鉛フリーペロブスカイトで巨大光電流 -強誘電性を活用する環境調和型光電変換材料の実現に道-

2026-06-23 理化学研究所,東北大学,東京大学,住友化学株式会社

理化学研究所、東北大学、東京大学、住友化学の共同研究グループは、鉛を含まない強誘電性ハライドペロブスカイトCsGeI₃薄膜において、可視光領域で既報材料を1桁以上上回る巨大なシフト電流を観測した。研究チームは、独自開発した分子線エピタキシー法により高品質なCsGeI₃エピタキシャル薄膜の作製に成功した。光照射下で無バイアス光電流を測定した結果、光電流の符号反転などシフト電流特有の挙動を確認し、理論計算とも良好に一致した。また、強誘電分極の向きを電場で制御することで光電流が可逆的に変化することを実証し、光電流が強誘電性と密接に関係することを示した。CsGeI₃は鉛フリーで環境負荷が低く、さらに強誘電性と太陽光吸収に適したバンドギャップを兼ね備える。今回観測された巨大シフト電流は電子波動関数の量子幾何学効果に由来し、従来のp-n接合を必要としない新しい光電変換原理として注目される。本成果は、次世代太陽電池、高速光検出器、テラヘルツ光デバイスなどへの応用が期待される。

鉛フリーペロブスカイトで巨大光電流 -強誘電性を活用する環境調和型光電変換材料の実現に道-

強誘電性ハライドペロブスカイト薄膜への可視光照射による光電流発生の概念図

<関連情報>

強誘電性ハロゲン化物ペロブスカイトのシフト電流応答における記録的な高値のグラス係数 Record-high Glass coefficient in the shift current response of a ferroelectric halide perovskite

Koma Miki, Masao Nakamura, Asahi Yamada, +6 , and Masashi Kawasaki
Proceedings of the national Academy of Sciences  Published:June 22, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2602252123

Significance

Shift current is a second-order nonlinear optical effect arising from the change in the quantum geometry of wave functions, and provides a photovoltaic mechanism fundamentally distinct from conventional junction-based photovoltaics. CsGeI3 is a lead-free ferroelectric halide perovskite with an ideal bandgap for solar absorption, yet experimental progress has been hindered by the lack of high-quality thin films. Here, we report epitaxial CsGeI3 thin films grown by molecular beam epitaxy and a gigantic shift current response. The normalized magnitude exceeds prior reports by more than an order of magnitude, establishing ferroelectric halide perovskites as a benchmark platform for quantum-geometry-driven optoelectronics.

Abstract

Ferroelectric halide perovskites provide a fertile platform for optoelectronic functions based on the bulk photovoltaic effect, where broken inversion symmetry couples with quantum geometry of wave functions. The most prominent manifestation is the shift current, second-order nonlinear photocurrent arising from change in the Berry connection during optical transitions. Here we report a gigantic shift current response in epitaxial thin films of a lead-free ferroelectric halide perovskite CsGeI3. High-quality films grown by molecular beam epitaxy exhibit clear hallmarks of shift current, including spectral sign reversals, light-polarization dependence, and reversible electric-field modulation associated with switchable ferroelectric polarization. Remarkably, the normalized shift current magnitude surpasses those ever reported for other compounds by more than an order of magnitude, establishing a benchmark for bulk photovoltaic performance. These results identify ferroelectric halide perovskites as a powerful platform for exploring quantum-geometry-driven photoresponses and open a pathway toward next-generation photovoltaic and nonlinear optoelectronic technologies beyond the conventional junction-based architectures.

0403電子応用
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