「微量の水」を利用して光の「色」を高速に識別できるフィルターレス薄膜光センサを開発 ―放射光分光が拓く新たなデバイス駆動原理―

2026-08-05 大阪大学,東京大学,東京都立大学

大阪大学、東京大学、東京都立大学の研究グループは、空気中の微量な水分子を利用して光の色(波長)を高速に識別するフィルターレス薄膜光センサの動作原理を世界で初めて解明した。放射光施設でのその場軟X線吸収分光により、水分子がセンサ内部へ浸透して酸化チタン(TiO₂)表面に吸着し、青色~紫外光照射時に光触媒反応を引き起こして出力電圧を変化させる「波長依存光起電力効果(WDPE)」の仕組みを明らかにした。さらに、この知見を基に親水性ポリマー(PSS)を導入して水分子を効率よく保持する構造を設計した結果、色識別の応答時間を従来の約2~4秒から約0.15秒へと10倍以上高速化した。電流で光強度、電圧で光の色を同時に判別できる単一素子を実現しており、カラーフィルターを不要とする小型・高感度・薄型のイメージセンサや産業用カメラ、自動運転、医療機器、さらには太陽電池への応用も期待される。

「微量の水」を利用して光の「色」を高速に識別できるフィルターレス薄膜光センサを開発 ―放射光分光が拓く新たなデバイス駆動原理―
図1:本研究で開発した光検出素子の概要と材料構造

<関連情報>

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Tai Kobayashi, Ryosuke Nishikubo, Yusuke Tomiyori, Fumitaka Ishiwari, Daisuke Asakura, Eiji Hosono, Miho Kitamura, Hisao Kiuchi, Yoshihisa Harada, Akinori Saeki
Advanced Functional Materials  Published: 23 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.76809

ABSTRACT

Color-sensitive photodetectors are at the forefront of next-generation light- and image-sensing research. In this context, a photovoltaic device employing SbSI:Sb2S3 and TiO2 as the visible light absorber and electron transport material, respectively, exhibits a unique wavelength-dependent photovoltage effect and its reversible output in response to changing humidity levels. However, the specific functions of the individual layers of the device and their interaction with water remain largely unknown. In this study, we perform in situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) of thin films under humidity-controlled conditions to reveal the interaction between water and the photovoltaic layers. The oxygen K-edge XAS data reveal the adsorption of water molecules onto TiO2. Ultraviolet (UV) irradiation of TiO2 can trigger photochemical reactions of the adsorbed water at the interface, which is considered to contribute to changes in the photovoltage. Based on this finding, we introduce hydrophilic layers between TiO2 and SbSI:Sb2S3 to promote the accumulation of water in the devices, which successfully enhance both the wavelength sensitivity and response speed. Finally, we demonstrate color recognition with various irradiation intensities, thereby broadening the scope and applications of unique wavelength-responsive single-cell photovoltaics.

0403電子応用
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