2016 Fiscal Year Annual Research Report
Material conversion of organo metal perovskites by hybridization of meso-stuctures
| Project/Area Number |
26289265
|
|---|
| Research Institution | Toin University of Yokohama |
|---|
Principal Investigator |
宮坂 力 桐蔭横浜大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00350687)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 有機無機ハイブリッド材料 / ペロブスカイト / 光電変換 / 光物性 / ビスマス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度は鉛をスズ(Sn)に置換した有機無機ペロブスカイト結晶の評価を行ったのに対して、本年度は、鉛をビスマス(Bi)に置換したペロブスイカイト結晶の薄膜を作製して、その光物性と光電変換特性を高める方法を検討した。Bi置換ペロブスカイトはSn置換型よりも圧倒的に大気（酸素）、熱、そして湿気に対して安定であることが特長であり、本研究の重要な部分である。Bi系ペロブスカイトとしてメチルアンモニウムBiヨウ化物(CH3NH3)3Bi2I9の微結晶をDMF溶液からスピンコート法によって析出して薄膜形成し、溶媒の種類と製膜条件（原料溶液濃度、温度、乾燥条件など）を最適化することで、物理欠陥のない緻密な薄膜を作ることを試みた。通常の方法では結晶は樹状（デンドライト）のランダム形状に成長しピンホールの多い多孔膜が形成したため、原料のDMF溶液に高沸点溶媒としてNメチルピロリドン（NMP）を添加して溶媒の揮発を遅らせて結晶成長を遅らせることで製膜条件の調整を図った結果、比較的ピンホールの少ない(CH3NH3)3Bi2I9結晶膜が得られることがわかった。この製膜をメソポーラスチタニア膜を下地(scaffold)に使って行った結果、scaffold内に結晶が充填され表面を覆うピンホールの少ない(CH3NH3)3Bi2I9膜が得られた。光電変換セルを作製して、特性を評価した結果、光電応答はこの結晶の吸収に位置する550nmまでの分光感度を示し、出力電圧0.55Vと１ｍA/cm2 程度の光電流が得られ、エネルギー変換効率は0.3%と低い値となった。しかしモルホロジーを改善させたことによってデンドライト状の結晶からは効率は大きく向上し、(CH3NH3)3Bi2I9を用いる光電変換としてはこれまでに報告される中でも最高値に近い値となった。本結果を論文に出版した（RSC Advances）。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
鉛に代わりBiを用いる有機無機ペロブスカイト結晶(CH3NH3)3Bi2I9が、溶液塗布法の溶媒種を改良することで比較的平坦な膜として製膜でき、薄膜が湿気に対しても極めて高い安定性をもつことがわかった。光物性においては吸光係数が高く光伝導性も有しており、光吸収端が短波長(550nm)で集光性の点で劣る点を除くと鉛系ペロブスカイトを置き換える可能性を有している。光物性の改善には、溶液法で作る薄膜のモルホロジーの改善すなわち緻密性と平坦性を高めることが重要であることを明らかにした。溶液製膜原料のDMF溶液に高沸点溶媒としてNメチルピロリドン（NMP）を添加して溶媒の揮発を遅らせてペロブスカイトの結晶成長を遅らせることで製膜法を改良した結果、比較的欠陥の少ない(CH3NH3)3Bi2I9結晶膜が得られることがわかった。論文発表した光電変換素子のエネルギー変換効率は0.3%と低いが、現在は着実に向上しており、1%以上に近づいている。効率の損失には、結晶膜の質（平坦性、緻密性）が悪い点と電荷輸送層との接合界面の不連続構造が原因であることがモルホロジーと光電変換効率の関係で明らかになった。今後も製膜方法を改善していくことが課題である
|
| Strategy for Future Research Activity |
１．光物性を評価するために蛍光寿命の計測を行い、光励起キャリアの再結合の度合いを組成の異なるペロブスカイトについて比較することで、励起寿命の安定な組成を見出す。組成については、Biに代えてSbからなる構造と第二金属にAgなど一価金属を含むダブルペロブスカイト系結晶としてA2BB′X6 (B = Sb, Bi; B′= Cu, Ag, Au; X = Cl, Br, I)を合成する。ここでAはカリウム（K）やセシウム（Cs）などの一価カチオンであり結晶の製膜性を良くして結晶の平坦性を高めるための微量ドーパントとして添加する。これらのペロブスカイトあるいはペロブスカイト類似の結晶材料から、溶液塗布法による結晶製膜ができ、可視光のより長波長に高い吸収を持つ材料を決定する。吸収特性を高めるために有機カチオンのCH3NH3等を混合した結晶材料も検討する。これらの材料から物理欠陥のない連続で平坦な薄膜を作製できる性質を持ち、光吸収においても優れた半導体としての物性を持つ材料を見出す。
２．これらの結晶材料の薄膜について、半導体としての光物性ならびに光電応答特性の評価をもとに、光発電や光検出を含めた光エレクトロニクスデバイスへの応用の可能性を調べる。また、光電特性と並行して材料の安定性（大気中の湿気に対する耐久性）の評価も行う。
|
| Causes of Carryover |
計画していた国際学会発表の出張(中国）1件が学内会議のために中止になったこと、また購入したいペロブスカイト合成用の原料薬品（ヨウ化ホルムアミジン）がメーカー(東京化成）の一般販売開始が遅れて入手できなかったことのため。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
合成用の原料薬品（ヨウ化ホルムアミジン）は本年7月以降に販売開始になるために、これを購入するために使用する。また、残額は国際学会への出張に使用する。
|
