強誘電体を用いた革新的太陽電池デバイスの開発

• 研究課題/領域番号: 26249094
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野口 祐二 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (60293255)
• 研究分担者: 井上 亮太郎 日本大学, 医学部, 助教 (50397626)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 41,080千円 (直接経費: 31,600千円、間接経費: 9,480千円); 2017年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2016年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2015年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2014年度: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
• キーワード: 強誘電体 / 太陽電池 / 可視光 / 光起電力 / 分極 / ドメイン / 光起電力効果 / 格子欠陥 / 欠陥準位 / 開放電圧 / 自発分極 / 誘電体物性 / 光電変換 / 電子状態 / 高効率太陽光発電材料 / 電子・電気材料

研究成果の概要

「我が国は，存亡の危機に瀕している．そればかりか，人類の文明の未来が脅かされている」．米国ゴア元副大統領は，危機に直面している地球の現状についてこう演説し，クリーンエネルギー源の開発が重要であると主張した．本研究では，可視光照射による光電変換特性の向上を目的として，強誘電体太陽電池デバイスを開発した．従来のバルク光起電力効果とは起源が異なる「ドメイン壁光起電力効果」を発見し，400-8000倍もの大きな光出力を示すことを明らかにした．また，可視光起電力効果を数百倍にまで増強可能な新しい材料設計「Gap-State Engineering」を提唱した．

