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シリコンを使わない太陽電池の設計に道筋日本原子力研究開発機構,J-PARCセンター,総合科学研究機構 研究グループ

 日本原子力研究開発機構,J-PARCセンター,総合科学研究機構の研究グループは,シリコンを使わず,新しく「ペロブスカイト半導体」を使った太陽電池の設計への道筋が見えてきたと発表した。
 現在開発が進む太陽電池の多くには,シリコンでできた半導体が使われているが,シリコン樹脂を作るにはかなりの電力が必要であること,また,太陽電池自体に起因する問題として,シリコン系太陽電池のエネルギー効率向上が限界に近づきつつあること,波長が異なる太陽光をすべて電気エネルギーに変換することが難しいこと,変換する際に一部の光エネルギーが熱となって逃げてしまうことなどの問題があったため,コストを押し上げていた。
 同グループは,太陽電池の材料として「ヨウ化鉛メチルアンモニウム(MAPbI3)」に注目した。この物質は,無機物で構成された八面体の中に,有機分子が入れ子のように入った「ペロブスカイト」と呼ばれる独特の結晶構造を持つ。このペロブスカイト半導体の一つであるMAPbI3の大きな特徴は,電気に変換する過程でエネルギーが熱として逃げてしまう割合が圧倒的に小さい点と,高い変換効率にある。しかし,MAPbI3がなぜそうした特徴をもっているか,その理由は不明のままだった。
 そこで,J-PARCの物質・生命科学実験施設に設置された2台の中性子非弾性・準弾性散乱実験装置を用いて,MAPbI3の原子運動を調べたところ,MAPbI3の中に含まれる有機分子の中に存在する正負の電荷が対となった電気双極子が独特の運動をしていること,この物質で熱を伝えているのは「光学フォノン」ではなく励起エネルギーがとても小さい「音響フォノン」であり,その伝搬速度が遅く,かつ寿命が短いため,熱伝導が極めて低く抑えられていることがわかった。さらにMAPbI3では,半導体が光を吸収することで生成される「電荷キャリヤー」という状態が,再結合により消滅するまでにきわめて長い距離を移動できるという,太陽電池素材として有利な性質をもっており,低い熱伝導がこのキャリヤーの長い寿命を支えていることもわかった。
 ペロブスカイト半導体の作成には高温も真空も必要なく,印刷技術を適用することで製造コストを大きく下げることができる可能性を持つため,今回の結果は,ペロブスカイト半導体すべてに応用できる可能性があり,高機能で安い次世代型の太陽電池を設計する際の基礎になることが期待される。

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