相安定·低欠陥ペロブスカイト量子ドット-光物性と光励起キャリアダイナミクスおよび太陽電池への応用-

摘要

バルクのハロゲン化ペロブスカイトABX3 [A=Cs,MA（メチルアンモニウム）,FA（ホルムアミジニウム）,B=Pb,Sn,X=Cl,Br,I]を用いた太陽電池(ペロブスカイト太陽電池)は比較的高い光電変換効率 （最高エネルギー変換効率： 25％以上）が報告されており、大きな注目を集めている。しかし、耐久性向上と更なる高効率化は大きな課題である。一方、量子ドットが従来のバルク材料と比べて、以下のような独特な性質を持つ：（1）量子ドットサイズの制御により光吸収領域と発光領域の制御が可能であること；(2)量子閉じ込め効果により光吸収係数や発光効率が増大すること；（3）量子閉じ込め効果により、光励起状態の緩和時間が長くなり、ホットキャリアの取り出す確率が大きくなり、高効率なホットキャリア太陽電池へ応用できる可能性があること。近年、ハロゲン化ペロブスカイトABX3 量子ドットが発見され、従来の量子ドット系とバルクのハロゲン化ペロブスカイト系より優れた特性と安定性を示すため、大きな注目を集めている。そこで、ハロゲン化ペロブスカイトABX3 量子ドットを高効率な光電変換デバイスへ応用するために、高い結晶性を持つ量子ドットの作製と各種物性に関する基礎研究は不可欠である。そこで、我々が独自な量子ドット作製方法を見出し、ほぼ100%の絶対発光量子収率（溶液中）を有するハロゲン化Pb ペロブスカイト量子ドットの作製に成功した。その一例を図１に示す。また、Sn とPb の混晶ASnxPb_(1-x)X3の量子ドットの作製にもはじめ成功した（図２）3)。バルクのASnxPb_(1-x)X3 膜は空気中で酸化され、結晶構造が変化し、黒い色が黄色に変化するという欠点があり、Sn 系ペロブスカイト太陽電池にはガラス封止が必須であった。驚くべきことにASnxPb_(1-x)X3 を量子ドット化したところ、乾燥空気中で安定性が著しく向上することをはじめて見出した。これらの量子ドット対して、光物性、光励起キャリアダイナミクス（ホットキャリアの緩和、基板への電荷移動）および量子ドット太陽電池デバイスへの応用を系統的に検討したので、本講演でご報告する。