2021 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of photovoltaic effects of chiral perovskites by using nonlinear optical measurement
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21K14531
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
野間 大史 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員 (30846283)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | キラルペロブスカイト / キラリティ / 極性 / バルク光起電力 / シフト電流 / 光第二高調波発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ペロブスカイトにキラル分子を挿入したキラルペロブスカイトにおいてバルク光起電力が発生することが報告されているが、これまでは極性材料のみで評価されており、キラリティの寄与は明らかになっていない。本研究課題は、非線形分光測定を用いてキラルペロブスカイトのキラリティとバルク光起電力の関係を解明することを目的としている。本研究ではとくに、近年注目されているシフト電流と呼ばれるバルク光起電力効果に着目した評価を行う。
令和3年度は、無極性のキラルペロブスカイトの光起電力効果を解析することを目的として研究を行った。はじめに、無極性のキラルペロブスカイト(R-MBA)2PbI4単結晶に、直線偏光を照射したときに流れる短絡光電流を測定した。短絡光電流および光伝導度には偏光依存性が見られたが、結晶構造の対称性および反射スペクトルに偏光依存性が無いことを考慮し、観測された光電流は結晶バルクではなく結晶/電極界面で生じていると推測した。その後、極性のキラルペロブスカイト(R-CYHEA)8Pb3I14単結晶の光電流を測定した。偏光依存性および入射角依存性が観測され、シフト電流が分極の無い結晶軸にも発生していることを発見した。このことは、光第二高調波発生(SHG)測定の結果からも証明できた。本成果は、これまで主に分極軸方向が評価されてきたシフト電流の研究において重要な意味を持ち、キラリティと分極の寄与を切り分けることでキラリティとバルク光起電力の関係の解明につながると期待している。
また、シフト電流の評価に関連して有機分子キラルサブフタロシアニン単結晶の光電流測定も行った。この材料でも光電流の偏光依存性が観測され、シフト電流が分極軸・非分極軸双方に発生していることを確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度の令和3年度は、無極性のキラルペロブスカイトのバルク光起電力効果を解析することを目的として実験を行った。はじめに、無極性のキラルペロブスカイト(R-MBA)2PbI4単結晶の短絡光電流の評価を行った。(R-MBA)2PbI4の結晶構造では光を垂直入射させた場合にはシフト電流は発生しないはずであるが、実験では垂直入射でも偏光方向に依存する短絡光電流が流れた。また、反射スペクトルから光吸収に異方性が無いことも確認した。以上の結果から、(R-MBA)2PbI4の光電流は、結晶バルクではなく結晶/電極界面で発生しているという結論に至った。シフト電流を評価目標としている本研究にとっては課題となった一方で、光電変換原理の探索という観点では興味深い現象であるので、余裕があれば今後も検討を続けたいと考えている。次に、極性材料で分極軸方向以外に流れるシフト電流を評価するため、極性キラルペロブスカイト(R-CYHEA)8Pb3I14の光電流の測定に着手した。本材料においては狙い通り分極軸方向以外に流れるシフト電流を観測できた。現在はデータの再現性の向上のために合成方法の改良を行っており、さらにキラリティの寄与を材料のエネルギー構造から明確にするために光電流の波長依存性を測定する系を構築している段階である。
また、他研究室との共同研究により有機分子のキラルサブフタロシアニンの光電流測定も行った。この材料でもシフト電流が分極軸・非分極軸双方に発生していることを確認でき、今後は材料のエネルギー構造との相関について明らかにする予定である。
無極性キラルペロブスカイトについては予想外の結果になったが、極性結晶については分極軸方向以外に流れるシフト電流を観測できたことから、本研究課題はおおむね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は、令和3年度に発見した極性キラルペロブスカイトやサブフタロシアニンのシフト電流について評価を進める。今年度はとくに、材料のエネルギー構造との相関を明確にすることを目標にする。そのためにまず、白色光源と分光器を用いて任意の波長の光を試料に照射し、各波長で流れる光電流を測定できるようにする。これを円二色性(CD)スペクトルと比較することでキラリティのシフト電流への寄与を明確化する狙いがある。その後、非線形分光測定を用いたより高精度な評価を行うとともに、必要に応じてヒーターやクライオスタットを用いた温度依存性測定も行い、結晶構造の相転移やフォノンとの相関も調べたい。
また、扱う材料はペロブスカイトに限定せず、サブフタロシアニンなどの有機分子も検討することで、より一般化した考察を行えるようにする。
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| Causes of Carryover |
令和3年度は半導体レーザーや合成装置の購入を予定していたが、これらは他の研究者から借用できたため令和3年度内での購入は見合わせて、代わりに新たに立ち上げる必要があった顕微反射スペクトル測定や光電流の波長依存性測定用の備品の購入を優先した結果、残余額が生じた。また、新型コロナウイルスの感染拡大のために参加を予定していた学会がすべてオンライン開催となり、旅費の支出が無くなったことも原因である。
令和4年度は、波長依存性測定のための光学部品を揃えた後、温度依存性を測定するためのヒーターやクライオスタットなどを購入する予定である。学会がオンライン開催になることや購入した装置の納期が遅れることも想定して、余裕を持って予算を使用するようにする。
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