金属カルコゲナイド量子ドットを吸着した多孔質TiO2電極の光電変換特性とキャリアダイナミクス

摘要

次世代太陽電池として多孔質二酸化チタン(TiO2)電極に金属カルコゲナイド量子ドットを吸着させた量子ドット増感太陽電池[1]が注目を集めている。特にCdS, CdSe, PbS などは[1,2,3]可視・赤外光を広く吸収するなど太陽電池に適した性能をもつためモデル材料として用いられている。各増感材は異なる特徴をもち、光電変換効率向上のため適切なアプローチが必要となる。[目的](1)反応性の高いPbS 量子ドットに対してZnS による表面保護を行いZnS 修飾が量子ドット中のキャリアダイナミクスと光電変換特性に与える影響を解明する。(2)(1)のZnS 表面修飾効果を利用した上でCdS,CdSe 量子ドットを複合化させて用いた場合[4]のキャリアダイナミクスと光電変換特性の変化について調べ、複合化による効率向上のメカニズムを解明する。[結果と考察]図1 に複合化電極の光電変換特性を示す。CdSe のみを増感材とした場合2.0%であった光電変換効率は、CdS/CdSe 複合化により3.0%に向上した。その反面、吸着順序を逆にしたCdSe/CdS は1.3%に低下した。図2 に過渡応答測定によるCdSe 中のキャリアの緩和時間の変化を示す。複合化による電子の緩和時間の減少が確認された。これは図3 のエネルギー図[4]に示すように複合化によってCdS/CdSe 電極ではCdS へのスムーズな電子移動が起こり、CdSe/CdS 電極ではTiO2 とCdS 二方向への電子移動が起こる電子移動過程の変化のためと考えられる。これらの結果から量子ドット増感太陽電池のナノ界面の制御は光電変換特性向上の重要な要因であることが示された。