理化学研究所らは、有害な鉛を含まないペロブスカイト太陽電池向けの新素材で既存物質を1桁以上上回る光電流を観測したと、2026年6月23日に発表した。
・鉛を使わない新素材で高品質な薄膜の作製に成功
・従来の仕組みが不要な新原理を用い電流発生能力が1桁以上向上
強誘電性ハライドペロブスカイト薄膜への可視光照射による光電流発生の概念図
理化学研究所、東北大学、東京大学、住友化学の共同研究グループは、有害な鉛を含まないペロブスカイト太陽電池の材料として期待されている「ヨウ化ゲルマニウムセシウム（CsGeI3）」を用い、高品質な薄膜の作製に初めて成功した。
ペロブスカイト太陽電池は、現在主流の材料に人体や環境に悪影響を及ぼす恐れがある「鉛」が含まれており、普及に向けて懸念材料となっている。そのため、鉛をスズやゲルマニウムなどに置き換えた「鉛フリー材料」の開発が進められている。
今回の研究で着目したゲルマニウム系材料は、環境に優しいだけでなく、外部から電圧をかけなくても、自然にプラス極とマイナス極ができる「強誘電性」という性質を備えている。この性質を持つ物質は、従来の太陽電池に不可欠な「p-n接合」と呼ばれる複雑な半導体構造がなくても、量子力学的な効果により、光を当てるだけで電気が流れる「シフト電流」という現象を引き起こす。シフト電流は、欠陥や不純物による散乱の影響を受けにくく、超高速で応答するという特徴がある。このため、太陽電池の性能を高める新しい発電原理として期待されているという。
しかし、従来の溶液を塗る手法では、ゲルマニウム系材料で均一な薄膜を作ることが困難だった。そこで研究グループは、独自に開発した「分子線エピタキシー装置」を用いることで、結晶の向きがそろった高品質な薄膜を作製することに成功した。実験の結果、シフト電流の発生を確認し、その性能を示す指数が従来の代表的な物質を1桁以上も上回ることを実証したという。
「分子線エピタキシー装置」で作製したCsGeI3薄膜で観測した光電流応答
研究グループは、実証結果から、強誘電性のハライドペロブスカイトを、次世代光電変換材料の有力な候補であるとしている。今後、薄膜の結晶性や歪み、強誘電ドメイン構造を精密に制御することで、シフト電流の増強や電場による光電流制御が期待できるしている。
参考資料： 理化学研究所
