研究紹介

水溶液から電気化学的に作られたユビキタス光活性金属酸化物（MO）薄膜半導体は、太陽光発電および電気化学的水分解による水素生成において、超低コストの候補としての最も有望な属性を持っています。 このような酸化物薄膜の利点は、大面積に製膜可能で、形態制御にも容易、かつ地球に豊富であること。これらは次世代酸化物太陽光デバイスをグリッドパリティの達成に導きます。

本研究グループは、太陽電池および電気化学水素生成デバイスの応用における地球に豊富な酸化物、特に酸化亜鉛（ZnO）、一価酸化銅（Cu2O）、および二価酸化銅（CuO）などの製膜研究を行っております。

テーマ1：電気化学的形成された銅酸化物太陽電池の高効率化

概要

Figure 1. The effect on the EQE and I-V characteristics of n-ZnO/p-Cu2O photovoltaic devices under different annealing temperatures

酸化(I)銅(Cu2O)太陽電池は2.1 eVのバンドギャプエネルギーを持ち、理論変換効率は約20％です。本研究室は、伊﨑教授のもとで既に電気化学によるn-ZnO/p-Cu2Oデバイスの製作に成功しています。変換効率をさらに向上させるために、加熱処理を行い、外部量子最大効率を約80％から99％まで向上させ、短絡電流密度も増大させることに成功しました。[1]この増加が、加熱による格子欠陥の減少による電子輸送特性の向上による事を明らかにしました。また、二価銅酸化物と一価銅酸化物が積層した太陽電池を、前述の一価銅酸化物を大気酸化することにより形成し、量子効率の図に示すように、光電変換波長領域の拡張を実証しました。[2]
今後は、テンプレートなどを活用し、ヘテロ界面の形態制御すること（酸化亜鉛の独立ナノワイヤ化など）による光閉じ込め効果で光吸収の向上やキャリア輸送特性の改善に関する研究を取り込みます。

主な業績

[1] Pei Loon Khoo, Yuuki Kikkawa, Kenta Satou, Tsutomu Shinagawa, and Masanobu Izaki. “Improvements in External Quantum Efficiency of Electrochemically constructed n-ZnO/p-Cu2O Photovoltaic Devices by Rapid Thermal Annealing”, Thin Solid Films, 653 (2018),158-164
[2] Masanobu Izaki, Kazuma Fukazawa, Kenta Sato, Pei Loon Khoo, Masakazu Kobayashi, Akihisa Takeuchi, and Kentaro Uesugi. “Defect Structure and Photovoltaic Characteristics of Internally Stacked CuO/Cu2O Photoactive Layer Prepared by Electrodeposition and Heating.” ACS Appl. Energy Mater.2019, 2, 7, 4833-4840

キーワード

テーマ2：Cu2O/CuO 積層型光電変換層の電気化学形成

概要

Figure 2. Directly-stacked Cu2O/CuO layers by deposition potential control from aqueous solution containing cuprous-tartrate complex

一価銅酸化物、二価銅酸化物の積層型光電変換層の電気化学形成とエネルギー変換への展開の研究を行い、本研究室は新規な銅錯体水溶液から電位制御により一価銅酸化物と二価銅酸化物を積層した構造体を形成することに成功しました。[1]現在、この新規技術をもとに、酸化銅光電変換層のナノ構造化による高性能化に取り組み、水分解水素生成への応用に関する研究に取り組んでいます。

主な業績

[1] Masanobu Izaki, Takayuki Koyama, Pei Loon Khoo, and Tsutomu Shinagawa. "Light-Irradiated Electrochemical Direct Construction of Cu2O/CuO Bilayers by Switching Cathodic/Anodic Polarization in Copper(II)-Tartrate Complex Aqueous Solution", ACS Omega 2020, 5, 1, 683-691

キーワード

担当授業科目名(科目コード)

機械工学実験
機械工学基礎実験

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