ペロブスカイトナノ結晶の光変換量子効率が98%

ペロブスカイトはスピントロニクスや太陽電池に有望な特性を示す新しい結晶ファミリーである。後者ではペロブスカイト材料では、光を電気に変換する際に材料をより効率的にする効果であるキャリア増幅特性が重要である。 アムステル大学の研究チームの新しい研究では、特定のペロブスカイトがこの効果が大きいことを発見した(Weerd et al., Nature Comm. 9: 4199, 2018)(https://www.nature.com/articles/s41467-018-06721-0)。

 

古くて新しい結晶ペロブスカイト

一般に結晶は原子、分子またはイオンの規則的な構造できている。しかし特定の結晶は、ナノスケールで非常に興味深い特性を示す。その場合、ナノクリスタルは、マクロ結晶とは異なる物性を持つことになる。

ペロブスカイトは、19世紀のロシアの鉱物学者、レフ・ペロフスキー(Lev Perovski)にちなんで命名されたもので、1986年の高温超伝導発見時の舞台となった。ペロブスカイトではすべてが同じ結晶構造を持つ特定の物質群を形成している。これらのペロブスカイトは、多くの望ましい電子特性を有し、LED、TVスクリーン、太陽電池およびレーザーの構築に有用である。

 

41467 2018 6721 Fig1 HTMLCredit: Nature Comm.

 

鍵となるキャリア増倍効果

太陽電池などの半導体が光のエネルギーを電気に変換する場合、これは通常、一度に1つの質量のない粒子(光子)で発生する。単一の入射光子は、電流を運ぶことができる単一の励起電子(および対応するホールとのペア)を生じる。しかし、特定の材料では、入射光が十分にエネルギーを持てば、第二の電子 - 正孔対が結果として励起され得る。このプロセスはキャリアの増倍効果として知られている。

41467 2018 6596 Fig4 HTML

Credit: Nature Comm.

 

太陽電池エネルギー変換効率の向上に期待

キャリアの増倍効果が起こると、光から電気への変換がはるかに効率的になる可能性がある。たとえば、通常の太陽電池では、変換可能なエネルギーの量に理論上の限界(いわゆるショックリー・ケーサー限界)がある。そこでは太陽エネルギーの33%以上が電力に変換されるが、キャリア増倍効果の半導体ナノクリスタルでは、最大44%の最大効率が予測される。

従って、研究者らは、ペロブスカイトにおけるキャリア増倍効果を追求してきた。研究チームは、分光法を用いて、セシウム、鉛、およびヨウ素でできたペロブスカイトナノクリスタルがキャリア増倍効果を示すことを示したが、この効果の効率はこれまでに報告された他の物質よりも高い。この発見により、ペロブスカイトの太陽電池特性が大幅に向上すると期待されている。

 

41467 2018 6721 Fig4 HTML

Credit: Nature Comm.

 

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