2017 Fiscal Year Research-status Report

鉄系ペロブスカイト酸化膜の強誘電性分極を用いた新規太陽電池の創成

Research Project

Project/Area Number	16K06256
Research Institution	Kanazawa University
Principal Investigator	森本章治金沢大学, 電子情報学系, 教授 (60143880)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	強誘電体薄膜 / 電気分極誘起光起電力 / 光学ギャップ / 光吸収係数 / ビスマスフェライト / 希土類・遷移金属置換 / パルスレーザ堆積法
Outline of Annual Research Achievements	従来の光起電力効果と異なる強誘電体の分極に起因した光起電力効果がBiFeO3(BFO)において報告されており、新たな太陽電池として期待されている。一方、BFOは過剰なリーク電流が問題となり、安定した強誘電性の保持が容易ではない。そこで我々は有効なリーク電流抑制法として元素置換法に着目し、BiサイトにNdを置換したBFO系材料において光起電力特性の評価を行った。これまでは高価な単結晶Nb:STO基板上で下部電極としてSrRuO3を用いて、単結晶BNF膜を作製してきたが、今年度は、安価なSi基板上で実現するため、Pt(111)/Si基板上に作製した。基板としてPt(111)/Ti/SiO2/Si基板（以降Pt/Si基板と略記）を用いた。Bi1.0Nd0.1Fe1.0O3(BNF) 酸化物薄膜、及びPt上部電極をPulsed Laser Deposition法を用いて堆積することにより、薄膜型キャパシタ構造を作製した。作製した試料の構造解析をXRD、電気特性評価を誘電体評価システムFCE-3により行った。光起電力効果の評価には、光源として集光レンズにより集光させた白色LEDを用いた。光照射強度は約 500 mW/cm2である。J-V特性評価を半導体パラメータアナライザ(B2901A)により行った。 XRDパターンからBNF膜はランダム配向に近い多結晶であることが確認された。P-E特性より、リーク電流成分に起因した少し丸みを帯びた強誘電性由来のヒステリシスを観測した。分極の有無の違いによる光照射下のJ-V特性より、分極方向の違いにより光起電力特性が大きく変化していることが確認できた。このことから、多結晶である酸化物薄膜を用いたMFMキャパシタ構造であるPt/BNF/Pt/Siの光起電力特性は強誘電性分極に由来するものであると示唆された。Nb:STO基板とPt/Si基板を用いた際のBNF薄膜光起電力セルのフィルファクタFF及び変換効率の比較したところ、安価なPt/Si基板上でもNb:STO基板上とほぼ同等の特性が得られたことがわかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初予定していた遷移金属元素置換による光学ギャップの低減を図る前に、高価な酸化物単結晶基板から安価なSi単結晶基板による光起電力セルの作製・評価を行った。これは実験費用の低減のみならず応用上も非常に重要で、かつセル特性の向上も見込めたためである。実験の結果、安価な基板でも高価な酸化物単結晶基板と同等な特性が得られたため、研究の進捗状況は概ね順調に進展していると判断した。実験結果の詳細は下記の通りである。 XRDパターンからBNF膜はランダム配向に近い多結晶であることが確認された。P-E特性測定結果よりに、リーク電流成分に起因した少し丸みを帯びた強誘電性由来のヒステリシスを観測した。分極の有無の違いによる光照射下のJ-V特性を測定したところ、分極方向の違いにより光起電力特性が大きく変化していることが確認できた。このことから、多結晶である酸化物薄膜を用いたMFMキャパシタ構造であるPt/BNF/Pt/Siの光起電力特性は強誘電性分極に由来するものであると示唆された。また、Nb:STO基板とPt/Si基板を用いた際のFFと変換効率を比較したところ、安価なPt/Si基板上でもNb:STO基板上とほぼ同等の特性が得られたことがわかった。なお、Nb:STO基板試料の測定の際は光照射強度 1-3 W/cm2 程度の Ar+レーザ(488 nm)を使用している。
Strategy for Future Research Activity	Pt/Si基板上でもNb:STO基板上とほぼ同等の特性が得られたことがわかったので、今後はNb:STO基板に替えてPt/Si基板を用いて実験を進める。平成28年度において遷移金属置換の一つであるCu置換による光学ギャップの低減を狙ったが、その効果は限定的であった。そこで、今後はCuに替わる遷移金属、例えばCoやCr等による置換を行いながら、光学ギャップの低減による可視光の吸収係数増加を図ると共に、光起電力特性の改善を図る予定である。
Causes of Carryover	（理由）当初執行予定していたPLD装置のエキシマレーザ用混合ガスの価格が下落してきたり、基板として高価なNb:STO単結晶の替わりに安価なSi単結晶基板を使用可能なことがわかったため、当該の消耗品費執行額が減少したりしたため。（使用計画）上部電極堆積用の真空蒸着装置の改修も予定しているため、平成30年度の所要額は着実に執行予定である。