研究課題
本研究では，分極性結晶における「欠陥」の光学活性を利用した材料設計により，高電圧出力用太陽電池や次世代超高速光通信を可能とする革新的光電変換機能の開拓を目的とする．太陽光の高効率エネルギー変換を目的に設計された中間バンド型太陽電池では，大きな光電流は得られるが，光電圧が半減するという課題を抱えている．我々は，空間反転対称性の破れに由来するバクル光起電力効果が，電子半占有の欠陥準位により約2桁増大することを見いだしている．光電変換において，光電流だけでなく光電圧の増強も可能とする材料・デバイス設計は他に例を見ない．しかし「なぜ光起電力が桁で増大するのか？」が学術的な「問い」として未解明である．本課題では，分極性結晶群を対象として，欠陥により誘起される光電変換機能を解明する．チタン系強誘電体単結晶を用いて、３d遷移金属イオンが作る欠陥準位を可視光活性中心として利用した材料設計指針を構築するために、第一原理計算と単結晶実験を行った。理論計算により、Fe2+が形成するドナー準位とFe3+がもたらすアクセプター準位が、それぞれ光照射により電子およびホールの生成に寄与することが予測された。単結晶を用いた実証実験の結果、Fe2+とFe3+が同程度の濃度を持つように制御した試料では、2eVの光エネルギーの照射により光起電力が観測された。またバンドギャップ（3.3eV）よりも低エネルギーの2.7eVの光照射により、光起電力が最大値を示した。理論計算と実験の有機的連携により、チタン系強誘電体において、Fe2+とFe3+の共存状態が織りなす不純物準位が、電子正孔対生成の足場となって、大きな可視光起電力効果が得られるという材料設計指針が得られた。
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件)
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