2018 Fiscal Year Annual Research Report
有機無機ハイブリッドペロブスカイトを用いた光インターカレーションデバイスの研究
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17H01317
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| Research Institution | National Institution for Academic Degrees and Quality Enhancement of Higher Education |
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Principal Investigator |
山口 周 独立行政法人大学改革支援・学位授与機構, 研究開発部, 特任教授 (10182437)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 清 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (90357020)
三好 正悟 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (30398094)
田中 和彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 技術専門職員 (20456156)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 有機無機ハイブリッドペロブスカイト / 光電池 / インターカレーション / イオン伝導 / 蓄電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，有機－無機ペロブスカイトハライドを中心とする物質群について，電気輸送特性，イオンと電子の部分電気伝導度を支配する欠陥化学・熱力学的特性，ならびに電子構造，特にバンドギャップ，欠陥生成エネルギーの影響を明らかにして，諸特性を制御するための方法を明らかにするとともに，これらの知見に基づいて高効率の太陽光発電と光蓄電を同時に成立する新しい光蓄電（PI）デバイスの可能性を明らかにすることを目的としている．
本年度は，MAPbI3をはじめとする有機－無機ペロブスカイトハライドの伝導度について検討を行った結果，しばしば観測される高い伝導度が不定比性により準安定的に導入される高濃度のイオン／電子欠陥に由来するものであることが示唆された．このことは，非平衡状態の制御により更に優れた伝導特性を実現できる可能性を示すが，一方では準安定状態からの平衡化により伝導特性が低下することを意味する．すなわち，この系で報告されている劣化現象は準安定状態からの平衡化プロセスに対応する可能性が高く，PIデバイスへの応用という観点からは取り扱いが容易でない系であることが明らかとなった．
一方，有機－無機ハイブリッド系よりも化学的安定性の高い無機系ペロブスカイトハライドについても，ブリッジマン法による結晶育成の予備実験およびスピンコート法による薄膜作製の検討を開始した．無機系ハライドペロブスカイトのなかでも比較的安定性が高いCsSnI3に着目して検討を行い，DMF溶液を用いたスピンコート製膜により平滑な均質膜を得るための基板前処理や成膜条件について知見を蓄積した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
有機－無機ハイブリッドペロブスカイトについては，イオン/電子伝導特性を支配する欠陥化学の全体像が明らかになるとともに，これに基づく欠陥化学的考察から，この系で観測される劣化現象について本質的な理解が得られてきている．本研究の目的である，ハイブリッドペロブスカイトのPIデバイス材料としての有効性に関する議論を大きく進展させることができた．
また，より化学的安定性が高い無機ハライドペロブスカイトに関する検討も，ブリッジマン法による単結晶育成の予備検討を進めるとともにスピンコート法による薄膜作製についても十分な見通しを得ており，本研究は十分に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は無機ハライドペロブスカイトに着目し，条件を最適化して良質な単結晶試料および薄膜試料の作製を進め，伝導度測定および光電気化学測定によりイオン/電子伝導性および光応答性を評価する．これまでの予備検討では電子的伝導性が支配的であることが示唆されており，イオン伝導性付与のためにカチオンあるいはアニオンの部分置換を利用することを検討する．このように作製する無機ハライドペロブスカイトを用いてPIデバイスを構成し，温度・雰囲気調整型セルと分光計測装置を組み合わせて光インターカレーション特性を評価する．まず，イオンブロッキング性の金属／半導体を電極としてペロブスカイト層の化学容量を利用するキャパシタ型のデバイスを検討し，次いでハライドイオンのインターカレーションが可能な活性電極を用いるPIデバイスへと展開する．これらのデバイスについて様々な入射光波長について明暗条件を切り替えながら，光電圧およびNernst電圧の充電時間依存性，充放電効率を測定し，PIの原理実証を行う．
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