研究成果

• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [国際共同研究] アルゴンヌ国立研究所(米国)
• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
• [雑誌論文] Development of Novel Ferroelectric Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Noguchi Yuji、Miyayama Masaru
  • 雑誌名: Nanoparticle Technology Handbook (Third Edition) 巻: 214111 ページ: 651-654
  • DOI: 10.1016/b978-0-444-64110-6.00054-8
  • ISBN: 9780444641106
• [雑誌論文] Gap-state engineering of visible-light-active ferroelectrics for photovoltaic applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuo Hiroki、Noguchi Yuji、Miyayama Masaru
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1 ページ: 207-207
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00245-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced polarization properties of ferroelectric (Bi_1/2Na_1/2)TiO₃–Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ single crystals grown under high-pressure oxygen atmosphere (2017)
  • 著者名/発表者名: MAKISUMI Kohei、KITANAKA Yuuki、NOGUCHI Yuji、MIYAYAMA Masaru
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 125 号: 6 ページ: 463-467
  • DOI: 10.2109/jcersj2.16285
  • NAID: 130006899929
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Resistivity and piezoelectric properties of Ca3TaGa1.5Al1.5Si2O14 single crystals for high temperature sensors (2017)
  • 著者名/発表者名: Fu Xiuwei、Villora Encarnacion G.、Matsushita Yoshitaka、Kitanaka Yuuki、Noguchi Yuji、Miyayama Masaru、Shimamura Kiyoshi、Ohashi Naoki
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 7 号: 89 ページ: 56697-56703
  • DOI: 10.1039/c7ra11926g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bulk and domain-wall effects in ferroelectric photovoltaics (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Matsuo, Yuuki Kitanaka, Ryotaro Inoue, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama, Takanori Kiguchi, Toyohiko J. Konno
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 号: 21 ページ: 214111-214111
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.214111
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of Oxygen Partial Pressure during Growth on Optical and Electrical Properties of Ca3TaAl3Si2O14 Single Crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: X. Fu, E. G. Villora, Y. Matsushita, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, Y. Miyayama, K. Shimamura, N. Ohashi
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 16 号: 4 ページ: 2151-2156
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.5b01822
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of growth conditions on the optical, electrical resistivity and piezoelectric properties of Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄ single crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Influence of growth conditions on the optical, electrical resistivity and piezoelectric properties of Ca3TaGa3Si2O14 single crystals
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 124 号: 5 ページ: 523-527
  • DOI: 10.2109/jcersj2.15293
  • NAID: 130005149949
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strong interaction between ferroelectric polarization and oxygen vacancy in BiFeO₃ thin film capacitors (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Matsuo, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 124 号: 6 ページ: 634-638
  • DOI: 10.2109/jcersj2.15296
  • NAID: 130005155651
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polarization twist in perovskite ferrielectrics (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitanaka, K. Hirano, M. Ogino, Y. Noguchi, M. Miyayama, C. Moriyoshi, Y. Kuroiwa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 32216-32216
  • DOI: 10.1038/srep32216
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Crystal structure and polarization hysteresis properties of ferroelectric BaTiO3 thin-film capacitors on (Ba,Sr)TiO3-buffered substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Maki, Y. Noguchi, K. Kutsuna, H. Matsuo, Y. Kitanaka, M. Miyayama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 10S ページ: 10TA03-10TA03
  • DOI: 10.7567/jjap.55.10ta03
  • NAID: 210000147153
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced polarization properties of ferrielectric AgNbO3 single crystals grown by Czochralski method under high-pressure oxygen atmosphere (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Egawa, Y. Kitanaka, Y, Noguchi, M. Miyayama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 10S ページ: 10TB03-10TB03
  • DOI: 10.7567/jjap.55.10tb03
  • NAID: 210000147173
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cooperative effect of oxygen-vacancy-rich layer and ferroelectric polarization on photovoltaic properties in BiFeO3 thin film capacitors (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 号: 3 ページ: 032901-032901
  • DOI: 10.1063/1.4940374
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic origin of defect states in Fe-doped LiNbO3 ferroelectrics (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi, Ryotaro Inoue, and Masaru Miyayama
  • 雑誌名: Advances in Condensed Matter Physics 巻: 2016 ページ: 2943173-2943173
  • DOI: 10.1155/2016/2943173
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrical conduction mechanism in BiFeO3-based ferroelectric thin-film capacitors: Impact of Mn doping (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Matsuo, Y. Kitanaka, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • 雑誌名: Journal of Asian Ceramic Societies 巻: 3 号: 4 ページ: 426-431
  • DOI: 10.1016/j.jascer.2015.10.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced Photovoltaic Currents in strained Fe-doped LiNbO3 films (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Inoue, Shusuke Takahashi, Yuuki Kitanaka, Takeshi Oguchi, Yuji Noguchi, and Masaru Miyayama
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 巻: 212 号: 12 ページ: 2968-2974
  • DOI: 10.1002/pssa.201532398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant photovoltaic effect of ferroelectric domain walls in perovskite single crystals (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Inoue, Shotaro Ishikawa, Ryota Imura, Yuuki Kitanaka, Takeshi Oguchi, Yuji Noguchi, and Masaru Miyayama
