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.pdf

2014 年8 月1 日 独立行政法人理化学研究所 国立大学法人東京大学 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－ 本研究成果のポイント ○ 光照射で相転移を起こす強相関電子系酸化物と半導体を接合した太陽電池を作製 ○ 金属と絶縁体の相競合状態をヘテロ接合界面のごく近くで誘起することに成功 ○ 界面での相競合状態を磁場を使うことで観測可能に 理化学研究所（理研、野依良治理事長）と東京大学 （濱田純一総長）は、強相関電子系[1] [2] [3] 酸化物と半導体という異種材料のヘテロ接合 の界面に相競合状態 を持たせた太陽電池を 作製し、強相関電子系酸化物の化学組成などを調整すると、磁場によって太陽電池の光電変 換効率を変化可能であることを発見しました。また、このような磁場依存性を示す接合は、 それ以外の接合に比べ光電変換効率が高いことを明らかにしました。これは、理研創発物性 科学研究センター（十倉好紀センター長）強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディ レクター （東京大学大学院工学系研究科教授）、盛志高研究員、中村優男上級研究員、牧野哲 征研究員と、強相関理論研究グループの小椎八重航上級研究員らの共同研究グループによる 成果です。 [4] 遷移金属酸化物などの強相関電子系で現れる電子状態の 1 つである電荷整列状態 では、 [5] クーロン相互作用 によって電荷同士が反発し合い、格子状に電荷が整列して動かなくなる ため絶縁体となります。電荷整列絶縁体に光を照射すると、止まっていた電荷が一斉に動き 出して金属化します。光による絶縁体相から金属相への相転移の過程では、1 つの光子が複 [6] 数の電荷を励起する多重キャリア生成 が起きています。次世代太陽電池として注目されて いる強相関太陽電池では、この現象による光電変換効率の飛躍的な向上が期待されています。 そこで共同研究グループは、太陽電池と同様のヘテロ接合界面で、光照射による絶縁体相か ら金属相への相転移を起こすことを目指しました。 共同研究グループは、光照射で相転移を起こす代表的な物質 「ペロブスカイト型マンガン [7] 酸化物 」と半導体を接合した太陽電池を作製し、その特性を調べました。格子歪みや化学 組成の異なる数種類の接合をつくり、磁場中で太陽電池特性を測定した結果、格子が界面に 平行な面内で異方的 （特定の方向に依存すること）に歪み、組成が[La Sr MnO ]のペロ 0.7 0.3 3 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しま した。この結果は、接合界面に相競合状態が誘起されていることを示唆しています。さらに、 大きな磁場依存性を示す接合では、磁場依存性をほとんど示さない接合に比べて、大きな短 [8] 絡電流密度 が観測されました。これは、接合界面近くで局所的な光照射による相転移が起 こり、多重キャリア生成によって光電流が増幅していると考えられ、強相関太陽電池の実現 に近づく重要な結果といえます。本研究成果は英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』（8 月1 日付け、日本時間8 月1 日）に掲載されました。 1 1．背 景 強相関電子系は、多くの電