太陽電池応用のための強誘電体の構造・物性制御

本年度はまず，BiFeO3(BFO)エピタキシャル薄膜における，バルク光起電力（BPV）効果とドメイン壁光起電力（DW-PV）効果の定量評価に着手した．製膜はPLD法により行ない，異なる方位に微傾斜を有するSrTiO3 (STO)(001)単結晶基板を用いることで，シングルドメイン（SD）とマルチドメイン（MD）構造のBFO薄膜を作製した．光照射下電流密度－電圧特性評価の結果，光子エネルギーhν = 3.1 eVにおいて，BFO(SD)は短絡電流密度Jsc = 17 μA/cm2，開放電圧Voc = 4.2 Vを示したのに対し，BFO(MD)はJsc = 180 μA/cm2，開放電圧Voc=7.7 Vを発現し，マルチドメイン化によって光応答が増大することが示された．さらに，Jscの偏光依存性を定量的に解析した結果，MD試料の光応答はBPV効果から予想される光応答を大きく上回ることが明らかになった．以上のように本研究では，BFOのドメイン壁においてBPVを凌駕する光起電力が発現することを定量的に実証した．さらに，MnドーピングによるBFOの可視光下光起電力効果の増強に取り組んだ．Mn 5 %-doped BFO(SD)薄膜とBFO(SD)薄膜の光起電力特性の波長依存性を調査し，hνがバンドギャップ幅（Eg）よりも小さい長波長における光応答が，Mnドープによって大幅に増強されることを明らかにした． 実験および密度汎関数理論計算結果から，Mnドーピングによりバンドギャップ内に欠陥準位が形成され，この準位を介したキャリア励起が，hν < Eg における光起電力増強の起源であることを明らかにした．本研究により，ドメイン構造制御およびバンド構造制御に基づいた，可視光下における強誘電体PV効果増強に向けた材料設計指針が示された．

本年度はまず，BiFeO3(BFO)エピタキシャル薄膜における，バルク光起電力（BPV）効果とドメイン壁光起電力（DW-PV）効果の定量評価に着手した．製膜はPLD法により行ない，異なる方位に微傾斜を有するSrTiO3 (STO)(001)単結晶基板を用いることで，シングルドメイン（SD）とマルチドメイン（MD）構造のBFO薄膜を作製した．光照射下電流密度－電圧特性評価の結果，光子エネルギーhν = 3.1 eVにおいて，BFO(SD)は短絡電流密度Jsc = 17 μA/cm2，開放電圧Voc = 4.2 Vを示したのに対し，BFO(MD)はJsc = 180 μA/cm2，開放電圧Voc=7.7 Vを発現し，マルチドメイン化によって光応答が増大することが示された．さらに，Jscの偏光依存性を定量的に解析した結果，MD試料の光応答はBPV効果から予想される光応答を大きく上回ることが明らかになった．以上のように本研究では，BFOのドメイン壁においてBPVを凌駕する光起電力が発現することを定量的に実証した．さらに，MnドーピングによるBFOの可視光下光起電力効果の増強に取り組んだ．Mn 5 %-doped BFO(SD)薄膜とBFO(SD)薄膜の光起電力特性の波長依存性を調査し，hνがバンドギャップ幅（Eg）よりも小さい長波長における光応答が，Mnドープによって大幅に増強されることを明らかにした． 実験および密度汎関数理論計算結果から，Mnドーピングによりバンドギャップ内に欠陥準位が形成され，この準位を介したキャリア励起が，hν < Eg における光起電力増強の起源であることを明らかにした．本研究により，ドメイン構造制御およびバンド構造制御に基づいた，可視光下における強誘電体PV効果増強に向けた材料設計指針が示された．