鉛フリーのペロブスカイトで巨大光電流 低環境負荷の次世代太陽電池に貢献：太陽光

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、強誘電性を示す鉛フリーハライドペロブスカイトの薄膜を作成し、可視光域での巨大な光電流応答の観測に成功したと発表した。

[スマートジャパン]

　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2026年6月23日、強誘電性を示す鉛フリーハライドペロブスカイトの薄膜を作成し、可視光域での巨大な光電流応答の観測に成功したと発表した。環境負荷の低い次世代太陽電池などを実現する次世代の光電変換材料の開発加速に貢献する成果としている。

　ペロブスカイト構造を持つハロゲン化物（ハライド）を光吸収層とするペロブスカイト太陽電池は、日本発の次世代太陽電池として注目を集めている。現状では鉛（Pb）を含む材料が主要な研究対象となっているが、Pbの環境負荷や人体への毒性が応用上の懸念となっている。そのため、Pbをスズ（Sn）やゲルマニウム（Ge）などの元素で置き換えた、Pbフリーハライドペロブスカイトの研究が進められている。

　中でもGe系ハライドペロブスカイトは、Pbフリーで環境負荷の低減が期待できることに加えて、優れた強誘電性を示すという特徴を持つ。強誘電体のように空間反転対称性が破れた物質では、電子波動関数の量子幾何学効果に由来する「シフト電流」と呼ばれる光電流が発生する。シフト電流は、従来の太陽電池で利用されるp型半導体とn型半導体を接合した構造を必要とせずに発生する光起電力であり、欠陥や不純物による散乱の影響を受けにくく、超高速応答を示すことなどから、太陽電池や光検出器の高性能化につながる新しい光電変換原理として期待されている。

　Ge系ハライドペロブスカイトの一つであるヨウ化ゲルマニウムセシウム（CsGeI3）は、大きな強誘電分極を持つとともに、太陽光吸収に適したバンドギャップを有しており、大きなシフト電流を生む物質として期待されている。しかし、CsGeI3は従来の溶液法では結晶性や均一性に優れた薄膜の作製が難しく、その光電物性はこれまでほとんど明らかにされていなかった。

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　出典：理化学研究所

　今回の研究に先立ち、共同研究グループは、世界でも数少ないハライド薄膜の成長に最適化した分子線エピタキシー装置を独自に開発した。分子線エピタキシーとは、超高真空の清浄な環境下で、成分元素または構成分子を蒸発させて結晶基板上に供給し、基板の結晶方位に揃った結晶薄膜を成長させる手法。特に結晶性の良い半導体などの薄膜作製に適しており、この装置を用いてCsGeI3の薄膜成長を行った。その結果、結晶方位が揃った高品質なエピタキシャル薄膜の作製に初めて成功した。

　作製した薄膜試料に対し光を照射し、外部電圧を加えない条件で発生する光電流（無バイアス光電流）を測定した結果、観測された光電流がシフト電流であることが明らかになったという。

　さらに、CsGeI3薄膜で観測されたシフト電流応答を、これまで報告されている代表的な物質と比較したところ、可視光域で性能指数が既報値を1ケタ以上上回ることが分かった。この結果は、CsGeI3が極めて高いシフト電流発生能を持つことを示すものであり、強誘電性ハライドペロブスカイトが次世代光電変換材料の有力な候補であることを明らかにしたとしている。

　今後、薄膜の結晶性、ひずみ、強誘電ドメイン構造を精密に制御することで、シフト電流のさらなる増強や電場による光電流制御も期待できるという。また、鉛を含まない環境調和型材料として、次世代太陽電池、次世代高速通信用光検出器、テラヘルツ帯高速光電変換デバイス、非線形光学素子への応用展開が期待されるとした。