「動く原子」が光電流を強くする ― 太陽電池の常識を覆す！温度上昇で増強する新メカニズムを発見 ―（笹川崇男准教授）

東京科学大学（Science Tokyo） 物質理工学院 材料系の村田陵河大学院生（研究当時）と総合研究院 フロンティア材料研究所／自律システム材料学研究センターの笹川崇男准教授は、結晶中で原子が動的に揺らぐ物質において従来の常識を覆す光電変換効果を発見し、新しいメカニズムと物質設計指針を示すことに成功しました。

光を当てるだけで外部から電圧をかけずに電流が取り出せる「バルク光起電力効果（Bulk Photovoltaic Effect: BPVE）」は、従来の太陽電池の効率限界を超える可能性を持つ新しい光電変換現象として注目されています。この効果はこれまで、結晶構造に「反転対称性」がない（非対称な）物質でしか発現しないと考えられてきました。この常識に反する物質として、本研究ではCuCrP2S6(CCPS)を見いだしました。

CCPSは、低温では反転対称性を持たない結晶構造を示すのに対し、室温では結晶全体の平均構造が対称な構造へと変化します。したがって従来の理論では、室温で光電流は消滅するはずでした。しかし実験の結果、室温でも低温相と同様に明瞭な光電流が発生し、その大きさは温度上昇とともに約1.5倍に増強されることも判明しました。

この現象の鍵となるのが、結晶中の銅（Cu）原子の「揺らぎ」です。室温ではCu原子が一つの位置に固定されず、結晶中で複数の位置の間を熱によって激しく移動しています。そのため、時間や空間で平均した結晶全体の構造は対称であっても、光が物質に作用するフェムト秒（1000兆分の1秒）オーダーの瞬間においては、局所的に反転対称性が破れた状態が作り出されていると考えられます。

本研究は、「原子を規則正しく固定する」という従来の材料開発とは逆発想の、「原子の瞬間的な動きを積極的に利用して光電変換を強める」という全く新しい物質設計の可能性を示すものであり、次世代の太陽電池材料開発につながることが期待されます。

本成果は、「Advanced Functional Materials」誌のオンライン版に8月9日付で先行公開されました。