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物性・原理

ナノチューブにおける巨大な光起電力効果を発見 ~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~

 東京大学,国立研究開発法人理化学研究所,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は2019年6月20日,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)との研究グループが,マックスプランク固体研究所 Jurgen Smetグループリーダー,ホロン工科大学 Alla Zak教授,およびワイツマン科学研究所 Reshef Tenne教授との共同研究により,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た,と発表した.本研究は独立行政法人日本学術振興会の科学研究費補助金等の支援を受けて行われ,成果は,英国の学術誌Natureに掲載された(注).

 太陽電池は半導体のp-n接合における光起電力効果を利用しており,その発電効率は理論限界に近い30%前後に達している.しかし,この理論限界は,p-n接合の電位差を用いた発電機構の場合のものである.そもそも光起電力効果は反転対称性の無い物質で誘起される.p-n接合も界面を挟んで異なる物質が繋がっており反転対称性が破れているとみなせる.界面を形成しなくても結晶構造そのものにおける反転対称性が破れていれば光起電力が発生し得る.この現象は界面と区別するためにバルク光起電力効果(Bulk photovoltaic effect, BPVE)と呼ばれ,強誘電体BaTiO3等で半世紀以上前から知られている.しかし,これまで報告されている物質においては変換効率が非常に小さいためBPVEを用いた太陽電池は実用化されていない.一方,理論研究により低次元半導体物質の高い状態密度が高い変換効率を示すことが示唆された.

 研究チームは代表的な2次元物質として,遷移金属カルコゲナイドの一つ,二硫化タングステン(WS2)に着目した.バルクのWS2は二層を一単位とする繰り返し構造になっており反転対称性も持っている.単層を取り出すと完全な反転対称性は破れるが,特定軸の反転など回転の仕方によって元の構造に一致させることができる.しかし,WS2の2次元層を丸めてナノチューブという形にすることにより反転対称性を破ることができる.本研究では,二層WS2,単層WS2,そしてWS2ナノチューブを用いたナノデバイスを作成し,光学顕微鏡の下に置き,He-Neレーザー光をデバイス中央に集光して照射した際の電気応答を調べたところ,WS2ナノチューブのみが有意な光起電力効果を示し,光電流はバルク材料のBVPEの100倍以上だった.ナノチューブへのレーザー光の照射位置が中央付近にある時に光電流が大きく(15nA),電極近くでは減衰していくことから,観測された光起電力がWS2ナノチューブの中で発生しており,電極との界面における光起電力効果でない.さらに,光電流の光強度依存性のデータが,理論的に予測される量子力学的なシフト電流(光照射による電子の波動関数の変化に伴う電子の重心位置のズレに基づく電流)の特徴と類似しており,光電流の起源がシフト電流であることが推測される.今回の研究成果は,ナノチューブ化のみならず,ヘテロ接合,超格子の構築など,さまざま構造制御が可能な2次元物質には,大きな可能性があることを示唆している.本研究成果は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と期待されるとのことである.

(注)Y. J. Zhang, T. Ideue, M. Onga, F. Qin, R. Suzuki, A. Zak, R. Tenne, J. H. Smet & Y. Iwasa , "En-hanced intrinsic photovoltaic effect in tungsten disulfide nanotubes", Nature, Vol.  570, pages349-353 (2019), DOI: 10.1038/s41586-019-1303-3; Published 19 June 2019