成果報告書詳細
管理番号20140000000617
タイトル平成22年度-25年度成果報告書 最先端研究開発支援プログラム 低炭素社会に資する有機系太陽電池の開発 酸化チタンナノ微粒子の高速合成法の開発及び材料機能評価
公開日2015/3/5
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人岐阜大学
プロジェクト番号P09026
部署名新エネルギー部
和文要約件名: 酸化チタンナノ微粒子の高速合成法の開発及び材料機能評価に関する報告
(平成22年度-平成25年度)成果報告書

有機系太陽電池の高性能化に資する電極材料として、酸化チタンナノ結晶に着目し、高速製造法と高度ナノ構造制御手法を開発した。具体的には、マイクロ波加熱反応および超臨界水反応場を利用する酸化チタン微粒子の高速合成法を利用して、下記のように結晶型、サイズ・分布、形態、露出結晶面、表面積、バンドエネルギー等の独立制御技術を新規構築した。

(1)チタン酸コロイドのマイクロ波水熱反応の際、有機ナノ構造制御試薬(Structure DirectingAgent: SDA)であるクエン酸を共存させる合成条件で、アナターゼ型酸化チタンナノロッドの短軸長(15 nm程度)を固定したまま、長軸長の選択的制御が可能な異方性結晶形態の制御技術を確立した。個々の粒子の露出結晶面は全て101面で同じであり、短時間の水熱反応にもかかわらず高結晶性(単結晶)である。

(2)(1)のマイクロ波水熱反応の際、自己集合性のSDAを利用するソフトテンプレート法を導入して、2-3 nmの凹凸構造を表面に有する多孔質の酸化チタンナノロッドの合成に成功した。(1)で得られる酸化チタンナノロッドと同サイズで、比表面積が2倍程度の多孔質酸化チタン微粒子の構造制御手法を見出した。

(3)(1)のマイクロ波水熱反応の際、マグネシウムイオンをチタン酸コロイドにドープすることで、サイズ・形態を維持したまま、半導体のバンドエネルギー構造を制御することが可能な酸化チタンナノロッドを開発することに成功した。

(4)超臨界水反応場を利用して単結晶酸化チタン微粒子の高速連続合成に成功した。反応時、SDAとしてトリエタノールアミンを共存させ、pHを制御することで101面が優先露出した20-30 nm程度のアナターゼ型酸化チタン微粒子の合成手法を確立した。

上記の酸化チタン微粒子から構成される多孔質酸化チタン薄膜の塗布・製膜技術に加え、層状チタン酸コロイドのアノード電析からの酸化チタン薄膜の形成過程で、マイクロ波水熱反応で得られる高結晶性酸化チタンナノロッドを電解浴中に共存させ、多孔質電析酸化チタン複合膜を作製する技術を開発した。製膜した種々の酸化チタンナノ微粒子から構成される多孔質電極を用いて、N719、D149をはじめとする色素のみならず、鉛ハライド系ぺロブスカイト光吸収材料の太陽電池に対し、最適な形態、電子物性を有する酸化チタンナノ材料について探索し、電池の高性能化につながる酸化チタン微粒子の構造因子や物性因子の新規明確化と原理解明を進めた。
英文要約Title: Development of the methods for synthesizing TiO2 nanoparticles and evaluation of their photoelectrode properties (FY2010-FY2013) Final Report

We developed titania nanocrystals as photoelectrode materials for high-efficiency organic solar cells, focusing on the rapid synthesis and precise structure control of the titania particles. In particular, we successfully demonstrated the rapid hydrothermal synthesis, namely the reactions employing microwave energy and supercritical water, allowing us to sensitively control the structures of titania nanocrystals in terms of the crystal type, crystal size and distribution, morphology, specific surface area, and band energy. The reaction methods and the controlled titania nanostructures include:
(1)Aspect ratio-controllable anatase titania nanorods can be synthesized in microwave hydrothermal reactions of colloidal titanates, wherein citric acid is employed as the structure directing agent (SDA). The lengths in the long axis of the titania nanorods can be selectively tuned, while maintaining the lengths in the short axis of around 15 nm to control the anisotropic structures. All the exposed crystal facets are of 101 planes and the resultant nanoparticles are highly-crystallized, in spite of the short rection time by microwave hydrothermal synthesis.
(2)With SDA molecules that have self-assembly characteristics in microwave hydrothermal synthesis, rod-shaped porous titania crystals with nanopores of 2 ~ 3 nm in size at the surface can be created.
(3)Magnesium ion-doped titania nanorods without void structures can be synthesized, while preserving the size and shape of the nanorods. This modified titania enables to change the band energy sturucture.
(4)Single crystal titania nanoparticles can be continuously produced by employing supercritical water as a reaction medium for the hydrothermal synthesis. By employing triethanolamine as a SDA, titania nanoparticles with a 20 ~ 30 nm size and with mainly exposed 101 planes can be successfully synthesized.

We also developed the method for preparing porous titania films consisting of the above mentioned titania nanocrystals. With an aim to search for factors improving N719- and D-149 sensitized solar cells as well as lead halide perovskite solar cells, we evaluated the solar cell performance of systematically developed analogous titania electrodes with different morphologies and electronic properties. We established the basic principle of such titania materials to optimize the device performance for various light-absorbing materials and electolytes.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る