広報活動

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2014年8月1日

理化学研究所

太陽電池の接合界面に相競合状態を持たせ光電変換効率を向上

-多重キャリア生成により光電流が増幅、強相関太陽電池の実現へ前進-

接合界面近くでのマンガン酸化物のエネルギーギャップと光電流の大きさの関係図

接合界面近くでのマンガン酸化物のエネルギーギャップと光電流の大きさの関係

エネルギーギャップが小さすぎて金属相が安定でも、逆にギャップが大きすぎて電荷整列相が安定でも、光電流は小さくなる。中間のギャップサイズで相競合状態が実現すると磁場に対する変化が現れ、同時に光電流が増大する。多重キャリア生成を起こすには、適度なギャップを界面で実現することが重要となる。

半導体や金属のように電子が自由に振る舞う物質に対し、電子の密度が非常に高い物質では電子同士が互いに強く作用し合います。このような物質系を「強相関電子系」といいます。強相関電子系では、本来は金属となる物質であっても、電子の相互作用で電子同士が反発し合って格子状に電子が整列し、動かなくなってしまう絶縁体状態を示します。この絶縁体に光を照射すると、止まっていた電子がいっせいに動き出して金属になることがよく起こります。とりわけ、絶縁体と金属の状況が拮抗して「相競合状態」になっているときに、光照射による絶縁体相から金属相への「相転移」が起きやすいことが知られています。この相転移の過程では、1つの光子が複数の電子を励起する多重キャリア生成と呼ばれる現象が起きています。そこで、理研の研究者を中心とする共同研究グループは、多重キャリア生成を応用することによって、光電変換効率の大幅な向上が見込める「強相関太陽電池」の作製に挑みました。

共同研究グループは、光照射によって相転移を起こす代表的な物質であるペロブスカイト型マンガン酸化物と半導体とを接合した太陽電池を複数つくり、その特性を調べました。格子歪みや化学組成が異なる数種類の接合を作り、磁場中で光電変換効率を測定した結果、格子がマンガン酸化物と半導体との接合界面に平行な面内で異方的(特定の方向に偏って)に歪み、組成が[La0.7Sr0.3MnO3]という組成のペロブスカイト型マンガン酸化物を用いた接合で、光電変換効率が磁場によって大きく向上することが分かりました。この結果は、接合界面に相競合状態ができていることを示しています。また、磁場依存性が大きな接合では、磁場依存性をほとんど示さない接合に比べ、より大きな光電流密度が観測されました。これは、接合界面近くで光照射による相転移が起こり、多重キャリアが生成されて光電流が増幅していることを示しています。

今回の成果により、強相関電子系と半導体の接合界面近くで相競合状態を誘起すると、太陽電池の光電変換効率が向上することが明らかになりました。今後、さらに効率よく多重キャリア生成を起こせるように材料や素子の構造を改良していくことで、強相関太陽電池が実現可能になると期待できます。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関界面研究グループ
グループディレクター 川﨑 雅司 (かわさき まさし)
上級研究員 中村 優男 (なかむら まさお)