発表のポイント

概要

 東北大学多元物質科学研究所 小島 一信 准教授、秩父 重英 教授は、浜松ホトニクス株式会社 池村 賢一郎 氏、千葉大学大学院融合理工学府 松森　航平 氏、同大学大学院理学研究院 山田 泰裕 准教授、京都大学化学研究所の金光 義彦 教授と協力し、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ました。
 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）やレーザダイオード、太陽電池の高効率化が不可欠です。現在、これらのデバイスは用途に応じて様々な半導体材料を用いて製造されています。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ます。一方、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、つまり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の開発も進んでいます。光と電気を相互に変換する際、材料の性能を表す物理量の一つに内部量子効率（IQE）がありますが、一般的に直接計測が難しいという問題がありました。
 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、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ました。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ました。本研究の成果は、ペロブスカイト半導体を用いた太陽電池やLEDの開発および機能向上に役立つほか、半導体発光冷却素子のようなユニークな応用にもつながると期待されます。
 本研究の一部は、物質・デバイス領域共同研究拠点における人・環境と物質をつなぐイノベーション創出ダイナミック・アライアンス、科研費（若手研究（A）、基盤研究（B）、新学術領域研究「特異構造の結晶科学」）、および科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 CRESTの助成を受けています。
 本研究成果は、米国物理協会（AIP）の科学誌「APL materials」誌の「Editor’s Pick」に選ばれ、2019年7月31日（北米時間）にオンライン公開されました。
プレスリリース本文（PDF)
 

【参考画像】点状に励起*9された結晶が発光する様子を撮影した図。
(a)色を選別するフィルタを用いない場合、(b)橙色（結晶を透過できる波長）の光だけを通すフィルタを用いた場合、(c)緑色（結晶に吸収される波長）の光だけを通すフィルタを用いた場合。
 
論文情報：
“Internal quantum efficiency of radiation in a bulk CH₃NH₃PbBr₃ perovskite crystal quantified by using the omnidirectional photoluminescence spectroscopy”
Kazunobu Kojima, Ken-ichiro Ikemura, Kouhei Matsumori, Yasuhiro Yamada, Yoshihiko Kanemitsu, and Shigefusa F. Chichibu
APL materials, 7, 071116 (2019)
DOI: 10.1063/1.5110652
APL Materials, Editor’s Pick

関連リンク：
量子光エレクトロニクス研究分野（秩父研究室）
物質・デバイス領域共同研究拠点
千葉大学
京都大学
東北大学