兵県大ら,レーザー照射で電圧上がる素子を発見

兵庫県立大学,東京理科大学,高輝度光科学研究センターは,マルチフェロイック材料であるBiFeO3にMnを微量添加することで,バルク光起電力効果により発生する電圧が飛躍的に向上することを発見し,また発生電圧向上のメカニズムを解明した(ニュースリリース)。

中心対称性を持たない結晶に光を照射することで発生するバルク光起電力効果は,照射光によるキャリア励起と緩和を繰り返すうちに,バンド構造の非対称性に起因して,キャリアが移動していく「シフト電流」によることが明らかにされ,注目されている。

このバルク光起電力効果は従来のpn接合型太陽電池とは異なるメカニズムで発電することから,従来の太陽電池の変換効率を凌駕する可能性が示唆されているが,太陽電池を実現するためには,光照射により発生する電流および電圧の両方の向上が重要となる。

研究では,バンドギャップが2.5-2.8eVと可視光域にあるマルチフェロイック材料のビスマスフェライト(BiFeO3)に着目し,Mn添加BiFeO3薄膜の260μmの幅に青紫色レーザー光を照射するだけで,Mn0.5at%添加BiFeO3薄膜において852Vに達し,従来のSi太陽電池の発生電圧0.5Vの約1700倍に相当する,バンドギャップを越える電圧の発生を確認した。

また,その電圧は照射光偏光角を回転させることで制御が可能であることもわかった。これらの結果は,BiFeO3のバンドギャップを遥かに超える電圧であり,バルク光起電力効果によるものであることを示している。また,発生電圧の照射光偏光角依存性は理論式と良く一致することもわかった。

次に発生電圧向上のメカニズムを探るため,軟X線光電子分光法,軟X線吸収分光法による価電子帯および伝導帯電子構造を詳しく調べた。その結果,Mnドープ量を増やすことで,エネルギーバンド構造が高エネルギー側へ移動していることが分かった。

また,価電子帯直上には酸素欠損が原因と考えられるエネルギー準位が,Mnドープ量を増やすことで消滅していることが分かり,これは,Mnをドープすることで,酸素欠損が電気的特性におよぼす影響が低減されることを実験的に証明したことになるという。

さらに硬X線光電子分光法により,電子が持つ最大エネルギーであるフェルミ準位がMnをドープすることで低下することを実験的に証明した。これらの結果から,BiFeO3へMnをドープすることで電子構造が変化し,光照射により発生する電圧が飛躍的に向上したことを明らかにした。

研究グループは,今後,バルク光起電力効果によるエネルギー変換効率の向上を試み,新たな光―電気エネルギー変換メカニズムとして確立を目指すとしている。

その他関連ニュース

  • 東大ら,2次元結晶を重ね巨大光起電力効果を確認 2021年04月05日
  • 香川大ら,高電圧太陽電池の開発に糸口 2020年11月25日
  • 東北大,電位差界面を使わず光起電力を発生 2019年09月20日
  • 東大ら,光によるスピン流の整流効果を発見 2019年09月02日
  • 理研ら,マルチフェロイクス材料で電流誘起磁化反転を観測 2018年12月11日
  • 京大ら,磁性を電界で制御するメカニズムを観測 2018年04月04日
  • 東大,フェムト秒レーザーでマルチフェロイクス状態を観測 2018年01月30日
  • 東大ら,マルチフェロイック物質の新たな磁場誘起相を観測 2017年11月29日