2014年8月1日
山田泰裕 化学研究所特定准教授、金光義彦 同教授、若宮淳志 同准教授、遠藤克 同博士研究員らの研究グループは、新しい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ました。
本研究内容は、7月30日付けにて米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」誌（communications）オンライン版にて公開されました。
研究者からのコメント
左から、远藤博士研究员、金光教授、山田特定准教授、若宫准教授
ペロブスカイト半导体を使った太阳电池はこの2年の间にこれまでのどの材料にもない圧倒的なスピードで変换効率が上昇しており、一気に実用化も意识されるレベルにまで到达しています。私たちの研究グループでは、さらなる効率向上のためには基本的な性质を明らかにすることが重要であると考えて、本研究をスタートさせました。偶然にも化学研究所の隣の研究室同士で共同研究の体制を构筑することができ、その近さを最大限に活かして研究を进めることができています。
今回の成果は、ペロブスカイト半导体を用いた効率的な太阳电池をデザインするために必要不可欠な知见となります。今后も私たちは、変换効率の向上においてカギとなる性质を明らかにし、ペロブスカイト太阳电池の発展に贡献する成果を挙げていきたいと思っています。
概要
无尽蔵の太阳光エネルギーを利用する太阳电池は、最も重要な再生可能エネルギー创出技术の一つとして、ますますその重要性が増しています。太阳光エネルギーをさらに有効に利用するため、安価でかつ高効率な太阳电池の実现に向けた炽烈な研究?开発竞争が世界中で活発に行われています。现在、最も普及が进んでいるシリコン太阳电池の场合、太阳光エネルギーの电気エネルギーへの変换効率はおよそ25％に达していますが、さらなる太阳电池の普及のためには、低コスト化?高効率化が求められており、新たな太阳电池材料の开発研究が进められています。
ハライド系有机－无机ペロブスカイト半导体（颁贬3狈贬3笔产滨3）は、2009年に初めて太阳电池材料として报告された材料ですが、基板やフィルムに「涂る」ことで作製できるという特徴をもちます。これを光吸収材料に用いたペロブスカイト太阳电池は「印刷技术」により作製でき、従来の太阳电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阳电池として世界中で急速に注目を集めています。2012年以降、その光电変换効率は惊异的な速さで改善が进み、一跃、次世代太阳电池研究の主役の座に跃り出ました。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ます。
しかしながら、急速に进む応用研究の一方で、高い変换効率をもたらす键となる基础的な物性の理解はほとんど得られていませんでした。特に、太阳电池の最も本质的な物性の一つであり、さらなる効率向上のために必要不可欠である「光によって半导体中に形成される电子の振る舞い」については、これまで未解明のままでした。
本研究では、発光や光吸収の时间変化を追跡することで、ペロブスカイト半导体の薄膜中で光によって生成した电子の状态を明らかにすることに成功しました。その结果、これまでは有机太阳电池材料のように电子と正孔が励起子と呼ばれる束缚状态を形成すると考えられていましたが、実际には电子と正孔はそれぞれ自由に运动していることを初めて突き止めました。
ペロブスカイト半导体中の电子の振る舞いについての模式図
半导体にあるエネルギー以上の光を照射すると电子と正孔が作られ、これらが太阳电池での电力に寄与します。电子と正孔は励起子という互いに结合し合った状态をとる场合と、それぞれが独立に运动する场合（自由キャリア）があり、どちらの状态を取るかによって适切な太阳电池の构造が変わってきます。本研究で行った発光や光吸収分光の结果、これまで信じられてきたような励起子状态ではなく、电子と正孔が独立に运动していることが分かりました。
详しい研究内容について
ペロブスカイト太陽電池中の電子の振る舞いを解明 －高効率太陽電池の実現に道－
书誌情报
[DOI]
Yasuhiro Yamada, Toru Nakamura, Masaru Endo, Atsushi Wakamiya, and Yoshihiko Kanemitsu
"Photocarrier Recombination Dynamics in Perovskite CH3NH3PbI3 for Solar Cell Applications"
Journal of the American Chemical Society Publication Date (Web): July 30, 2014
掲载情报
- 日刊工業新聞（8月20日 22面）に掲載されました。
