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ナノテク情報

物性・原理

シリコンを使わない太陽電池の設計に道筋 ~有機系半導体の特性を解明,次世代型太陽電池の実用化へ期待~

 国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構(JAEA),J-PARCセンターおよび一般財団法人 総合科学研究機構は2017年8月10日,J-PARCセンター 中性子利用セクションのBing Li博士研究員,中島健次セクションリーダーらが,総合科学研究機構,中国の大連化学物理研究所,陝西師範大學,米国フロリダ州立大学の研究者と共同で,ペロブスカイト半導体において,光エネルギーが熱として逃げてしまう割合が小さく,太陽電池にした時の高い変換効率の原因は,ペロブスカイト半導体の中の有機分子中の電気双極子が独特の運動をし,また,励起エネルギーの低い音響フォノンのみが熱伝導に寄与していることを,J-PARCの実験装置により突き止めたと発表した.本成果は,英国科学誌Nature Communicationsで公開された(注).

 地球温暖化対策に期待される,再生可能なエネルギーの太陽電池はシリコン半導体での構成が主流となって実用化が進んでいる.しかし,シリコン太陽電池のエネルギー変換効率は理論限界の30%に近づき,製造には多大の電力を消費するといった課題があり,太陽電池新材料の探索が行われている.色素増感型など有機太陽電池の研究が進む一方,有機-無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体は,印刷による太陽電池製作の可能性と共に,太陽電池のエネルギー変換効率が一気に改善されて注目を集めるようになった.

 ペロブスカイト半導体の一つに,ハライド系のヨウ化鉛メチルアンモニウム(MAPbI3)があり,無機物のPbI6が作る骨格構造の中心に有機分子のカチオンCH3NH3+が位置するペロブスカイト構造をとっている.有機分子は電気双極子として,C-N結合を軸にした3回対称,C-N軸が面内で回る4回対称の回転運動を行う.効率的な太陽電池の材料としては,「光によるキャリア生成」「生成キャリアの拡散距離が長い」といった性質が求められるが,MAPbI3は,後者の性質を備えていて変換効率が高い.さらに,熱伝導度が極めて低く熱損失が少ないなど独特の特徴を持っている.しかし,粉末試料では有機分子の運動が平均化されて観測されるため,MAPbI3が持つ特徴の理由を明らかにできなかった.

 そこで研究グループは,大連化学物理研究所が育成に成功したMAPbI3の大きな単結晶(1cm強)を用い,J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)に設置された2台の中性子非弾性・準弾性散乱実験装置を用いて,MAPbI3の原子運動とフォノンの分散(波数と励起エネルギーの関係)を調べた.実験結果とコンピュータシミュレーションの計算結果を照らし合わせて解析すると,有機分子の電気双極子は温度が上がると3回対称の回転に4回対称の回転が加わり,電気双極子の無秩序化が起こって,無機格子の集団運動である光学フォノンが消失することがわかった.この結果,音響フォノンのみが熱伝導に寄与し,熱によるエネルギー散逸が少なくなるため,キャリアの寿命が長くなって拡散長が伸びるものと推定された.

 今回の結果は,電気双極子を形成する有機分子を含む有機-無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体すべてに当てはまるもので,さらに高機能・安価な太陽電池を物質設計する際の基礎になると期待している.

(注)Bing Li, Yukinobu Kawakita, Yucheng Liu, Mingchao Wang, Masato Matsuura, Kaoru Shibata, Seiko Ohira-Kawamura, Takeshi Yamada, Shangchao Lin, Kenji Nakajima, and Shengzhong (Frank) Liu, "Polar rotor scattering as atomic-level origin of low mobility and thermal conductivity of perovskite CH3NH3PbI3", Nature Communications Vol. 8, Article number: 16086 (2017), doi: 10.1038/ncomms16086; Published online: 30 June 2017