Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ナノマイクロ熱工学 / 太陽電池 / 再生可能エネルギー / プラズマCVD / 量子ドット / ナノ粒子 / 薄膜太陽電池 / プラズマ材料科学

量子サイズ効果を有するサイズが揃ったシリコン量子ドット（SiQD）を合成し，半導体高分子とブレンドした有機無機ハイブリッド太陽電池を開発した。SiQDは電子ドナーとなるP3HTまたはPTB7とともにシリコンインクに加工し，塗布によってバルクヘテロ構造を形成することで光起電力機能を顕在化させる。SiQD表面を水素で置換し，さらに表面不活化することで発電効率が5%まで向上した。SiQDには多量の結晶成長欠陥が含まれるためこれを完全に除去すること，さらに低温熱処理によってキャリア移動度を改善することで，光電変換効率10%を実現する低コスト太陽電池を塗布プロセスで作成する道筋を示した。

量子ドット / 多孔質体 / 光触媒、 / サーモクロミズム / ナノ粒子 / 光触媒 / 酸化触媒 / サブナノ粒子

本研究では、シングル～サブナノサイズの細孔を有する多孔質シリカを作製し、その細孔内で遷移金属酸化物量子ドットの合成を行うとともに、顕著な量子サイズ効果による特有の性質を追究した。0.6～3.0 nmの細孔は遷移金属酸化物の量子ドットの合成場として効果的に機能すること、および、1 nm以下の酸化物ドットでは量子サイズ効果が顕著に発現し、バンドギャップが大幅に増大することを確認した。酸化タングステンでは、光触媒反応における還元力が向上することが明らかになり、酸化銅や酸化コバルト量子ドットでは顕著なサーモクロミズムが観測され、シングル～サブナノ領域における特異的な機能性の発現が見いだされた。

ZnS:Mn / 逆ミセル / フォトルミネッセンス / ナノ蛍光体 / ナノクリスタル / 量子ドット / シリカ被覆 / Zns : Mn^<2+> / 蛍光体 / ナノ粒子 / エネルギー移動

逆ミセル微小反応場を用いてZnS:Mn^<2+>ナノクリスタル蛍光体をラウリルリン酸(PhosH)、SiO_2および両者によって表面修飾したサンプルを比較し、Mn2+による発光強度が増大する機構を追究した。その結果、ZnS:Mn^<2+>ナノ蛍光体にPhosHまたはSiO_2を修飾すると、量子閉じ込め効果や表面欠陥のキャッピング効果によって、Mn^<2+>の発光強度を増大できるが、PhosHではZnS:Mn^<2+>との化学的相互作用を介して発光強度をさらに増大できることが明らかにされた。次に、ZnS:Mn^<2+>ナノ蛍光体をシリコーン樹脂中へ分散させた蛍光シートの光吸収・蛍光強度の測定を行い、ナノ蛍光体の透光性がもたらす効果を評価・検討した。ナノ粒子のサイズが小さくなるほどレイリー散乱光が粒径の6乗に反比例して小さくなるため、ナノ蛍光体分散シートでは透明性が向上する。蛍光体分散シートを前方から励起し、前方で蛍光を検出する際に、シートの裏側にMgO白色板を用いた場合と用いなかった場合の蛍光強度を比較した。その結果、バルク蛍光体分散シートではMgO板を用いた効果は見られなかったが、ナノ蛍光体分散シートではMgO板を用いることにより蛍光強度が約1.5〜2倍に引き上げられることがわかった。これはナノ蛍光体分散シートの高い透明性による効果で、MgO板を用いない場合はシートの後方に透過した蛍光がMgO板を用いることによって反射され、再びシート内を透過して前方に引き出されると考えられる。また、蛍光体分散シートの後方から励起した場合の蛍光強度を測定したところ、バルク蛍光体分散シートでは粒子濃度が増加すると蛍光強度が低下するのに対し、ナノ蛍光体分散シートでは逆に上昇することが確認された。この結果もナノ蛍光体分散シートの高透明性に起因する。以上より、樹脂封止する蛍光体をナノサイズ化することで蛍光取り出し効率を向上できると結論付けられる。

ZnS:Mn / 逆ミセル / フォトルミネッセンス / 蛍光体 / ナノ粒子 / ナノクリスタル / 量子ドット / エネルギー移動

本研究では、界面活性剤によって形成される逆ミセルを微小反応場と利用してZnS:Mnナノクリスタルを合成し、さらにリン酸系界面活性剤PhosHを添加したときのMn^<2+>による発光の強度変化を調べた。ヘプタン/AOT/H_2O系逆ミセル溶液を調製し、同逆ミセル溶液80cm^3に1MZn(CH_3COO)_2水溶液0.545cm^3および0.1MMn(CH_3COO)_2水溶液0.05cm^3を混合した。この溶液を、所定のS/(Zn+Mn)モル比になるようにNa_2Sを含む逆ミセル溶液30cm^3に混合し、ZnS:Mn^<2+>ナノ粒子が分散した透明なサスペンションを合成した。このとき、すべてのサンプルで[H_2O]/[AOT]が9.64となるように調製した。さらに[PhosH]/[AOT]=0.0943になるようにサスペンションにPhosHを加えた。ZnS:Mn^<2+>ナノ粒子が分散したサスペンションのUV-Vis吸収スペクトルはS/(Zn+Mn)モル比の減少とともにブルーシフトした。これはZnSのバンドギャップ(Eg)がS/(Zn+Mn)モル比の減少に伴い増加することを意味する。吸収端から求めたEgを用いて、有効質量近似法によって求めた光学的粒子直径は、S/(Zn+Mn)モル比が1.6から0.6に減少するに伴って3.3nmから2.8nmへ減少した。この原因としてS/(Zn+Mn)モル比の減少に伴う逆ミセル内のアニオン濃度およびpHの減少、PhosH添加によるpHの減少および逆ミセル同士の衝突頻度の減少が考えられる。ZnS:Mn^<2+>ナノ粒子が分散したサスペンションは、どの試料もMn^<2+>のd-d遷移によるオレンジ色(波長580nm)発光を示す。この発光に対する励起スペクトルはS/(Zn+Mn)モル比の減少に伴い光学的粒子直径と相関してブルーシフトした。これより、S/(Zn+Mn)モル比を操作することによって粒子直径およびMn^<2+>の発光に最適な励起波長を制御できることが明らかにされた。ZnS:Mn^<2+>ナノ粒子が分散したサスペンションにPhosHを添加することで発光量子効率は増大した。PhosH添加による発光量子効率の増大量はx=1.2のところで最大であった。^<31>P-NMRのケミカルシフトも類似の傾向が見られることから、PhosHとZnS:Mn^<2+>との相互作用が発光効率の増加に重要な役割をすることが明らかにされた。

【研究分担者】
渡辺洋人	東京都立産業技術研究センター	材料技術グループ	研究員	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
藤巻康人	東京都立産業技術研究センター	材料技術グループ	研究員	(Kakenデータベース)
林孝星	東京都立産業技術研究センター	材料技術グループ	研究員	(Kakenデータベース)