京大、次世代太陽電池材料ペロブスカイト半導体中の電子の振る舞いを解明

京都大学は、新たな太陽電池材料として近年活発な研究が行われているハライド系有機-無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体(CH₃NH₃PbI₃)中の電子の振る舞いを解明したと発表した。

同成果は、同大 化学研究所の山田泰裕特定准教授、金光義彦教授、若宮淳志准教授、遠藤克博士研究員らによるもの。詳細は、米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン版に掲載された。

ハライド系有機-無機ペロブスカイト半導体(CH₃NH₃PbI₃)は、2009年に初めて太陽電池材料として報告された材料で、基板やフィルムに塗ることで作製できるという特徴を持つ。このため、同材料を光吸収材料に用いたペロブスカイト太陽電池は印刷技術により作製でき、従来の太陽電池に比べて製造コストを大幅に下げることが可能な新たな太陽電池として急速に注目を集めている。2012年以降、その光電変換効率は驚異的な速さで改善が進み、一躍、次世代太陽電池研究の主役の座に躍り出た。すでに、その効率は20%にも届こうとしており、実用化への期待も大いに高まっている。

しかし、急速に進む応用研究の一方で、高い変換効率をもたらす鍵となる基礎的な物性の理解はほとんど得られていなかった。特に、太陽電池の最も本質的な物性の1つであり、さらなる効率向上のために必要不可欠である、光によって半導体中に形成される電子の振る舞いについては、これまで未解明のままだった。

このような中、研究グループは発光や光吸収の時間変化を追跡することで、ペロブスカイト半導体の薄膜中で光によって生成された電子の状態を明らかし、これまでは有機太陽電池材料のように電子と正孔が励起子と呼ばれる束縛状態を形成すると考えられていたものが、実際には電子と正孔はそれぞれ自由に運動していることを突き止めたという。

今回の成果は、ペロブスカイト半導体を用いた効率的な太陽電池をデザインするために必要不可欠な知見となる。今後も、変換効率の向上においてカギとなる性質を明らかにし、ペロブスカイト太陽電池の発展に貢献する成果を挙げていきたいとコメントしている。