【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】15H05760 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / ナノカーボン材料 / 太陽電池 / エネルギーデバイス / グラフェン

【研究成果の概要】

単層カーボンナノチューブ（単層CNT）やフラーレン等ナノカーボン材料の合成技術および物理的・化学的な機能化技術を開発することにより，ナノカーボン材料応用の実用化に向け特に太陽電池等のエネルギーデバイスへの応用を目指し研究を行った．ナノカーボン材料の高度な構造制御合成技術開発に加え，合成後の単層CNTに対し他のナノ材料とヘテロ構造化させる新たな高機能化技術を実現し，ナノカーボン材料応用を大幅に加速させることに成功した．さらに，機能化した単層CNT，フラーレン誘導体を，ペロブスカイト型太陽電池等中心としたエネルギーデバイス応用展開し，変換効率の向上やフレキシブル化等を実現した．

【研究の社会的意義】

単層CNTやフラーレン等ナノカーボン材料は，実用化に向けた研究が行われてきたが，その応用には多くの課題がある．これに対し，本研究課題において新たに開発したナノ材料のヘテロ構造化による機能化技術は，例えば合成した単層CNTの外側や内側に別のナノ材料を直接ヘテロ合成し，その組み合わせや構造により物性を任意に制御することが可能になる．実際にペロブスカイト型太陽電池に対し，ナノカーボン材料を用いることで機能化の優位性も示すことができた．ヘテロ成長やヘテロ構造ナノ材料の物性は学術的に非常に興味が高い研究課題であり，同時にこれまでのナノテクノロジー応用における様々な課題の解決につながる大きな意義を持つ．

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2015-05-29 - 2020-03-31

【配分額】200,330千円 (直接経費: 154,100千円、間接経費: 46,230千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】15H02219 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / グラフェン / 太陽電池

【研究成果の概要】

高精度な構造制御および高機能化した単層カーボンナノチューブ（SWNT）やグラフェンを用いた太陽電池の開発を進めた．
SWNTの構造（カイラリティ）の制御合成技術確立を目指し，水晶基板上に合成した水平配向SWNTに対しラマン散乱マッピング計測を行うことで，個々のSWNTのカイラリティを分析した．ラマン散乱マッピングと電子顕微鏡（SEM）観察を相互的に行うことで，カイラリティとSWNT成長長さとの関係などを明らかにすることで，SWNT成長におけるカイラリティ依存性を示すことに成功した．
また，グラフェンについては，高品質で大面積なもののCVD合成法の確立が求められている．ここでは，SWNTの合成法として非常に有効であるアルコールを炭素源ガス分子として用いたアルコールCVD法を応用し，グラフェン合成技術開発を行った．基板として銅箔を使用し，約1000℃での合成においてエタノール圧力や流速を制御することで，ミリメートルオーダーの非常に大きなグラフェン合成に成功した．
さらに，最近注目を集めている太陽電池の1つであるペロブスカイト型太陽電池へのSWNT応用を試みた．SWNT薄膜は高い光透過性を有すると同時に電気伝導性も高く，優れた透明導電膜である．これを利用し，ペロブスカイト型太陽電池の電極材料としてSWNT薄膜を用い，高い変換効率を得ることに成功した．また，SWNT薄膜に化学的ドーピングや金属酸化物微粒子を蒸着することで，その電気伝導特性を制御することができた．これら機能化したSWNT薄膜は，ペロブスカイト型太陽電池において正孔輸送層（または電子ブロッキング層）として機能しており，これにより太陽電池として高い変換効率を得ることが出来たと言える．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2016-03-31

【配分額】21,840千円 (直接経費: 16,800千円、間接経費: 5,040千円)