OISTら,ペロブスカイトの欠陥に新たな知見

沖縄科学技術大学院大学(OIST)と米ピッツバーグ大学の研究グループは,素材に生じる欠陥構造がイオンの変移を引き起こすことでペロブスカイトを不安定にするという特性を明らかした(ニュースリリース)。

ペロブスカイト化合物は,汎用性の高い化合物で次世代の太陽エネルギー技術への応用が期待されている。しかしペロブスカイト化合物を用いた素子は効率が良く比較的安価であるにもかかわらず,原子レベルでの構造的欠陥が生じることが多く,まだ完成された技術とはいえない。

ペロブスカイト化合物は,電子工学,工学,さらには太陽光発電に役立つユニークな構造を持っている。光を吸収し,半導体の電流を担う電荷キャリアの生成および電荷輸送の特性に優れている。

他の機能を持つ材料層の間にペロブスカイト素材を挟みこむことでペロブスカイト太陽電池が形成される。しかしペロブスカイト層に生じる欠陥によって隣接する層との間の電荷移動が阻害され,デバイスの全体的な性能および安定性が妨げられることがあるという。

このペロブスカイトの欠陥による電子的および動的特性を理解するため,研究グループは走査型トンネル顕微鏡を用いて,ペロブスカイト表面の個々のイオンの動きの高解像度画像を撮影した。

画像を分析したところ,研究グループは,表面の原子が欠落して生じた穴に気づいた。さらにペロブスカイト表面の臭化イオンのペアの場所が転移し,向きも変わっていることがわかった。

そこでピッツバーグ大学の研究グループが,これらのイオンがとる経路をモデル化するために一連の理論計算を行なったところ,実験観察の結果と一致した。

この研究で,空孔が生じることでイオンがペロブスカイト素材の表面で転移している可能性が高い,という結論にいたった。イオンの移動メカニズムを理解することは,将来,研究者や技術者がペロブスカイトの欠陥の構造的,機能的影響をやわらげるのに役立つ可能性があるという。

現在広く使用されているシリコンの代替物として有望視されているペロブスカイトだが,研究グループは,商業化するためにはさらなる技術的改良が必要であるとしている。

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