東北大,電位差界面を使わず光起電力を発生

東北大学は,有機・無機ハイブリッド層状ペロブスカイト型半導体にキラル分子を組み込むことで,光起電力の起源となる電位差界面(p-n接合のような異なる物質同士が接する界面)を必要としない光起電力効果(バルク光起電力効果)を発生させることに成功した(ニュースリリース)。

有機物と無機物両方の要素から構成される,有機・無機ハイブリッドペロブスカイト型半導体が,シリコン太陽電池に匹敵する高いエネルギー変換効率を持つ材料であることが見出され,注目を集めている。

これらの太陽電池は,いずれも異なる物質同士が接する界面(p-n接合界面,光吸収層-電子/正孔輸送層界面)において電位差を発生させ,これを光起電力の起源としている。

一方,電位差界面を用いなくとも,物質単体で光起電力効果を発生させられる物質も存在し,その性質を用いれば界面制御プロセスが不要となるため,より効率的な光起電力新材料の開発・設計が可能になると考えられる。

その一つとして,強誘電体などの空間反転対称性の破れた物質がある。しかし,空間反転対称性の破れを制御して新しい物質を開発することは,非常に困難であることが知られていた。

今回研究グループは,有機・無機ハイブリッド層状ペロブスカイト型鉛ヨウ化物の構成要素の有機層部分に,反転心を持たないキラルな分子を導入することで対称性の制御を行なった。その結果,キラリティと極性を併せ持つ空間反転対称性の破れた新規半導体が得られた。

この物質の単結晶に白色光を照射し,電流-電圧特性の測定を行なったところ,バルク光起電力効果の観測に成功した。また,得られた物質の結晶構造を詳細に調べたところ,導入したキラル分子の電気双極子モーメントが整列して電気分極を鉛ヨウ素無機層の二次元層と平行に発生し,光起電力はこの電気分極の方向に沿って発生していることが明らかになった。

さらに今回開発した物質では,系の低い対称性を反映してキラリティと極性が相関を持ち,導入する分子のキラリティに応じて発生するバルク光起電力の符号を反転させられるという,他のバルク光起電力材料では見られない新しい性質を発見した。

研究グループは,これまでバルク光起電力効果が研究されてきた無機化合物では,反転心を持たない半導体を新たに設計することは困難なことから,今回の研究は,バルク光起電力材料の開発に新たな道筋をつけるものとだという。

また,バルク光起電力効果は,単一物質のみで光起電力を発生させることが可能で,従来の太陽電池で必要となる精密な界面制御などのプロセスが省略できるとしている。

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