Development of defect-induced photovoltaic functions

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02835
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: NOGUCHI YUJI 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (60293255)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 強誘電体 / 光電変換 / 分極 / 欠陥 / ドメイン / 単結晶 / 遷移金属

Outline of Final Research Achievements

A barium titanate single crystal was grown and its physical properties were evaluated for the purpose of establishing defect-control guidelines for enhancing visible-light photovoltaic properties in ferroelectrics. By realizing a mixed valence state of Fe (where Fe2+ and Fe3+ exist in similar concentrations) in the single crystal, the visible light response is markedly enhanced with respect to those in the state with a single valence (Fe2+ or Fe3+). An introduction of mixed-valence transition metal defects followed by a control of oxidation/reduction conditions is demonstrated to be effective for strengthening photovoltaic properties. We have constructed novel materials design that enhances the photovoltaic effect by generating electron-hole pairs based on donor-acceptor levels derived from mixed valence states of transition metals.

Free Research Field

無機材料科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

遷移金属の混合原子価状態に由来するドナー・アクセプター準位を足場とした電子正孔対の生成により光起電力が増強されることを実証した本研究成果は，既存の半導体太陽電池にも有効な欠陥制御であると考えられる。
本研究で増強した可視光起電力効果は結晶のブロッホ波に由来することから、次世代超高速通信だけでなく光コンピューティングへの展開が拓かれる。また，自発分極を持つ分極性結晶であれば，光電変換機能の開拓は可能である．次世代の候補材料であるZnO、GaNやAlNを対象として光キャリア輸送の学理を追求し，エネルギー問題と地球環境問題を打破した持続可能な社会基盤の構築に貢献することが期待される．