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 14741-14741
  • DOI: 10.1038/srep14741
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switchable diode-effect mechanism in ferroelectric BiFeO3 thin film capacitors (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 118 号: 11 ページ: 114101-114101
  • DOI: 10.1063/1.4930590
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Heavy Mn-doping effect on spontaneous polarization in ferroelectric BiFeO3 thin film (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Matsuo, Y. Kitanaka, R. Inoue, Y. Noguchi, M. Miyayama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 54 号: 10S ページ: 10NA03-10NA03
  • DOI: 10.7567/jjap.54.10na03
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ferrielectric Phase in the (Bi1/2Na1/2)TiO3–Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 System (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Kitanaka, Kohei Makisumi, Yumiko Oshima, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama, Shuki Torii, Takashi Kamiyama
  • 雑誌名: Japanease Journal of Applied Physics 巻: 54 号: 10S ページ: 10NC05-10NC05
  • DOI: 10.7567/jjap.54.10nc05
  • NAID: 210000145791
  • 査読あり
• [学会発表] Polarization twist in perovskite ferrielectrics: A study on (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 single crystals (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: The Fourteenth International Meeting on Ferroelectricity (IMF 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ferroelectric Photovoltaics Delivering Abnormally High Photovoltages (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Enhanced piezoresponse in polar perovskite oxides: Polarization twist in (Bi,Na)TiO3-based ferrielectrics (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: 12th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology including Glass & Optical Materials Division Meeting 2017 (PACRIM2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Giant Photovoltaic Effect of Ferroelectric Domain Walls in BiFeO3 and BaTiO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: 12th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology including Glass & Optical Materials Division Meeting 2017 (PACRIM2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural coupling between nonpolar and polar instabilities in high-quality Bi-based ferroelectric single crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi, Motohiro Ogino, Kiyotaka Hirano, Yuuki Kitanaka, Masaru Miyayama, Yukihiko Yoshida and Toru Ishigaki
  • 学会等名: The 40th International Conference & Exposition on Advanced Ceramics & Composites (ICACC)
  • 発表場所: アメリカ（フロリダ州デイトナビーチ）
  • 年月日: 2016-01-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A new mechanism of piezoresponse in ferrielectric single (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: Joint RCBJSF-IWRF Conference, Matsue, 2016 13th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity International Workshop on Relaxor Ferroelectrics 2016
  • 発表場所: くにびきメッセ（島根県、松江市）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ferroelectric Polarization in Strained BiFeO3-based Films (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: International Conference on Science and Technology of Emerging Materials (STEMa2016)
  • 発表場所: タイ（パタヤ）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Giant Photovoltaic Effect of Ferroelectric Domain Walls in Perovskite Crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Ferroic Domains & Micro- to Nano-scopic Structures
  • 発表場所: カナダ（バンクーバー）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Defect-Polarization Control in Ferroelectric BaTiO3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: The 13th International Symposium on Ferroic Domains & Micro- to Nano-scopic Structures
  • 発表場所: カナダ（バンクーバー）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Polarization twist in perovskite ferrielectrics (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi
  • 学会等名: IUMRS-ICA 2016, The 17th International Conference in Asia
  • 発表場所: 中国（青島）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural Coupling between Nonpolar and Polar Instabilities in High-Quality Bi-based Ferroelectric Single Crystals (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi, Motohiro Ogino, Kiyotaka Hirano, Yuuki Kitanaka, Masaru Miyayama, Yukihiko Yoshida, and Toru Ishigaki
  • 学会等名: The 11th International Conference of Pacific Rim Ceramic Societies(PacRim-11)
  • 発表場所: 韓国（済州島）
  • 年月日: 2015-09-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Materials Design for Enhancing Piezoelectric Properties of High-Quality Bi-based Ferroelectric Single Crystals (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuji Noguchi, Motohiro Ogino, Kiyotaka Hirano, Yuuki Kitanaka, Masaru Miyayama, Yukihiko Yoshida and Toru Ishigaki
  • 学会等名: The 39th International Conference & Exposition on Advanced Ceramics & Composites (ICACC)
  • 発表場所: アメリカ（フロリダ州デイトナビーチ
  • 年月日: 2015-01-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Giant photovoltaic effect
  • URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26443381
• [備考] DEVELOPMENT OF FERROELECTRIC
  • URL: http://globalnewsconnect.com/development-of-ferroelectric-devices-delivering-giant-voltage-under-visible-light/
• [備考] 可視光を利用して巨大な電圧を発生する強誘電体デバイスを開発
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/development-of-ferroelectric-devices-delivering-giant-voltage-under-visible-light.html
• [備考] Development of ferroelectric devices
  • URL: http://www.scienceandtechnologyresearchnews.com/development-of-ferroelectric-devices-delivering-giant-voltage-under-visible-light/
• [備考] Development of ferroelectric devices
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/en/utokyo-research/research-news/development-of-ferroelectric-devices-delivering-giant-voltage-under-visible-light.html
• [備考] Giant photovoltaic effect
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/etpage/release/2015/20151007002.html