ナノチューブにおける巨大な光起電力効果を発見

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量子力学的な原理に基づく次世代太陽電池・光検出器実現の可能性

2019-06-20 東京大学,理化学研究所,マックスプランク固体研究所,ホロン工科大学,ワイツマン科学研究所

1.発表者:
 張 奕勁 (マックスプランク固体研究所 研究員:現在/大阪大学産業科学研究所 学振特別 研究員:研究当時)
井手上敏也 (東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター・ 物理工学専攻 助教)
恩河 大 (東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻 博士課程 3 年)
秦 峰 (東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻 博士課程 3 年)
鈴木 龍二 (東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻 博士課程 3 年:研究当時)
Alla Zak (ホロン工科大学 教授)
Reshef Tenne(ワイツマン科学研究所 教授)
Jurgen Smet (マックスプランク固体研究所 グループリーダー)
岩佐 義宏 (東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター・ 物理工学専攻 教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター 創発デバ イス研究チーム チームリーダー)

2.発表のポイント:
◆真性半導体の二硫化タングステン(WS2)ナノチューブにおいて室温で巨大な光起電力効果 を発見した。
◆2 次元物質を平面二層構造、単層構造、さらに丸めたチューブ構造というように構造制御し、 同時に対称性を低下させることが、光電変換効率の向上に決定的な役割を果たすことを確認 した。
◆新しい量子力学的原理に基づく発電材料、光検出器への応用につながることが期待される。

3.発表概要:
東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻の岩佐義宏教授(理化学研究所 創発物性科 学研究センター 創発デバイス研究チーム チームリーダー兼任)らと大阪大学 産業科学研 究所量子システム創成研究分野の張奕勁学振特別研究員(現マックスプランク固体研究所研究 員)との研究グループは、マックスプランク固体研究所の Jurgen Smet グループリーダー、ホ ロン工科大学の Alla Zak 教授、およびワイツマン科学研究所の Reshef Tenne 教授の共同研究 により、2 次元物質遷移金属カルコゲナイドの結晶構造対称性を制御することで大きな光起電 力効果が出現することを明らかにしました。
太陽電池の動作原理にもなっている光起電力は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する 効果です。従来の太陽電池には p-n 接合等の界面で発生する光起電力効果が用いられてきまし たが、一部の物質では界面に依らないバルク光起電力効果(Bulk photovoltaic effect, BPVE) が発生します。界面における光起電力の効率が理論限界に近付きつつある昨今、新たな基礎原 理として BPVE が注目されています。
本研究グループは、2 次元物質として注目されている遷移金属カルコゲナイドの一つである 二硫化タングステン(WS2)に着目しました。さまざまな結晶構造を持つ WS2材料のナノデバ イスにおける BPVE 効果を測定し、2 次元シートをチューブ状に丸めた WS2ナノチューブに おいて BPVE 効果が大幅に増幅されること発見しました。ナノ物質において BPVE が観測さ れたのはこれが初めてです。また、既存のバルク物質よりも効果が大きいことを示唆する結果 も確認されました。これらの結果は、結晶構造とりわけその対称性の制御が変換効率の増幅に 大きな役割を果たし、また次世代の太陽電池材料として 2 次元物質を基本とするナノ物質が非 常に有効であることを示唆しています。
本研究成果は、英国の学術雑誌『Nature』(英国時間:6月19日号)に掲載されました。

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