ペロブスカイト半導体の発光量子効率計測――同半導体を用いた太陽電池やLEDの開発と高性能化に寄与 東北大学ら

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東北大学は2019年8月1日、浜松ホトニクス、千葉大学、京都大学らと共同で、ハライド系有機―無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体(CH3NH3PbBr3)の発光量子効率計測に成功したと発表した。

照明や通信、太陽光発電などの光応用分野においては、電気/光エネルギーを相互に変換する発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード、太陽電池の高効率化が不可欠だ。現在、これらのデバイスは用途に応じてさまざまな半導体材料を用いて製造されている。

半導体材料の一つであるハロゲン化金属ペロブスカイトは結晶欠陥が生じにくい性質を持っており、高効率な太陽電池材料として知られている。一方で、欠陥が少ないという性質は光を電気に変える太陽電池の逆である、電気を光に変える発光素子としても魅力的で、ペロブスカイト半導体を用いたLEDの開発も進んでいる。光と電気を相互に変換する際に材料の性能を表す物理量の一つに内部量子効率(IQE)があるが、一般的に直接計測が難しいという問題があった。

ペロブスカイト半導体は「直接遷移型半導体」と呼ばれ、外部から励起を受けると特有の光を放出する。そこで小島准教授らは、励起された結晶の発光のうち、不透明領域の波長の光(緑色)が結晶の上方にのみ放射される性質を利用して、「全方位フォトルミネセンス(ODPL)法」を用いて、ペロブスカイト半導体のIQEを実験的に計測することに成功した。

その結果、IQEは少なくとも62.5%に達することを見出し、さらに、メチルアンモニウム(CH3NH3)イオンの過不足によってIQEが大きく変動することを見出した。今回の研究の成果は、ペロブスカイト半導体を用いた太陽電池やLEDの開発と高性能化に役立つほか、半導体発光冷却素子のような応用にもつながることが期待できるとしている。

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