量子ドットの作製
1.3.2 TiO2基板への吸着
1.3.3 光吸収特性
1.3.4 表面モルフォロジー
2 高密度・高均一量子ドットの自己形成
2.1 InAs量子ドット系 山口浩一
2.1.1 はじめに
2.1.2 SK成長モードによる量子ドットの自己形成法
2.1.3 InAs量子ドットのサイズ自己制限効果による高均一形成
2.1.4 Sbサーファクタント効果による面内高密度化
2.1.5 まとめ
2.2 ZnTe中のCdTeの自己形成量子ドット系 渡辺勝儀
2.2.1 はじめに
2.2.2 量子ドット作製方法
2.2.3 量子ドットの形状と密度
2.2.4 光物性
2.2.5 まとめ
2.3 SiGe量子ドット系 宇佐美徳隆
2.3.1 はじめに:SiGeの特徴
2.3.2 SiGe量子ドット成長の物理
2.3.3 ナノフォトニック結晶と量子ドットが結合したナノ構造体の作製と応用
2.4 高効率シリコン量子ドット太陽電池実現のための量子ナノ構造作製プロセス―エネルギー変換効率45%超太陽電池への期待― 寒川誠二
2.4.1 要約
2.4.2 はじめに
2.4.3 従来の量子ドット作製技術
2.4.4 究極のトップダウンプロセスによる量子ドット構造の作製と高密度・均一配置
2.4.5 未来に向けて
第3章 太陽電池への応用
1 量子ドット太陽電池
1.1 増感型 橘 泰宏
1.1.1 はじめに
1.1.2 量子ドット増感vs.色素増感
1.1.3 太陽電池の設計指針:量子ドットと電解質について
1.1.4 太陽電池の設計指針:導電性ガラスと電解質について
1.1.5 おわりに
1.2 ショットキー太陽電池 沈青
1.2.1 はじめに
1.2.2 光吸収材
1.2.3 リガンドの選択
1.3 空乏ヘテロ型 沈青
1.3.1 はじめに
1.3.2 構造
1.3.3 動作原理
1.3.4 太陽電池材料
1.3.5 構造上の特徴
1.3.6 コロイド量子ドットの粒径依存性
1.3.7 まとめ
1.4 Extremely-Thin-Absorber(ETA)型 八谷聡二郎
1.4.1 概略
1.4.2 電子輸送層
1.4.3 増感剤
1.4.4 正孔輸送層
1.4.5 まとめと今後の展望
1.5 無機-有機へテロ接合型 八谷聡二郎
1.5.1 概略
1.5.2 有機半導体
1.5.3 低分子有機半導体を用いた例
1.5.4 高分子有機半導体を用いた例
1.5.5 まとめと今後の展望
1.6 中間バンド型太陽電池 岡田至崇
1.6.1 高効率太陽光発電への期待
1.6.2 量子ドット型太陽電池の可能性
1.6.3 今後の展望
2 類似型次世代太陽電池
2.1 バックコンタクト型色素増感太陽電池 早瀬修二
2.1.1 平面型TCO-less バックコンタクト型色素増感太陽電池(flat TCO-less DSC)
2.1.2 TCO-less バックコンタクト型円筒形(シリンダー)色素増感太陽電池
2.1.3 まとめ
2.2 有機薄膜型太陽電池の高効率化 松田一成、吉川暹
2.2.1 はじめに
2.2.2 高効率化への道
2.2.3 超階層ナノ構造素子の開発
2.3 光アンテナ搭載型可視・近赤外光電変換システム 上野貢生、三澤弘明
2.3.1 はじめに
2.3.2 金属ナノ構造による光電場増強
2.3.3 光アンテナ機能を有する金ナノ構造体の作製
2.3.4 アスペクト比による共鳴波長の制御
2.3.5 金ナノブロック構造による光電場増強
2.3.6 光アンテナ搭載型可視・近赤外光電変換システム
2.3.7 おわりに
第4章 海外の研究動向
1 Quantum Dot Sensitized Solar Cells Research at Bar-Ilan University(イスラエル) I. Hod,M. Shalom,Z. Tachan,S. Buhbut,S. Yahav,S. Greenwald,S. Rule,A. Zaban
1.1 Recombination Processes
1.2 Counter electrode
1.3 Low Photovoltage
1.4 Limited Light Harvesting
1.5 Physical Insights
2 Quantum Dot Solar Cells Research at University of Notre Dame(アメリカ) Pralay K. Santra, Prashant V. Kamat
2.1 Injection of electrons from excited QDs to TiO2
2.2 Supersentization of QD with organic dye
2.3 Altering the recombination rate by doping
2.4 Hole transfer at Irradiated QD
2.5 Redox Process at the Counter Electrode
2.6 Solar Paint
3 Impedance characterization of Quantum Dot Sensitized Solar Cells(スペイン) Ivan Mora-Sero,Juan Bisquert
4 Recent research progress of quantum dot sensitized solar cells in China(中国) Yanhong Luo,Dongmei Li,Qingbo Meng
4.1 Introduction
4.2 Design of the wide bandgap semiconductor film
4.3 Quantum dots materials and deposition methods
4.4 Electrolyte
4.5 Counter electrode
4.6 Summary and Outlook
5 Quantum-Dot Photovoltaic Study in National Cheng Kung University(台湾) Yuh-Lang Lee
5.1 The Initiation of Study on Quantum-dot Sensitized Solar Cells
5.2 The early period of QDSSC study in NCKU
5.3 Development of electrolytes for QDSSCs
5.4 The utilization of QDs with border light absorption range
5.5 The usage of CdS/CdSe co-sensitization system with cascade structure
5.6 Current issues for QDSSCs study in NCKU
5.6.1 The development of more efficient redox couples and electrolytes
5.6.2 The utilization of counter electrodes with higher activity
5.6.3 Development of QDs systems with higher charge transport and broader light harvest characteristics
6 Quantum dot photovoltaics in KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology)(韓国) Sang Il Seok
6.1 Outline
6.2 Research progress
6.2.1 PbS QDSSC
6.2.2 Multiply layered PbS CQDs-sensitized photovoltaic cells
6.2.3 Multiply layered HgTe CQD-sensitized photovoltaic cells
6.2.4 Sb2S3-sensitized heterojunction photovoltaic cells
第5章 量子ドット太陽電池の今後の展望 James G. Radich,Prashant V. Kamat
1 Quantum Dot Photovoltaics
2 Synthesis of Quantum Dots
3 Future Prospects
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