2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26249094
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
野口 祐二 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (60293255)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 亮太郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任助教 (50397626)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / 光電変換 / 格子欠陥 / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，強誘電体を用いて革新的な太陽電池デバイスを開発し，既存の太陽電池を超える機能を創出することである．強誘電体太陽電池は，その活性層が半導体太陽電池に比べて約1/500と薄く高集積化が可能であること，および原理的には数百Vもの高い電圧を発生できるという特徴を持つ．本研究では，単結晶で得られた研究成果を基盤として，薄膜太陽電池デバイスを開発する．分極構造設計と電子状態制御の有機的な連携により，可視光照射による光電変換（可視光発電）特性の飛躍的な向上をねらう．
ニオブ系試料を対象として試料の作製および物性を評価している過程で、光活性中心である鉄イオンを含む試料において、二価の鉄イオンおよび三価の鉄イオンの同時置換によって電荷中性条件を満足できるという、欠陥生成機構の解明に成功した。その結果、従来試料では1%程度にとどまっていた鉄置換量を10%程度にまで増大させることができ、10倍以上の吸光度を示す高品質試料の合成が可能となった．
鉄置換ニオブ系試料の電子状態を第一原理計算により解析した．三価の鉄イオンは酸素から構成される価電子帯の直上に電子占有の欠陥準位を形成する．この欠陥準位から伝導帯への電子励起には大きなエネルギー（約3.5 eV）が必要であるため，三価の鉄イオンは可視光起電力には寄与しない．一方，二価の鉄イオンは，バンドギャップ（4 eV）の中心付近に電子占有の欠陥準位を形成する．この欠陥準位から伝導帯への電子励起（約1.6 eV）は，可視光のエネルギーでも誘起できるため，可視光起電力に決定的に重要な役割を果たすことが明らかになった．
また，高濃度に鉄を置換したニオブ系薄膜は，40ボルトを超える大きな開放端電圧を示すことが示された．
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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
ニオブ系強誘電体を作製し、物性を評価している過程で、光活性中心である鉄イオンを含むニオブ系強誘電体について、二価の鉄イオンと三価の鉄イオンの置換によって電荷中性条件を満足できるという、欠陥生成機構の解明に成功した。その結果、従来試料では1%程度にとどまっていた鉄置換量を10%にまで増大させることができ、数十倍以上の吸光度を示す高品質ニオブ系強誘電体の合成が可能となった。
鉄置換ニオブ系強誘電体薄膜を，パルスレーザー堆積法により成膜した．ベース圧力を下げて成膜することを目的として，酸化力の強いオゾンを供給ガスとして選択した．また，ターゲットの組成，基板温度，レーザーパルス周波数等を最適化することにより，高品質なエピタキシャル薄膜を作製することができた．その結果，鉄置換ニオブ系薄膜において，40ボルトを超える大きな開放端電圧を得ることに成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
１．発電原理の検証：強誘電体における発電原理を検証するために，強誘電体母結晶における中心対称性の破れに起因するバルク光起電力効果を定量的に解析するための測定手法・解析手法を確立する．また，強誘電体の分極が織りなすドメイン壁における局所的な空間対称性の破れに起因するドメイン壁光起電力効果に着目して，ドメイン壁を制御した強誘電体薄膜を作製して，光起電力を評価・解析する．
２．出力電圧制御のための分極構造設計：バルク光起電力効果に起因する出力電圧を制御するためには，バルク光起電力テンソルを求め，光起電力の結晶方位依存性を明らかにする必要がある．このため，様々な結晶方位をもつ強誘電体薄膜を作製し，光起電力の偏向解析を行うことにより，テンソル成分を定量解析することにより，出力電圧制御のための分極設計指針を構築する．
３．第一原理計算による新材料の探索：強誘電体は一般的に，バンドギャップが大きいため，可視光照射による光起電力応答は非常に小さい．可視光起電力を増強を可能とする電子状態設計指針を構築し，新材料を探索するには，バンドギャップが異なる強誘電体に可視光活性中心の導入が有効であると期待される．本研究では，鉄系およびニオブ系強誘電体を対象として，バンドギャップ内部に電子占有欠陥準位を導入する電子状態制御により，新材料を探索し，試料の作製・物性評価にフィードバックする．
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