東大ら,原子層強誘電材料でバルク光起電力発電実証

東京大学,京都大学,物質・材料研究機構は,2次元層状物質である硫化錫(SnS)において中心対称性を持たないSnSを成長させ,そのバルク光起電力効果による発電を実証した(ニュースリリース)。

従来の強誘電材料において中心対称性を持たないバルク光起電力効果が研究され,近年では,層状物質群においても研究が活発化しているが,ほとんどの材料において理論的に予測されるバルク光起電力効果による発電量が低いことが課題だった。

最近,2次元層状物質である硫化錫(SnS)において,シリコン太陽電池に匹敵する値が報告され注目を集めているが,SnSにおいて熱力学的に最安定な相においては,奇数層でのみ中心対称性を持たない構造となるため,計測可能な材料を得ることが難しく,実験的な研究は進んでいなかった。

そこで研究グループは,成長基板との相互作用を利用し,中心対称性を持たない多層SnSの成長を行ない,バルク光起電力効果を実証するため,物理蒸着法を用いファンデルワールス基板であるHOPG基板上に成長温度・成長時間等の条件を精緻に制御することにより結晶性の高いSnSを成長させた。

通常,SnSは上下層で分極方向が打ち消しあうことで中心対称性を持つ安定相が成長し,バルク光起電力効果は観測されない。一方,HOPG基板上では,基板との相互作用により歪みが導入され面内分極の揃った中心対称性を持たない強誘電体相が安定化されていることを確認した。

この結晶において2端子デバイスを作製し,光電流測定を行なった。光電流において入射光の偏光依存性が理論計算結果と良く一致し,バルク光起電力効果であると結論付けられた。

加えて,線状の強誘電ドメイン構造および,直交したドメイン構造を観察した。界面エネルギーの観点から,180回転の双晶界面を考えることで結晶内のマクロな分極方向を良く説明できることがわかった。今後,分極を揃えることで更なる発電特性の向上が期待できるという。

バルク光起電力効果は,これまでバンドギャップの大きい酸化物強誘電体で主に研究されてきたため,可視光を吸収できなかったが,2次元層状SnSは1eV程度のバンドギャップをもつ半導体のため,シリコン太陽電池と同様に可視光領域での発電が可能で,太陽電池と匹敵する発電量が期待できる。

SnSは強誘電体だけでなく強弾性も有するマルチフェロイック材料のため,今後,電界や応力の印加により分極方向を揃えることで更なる発電特性を向上させ高効率太陽電池や光検出器等への応用が期待される。また,結晶厚さがナノサイズでも発電することから,研究グループは,ナノ発電素子等への展開等,デバイスの多機能化への貢献が期待されるとしている。

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