Imaging ultrafast photocarrier trapping in perovskite photovoltaic materials

• 研究課題/領域番号: 19K05637
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分35030:有機機能材料関連
• 研究機関: 沖縄科学技術大学院大学
• 研究代表者: Dani Keshav 沖縄科学技術大学院大学, フェムト秒分光法ユニット, 准教授 (80630946)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: Time-resolved / photoemission / microscopy / perovskite / photovoltaics / ultrafast / dynamics / Perovskite / photovoltaic films / time-resolved / electron microscopy / time-resolved PEEM / perovskite photovoltaics / ultrafast dynamics / PEEM

研究開始時の研究の概要

I propose to image the nanoscale distribution of defect sites in perovskite photovoltaic films, and to study their electronic structure and related trapping dynamics.

研究成果の概要

太陽発電有力材料ペロブスカイトの欠陥はデバイス性能を制限している。欠陥がどう性能に影響するかの解明にはナノメートルかつフェムト秒規模の解像度技術が必要で双方満たすのは難しいが、それを満たす私達が開発してきた時間分解電子顕微鏡で欠陥状態を映像化、光キャリアトラップ構造の解明をし[Nature580,360(2020)]、様々な欠陥状態を発見[Energy&Environ.Science 14,6320(2021)]、この材料の化学的不均一性の役割を研究[NaturNanotech17,190(2022)]、欠陥のシード劣化への影響も示した[Nature(2022)]。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Our work visualizes and identifies nanoscale defects, and their impact on degradation. These results contribute towards the large-scale commercialization of perovskite photovoltaic technology, which is a critical component of the global strategy to address climate change and energy sustainability.

研究成果

• [国際共同研究] the University of Cambridge(英国)
• [雑誌論文] Local Nanoscale Phase Impurities are Degradation Sites in Halide Perovskites (2022)
  • 著者名/発表者名: Macpherson Stuart、Doherty Tiarnan A. S.、Winchester Andrew J.、Kosar Sofiia、Johnstone Duncan N.、Chiang Yu-Hsien、Galkowski Krzystof、Anaya Miguel、Frohna Kyle、Iqbal Affan N.、Nagane Satyawan、Roose Bart、Andaji-Garmaroudi Zahra、Orr Kieran W. P.、Parker Julia E.、Midgley Paul A.、Dani Keshav M.、Stranks Samuel D.
  • 雑誌名: Nature 巻: - 号: 7918 ページ: 294-300
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04872-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unraveling the varied nature and roles of defects in hybrid halide perovskites with time-resolved photoemission electron microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kosar Sofiia、Winchester Andrew J.、Doherty Tiarnan A. S.、Macpherson Stuart、Petoukhoff Christopher E.、Frohna Kyle、Anaya Miguel、Chan Nicholas S.、Madeo Julien、Man Michael K. L.、Stranks Samuel D.、Dani Keshav M.
  • 雑誌名: Energy and Environmental Science 巻: 14 号: 12 ページ: 6320-6328
  • DOI: 10.1039/d1ee02055b
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites (2020)
  • 著者名/発表者名: T.A.S.Doherty, A.J.Winchester, S.Macpherson, D.N.Johnstone, V.Pareek, E.M.Tennyson, S.Kosar, F.U.Kosasih, M.Anaya, M.Abdi-Jalebi, Z.Andaji-Garmaroudi, E.L.Wong, J.Madeo, Y.-H.Chiang, J.-S.Park, Y.-K.Jung, C.E.Petoukhoff, G.Divitini, M.K.L.Man, C.Ducati, A.Walsh, P.A.Midgley, K.M.Dani, S.D.Stranks
  • 雑誌名: Nature 巻: 580 号: 7803 ページ: 360-366
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2184-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Understanding the role of nanoscale defect clusters in hybrid perovskite photovoltaics with time-resolved photoemission electron microscopy, (2022)
  • 著者名/発表者名: Keshav M. Dani
  • 学会等名: NanoGe Spring Meeting 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring defects in triple cation mixed halide perovskite thin films using time-resolved photoemission electron microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Sofiia Kosar
  • 学会等名: NanoGe Spring Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging photoexcited phenomena in real and momentum space (2022)
  • 著者名/発表者名: Keshav M. Dani
  • 学会等名: Materials Science and Engineering (MSE) Colloquium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigation of Heterogeneous Charge Trapping Dynamics at Nanoscale Defects in Triple Cation Mixed Halide Perovsktie Thin Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Sofiia Kosar
  • 学会等名: MRS Spring Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Visualizing Carrier Trapping at the Nanoscale in Hybrid Organic-Inorganic Perovskite Films (2020)
  • 著者名/発表者名: Andrew Winchester
  • 学会等名: JSAP-OSA Joint Symposia
  • 国際学会
• [学会発表] Observing momentum-forbidden dark excitons in monolayer WSe2 via time-, space and angle-resolved photoemission spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Keshav M. Dani
  • 学会等名: NOEKS15
  • 国際学会 / 招待講演