Charge and ions migration in lead halide perovskite semiconductors

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04500
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 柳田 真利 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, 主幹研究員 (60358215)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ペロブスカイト / 太陽電池 / 変調分光法 / イオン輸送 / 電子輸送 / 半導体

Outline of Annual Research Achievements

ハロゲン化鉛ペロブスカイト太陽電池中のイオン輸送を検出する目的で分光器とハロゲンランプを導入し、光変調分光システムを構築した。光変調分光システムはLEDレーザー光を励起光として強度変調し、それに同期する透過率変化を検知し励起光有る無しによる太陽電池の透過率変化を調べるものである。ITO/NiOx/CH3NH3PbI2ペロブスカイト/PC61BM/AZO/ITOからなる透明なデバイスを作製し、光変調分光システムで計測を行った。ITO/NiOx/CH3NH3PbI2ペロブスカイト/PC61BM/AZO/ITO構造のデバイスは長期信頼性を有する太陽電池である。
変調周波数が100Hzから10mHzの間で透過率変化（ΔT/T）を検知できた。ペロブスカイト薄膜中の電子や正孔の挙動は過渡吸収スペクトル法などからナノ秒からマイクロ秒領域で変化する。検知した周波数から速い電子や正孔の挙動ではなく、さらに遅いプロセスで透過率変化が観測されていることがわかった。
ΔT/Tの実部をX軸と虚部をY軸としてCole-Coleプロットすると有限空間での拡散を示唆する円弧の形状が観測され、拡散係数として10^(-11)から10^(-10) cm2s^(-1)になることがわかった。ΔT/Tの絶対値を波長を650nmから850nmまで変えて測定していくと750nm付近にピークをもつスペクトルが得られた。これは定常光による通常の透過率を波長に対して微分した形状にほぼ一致している。
以上の結果などから変調周波数が100Hzから10mHzの間でのΔT/Tはペロブスカイト半導体中のイオンが変調した光励起によって拡散によって動き回っていることがわかった。イオンが光励起によって動きだすメカニズムを検討している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年の7月まで内閣府に出向していたため、分光器等々の選定と導入が遅れた。また今年の新型コロナ肺炎のため、実験が遅れ気味になってしまった。しかし成果を論文にまとめ来月以降には成果を発表したいと考えている。

Strategy for Future Research Activity

１、光変調分光システムは定常的に使用が可能となったため、試料である太陽電池の構造、作製条件、電荷輸送層やペロブスカイト材料を変えた検討を行う。
ITO/NiOx/CH3NH3PbI2ペロブスカイト/PC61BM/AZO/ITO構造のデバイスを基準に劣化しやすい構造のペロブスカイト太陽電池の検討を行うことで劣化機構がわかると期待される。
２、光変調分光システムの柔軟性の向上を行う。
通常の太陽電池は光学的に透明でない銀電極やアルミ電極を利用するため、反射率測定に切り替えて検討を行う。

Causes of Carryover

昨年の7月まで内閣府に出向していたため、計測のための物品の選定と購入が遅れた。残額分を昨年度予定していた計測システムの拡張費用に充てたい。