2019年 | プレスリリース?研究成果
太陽電池の材料はよく光る！？ -ペロブスカイト半導体の発光量子効率計測-
【発表のポイント】
- ハライド系有機-無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体*1の発光量子効率*2を全方位フォトルミネセンス法*3にて計測。
- 発光効率の低下要因が、有機カチオン*4の抜け（Aサイト*5の空孔）にあることを特定。
- 太陽電池や発光ダイオードの高性能化はもちろん、発光冷却素子*6実現に向けて計測技術が進化。
【概要】
東北大学多元物質科学研究所 小島 一信 准教授、秩父 重英 教授は、浜松ホトニクス株式会社 池村 賢一郎 氏、千葉大学大学院融合理工学府 松森 航平 氏、同大学大学院理学研究院 山田 泰裕 准教授、京都大学化学研究所の金光 義彦 教授と協力し、ハライド系有機-無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体（CH3NH3PbBr3）の発光量子効率計測に成功しました。
照明や通信、太陽光発電などの光応用分野においては、電気?光エネルギーを相互に変換する発光ダイオード（LED）やレーザダイオード、太陽電池の高効率化が不可欠です。現在、これらのデバイスは用途に応じて様々な半導体材料を用いて製造されています。半導体材料の一つであるハロゲン化金属ペロブスカイトは結晶欠陥*7が生じにくい性質を持っており、高効率な太陽電池材料として知られています。一方、欠陥が少ないという性質は光を電気に変える太陽電池の逆、つまり電気を光に変える発光素子としても魅力的で、ペロブスカイト半導体を用いたLEDの開発も進んでいます。光と電気を相互に変換する際、材料の性能を表す物理量の一つに内部量子効率（IQE）*8がありますが、一般的に直接計測が難しいという問題がありました。
そこで小島准教授らは、励起された結晶の発光のうち、不透明領域の波長の光（緑色）が結晶の上方にのみ放射される性質を利用して、ペロブスカイト半導体のIQEを実験的に計測することに成功しました。その結果、IQEは少なくとも62.5%に達することを見出し、さらに、メチルアンモニウム（CH3NH3）イオンの過不足によってIQEが大きく変動することを見出しました。本研究の成果は、ペロブスカイト半導体を用いた太陽電池やLEDの開発および機能向上に役立つほか、半導体発光冷却素子のようなユニークな応用にもつながると期待されます。
本研究の一部は、物質?デバイス領域共同研究拠点、科研費（若手研究（A）、基盤研究（B）、新学術領域研究「特異構造の結晶科学」）、および科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 CRESTの助成を受けています。
本研究成果は、米国物理協会（AIP）の科学誌「APL materials」誌の「Editor's Pick」に選ばれ、2019年7月31日（北米時間）にオンライン公開されました。
【参考画像】点状に励起*9された結晶が発光する様子を撮影した図。
(a)色を選別するフィルタを用いない場合、(b)橙色（結晶を透過できる波長）の光だけを通すフィルタを用いた場合、(c)緑色（結晶に吸収される波長）の光だけを通すフィルタを用いた場合。
【用語解説】
*1 ハライド系有機-無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体
原子配列がペロブスカイト（灰チタン石）と同じ結晶構造を持つ半導体材料のうち、有機分子とハロゲン原子を結晶の構成要素として含むもの。
*2 発光量子効率
対象となる発光材料に（本研究では励起レーザによって）入力した粒子（電子や光子）が、発光に利用される確率のこと。
*3 全方位フォトルミネセンス（ODPL）法
図(d)に示すような、積分球を使った分光法の一つ。基礎吸収端エネルギー以上の光の放出方向が決まっていることを利用し、結晶の発光効率を再現性良く測定できる。
*4 有機カチオン
炭素をふくみ正に帯電したイオンのこと。CH3NH3PbBr3においてはメチルアンモニウム（CH3NH3）イオンを指す。
*5 Aサイト
ペロブスカイト構造を構成する原子?分子の位置を指定する、慣用的な語句。CH3NH3PbBr3においては、メチルアンモニウム（CH3NH3）イオンが配置される位置のこと。
*6 発光冷却
励起エネルギーより大きなエネルギーを持つ光子が支配的に放出するようになると、物質の温度が冷却される現象のこと。材料の発光量子効率が極めて高くなった時に顕在化すると理論的に予想されている。
*7 欠陥
原子が周期的かつ抜けがなく整列することで構成される結晶において、周期性の乱れや原子の抜け（空孔）の総称。特に点欠陥とは、結晶を構成する原子が本来存在する位置に原子が存在せず空虚となっている空孔欠陥。結晶の周期性は乱さないが、周囲の電気的なバランスが崩れており、結晶の特性を大きく変化させる。
*8 内部量子効率（IQE）
発光量子効率のうち、入力された粒子のうち材料に吸収されたものが光子に変換される確率のこと。
*9 励起
対象となる材料を電気エネルギーや光エネルギーを用いて刺激し、活性な状態にすること。励起された直接遷移型半導体は、余剰なエネルギーを光として放出（発光現象）し、励起を受ける前の状態に戻ることが多い。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
担当： 准教授 小島一信
教 授 秩父重英
電話： 022-217-5363
E-mail： kkojima*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
電話： 022-217-5198
E-mail： press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）