立命大,軽くて柔らかい光発電デバイスを開発

立命館大学の研究グループは、ピエゾフォトトロニクス効果(圧電-半導体-光励起の相乗効果)を用いて「曲げると起電力が変化する軽くて柔らかい光発電デバイス」の開発に成功した(ニュースリリース)。

結晶セレンは,可視光波長の光吸収が極めて優れた材料であり,室内照明光を用いた高効率な光発電デバイス(理論限界変換効率は約60%)への応用が期待されている。これまで,P型半導体である結晶セレンに対して酸化亜鉛系,酸化チタン系および硫化カドミウム系などのN型半導体を接合したヘテロ接合による光発電デバイスの重要性が報告されてきた。

しかし,P型半導体とN型半導体が異なることによるエネルギーバンドの整合性改善などの課題があり,実際の変換効率は理論限界の5分の1程度と低く留まっている。このため,ヘテロ接合界面制御のための技術開発が求められていた。

研究グループは,前述のPN接合のエネルギーバンド不整合(バンドオフセット)の改善のアプローチとして,N型酸化亜鉛系圧電薄膜へのひずみ印加による分極の利用に着目した。

従来はエネルギーバンド制御の手法として,不純物の添加や混晶化が用いられているが,組成比や結晶構造の変化により,材料の電子物性が変化し,性能が低下する場合がある。研究では,酸化亜鉛系圧電半導体にひずみを印加して圧電分極電荷を接合界面に発生させ,P型結晶セレンに対するバンドオフセットを変化させる手法を適用した。

そして,PETフィルム上に酸化亜鉛系窓層/結晶セレン光吸収層による薄膜光発電デバイスを形成し,基板を曲げることで光起電力を顕著に変化させることに成功した。従来の組成制御とは異なる新たなアプローチで,エネルギーバンド整合を改善することで,結晶セレン薄膜光発電デバイスの光電変換効率の改善が期待されるという。

研究グループは将来的な用途として,IoT用の小型軽量な室内照明光による発電デバイスや,光起電力がひずみに応答するメカニズムを利用した新規のひずみセンサへの応用などに期待されるとしている。

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