新新型型ププララズズモモンン誘誘起起電電荷荷分分離離シシスステテムムをを利利用用ししたた全全固固体体光光電電変変換換セセルルのの開開発発 九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所准教授 科学技術振興機構さきがけ研究 「革新的光科学技術を駆使した最先端科学の創出領域」（兼任） 髙橋幸奈 1. 研究の目的と背景 金属ナノ粒子は、局在表面プラズモン共鳴(LSPR)を示し、共鳴する波長の光のエネルギーを粒子表面のナノ空間に、時間的・空間的に局在化できることから、光を効率的に利用できる技術として期待されている。特に、LSPRを示す金属ナノ粒子と酸化チタンのような半導体を組み合わせた際に生じるプラズモン誘起電荷分離(PICS)は、可視光応答型光触媒や光電変換セルなど、各種の光エネルギー変換デバイスへと応用が期待される現象であるが、従来、金や銀などの貴金属ナノ粒子と酸化チタンなどのn型半導体との組み合わせでのみ可能であった(図１a)。本課題では、n型半導体を用いていた従来系とは異なり、p型半導体と金属ナノ粒子を組み合わせた新型PICSシステムの実現を目指す(図１b)。 図１従来系（金属ナノ粒子＋型半導体）による、本課題が提案する、金属ナノ粒子の酸化溶出の抑制が期待できる（金属ナノ粒子＋型半導体） これによって、従来系で問題となっていた、PICSで生じた正電荷によるナノ粒子の酸化溶解を抑制し、金属ナノ粒子の酸化溶解を防ぐことが可能となるのみならず、電荷分離状態の長寿命化による変換効率の飛躍的な向上も期待でき、従来のn型半導体を用いたPICS系に比べて格段の高性能化が期待できる。本課題では、いまだ詳細な機構が不明なPICSについて研究し、p型半導体を利用した新型PICSを確立することで、高効率な光エネルギー変換デバイスを構築することを目的としている。 2. 研究内容 ・従来型PICSの酸化力発生機構の検討 光電変換効率の向上とメカニズムの解明は両輪であると考えられる。そこでまずは、従来型のn型半導体を用いたPICSについて、生じる酸化力について調査を行うことで、従来型PICSのメカニズムを明らかにすることを試みた。 酸化チタン基板上に、光触媒析出法によって金ナノ粒子(AuNP)を担持し、ピロール、フェノール、3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOT)等のモノマーを含む溶液中に浸漬して光照射し、PICSに基づいて進行する光酸化重合反応について観察した。その結果、モノマーによって、反応波長限界が異なることが分かった。このことから、照射する光の波長が酸化力を決定している可能性があることを明らかにした。 ・銀ナノ粒子(AgNP)と酸化ニッケルによる新型PICS系の開発 まずはp型半導体として酸化ニッケルを採用し、組み合わせるプラズモニック金属ナノ粒子として銀ナノ粒子(AgNP)を採用して研究を行った。 透明電極(ITO)上に、酸化ニッケルをスプレーパイロリシス法で成膜し、AgNPを電解析出法で担持することで、AgNP担持光活性電極(ITO/NiO/AgNP)を作製した。この光活性電極の光電気化学特性を、酸化還元対としてフェリシアン化カリウム／フェロシアン化カリウムを含む水溶液を電解液とし、参照極に銀／塩化銀電極を、対極に白金を用いた系で測定した。この光活性電極が設計した通りに機能した場合、AgNP／酸化ニッケル界面での電荷分離（新型PICS）により、AgNPから酸化ニッケルへの正電荷の移動が起こることで、カソード光電流が得られると推察される。実験結果よCBVBTiO2, etc.e-h+hnAu or Agホール輸送層(p型半導体など)、電子ドナー等p型半導体e-CBh+hn金属ナノ粒子VB電子輸送層、電子アクセプター等−144−発表番号 71〔中間発表〕
元のページ ../index.html#150