広報活動

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2017年8月21日

理化学研究所
東京大学
科学技術振興機構

量子力学的な作用による光電変換を実証

-太陽電池や光検出器の高性能化に道-

電場内に置くと電気分極を生じる物質を誘電体(絶縁体)といいます。誘電体のうち「強誘電体」は、電場がゼロでも有限の分極を持ち、かつ分極方向を電場で反転できます。強誘電体は空間反転対称性が破れた結晶構造を持ち、太陽電池や発光ダイオードで利用されているp-n接合を形成しなくても光起電力が発生します。

空間反転対称性の破れた物質は、エネルギーバンド間の光吸収による遷移の際に、電子の重心位置が一方向にシフトします。定常光照射下で、このシフトが連続的に起こることで「シフト電流」と呼ばれる直流電流が発生します。上記の光起電力は、この量子力学的な光電流発生機構のシフト電流で生じることが近年理論的に提案されています。シフト電流はエネルギー散逸がほとんどないため、光電変換効率の大幅な向上が期待されます。しかし、シフト電流である明確な証拠は実験的に得られておらず、実証に適した物質系も不明でした。

今回、理研を中心とする共同研究グループは、分子間の電荷移動によって電気分極を生じる強誘電体である有機分子性結晶の「TTF-CA」に着目しました。バンドギャップ(電子が存在できないエネルギー帯)以上の光子エネルギーを与えると、物質に電気が流れます。TTF-CAのバンドギャップは約0.5 eVと小さいことから、可視赤外光領域で大きなシフト電流が期待できます。実際にTTF-CAの単結晶試料において分極軸方向に生じる光起電力を測定した結果、強誘電相において疑似太陽光照射による大きな光電流の観測に成功しました(図参照)。また、光電流が数百μmという長距離を伝搬することを見いだし、散乱に強いシフト電流としての特徴を持つことを明らかにしました。

本研究では、有機分子性結晶を用いて可視赤外光領域光によるシフト電流の発生を実証しました。この結果は、シフト電流光電変換の材料設計の指針を与え、革新的な太陽電池や光検出器などへの応用につながるものと期待できます。

似太陽光照射下でのTTF-CAの光起電力特性の図

図 擬似太陽光照射下でのTTF-CAの光起電力特性

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
上級研究員 中村 優男 (なかむら まさお)
(科学技術振興機構 さきがけ研究者)
グループディレクター 川﨑 雅司 (かわさき まさし)
(東京大学大学院工学系研究科 教授)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関物性研究グループ
グループディレクター 十倉 好紀 (とくら よしのり)
(東京大学大学院工学系研究科 教授)

創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 動的創発物性研究ユニット
ユニットリーダー 賀川 史敬 (かがわ ふみたか)