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太陽電池応用のための強誘電体の構造・物性制御

Research Project

Project/Area Number 14J04693
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Inorganic materials/Physical properties
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

松尾 拓紀  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords強誘電体 / 光起電力 / 薄膜 / ドメイン構造 / ドメイン壁 / バンド構造 / ドーピング / 欠陥準位 / 欠陥制御 / 酸素空孔 / ショットキー接合 / キャパシタ / switchable-diode effect / 太陽電池 / 鉄酸ビスマス / 欠陥
Outline of Annual Research Achievements

本年度はまず,BiFeO3(BFO)エピタキシャル薄膜における,バルク光起電力(BPV)効果とドメイン壁光起電力(DW-PV)効果の定量評価に着手した.製膜はPLD法により行ない,異なる方位に微傾斜を有するSrTiO3 (STO)(001)単結晶基板を用いることで,シングルドメイン(SD)とマルチドメイン(MD)構造のBFO薄膜を作製した.
光照射下電流密度-電圧特性評価の結果,光子エネルギーhν = 3.1 eVにおいて,BFO(SD)は短絡電流密度Jsc = 17 μA/cm2,開放電圧Voc = 4.2 Vを示したのに対し,BFO(MD)はJsc = 180 μA/cm2,開放電圧Voc=7.7 Vを発現し,マルチドメイン化によって光応答が増大することが示された.さらに,Jscの偏光依存性を定量的に解析した結果,MD試料の光応答はBPV効果から予想される光応答を大きく上回ることが明らかになった.以上のように本研究では,BFOのドメイン壁においてBPVを凌駕する光起電力が発現することを定量的に実証した.
さらに,MnドーピングによるBFOの可視光下光起電力効果の増強に取り組んだ.Mn 5 %-doped BFO(SD)薄膜とBFO(SD)薄膜の光起電力特性の波長依存性を調査し,hνがバンドギャップ幅(Eg)よりも小さい長波長における光応答が,Mnドープによって大幅に増強されることを明らかにした. 実験および密度汎関数理論計算結果から,Mnドーピングによりバンドギャップ内に欠陥準位が形成され,この準位を介したキャリア励起が,hν < Eg における光起電力増強の起源であることを明らかにした.
本研究により,ドメイン構造制御およびバンド構造制御に基づいた,可視光下における強誘電体PV効果増強に向けた材料設計指針が示された.

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • 2014 Annual Research Report
  • Research Products

    (22 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Acknowledgement Compliant: 6 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Photon energy dependence of photovoltaic properties in ferroelectric BiFeO<sub>3</sub> thin-film capacitors2016

    • Author(s)
      Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama
    • Journal Title

      Transactions of the Materials Research Society of Japan

      Volume: 41 Issue: 2 Pages: 201-204

    • DOI

      10.14723/tmrsj.41.201

    • NAID

      130005155987

    • ISSN
      1382-3469, 2188-1650
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bulk and domain-wall effects in ferroelectric photovoltaics2016

    • Author(s)
      Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Ryotaro Inoue, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama, Takanori Kiguchi, Toyohiko J. Konno
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 94 Issue: 21 Pages: 214111-214111

    • DOI

      10.1103/physrevb.94.214111

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Cooperative effect of oxygen-vacancy-rich layer and ferroelectric polarization on photovoltaic properties in BiFeO3 thin film capacitors2016

    • Author(s)
      H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 108 Issue: 3 Pages: 032901-032901

    • DOI

      10.1063/1.4940374

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Strong interaction between ferroelectric polarization and oxygen vacancy in BiFeO3 thin film capacitors2016

    • Author(s)
      H. Matsuo, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, M. Miyayama
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 124 Pages: 1-5

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Heavy Mn-doping effect on spontaneous polarization in ferroelectric BiFeO3 thin film2015

    • Author(s)
      H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 54 Issue: 10S Pages: 10NA03-10NA03

    • DOI

      10.7567/jjap.54.10na03

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Electrical conduction mechanism in BiFeO3-based ferroelectric thin-film capacitors: Impact of Mn doping2015

    • Author(s)
      H. Matsuo, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, M. Miyayama
    • Journal Title

