【背景・目的】従来の太陽電池は近紫外光を効率よく発電に利用できないため, 近紫外光を可視光に変換する蛍光体層の導入が検討されている。本研究では, CuInS2(CIS)量子ドット(QD)にZnSを固溶させ, 太陽電池の発電に有効な可視光を吸収しないコア/シェル型CIS–ZnS固溶体/ZnS QDの作製を目指した。
【実験方法】Arガスバブリングを行った1-ドデカンチオールにCuIとIn(CH3COO)3を加え, 100℃で30min真空引きを行った後, 系内にArガスを導入した。その後230℃または210℃で5min加熱してCISコアを作製した。そこにZn(CH3COO)2‧2H2Oを1-ドデカンチオール, 1-オクタデセンおよびオレイン酸の混合溶媒に190℃で溶解しArガスバブリングしたZnSシェル原料の溶液を加え, 250℃で50min熟成することでシェル被覆および固溶を行った。その後洗浄操作を行い, QD分散液を得た。
【結果および考察】QD分散液の吸収スペクトルからバンドギャップ(Eg)を算出した。コア作製温度が230℃および210℃のQDのEgはそれぞれ2.15eVおよび2.46eVであった。コア作製温度を下げると粒子径が減少し, 量子サイズ効果によりEgが増大したことが示唆された。Egをさらに増大させるため, 組成による制御を検討した。原料の仕込みモル比Cu/Inを1/4から1/10へ減少させると, 白色光下では外観が次第に黄色からほぼ無色に変化し, 吸収スペクトルでは吸収端のブルーシフトが見られた。Cu/In = 1/8および1/10で合成したQDのEgはそれぞれ2.90eVおよび3.00eVであり, 蛍光ピークはそれぞれ553.7nmおよび564.7nmに観測された。絶対蛍光量子収率はそれぞれ34.5%および38.1%であった。コアのCu/Inの組成の変化が光吸収波長に大きく影響を与えることが示されたが, 化学量論比から組成をずらすことにより欠陥の生成に伴う非放射緩和確率の増大が懸念される。したがって, 今後は蛍光量子収率の改善が大きな課題のひとつになると考えらえる。
"Introduction and purpose" Traditional solar devices have low sensitivity to near-UV light, therefore phosphor layer converting near-UV light to visible light would be improve their property. In this work, core/shell type CuInS2 (CIS)-ZnS solid solution/ZnS quantum dots (QDs) with no absorption of visible light which is effective for solar devices.
"Experimental" 1-dodecanthiol (DDT) was bubbled with Ar for 30 min. CuI and In(CH3COO)3 were then added to the solution. The system was degassed at 100 ℃ for 30 min and purged with Ar. The temperature was increased to 230 ℃ or 210 ℃ and maintained at the temperature for 5 min to prepare CIS cores. Zn(CH3COO)2‧2H2O was dissolved in a mixture of oleic acid, DDT, and octadecene at 190 ℃, and then bubbled with Ar. This solution was added to the CIS core dispersion and aged at 250 ℃ for 50 min to grow ZnS shell and form the solid solution. After washing, QD dispersion was obtained.
"Results and discussion" Each band gap (Eg) of the prepared QDs was calculated from absorption spectra of QD dispersions. Eg of QDs prepared at 230 ℃ and 210 ℃ in the core-preparation were 2.15 eV and 2.46 eV, respectively. Decrease of the temperature for core-preparation decreased particle size, resulted in increase of Eg by a quantum size effect. To further increase of Eg, their control by elemental composition was tried. Decrease in the nominal molar ratio of Cu/In from 1/4 to 1/10 caused a change in color of the QD dispersion from yellow to colorless, accompanied with blue shift of absorption edge in absorption spectra. Eg of the QDs prepared at Cu/In = 1/8 and 1/10 were 2.90 eV and 3.00 eV, respectively. Each photoluminescence (PL) peak was observed at 553.7 nm and 564.7 nm. Their absolute PL quantum yields were 34.5% and 38.1%, respectively. Increase in difference between the stoichiometric composition and Cu/In ratio of the prepared cores had influence on the light absorption wavelength, whereas probability of non-radiative relaxation derived from defects would be significant. Improvement of the PL quantum yield would therefore be one of serious problems in the further work.