太陽電池応用のための強誘電体の構造・物性制御

• Project/Area Number: 14J04693
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Inorganic materials/Physical properties
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松尾 拓紀 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 強誘電体 / 光起電力 / 薄膜 / ドメイン構造 / ドメイン壁 / バンド構造 / ドーピング / 欠陥準位 / 欠陥制御 / 酸素空孔 / ショットキー接合 / キャパシタ / switchable-diode effect / 太陽電池 / 鉄酸ビスマス / 欠陥

Outline of Annual Research Achievements

本年度はまず，BiFeO3(BFO)エピタキシャル薄膜における，バルク光起電力（BPV）効果とドメイン壁光起電力（DW-PV）効果の定量評価に着手した．製膜はPLD法により行ない，異なる方位に微傾斜を有するSrTiO3 (STO)(001)単結晶基板を用いることで，シングルドメイン（SD）とマルチドメイン（MD）構造のBFO薄膜を作製した．
光照射下電流密度－電圧特性評価の結果，光子エネルギーhν = 3.1 eVにおいて，BFO(SD)は短絡電流密度Jsc = 17 μA/cm2，開放電圧Voc = 4.2 Vを示したのに対し，BFO(MD)はJsc = 180 μA/cm2，開放電圧Voc=7.7 Vを発現し，マルチドメイン化によって光応答が増大することが示された．さらに，Jscの偏光依存性を定量的に解析した結果，MD試料の光応答はBPV効果から予想される光応答を大きく上回ることが明らかになった．以上のように本研究では，BFOのドメイン壁においてBPVを凌駕する光起電力が発現することを定量的に実証した．
さらに，MnドーピングによるBFOの可視光下光起電力効果の増強に取り組んだ．Mn 5 %-doped BFO(SD)薄膜とBFO(SD)薄膜の光起電力特性の波長依存性を調査し，hνがバンドギャップ幅（Eg）よりも小さい長波長における光応答が，Mnドープによって大幅に増強されることを明らかにした． 実験および密度汎関数理論計算結果から，Mnドーピングによりバンドギャップ内に欠陥準位が形成され，この準位を介したキャリア励起が，hν < Eg における光起電力増強の起源であることを明らかにした．
本研究により，ドメイン構造制御およびバンド構造制御に基づいた，可視光下における強誘電体PV効果増強に向けた材料設計指針が示された．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photon energy dependence of photovoltaic properties in ferroelectric BiFeO₃ thin-film capacitors (2016)
  • Author(s): Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama
  • Journal Title: Transactions of the Materials Research Society of Japan Volume: 41 Issue: 2 Pages: 201-204
  • DOI: 10.14723/tmrsj.41.201
  • NAID: 130005155987
  • ISSN: 1382-3469, 2188-1650
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bulk and domain-wall effects in ferroelectric photovoltaics (2016)
  • Author(s): Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Ryotaro Inoue, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama, Takanori Kiguchi, Toyohiko J. Konno
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Issue: 21 Pages: 214111-214111
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.214111
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cooperative effect of oxygen-vacancy-rich layer and ferroelectric polarization on photovoltaic properties in BiFeO3 thin film capacitors (2016)
  • Author(s): H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Issue: 3 Pages: 032901-032901
  • DOI: 10.1063/1.4940374
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Strong interaction between ferroelectric polarization and oxygen vacancy in BiFeO3 thin film capacitors (2016)
  • Author(s): H. Matsuo, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 124 Pages: 1-5
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Heavy Mn-doping effect on spontaneous polarization in ferroelectric BiFeO3 thin film (2015)
  • Author(s): H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Issue: 10S Pages: 10NA03-10NA03
  • DOI: 10.7567/jjap.54.10na03
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical conduction mechanism in BiFeO3-based ferroelectric thin-film capacitors: Impact of Mn doping (2015)
  • Author(s): H. Matsuo, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • Journal Title: Journal of Asian Ceramic Societies Volume: 3 Issue: 4 Pages: 426-431
  • DOI: 10.1016/j.jascer.2015.10.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Switchable diode-effect mechanism in ferroelectric BiFeO3 thin film capacitors (2015)
  • Author(s): H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 118 Issue: 11 Pages: 114101-114101
  • DOI: 10.1063/1.4930590
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜におけるバルク・ドメイン壁光起電力効果の定量化 (2016)
  • Author(s): 松尾拓紀
  • Organizer: 第26回日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 産業貿易センター、神奈川県
  • Year and Date: 2016-12-19
• [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜における光起電力効果の定量解析 (2016)
  • Author(s): 松尾拓紀
  • Organizer: 第36回エレクトロセラミックス研究討論会
  • Place of Presentation: ユニオンビル（富士通労働会館）、神奈川県
  • Year and Date: 2016-10-13
• [Presentation] BiFeO3系強誘電体薄膜の可視光下光起電力―Gap-State Engineering による材料設計― (2016)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京都目黒区（東京工業大学大岡山キャンパス）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Gap-stateエンジニアリングによるBiFeO3系強誘電体薄膜における可視光下光起電力の増強 (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第25回日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市（産業貿易センタービル）
  • Year and Date: 2015-12-08
• [Presentation] Influence of Oxygen Vacancy Distribution on Polarization and Photovoltaic Properties of Ferroelectric BiFeO3 Thin Films (2015)
  • Author(s): Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama
  • Organizer: 17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • Place of Presentation: 長野県松本市（ホテルブエナビスタ）
  • Year and Date: 2015-11-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化物強誘電体薄膜における欠陥構造と電気伝導：鉄酸ビスマスを例に (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第35回エレクトロセラミックス研究討論会
  • Place of Presentation: 東京都目黒区（東京工業大学大岡山キャンパス）
  • Year and Date: 2015-10-22
• [Presentation] MnドープによるBiFeO3強誘電体薄膜における光起電力特性の向上 (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 愛知県名古屋市（名古屋国際会議場）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Origin of p-type conduction and switchable photovoltaic effect in BiFeO3 ferroelectric thin films (2015)
  • Author(s): Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Ryotaro Inoue, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama
  • Organizer: The 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
  • Place of Presentation: 韓国（済州）
  • Year and Date: 2015-08-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜/電極界面における光起電力の発現 (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第３２回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: コープイン京都、京都府
  • Year and Date: 2015-05-20 – 2015-05-23
• [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜/電極界面における光起電力の発現 (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第32回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: 京都府京都市（コープイン京都）
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜における伝導メカニズムと電子状態 (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 日本セラミックス協会２０１５年 年会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス、岡山県
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] 強誘電体光起電力効果の増強に向けた界面設計－BiFeO3系キャパシタを例に－ (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 第６２回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス、神奈川県
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] エピタキシャルBiFeO3強誘電体薄膜の光起電力特性－バルクおよび電極/強誘電体界面の影響－ (2015)
  • Author(s): 松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
  • Organizer: 日本セラミックス協会 セラミックス基礎科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ、京都府
  • Year and Date: 2015-01-08 – 2015-01-09
• [Remarks] 東京大学宮山研究室ホームページ
  • URL: http://www.crm.rcast.u-tokyo.ac.jp/news.html
• [Remarks] 東京大学 宮山研究室ホームページ
  • URL: http://www.crm.rcast.u-tokyo.ac.jp/index.html