〈一般研究課題〉 一次元量子ナノワイヤを自己組織化ゲル中に固定した第三世代太陽電池の開発
助 成 研 究 者

名城大学

西山桂

一次元量子ナノワイヤを自己組織化ゲル中に固定した第三世代太陽電池の開発
西山 桂（名城大学）Development of solar cells using one-dimensional quantum
nanowires dispersed in organogels
Katsura Nishiyama(Meijo University)

Abstract：
Development of energy resources is indeed essential for sustaining comfortable lives. This study
focuses on organogels which support one-dimensional metal nanowires being applicable for solarcells. Thin-film solar silicon cells are generally used so far, which is entitled as the secondgeneration. The third generation, or novel solar cell, may employ nanoscale materials to upgrade
their energy efficiency, in which quantum dots are a candidate. Quantum dots collect solar light, orserving as a light-harvesting antenna. However, electrons in the surface in a quantum dots may
transfer to another dots easily, which makes the absorption coefficient of solar light rather small.
As an alternative, presently, we use one-dimensional CdSe nanowires where electrons run along thewire axis, and the absorption coefficient is around 1010 M cm–1 , or about 10,000 times higher thanquantum dots. In this study, we used organogels comprising phenol and a surfactant, to support thenanowire. Otherwise, wires get“tangled”due to metal–metal interactions. We have found that if
the nanowire surface is modified by organic moieties that have chemical affinity with the organogelstructure, the wires can be dispersed in the gel appropriately, in a uniform manner.
1．研究背景快適な生活環境の持続的構築のためには、エネルギー創成技術を多方面から開発することが重要－ 151 －

である。そこで本研究では、現在幅広く使用されているシリコン太陽電池（第二世代・薄膜形）に代わる第三世代太陽電池の基盤となるナノスケール一次元金属担持材料を探索することで、エネルギーの視点から環境について取り組んでいくこととする。第三世代太陽電池として、「量子ドット太陽電池」に関する研究開発が盛んである。量子ドットとは半導体ナノ粒子の一種であり、直径数」に関る盛ん あ 。量子ドットとは半 体 ノの一 であり、直径数太電 nmnm〜10程度である[1]。これは、電子の波長の次元に匹敵しており、特徴的な量子効果をもたn 〜 n 程ある [ ]。これは、電子 波 の匹敵しており
徴
量 効果 もたらす。このような特異的な物性により「光を集める」、つまり光捕集アンテナとしての機能に注目らす。
よう 特異によりを集 る」
、 ま集
テ とし機
注が集まっており、量子ドット太陽電池への展開も報告されている [2, 3]。特に「CdSe（カドミウムお池展開
れ い2。特に Cd e（カ ミセレン）量子ドット」は、直径10 nm程度のCdSeナノ粒子を使っており、理論的な変換効率が75%
ム量」直n 程度 CdS
粒ってお 、 論 な変に達すると期待されている。量子ドット太陽電池は、その量子サイズ効果に加えて、既存のシリコに達る。
量 サ
えて存
ン太陽電池が吸収しない波長領域（UV域 〜 500 nm）にも吸収帯を有するので、太陽光を一層有効太に使用できるという利点がある。
うあ 。
しかし、既存の量子ドット太陽電池の変換効率は15%程度に留まっていて既存のシリコン電池よ変%
っりも小さい。その理由は、量子ドット表面の電子が、隣のドットへ容易に移動してしまうので、太。そッう
陽光に対する吸光係数が小さいためである。このため既存の量子ドットは、太陽光を効率よく吸収できていない。
そこで我々はCdSe量子ドットに代えて「CdSe一次元量子ナノワイヤ」を開発した。このナノワ
イヤはCdSeが「ひも状」（ワイヤ状）に伸びているので、電子が他のワイヤに飛び移ることなく、同じワイヤ内を移動する。これにより、モル吸光係数が量子ドットの１万倍（1010 M cm–1）に達するので、はるかに効率よく太陽光を吸収できる。その結果、光電変換効率として25%を達成できると期電変2待される。ところが量子ナノワイヤは、空気中では凝集する、つまりワイヤ同士が絡まってしまうので、有機環境中に固定する必要がある。そこで本研究では、当研究グループが開発した自己組織で当プが己化有機ゲル中にナノワイヤを固定することをめざす。有機環境としてゲルを使う理由は、従来使用
化
ヤ
るこ
有機とう
は 従されている有機薄膜と比べて、ゲル中の方が分散濃度を500倍程度高く設定できるので、吸光係数
る有機薄膜
中 方 分
5 0 程 高く 定での向上に本質的な役割を果たすからである。
数の 上 本質的な役割 果 すで
2．研究方法
CdSeナノワイヤの合成手法及び同定は、既報
及 同定
既[4] の通り、溶液/液体/固体法に従った。すなわ
溶液/液体/固 法 従すち、官能基で修飾したCd及びSeを溶液中（トルエ官能基で修飾
d及 S溶ン）で一次元に成長させ、反応物を金属と親和性）で一次元さ
反応 を金属 親和の高い液体中（メタノール）性の高い液体中（ノー に移動させる手法を用）に 動させる手法
いた。ナノワイヤを回収するため、混合溶媒中で用いナイヤをする め 混合溶の洗浄は少なくとも5回実施した。得られたナノ中での洗浄は少なくも 5 回実施 た 得
ワイヤの電子顕微鏡像を図1に示す。
ナノワ
ヤの電子顕微鏡像を 1 に
図1．CdSeナノワイヤの電子顕微鏡像。

ワイヤのオ ガル
実装
33．ナノワイヤのオルガノゲルへの実装
オルガノゲルは、フェノール類（p-クロロフェノール）と界面活性剤AOT（ビス（2-エチルヘキシオルガノゲルは
ェル類（p クロロ ェノ ル）と界面活性剤
OT（ビス(2エチル キル）スルホこはく酸ナトリウム）が自己組織化によりゲル化した材料を使用した[5,ル)スルホはく酸ナトリウム）が自己組織化によりゲル化た材料を使用[ 6]。これらのゲ
6 これらの－ル
152 －謝辞本研究は、報告者が名城大学において主宰している研究室の学生との共同研究である。またナノワイヤの開発については、ナッタサモン・ペッサン博士（タイ王国立カセサート大学）との共同研究である。
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