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ビジョン
ペロブスカイト太陽電池の性能向上は目覚ましい一方で、有毒な鉛を含み、かつ水に溶け出しやすいといった問題があります。ペロブスカイト太陽電池と同様に塗布プロセス可能・フレキシブルな有機太陽電池も有力ですが、合成の都合上高価になりやすいことや酸素耐性の問題があります。これらの問題に対応するため、塗布プロセスで作製可能なビスマス(Bi)・アンチモン(Sb)系光電変換材料を開発することで、身近なデッドスペースを利用した光電変換の新市場開拓を目指します。また、提案者が独自開発した『波長センシング』可能な光電変換デバイスにより、エネルギー変換だけでなく光・イメージセンシング業界にも革新を起こします。
最終用途例
MARKET
メガソーラーのような大型発電施設ではなく、薄膜ならではの都市や身の回りのデッドスペースを活用するためのデバイス需要を狙います。
IMPLEMENTATION
年々、有害物質の環境への排出規制や、社会からの風当りは厳しくなっています。長期的に社会に親和する光電変換材料を創成します。
APPLICATION
工場のIoT化に伴い、製造ラインをモニタリングするイメージセンサーやカラーセンサーを、高解像度化あるいはコンパクト化する新原理の光電変換デバイスです。
MARKET
近年、工場の製造設備およびデータ収集の自動化が多くのメーカーで検討されており、今後マーケットの大幅拡大が予想されます。
IMPLEMENTATION
液晶フィルターを使わずに1セル多色検出ができれば、デバイスの薄膜化・コンパクト化により、製造ラインの微細な箇所への導入が容易になります。
強み
BiやSbは鉛に比べ大幅に低毒であり、例えば致死量は鉛の1/6程度です。また、塗布プロセスで作れるため鉛ペロブスカイトと同様の価格（シリコンの1/5~1/3程度）と予想されます。また、材料の化学結合の性質上、高い耐水性が期待されます。
Bi,Sb系材料の問題は、効率が低いことです。従来注目されてきたBi,Sbハロゲン化物材料は理論物性において、根本的に鉛ペロブスカイト材料に劣っていました。そこで、再度材料構造の選定に立ち戻り、鉛ペロブスカイトと類似の優れた特長である”直接遷移型バンド構造”を有する新物質に注目しました。
テクノロジー
本研究で注目する擬ペロブスカイトは、組成に硫黄とハロゲンを含む”複合アニオン型物質”という、材料群としては非常に新しいものです。ゆえに、高品質に作る合成・成膜プロセスがありませんでした。太陽電池の性能は、材料の品質（結晶性や純度、ラフネスなど）に強く影響され、ポテンシャルがある材料でもプロセスが悪いと性能が全く出ません。これを解決するため、気固相反応を用いた高結晶化プロセスを開発しました。これにより、モデル物質として用いたSbSIにおいて、結晶粒径、および光誘起伝導度（太陽電池性能に重要な電荷の動きやすさの指標）を従来よりも30倍程度も向上させることに成功しました。
擬ペロブスカイト構造は、優れた太陽電池性能が期待されますが、一方で1次元構造を持つSbSIは非常に特異な機能を示します。それは、光の色によって電圧が変化する”波長応答機能”です。従来の光検出器は、光をあてた時の出力電流から光の強度を検知できます。一方でSbSI光検出器は、光の強度だけでなく、その出力電圧から光の色を読み取れます。これはデバイス内での可逆な光化学反応により引き起こされる全く新しい原理によります。
共同研究仮説
材料やプロセス開発における化学的アプローチは我々の研究の範疇です。一方で、デバイス構造や作製条件の最適化には、様々な検討や知見の蓄積が必要であり、デバイス作製技術を有する企業との共同が重要と考えられます。素材業界やエレクトロニクス業界など、再エネに興味を持たれている企業様との共同が考えられます。
我々はシンプルな単接合型の光電変換デバイスを作成しており、材料の最適化や物性解明を行ってます。一方で、カラーセンサーやイメージセンサーに用いるためのモジュール化技術に関しては、専門的なデバイス加工技術を持つメーカー様との共同が重要と考えられます。
研究者
経歴 2021年～現在：大阪大学大学院工学研究科・助教, 2018~2021年：JSPS特別研究員DC1
主な実績 原著論文40報以上, 応用物理学会M&BE分科会奨励賞(2023年), 井上研究奨励賞(2022年), 応用物理学会講演奨励賞(2021年), プレスリリース3件
Research Map: https://researchmap.jp/rnishikubo
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