研究成果

新しい青色発光材料の出現 -有機無機ハイブリッドペロブスカイト半導体の光学特性を解明-


2018年02月05日


     金光義彦 化学研究所教授、山田琢允 同博士課程学生、阿波連知子 同研究員の研究グループは、ハロゲン化金属ペロブスカイト半導体の一種であるメチルアンモニウム塩化鉛(CH3NH3PbCl3)に、様々な波長のレーザー光を照射して発光測定を行うことで、その光学特性を解明しました。

     本研究成果は、2018年2月1日(米国時間)に米国物理学会誌「Physical Review Letters」オンライン版に掲載されました。

    研究者からのコメント

     ハロゲン化金属ペロブスカイトは低コストかつ高品質の薄膜や単結晶を作製できるため、新しいフォトニクス材料として注目されています。ハロゲンの種類を変えることでバンドギャップエネルギーを幅広い範囲で比較的自由に操作させることができ、太陽電池、光検出器、発光ダイオードなどの様々なデバイスが作製できます。今回の研究により、この半導体の優れた光電特性が明らかとなり、特色あるフォトニクスデバイスの開発が加速するものと期待されます。

    概要

     ハロゲン化金属ペロブスカイト半導体は、ペロブスカイト構造という結晶構造を有する半導体の一種です。その中で、メチルアンモニウムイオン(CH3NH3+)などの有機物を含む有機無機ハイブリッドペロブスカイトは、比較的低温かつ簡便な塗布プロセスで高品質な薄膜を作製できるため、低コストかつ高効率でフレキシブルな光デバイス材料として世界的に注目を集めています。特に、メチルアンモニウムヨウ化鉛(CH3NH3PbI3)を用いた薄膜太陽電池の効率は既に22.7%まで達し、ぺロブスカイト太陽電池として実用化に向けた研究が盛んに行われています。

     これまでは、ペロブスカイト半導体の中でも、光吸収と発光の色を決めるバンドギャップエネルギーが小さく、太陽電池に適した物質を中心として研究が行われてきました。一方で、ペロブスカイト半導体にはよりバンドギャップエネルギーの大きな(ワイドギャップな)半導体も存在しますが、それらの基礎的な光学特性は十分に明らかになっていませんでした。

     そこで本研究グループは、青色領域にバンドギャップエネルギーを持つワイドギャップペロブスカイト半導体であるメチルアンモニウム塩化鉛(CH3NH3PbCl3)の単結晶および薄膜試料を作製し、発光励起スペクトル測定という手法を用いて基礎光学特性の研究を行いました。この手法は光吸収させるレーザー光の波長を掃引しつつ発光スペクトルを測定する分光法で、物質の光吸収と発光の相関関係を明らかにすることができます。

     測定の結果、この半導体の中では室温において電子と電子の空席(正孔)が一体となった状態(励起子)が存在していること、さらにその状態は自身が放出した光を再び吸収する過程を効率的に繰り返すこと(フォトンリサイクリング)が分かりました。励起子によるフォトンリサイクリング効果はこれまでの半導体では観測されなかった現象であり、本研究によってハロゲン化金属ペロブスカイトの新しい光学特性を明らかにしました。

    図:メチルアンモニウム塩化鉛(CH3NH3PbCl3)単結晶の写真(レーザー励起で発光させた場合)

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.057404

    【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/229008

    Takumi Yamada, Tomoko Aharen and Yoshihiko Kanemitsu (2018). Near-Band-Edge Optical Responses of CH3NH3PbCl3 Single Crystals: Photon Recycling of Excitonic Luminescence. Physical Review Letters, 120(5), 057404.

    • 日刊工業新聞(2月12日 14面)に掲載されました。

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