      Journal of Asian Ceramic Societies

      Volume: 3 Issue: 4 Pages: 426-431

    • DOI

      10.1016/j.jascer.2015.10.001

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Switchable diode-effect mechanism in ferroelectric BiFeO3 thin film capacitors2015

    • Author(s)
      H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 118 Issue: 11 Pages: 114101-114101

    • DOI

      10.1063/1.4930590

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜におけるバルク・ドメイン壁光起電力効果の定量化2016

    • Author(s)
      松尾拓紀
    • Organizer
      第26回日本MRS年次大会
    • Place of Presentation
      産業貿易センター、神奈川県
    • Year and Date
      2016-12-19
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜における光起電力効果の定量解析2016

    • Author(s)
      松尾拓紀
    • Organizer
      第36回エレクトロセラミックス研究討論会
    • Place of Presentation
      ユニオンビル(富士通労働会館)、神奈川県
    • Year and Date
      2016-10-13
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] BiFeO3系強誘電体薄膜の可視光下光起電力―Gap-State Engineering による材料設計―2016

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京都目黒区(東京工業大学大岡山キャンパス)
    • Year and Date
      2016-03-19
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Gap-stateエンジニアリングによるBiFeO3系強誘電体薄膜における可視光下光起電力の増強2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第25回日本MRS年次大会
    • Place of Presentation
      神奈川県横浜市(産業貿易センタービル)
    • Year and Date
      2015-12-08
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Influence of Oxygen Vacancy Distribution on Polarization and Photovoltaic Properties of Ferroelectric BiFeO3 Thin Films2015

    • Author(s)
      Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama
    • Organizer
      17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
    • Place of Presentation
      長野県松本市(ホテルブエナビスタ)
    • Year and Date
      2015-11-15
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酸化物強誘電体薄膜における欠陥構造と電気伝導:鉄酸ビスマスを例に2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第35回エレクトロセラミックス研究討論会
    • Place of Presentation
      東京都目黒区(東京工業大学大岡山キャンパス)
    • Year and Date
      2015-10-22
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] MnドープによるBiFeO3強誘電体薄膜における光起電力特性の向上2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      愛知県名古屋市(名古屋国際会議場)
    • Year and Date
      2015-09-13
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Origin of p-type conduction and switchable photovoltaic effect in BiFeO3 ferroelectric thin films2015

    • Author(s)
      Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Ryotaro Inoue, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama
    • Organizer
      The 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
    • Place of Presentation
      韓国(済州)
    • Year and Date
      2015-08-30
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜/電極界面における光起電力の発現2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第32回強誘電体応用会議
    • Place of Presentation
      コープイン京都、京都府
    • Year and Date
      2015-05-20 – 2015-05-23
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜/電極界面における光起電力の発現2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第32回強誘電体応用会議
    • Place of Presentation
      京都府京都市(コープイン京都)
    • Year and Date
      2015-05-20
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] BiFeO3強誘電体薄膜における伝導メカニズムと電子状態2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      日本セラミックス協会2015年 年会
    • Place of Presentation
      岡山大学津島キャンパス、岡山県
    • Year and Date
      2015-03-18 – 2015-03-20
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 強誘電体光起電力効果の増強に向けた界面設計-BiFeO3系キャパシタを例に-2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      第62回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東海大学湘南キャンパス、神奈川県
    • Year and Date
      2015-03-11 – 2015-03-14
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] エピタキシャルBiFeO3強誘電体薄膜の光起電力特性-バルクおよび電極/強誘電体界面の影響-2015

    • Author(s)
      松尾拓紀、北中佑樹、井上亮太郎、野口祐二、宮山 勝
    • Organizer
      日本セラミックス協会 セラミックス基礎科学討論会
    • Place of Presentation
      京都テルサ、京都府
    • Year and Date
      2015-01-08 – 2015-01-09
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      2014 Annual Research Report
  • [Remarks] 東京大学宮山研究室ホームページ

    • URL

      http://www.crm.rcast.u-tokyo.ac.jp/news.html

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Remarks] 東京大学 宮山研究室ホームページ

    • URL

      http://www.crm.rcast.u-tokyo.ac.jp/index.html

    • Related Report
      2015 Annual Research Report

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Published: 2015-01-22   Modified: 2024-03-26  

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