有機-無機ペロブスカイトの光起電力効果の起源を解明する

(Nanowerkニュース) 理化学研究所の研究者が率いるチームは、特殊な結晶がどのように光を電気に変換するかを研究しました(Angewandte Chemie, “Bulk photovoltaic effect along the nonpolar axis in organic-inorganic hybrid perovskites”）。彼らの発見は、結晶の効率を改善する取り組みに情報を提供するのに役立ち、それが太陽電池での結晶の使用につながる可能性がある。太陽電池は、光起電力効果として知られる現象によって光を電気に変換します。太陽電池の大部分は、互いに押し込まれた 2 つの半導体で構成されており、1 つは電子が過剰で、もう 1 つは電子が不足しています。これは、変換効率が高い設定になっているためです。しかし、別の光起電力効果も注目を集めています。バルク光起電力効果です。バルク光起電力効果は、単一の材料のみを含むためそう呼ばれています。現在その変換効率はかなり低いですが、最近の研究では効率を改善する方法が示唆されています。 有機-無機ハイブリッドペロブスカイトの非極性軸に沿ったバルク光起電力効果の概略図。黄色の矢印は光の光子を表し、青と緑の雲はそれぞれ電子と正孔を示しています。赤い矢印は偏光軸です。 (© WILEY-VCH Verlag) バルク太陽光発電効果がどのように機能するかについては多くの議論が行われてきました。当初は、材料内の分極によって生成される電場がこの効果を引き起こすと考えられていましたが、最近では新しい説明が広まりつつあります。この新しいメカニズムでは、光が材料内の電子雲をシフトさせ、そのシフトが伝播して電流を生成します。この電流には、超高速応答や損失のない伝播などの魅力的な特性があります。有機無機ハイブリッドと呼ばれる材料 ペロブスカイト (OIHP) は、光電子デバイスを製造するための大きな可能性を秘めています。 OIHP におけるバルク光起電力効果は、一般に古い巨視的な分極メカニズムに起因すると考えられています。 「材料中の内蔵電場は、OIHP におけるバルク光起電力効果の起源であると考えられてきましたが、確たる証拠はありません」と理化学研究所創発物性科学研究センターの野間大志氏は述べています。今回、OIHP 結晶におけるバルク光起電力効果を詳細に研究することで、Noma と彼の共同研究者らは、シフト機構と一致し、巨視的な分極機構を排除する証拠を発見しました。具体的には、彼らは、OIHP の非極性軸に沿ったバルク光起電力効果を観察しましたが、これは巨視的な分極メカニズムの観点からは説明できません。チームの結果は、材料の結晶対称性の重要性を強調しています。得られた洞察は、研究者が対称性を調整することで OIHP の特性を最適化するのに役立ちます。特に、この洞察は、光を電気に変換する際の OIHP の効率を向上させるのに役立つ可能性があります。ノーマと彼のチームは現在、他の種類の材料を調査する予定です。 「原理的には、シフト電流は液晶や有機分子結晶などの他の種類の材料でも生成できます」と Noma 氏は言います。 「この研究を他の材料にも拡張したいと考えています。」

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64315.php